將工程思維融入實驗教學

〔摘""要〕"在當今這個快速發展的科技時代，培養學生的創新能力和實踐能力已成為教育改革的重要目標。工程思維作為一種系統化的思考方式，強調通過設計、創造和解決問題的過程理解和應用科學知識。將工程思維融入小學科學實驗教學，不僅能夠激發學生的學習興趣，還能幫助他們在實踐中掌握科學原理，培養批判性思維和團隊合作能力。本文旨在探討基于工程思維的小學科學實驗教學的有效策略，分析其在實際教學中的應用現狀及存在的問題，并提出相應的改進建議，以期為小學科學教育的改革與發展提供參考。基于工程思維的教學方法能夠顯著提高學生的學習興趣和科學素養，為小學科學教育的改革提供了新的思路和方向。

〔關鍵詞〕"小學科學；工程思維；實驗教學

〔中圖分類號〕"G424""""""""〔文獻標識碼〕"A"""""〔文章編號〕"1674-6317""（2025）"06""076-078

隨著教育理念的不斷更新，傳統的以教師為中心的教學模式已逐漸無法滿足現代教育的需求。尤其是在科學教育領域，單純的知識傳授已無法激發學生的學習熱情和探索精神。工程思維的引入為科學教育提供了新的視角和方法，使學生能夠在實踐中主動探索、解決問題。小學階段是學生認知發展的關鍵時期，培養他們的工程思維不僅有助于其掌握科學知識，更為他們未來的學習和生活奠定了基礎。因此，研究基于工程思維的小學科學實驗教學具有重要的理論意義和實踐價值。

一、工程思維的概念與特點

（一）工程思維的定義

工程思維是一種系統化的思考方式，強調在設計、創造和解決問題的過程中理解和應用科學與技術的原理。它不僅僅局限于工程領域，而是廣泛適用于科學、技術、工程和數學（STEM）教育。工程思維的核心在于將復雜問題分解為更小的、可管理的部分，通過分析和實驗尋找解決方案。這一過程通常包括識別問題、進行研究、設定目標、設計方案、實施和測試解決方案，以及根據反饋加以改進。

（二）工程思維在教育中的重要性

工程思維在小學科學教育中具有重要的意義，它不僅為學生提供了理解科學原理的框架，還培養了他們解決實際問題的能力。首先，工程思維強調實踐和動手操作，這與科學教育的核心理念高度契合。通過參與實驗和項目，學生能夠在真實的情境中應用科學知識，增強對抽象概念的理解。例如，在進行簡單的物理實驗時，學生不僅學習到力和運動的基本原理，還能通過設計和實施實驗觀察這些原理在現實生活中的應用。這種實踐經驗使學生能夠更深入地理解科學現象，并激發他們的好奇心和探索精神。其次，工程思維鼓勵學生進行批判性思考和創造性解決問題。在科學教育中，學生常常面臨復雜的挑戰，工程思維促使他們從多個角度分析問題，提出多種解決方案，并在實踐中進行驗證和調整。這種思維方式不僅幫助學生在科學實驗中找到最佳解決方案，還培養了他們的創新能力，使他們能夠在未來的學習和生活中靈活應對各種挑戰。此外，工程思維還強調團隊合作和溝通能力。在許多科學項目中，學生需要與同伴合作，共同設計實驗、分工實施和分享結果。這種合作不僅增強了學生的社交技能，還讓他們學會如何在團隊中發揮各自的優勢，互相支持和激勵。通過這種互動，學生能夠更好地理解科學知識的多樣性和復雜性，培養出開放的心態和包容的思維方式。最后，工程思維在小學科學教育中還有助于培養學生的終身學習能力。在快速變化的科技時代，學生需要具備適應新知識和新技術的能力。工程思維的培養使學生在面對未知領域時，能夠保持好奇心和探索精神，主動尋求解決方案。這種能力不僅對他們的學術發展至關重要，也為他們未來的職業生涯奠定了基礎。由此可見，工程思維在小學科學教育中扮演著不可或缺的角色，它通過實踐、批判性思考、團隊合作和終身學習的培養，幫助學生全面發展，激發其科學興趣和創新潛力，為他們未來的學習和生活打下堅實的基礎。

二、工程思維在科學實驗中的應用現狀

工程思維在小學科學實驗中的應用逐漸受到重視，許多學校開始嘗試將其融入科學教學中，以培養學生的實踐能力和創新思維。然而，盡管有一些積極的嘗試，實際應用中仍然存在諸多問題。首先，許多教師在實施工程思維時缺乏足夠的培訓和指導，導致他們對工程思維的理解和應用不夠深入。教師往往依賴傳統的教學方法，缺乏將工程思維有效融入實驗設計和實施的能力，這使學生在實驗過程中無法充分體驗到工程思維的核心要素，如問題解決、設計思考和迭代改進。其次，實驗資源的不足也是一個顯著的問題。許多學校尤其是農村和偏遠地區的學校，缺乏必要的實驗設備和材料，限制了學生動手實驗的機會。在這種情況下，教師往往只能采用簡單的演示實驗，無法讓學生真正參與到實驗設計和實施中，從而削弱了工程思維的培養效果。此外，學生的參與度和積極性也受到影響。由于傳統教學模式的影響，許多學生在科學實驗中仍然處于被動接受知識的狀態，缺乏主動探索和實踐的機會。這種被動學習的方式不僅降低了學生的興趣，也使他們難以培養出獨立思考和解決問題的能力。工程思維的有效培養需要學生在實驗中主動參與、積極思考，而不是僅僅依賴教師的指導。最后，評估機制的缺乏也是一個亟待解決的問題。目前，許多學校在評估學生的科學實驗能力時，仍然側重于知識的記憶和理解，而忽視了對學生工程思維能力的評估。這種單一的評估方式無法全面反映學生在實驗中的表現和成長，導致教師在教學中難以有針對性地調整教學策略。

三、基于工程思維的小學科學實驗教學設計

（一）教學目標的設定

在基于工程思維的小學科學實驗教學設計中，設定教學目標是確保學生能夠有效參與和學習的關鍵環節。首先，教學目標應明確涵蓋知識、技能和態度三個方面。例如，在進行“火山噴發”實驗時，知識目標可以是讓學生理解火山的構造及其噴發原理；技能目標則是培養學生的實驗設計能力和數據記錄能力；而態度目標則可以是激發學生對科學探索的興趣和培養其團隊合作的精神。通過這樣的多維度目標設定，教師能夠確保學生在實驗中不僅獲得科學知識，還能提升實踐能力和合作意識。其次，教學目標應具有可測量性和可實現性。以“植物生長實驗”為例，教師可以設定具體的目標，如“學生能夠設計一個實驗來比較不同光照條件下植物的生長情況，并記錄生長高度的變化”。這樣的目標不僅明確了學生需要完成的任務，還為后續的評估提供了依據。教師可以通過觀察學生的實驗過程、記錄數據以及最終的實驗報告評估他們是否實現了設定的目標。此外，教學目標還應與學生的實際生活和興趣相結合，以增強學習的相關性和趣味性。例如，在進行“水循環”實驗時，教師可以設定目標為“學生能夠通過實驗觀察水的蒸發、凝結和降水過程，并能夠將其與日常生活中的水循環現象聯系起來”。這樣的目標不僅能幫助學生理解科學原理，還能讓他們意識到科學與生活的緊密聯系，從而激發他們的學習動機。由此可見，在基于工程思維的小學科學實驗教學設計中，設定教學目標時應關注知識、技能和態度的全面發展，確保目標的可測量性和可實現性，結合學生的生活實際和興趣，并考慮個體差異。通過這樣的目標設定，教師能夠有效引導學生參與實驗，提升他們的科學素養和實踐能力。

（二）教學內容的選擇

在基于工程思維的小學科學實驗教學設計中，選擇合適的教學內容是確保學生能夠有效參與學習和深入理解科學概念的關鍵。首先，教學內容應與學生的生活經驗和興趣緊密相關，以增強學習的吸引力和實用性。例如，在教授“力與運動”這一主題時，教師可以選擇與學生日常生活密切相關的內容，例如滑梯的設計和使用。通過讓學生觀察和討論滑梯的形狀、材料和高度如何影響滑行速度，教師不僅能夠引導學生理解力的作用，還能激發他們的探索欲望。其次，教學內容應具備一定的挑戰性，以促進學生的批判性思維和創造力。以“水的循環”實驗為例，教師可以設計一個項目，讓學生在小組中探討如何模擬水循環的過程。學生可以使用透明的塑料瓶、土壤和植物，觀察水的蒸發、凝結和降水現象。在這個過程中，教師可以引導學生思考不同因素（如溫度、光照）對水循環的影響，從而培養他們的科學探究能力和問題解決能力。此外，選擇的教學內容應具有跨學科的特點，以促進學生的綜合素養。例如，在進行“生態系統”主題的教學時，教師可以結合生物學、地理和環境科學的知識，讓學生了解不同生態系統的組成及其相互關系。通過設計一個小型生態瓶實驗，讓學生可以觀察植物和微生物如何在封閉環境中相互作用，進而理解生態平衡的重要性。這種跨學科的內容選擇不僅豐富了學生的知識面，還幫助他們建立起科學知識之間的聯系。

（三）教學方法與策略

在基于工程思維的小學科學實驗教學設計中，選擇正確的教學方法至關重要，這不僅能有效提升學生的學習興趣，還能促進他們綜合素養的發展。項目式學習、探究式學習和合作學習是三種非常有效的教學方法，它們各自具有獨特的優勢，并且可以相互結合，以實現最佳的教學效果。

第一，項目式學習是一種以學生為中心的教學方法，強調通過實際項目促進學習。在小學科學實驗中，教師可以設計一個與學生生活密切相關的項目，例如“可再生能源的探索”。學生可以分組研究不同類型的可再生能源，如太陽能、風能和水能，并設計一個小型的太陽能車或風力發電機。在這個過程中，學生不僅需要查閱相關資料，了解能源的基本原理，還要進行實驗，測試他們的設計效果。通過項目式學習，學生能夠在實踐中運用科學知識，培養解決問題的能力和創新思維。

第二，探究式學習強調學生通過自主探究以獲取知識。在科學實驗教學中，教師可以引導學生提出問題并進行實驗。例如，在學習“植物生長”這一主題時，學生可以設計自己的實驗，改變不同的變量（如光照強度、土壤類型和水分量），觀察植物的生長情況。通過這種探究式學習，學生不僅能夠深入理解科學原理，還能培養批判性思維和科學探究能力。

第三，合作學習是一種強調團隊合作的教學方法，能夠有效提高學生的社交技能和團隊意識。在科學實驗中，教師可以將學生分成小組，讓他們共同完成一個實驗任務。同時，合作學習也能培養學生的溝通能力和團隊合作精神，這在未來的學習和工作中都是非常重要的素養。

在實際教學中，這三種方法可以靈活結合，以實現更好的教學效果。例如，教師可以首先通過項目式學習引導學生選擇一個感興趣的科學主題，然后在項目實施過程中，鼓勵學生進行探究式學習，提出問題并進行實驗，最后通過合作學習的方式，讓學生在小組中分享他們的發現和成果。這樣的教學設計不僅能夠激發學生的學習興趣，還能幫助他們在實踐中掌握科學知識，培養綜合素養。

綜上所述，本文圍繞基于工程思維的小學科學實驗教學進行了深入探討，分析了其在當前教育背景下的重要性和應用現狀。通過對工程思維的定義及其核心要素的闡述，明確了將其融入科學實驗教學的必要性。研究表明，工程思維不僅能夠激發學生的學習興趣，還能有效提升他們的實踐能力、創新能力和團隊合作精神。在分析現有教學方法的基礎上，本文提出了項目式學習、探究式學習和合作學習等多種教學策略，強調了這些方法在促進學生主動參與學習和深入理解科學知識方面的有效性。研究也指出了在實際教學中存在的一些問題，如教師培訓不足、實驗資源匱乏、學生參與度低以及評估機制不完善等。這些問題的存在制約了工程思維在小學科學實驗教學中的有效實施。因此，未來的研究和實踐應著重于教師的專業發展、教學資源的優化配置以及評估體系的完善，以確保學生能夠在科學實驗中真正體驗到工程思維的價值。

【本文為2024年度宜興市教育科學規劃專項課題“基于工程思維的小學科學實驗教學創新設計研究”（YX-jsgr/2024/116）的研究成果】

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