史振華

〔摘? ? 要〕? 2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》把“技術(shù)與工程”作為核心概念之一，旨在引導(dǎo)學(xué)生在具體的工程問題中，利用技術(shù)優(yōu)勢解決實(shí)際問題，提升創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。小學(xué)科學(xué)教育愈加重視培養(yǎng)學(xué)生基于問題解決和工程設(shè)計(jì)等的科學(xué)素養(yǎng)，搭建“設(shè)計(jì)—制作”中工程思維的支架，需要從操作同理實(shí)驗(yàn)、拆卸玩具結(jié)構(gòu)、繪制圖示模型、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖幾方面入手，最終促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的提升。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；工程思維；能力

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? （2023）? 13-0004-03

生活是探究的起點(diǎn)。學(xué)生從出生到長大，在自己的生活中接觸了很多玩具和實(shí)物，在潛意識(shí)“玩”的過程中，利用感興趣的材料，開動(dòng)自己的腦筋，在拼裝、搭建和觀察的過程中完成簡單的任務(wù)。因此，學(xué)生是天生的探究者和工程師，具有與生俱來的好奇心和解決問題的意識(shí)。作為科學(xué)教師，要利用學(xué)生善于實(shí)踐的特點(diǎn)，幫助他們?cè)诠こ讨谱髦薪鉀Q實(shí)際問題，更好地認(rèn)識(shí)周圍的世界。

2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》重新定位了1～6年級(jí)科學(xué)課程的性質(zhì)，主要體現(xiàn)在科學(xué)課程的基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性上。課程內(nèi)容新增了技術(shù)與工程領(lǐng)域，說明小學(xué)科學(xué)教育愈加重視培養(yǎng)學(xué)生基于問題解決和工程設(shè)計(jì)等的科學(xué)素養(yǎng)。我們將科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明以及工業(yè)發(fā)展結(jié)合在一起，就能激發(fā)學(xué)生的工程思維，發(fā)揮工程思維在科學(xué)教學(xué)中的重要作用。

工程思維，是在具體的工程任務(wù)情境中，產(chǎn)生問題需求，明確問題，進(jìn)而圍繞這個(gè)問題進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、實(shí)施計(jì)劃、檢驗(yàn)產(chǎn)品、改進(jìn)完善，最后構(gòu)建模型或開發(fā)出產(chǎn)品的一種思維方式。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，有利于學(xué)生利用已有的經(jīng)驗(yàn)和小組合作智慧進(jìn)行意義建構(gòu)，從多方面、多維度培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的策略，從而提升其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，水到渠成地落實(shí)科學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求。

一、操作同理實(shí)驗(yàn)，獲得設(shè)計(jì)啟發(fā)

實(shí)驗(yàn)原理是在大量觀察、實(shí)踐的基礎(chǔ)上，經(jīng)過歸納、概括而得出的。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，探究性實(shí)驗(yàn)的原理是設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)和原點(diǎn)。為此，作為科學(xué)教師，要在設(shè)計(jì)工程技術(shù)任務(wù)的同時(shí)，圍繞工程設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)核心概念所暗含的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行剖析，設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的工程探究任務(wù)群。在改造、設(shè)計(jì)過程中明確工程中所蘊(yùn)含的原理，進(jìn)一步了解生活中的科學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的意識(shí)。在小學(xué)科學(xué)的技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)中，工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)離不開科學(xué)原理的支撐。2021年江蘇省評(píng)優(yōu)課中《安全線的秘密》這一節(jié)課，充分詮釋了科學(xué)原理對(duì)工程技術(shù)的支撐作用。

（一）操作實(shí)驗(yàn)，獲得原理

探究開始后，教師設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：從水平方向吹1片紙條；從2片紙條之間由上往下吹氣。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩片紙條并沒有如猜測的一般向兩邊分開，而是向中間合攏。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象激起學(xué)生的探究欲望，但并沒有理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的原理。教師又演示了吹風(fēng)機(jī)水平吹機(jī)翼模型的實(shí)驗(yàn)，并讓兩位學(xué)生用風(fēng)速計(jì)測量機(jī)翼上下的風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)測得機(jī)翼上下的風(fēng)速不同，上面流速快，下面流速慢，而機(jī)翼在不斷上升。此時(shí)教師出示伯努利原理：等高流動(dòng)時(shí)，流速大，壓力就小。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中觀察了伯努利現(xiàn)象，理解了伯努利原理。

（二）得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)“產(chǎn)品”

學(xué)生根據(jù)伯努利原理得出啟發(fā)：火車快速行駛，火車邊上的空氣快速流動(dòng)，形成壓力差，站臺(tái)上的乘客如果站得近就容易被“吸”進(jìn)軌道。在這個(gè)原理指導(dǎo)下，學(xué)生用吹風(fēng)機(jī)模擬氣流，不斷調(diào)試改進(jìn)“乘客”的安全距離，最終找到模擬站臺(tái)的安全線位置。

二、拆卸玩具，搭建設(shè)計(jì)框架

玩具是學(xué)生生活的伙伴，在玩的同時(shí)能夠產(chǎn)生許多有意義的問題，正是這些問題的出現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)著學(xué)生不斷探索玩具中的奧秘，促進(jìn)動(dòng)手能力的提升。因此，玩具也是一種有意義的探究材料，要充分利用這些材料，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計(jì)方案解決問題，開展深入探究。

（一）拆卸玩具，觀察結(jié)構(gòu)

當(dāng)學(xué)生在玩玩具過程中發(fā)現(xiàn)一系列有待解決的問題后，他們會(huì)潛意識(shí)地把玩具拆開，來了解玩具的構(gòu)造，看看到底是怎么回事。同時(shí)在拆裝玩具的過程中，學(xué)生巧妙利用螺絲刀、起子等簡單機(jī)械，初步體驗(yàn)了完成一個(gè)小項(xiàng)目的快樂。因此，拆解玩具的行為本身就是學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)體系的過程。省評(píng)優(yōu)課中《八音盒》這節(jié)課的教師就是讓學(xué)生通過拆卸、探究玩具，獲得技術(shù)技能。學(xué)生玩八音盒，觀察八音盒發(fā)聲特點(diǎn)，猜測內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后拆卸八音盒，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)八音盒各部件名稱。這樣就幫助學(xué)生利用產(chǎn)品原型建構(gòu)新的經(jīng)驗(yàn)，有利于以后產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)工作，豐富學(xué)生探究的信息，學(xué)習(xí)向深度發(fā)展。

（二）研究原理，設(shè)計(jì)框架

在拆卸玩具的環(huán)節(jié)中，教師指導(dǎo)學(xué)生零部件擺放要“有序細(xì)致、分門別類”，以培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度。然后根據(jù)各零部件的形狀結(jié)構(gòu)研究它們的功能，利用小組頭腦風(fēng)暴法討論發(fā)現(xiàn)八音盒發(fā)出不同音調(diào)的原理。而原理是改造模型的“標(biāo)準(zhǔn)”，學(xué)生要按照這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行分析，規(guī)劃自己的項(xiàng)目活動(dòng)，如設(shè)計(jì)目標(biāo)、改進(jìn)方法等，促進(jìn)學(xué)生有目的地探究。這樣通過“玩—猜—拆—研”，學(xué)生“像工程師一樣”，獲得了知識(shí)和技能，提升了科學(xué)素養(yǎng)。如果有充分的材料，課后做一個(gè)類似八音盒的玩具，學(xué)生也肯定樂意接受。

三、繪制圖示模型，架構(gòu)設(shè)計(jì)思路

學(xué)生在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，最先用到的思維方式便是模型建構(gòu)，而模型建構(gòu)也是科學(xué)思維的一種重要形式。學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中，大多會(huì)利用圖文來表達(dá)自己或小組的思維過程，這實(shí)際上就是一種思維模型建構(gòu)：依據(jù)圖文設(shè)計(jì)，制作模型、修改模型，形成解決問題的思路。如教學(xué)《像工程師那樣——制作空氣凈化器》這一節(jié)課中，教師在學(xué)生明確問題“做一個(gè)空氣凈化器”之后，巧用圖示模型為學(xué)生設(shè)計(jì)思維搭建支架，展示空氣凈化器模型的主要結(jié)構(gòu)：外殼、進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口。學(xué)生觀察模型結(jié)構(gòu)圖后，就對(duì)自己手中的圖紙有了一個(gè)全新的了解，促進(jìn)模型的有效建構(gòu)，為后面制作凈化器架構(gòu)了工程思維，降低了設(shè)計(jì)難度，找到探究的最近發(fā)展區(qū)，為設(shè)計(jì)提供了鋪墊。繪制圖文是一個(gè)展示學(xué)生思維的過程，而修改圖紙則是思維提升的過程。教師要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，幫助其利用已有的經(jīng)驗(yàn)和獲得的信息，圍繞工程目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建構(gòu)模型，促進(jìn)科學(xué)思維能力的提升。

四、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)設(shè)計(jì)思維

科學(xué)的本質(zhì)在于尋找實(shí)證，在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)證性研究的過程中，各種數(shù)據(jù)便是工程設(shè)計(jì)的支撐點(diǎn)。在工程項(xiàng)目實(shí)踐過程中所測試出來的數(shù)據(jù)，能幫助學(xué)生分析、比較，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并通過對(duì)規(guī)律的研究進(jìn)一步修改產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)各種實(shí)用的目的，如提高產(chǎn)量、降低消耗、提高產(chǎn)品性能或者質(zhì)量等。

（一）對(duì)比數(shù)據(jù)，改進(jìn)產(chǎn)品

收集數(shù)據(jù)、對(duì)比數(shù)據(jù)是工程設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)，它能為學(xué)生工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)，有利于改進(jìn)產(chǎn)品。如《制作汽水》這一節(jié)課，教師收集了各小組制作汽水原料小蘇打和檸檬汁的數(shù)量，以及兩者混合后的pH酸堿度。讓學(xué)生歸納分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題：檸檬汁多的pH酸堿度小，小蘇打多的pH酸堿度大。在此基礎(chǔ)上和雪碧的pH酸堿度（3.3）相比，進(jìn)一步改進(jìn)汽水的調(diào)配比例，改善自制汽水的口味，實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。對(duì)比數(shù)據(jù)的首要任務(wù)就是引導(dǎo)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的規(guī)律，通過發(fā)現(xiàn)規(guī)律，促進(jìn)思維發(fā)展。

（二）分析數(shù)據(jù)，優(yōu)化作品

數(shù)據(jù)分析本身就是一項(xiàng)在業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)之間搭建橋梁的工作。收集分析數(shù)據(jù)，可以促進(jìn)學(xué)生工程思維的進(jìn)一步提升，促進(jìn)學(xué)生工程技術(shù)實(shí)踐力的提高。《像工程師那樣——制作空氣凈化器》這節(jié)課，教師引導(dǎo)學(xué)生測量收集各種濾材的凈化效果數(shù)據(jù)，然后形成柱狀圖，分析柱狀圖數(shù)據(jù)，找到過濾效果最佳的濾材。然后啟發(fā)學(xué)生從經(jīng)濟(jì)成本出發(fā)進(jìn)行考慮，從而進(jìn)一步改進(jìn)作品，制作一款效果好、成本低的凈化器。

五、設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖，教給思維方法

為幫助學(xué)生梳理評(píng)價(jià)工程設(shè)計(jì)過程，教師往往啟發(fā)學(xué)生利用思維導(dǎo)圖來展示小組的設(shè)計(jì)過程。在思維導(dǎo)圖中，既有工程核心概念的呈現(xiàn)，又有相關(guān)的層級(jí)概念表現(xiàn)，有利于學(xué)生從整體上思考解決問題的策略。教學(xué)中，學(xué)生可以利用思維導(dǎo)圖知道材料的組成，材料的功能、應(yīng)用。思維導(dǎo)圖通過知識(shí)的層層展開，形成一個(gè)關(guān)于該課程的整體知識(shí)體系框架，能夠形象地展現(xiàn)大腦的發(fā)散性思維，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)課程的全局把握，再結(jié)合實(shí)際進(jìn)行專題訓(xùn)練，很容易形成一個(gè)關(guān)于選材、加工、使用的綜合思維方法。筆者觀看過一節(jié)STEM課程《鐵皮青蛙跳起來的秘密》，學(xué)生經(jīng)歷了“玩—猜—拆—研”的環(huán)節(jié)。學(xué)生拆下鐵皮青蛙各零部件、分門別類擺放好之后，教師指導(dǎo)學(xué)生畫思維導(dǎo)圖，將各零部件的名稱、作用、拓展在思維導(dǎo)圖中展示出來，綜合思維方法，使工程理念不僅僅局限于課堂，而且拓展到生活的各方面。

擁有好的思維是學(xué)生成長成才的關(guān)鍵。現(xiàn)代教育背景下，愈來愈強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。小學(xué)教學(xué)看似很細(xì)微的工作，實(shí)則承載著學(xué)生思維成長的重任。只有很好地把握小學(xué)教學(xué)這一時(shí)機(jī)，工程思維這塊基石才能更好地推動(dòng)學(xué)生成長成才。工程思維能力的形成是一個(gè)循序漸進(jìn)、螺旋遞進(jìn)的過程，教師要啟迪學(xué)生運(yùn)用工程思維，構(gòu)架工程思維的橋梁，交給學(xué)生一把工程思維的金鑰匙，讓他們?nèi)ラ_啟工程實(shí)踐的大門。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社.2022.