工程思維是科學(xué)教育的一個(gè)重要目標(biāo)，每一冊(cè)教材中都有單元將工程學(xué)習(xí)列入單元學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)。但當(dāng)下科學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)大多仍是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)方式只能讓學(xué)生以固有的思維去證明實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，難以發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性。在“船的研究”單元教學(xué)中，我們嘗試在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透對(duì)學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，扭轉(zhuǎn)理論和實(shí)踐脫離、操作和創(chuàng)新分離、技術(shù)與科學(xué)背離等傾向。

一、把握工程思維特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力

工程是既要基于科學(xué)和技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題，又要考慮省時(shí)、省材、合理、可靠、美觀等多方面要求的復(fù)雜過(guò)程。它的操作過(guò)程是先指定某個(gè)目標(biāo)，再按照工程的一般規(guī)范和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則投入生產(chǎn)和制造，最后以產(chǎn)品的形式作為工程的結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)和建設(shè)。工程思維具有系統(tǒng)性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性、跨學(xué)科性等特點(diǎn)，科學(xué)教師要牢牢地把握這些特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

1.系統(tǒng)性——培養(yǎng)分析權(quán)衡的能力

工程設(shè)計(jì)的一般步驟是先讓學(xué)生對(duì)某一具體情境或某一環(huán)節(jié)中的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行具體分析，得出解決問(wèn)題的辦法，再利用模型建構(gòu)等方式開(kāi)展設(shè)計(jì)活動(dòng)。在工程整體設(shè)計(jì)中，學(xué)生既要考慮各個(gè)因素之間相互制約的關(guān)系，也要明確各項(xiàng)因素權(quán)衡的側(cè)重點(diǎn)。

在本單元中，學(xué)生需要系統(tǒng)性地考慮各種問(wèn)題或限制，例如，船體多大比較合適？船型如何設(shè)計(jì)可以減少阻力？船體用什么材料？如何提高載重量和穩(wěn)定性？選擇什么作為動(dòng)力？等等。在設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題之間是相互關(guān)聯(lián)制約的，需要綜合考量、系統(tǒng)分析。例如，如何在不改變大小的情況下提高載重量？安裝了動(dòng)力系統(tǒng)后是否需要考慮它本身的重量？改變船的形狀是否會(huì)影響船的穩(wěn)定性？等等。

通過(guò)思考這些問(wèn)題，學(xué)生鍛煉了系統(tǒng)分析能力和工程思維中的權(quán)衡能力，這不僅有助于提升他們的學(xué)習(xí)能力，而且提高了他們解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.設(shè)計(jì)性——培養(yǎng)迭代優(yōu)化的能力

工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)決定了工程能否順利實(shí)施，包括工程的目標(biāo)、工程的流程、工程中所遇到的問(wèn)題、工程的細(xì)節(jié)等，充分體現(xiàn)了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造能力。在工程實(shí)踐中，學(xué)生會(huì)不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、改進(jìn)設(shè)計(jì)、解決問(wèn)題，體會(huì)設(shè)計(jì)的重要性。

例如，在《設(shè)計(jì)我們的小船》一課中，學(xué)生在初期的設(shè)計(jì)往往是簡(jiǎn)單的，而經(jīng)過(guò)多輪頭腦風(fēng)暴后，他們發(fā)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)完全不能用于實(shí)踐。因此，學(xué)生改進(jìn)設(shè)計(jì)，將船的動(dòng)力系統(tǒng)、船的尺寸、船的裝飾等一步一步地增加到設(shè)計(jì)圖中（如圖1），最終完成設(shè)計(jì)。

在“再設(shè)計(jì)”的過(guò)程中，學(xué)生需要聚焦關(guān)鍵問(wèn)題，看到自身的不足，針對(duì)問(wèn)題能夠進(jìn)行反思。只有經(jīng)過(guò)一次一次的迭代，學(xué)生才能設(shè)計(jì)出更精良的小船。

3.實(shí)踐性——培養(yǎng)動(dòng)手動(dòng)腦的能力

離開(kāi)了實(shí)踐，設(shè)計(jì)就是紙上談兵。工程思維的培養(yǎng)要基于工程實(shí)踐，而實(shí)踐是檢驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在課堂上，學(xué)生可以通過(guò)制作產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，這也是工程實(shí)踐的最終目標(biāo)。

例如，本單元最后一課《制作與測(cè)試我們的小船》就是一節(jié)實(shí)踐課，課上學(xué)生將前面所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，為單元的學(xué)習(xí)畫上完美的句號(hào)。學(xué)生通過(guò)對(duì)照設(shè)計(jì)圖制作自己的小船（如圖2），體會(huì)到了工程實(shí)踐帶來(lái)的樂(lè)趣和成就感。

在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生深刻地體會(huì)到了技術(shù)對(duì)工程實(shí)施的重要性，也感受到了完成工程后的喜悅。在解決具體問(wèn)題的過(guò)程中，他們絞盡腦汁，將自己的創(chuàng)新能力發(fā)揮到了極致，通過(guò)不斷地完善讓作品更加優(yōu)秀。

4.跨學(xué)科性——培養(yǎng)知識(shí)融合的能力

以工程思維的形成來(lái)描述技術(shù)與工程類實(shí)驗(yàn)課的目標(biāo)是最合理的，它啟示我們技術(shù)與工程類實(shí)驗(yàn)不能只局限于運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和設(shè)計(jì)能力，而要更多地結(jié)合STEM教育，整合多學(xué)科知識(shí)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的融合。

例如，在設(shè)計(jì)小船的過(guò)程中，學(xué)生不僅需要知道如何使小船浮起來(lái)、如何增加船的載重量、使用什么樣的材料最合適、用什么形狀能減少阻力等知識(shí)，還需要結(jié)合美術(shù)知識(shí)，讓設(shè)計(jì)圖看上去更美觀，更需要融入數(shù)學(xué)知識(shí)，在比例格內(nèi)按尺寸畫出小船的大小，計(jì)算出小船的面積、體積與載重量。通過(guò)運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，學(xué)生能更好地將工程思維與探究性實(shí)驗(yàn)結(jié)合，將各科知識(shí)與生活實(shí)踐結(jié)合，使科學(xué)探究具有實(shí)踐意義。

工程思維的滲透要立足于真實(shí)的問(wèn)題、學(xué)生的需求、感性的認(rèn)識(shí)、思維的喚醒。只有讓學(xué)生切實(shí)解決生活中的問(wèn)題，產(chǎn)生探究的欲望，在感受中尋找到樂(lè)趣，將自己的思維活力激發(fā)出來(lái)，基于工程思維的小學(xué)科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)才有味道。

二、直擊工程素養(yǎng)目標(biāo)，塑造特色實(shí)驗(yàn)課堂

1.調(diào)整目標(biāo)，以核心素養(yǎng)引領(lǐng)工程活動(dòng)

核心素養(yǎng)是對(duì)科學(xué)素養(yǎng)的進(jìn)一步深化，凸顯科學(xué)學(xué)科的本質(zhì)和育人價(jià)值。教師要立足課程標(biāo)準(zhǔn)要求、教學(xué)目的和學(xué)生的實(shí)際情況，預(yù)設(shè)工程實(shí)踐活動(dòng)。在每個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)，學(xué)生的具體目標(biāo)都應(yīng)體現(xiàn)一定的工程素養(yǎng)，最后才能進(jìn)一步整合成指向工程素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)（見(jiàn)表1）。

單元學(xué)習(xí)以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為主體，不斷展開(kāi)，不斷深入挖掘，直到完成目標(biāo)。例如，本單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)非常明確——制作小船。學(xué)生在探究的過(guò)程中一旦明確了評(píng)價(jià)要求，就會(huì)按照評(píng)價(jià)目標(biāo)設(shè)計(jì)自己的小船。評(píng)價(jià)要求推動(dòng)了學(xué)生的思維發(fā)展，要求他們通過(guò)合作，細(xì)心地設(shè)計(jì)、完善方案。學(xué)生在達(dá)成科學(xué)素養(yǎng)目標(biāo)的過(guò)程中發(fā)展了工程思維。

教師要著眼學(xué)生的長(zhǎng)期發(fā)展，培養(yǎng)他們解決復(fù)雜問(wèn)題的工程思維，切實(shí)引導(dǎo)他們積極參與多維的設(shè)計(jì)活動(dòng)，從而提升他們的工程思維能力。通過(guò)參加融合工程思維的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生了解了工程思維形成的過(guò)程，在以后的學(xué)習(xí)生活中更敢于嘗試解決問(wèn)題，通過(guò)協(xié)同合作理性地分析問(wèn)題，尋找最適合的解決方案。

2.轉(zhuǎn)換認(rèn)知，以任務(wù)重構(gòu)科學(xué)概念

基于工程思維培養(yǎng)的教學(xué)是一個(gè)以任務(wù)重構(gòu)科學(xué)概念的過(guò)程。在舊教材中，教師以研究物體在水中的沉浮為起點(diǎn)，讓學(xué)生在已有概念的支撐下，以“造一艘船”的活動(dòng)匆忙結(jié)束。而在新教材中，教師更多地以活動(dòng)為主體，用活動(dòng)架構(gòu)整個(gè)單元的內(nèi)容。

例如，學(xué)生從具體材料（木頭、橡皮泥、鐵制品等）和限制條件（載重量、小船行駛方向、小船的穩(wěn)定性等）等方面解決制作小船的困難。在工程建造的過(guò)程中，教師可以看出學(xué)生整個(gè)認(rèn)知過(guò)程的變化，其思維是動(dòng)態(tài)進(jìn)階的。學(xué)生通過(guò)再設(shè)計(jì)和再制作，不斷修正自己的概念，從而構(gòu)建正確的科學(xué)概念（如圖3）。

3.優(yōu)化路徑，以立體研討實(shí)現(xiàn)課程架構(gòu)

在以往“技術(shù)與工程”的教學(xué)中，師生通常在40分鐘內(nèi)完成整個(gè)工程環(huán)節(jié)。而新教材把“制作小船”當(dāng)成一個(gè)單元框架，優(yōu)化設(shè)計(jì)制作活動(dòng)的路徑，對(duì)技術(shù)與工程領(lǐng)域進(jìn)行整體構(gòu)建，形成有層次、有聯(lián)系的單元活動(dòng)體系（如圖4）。

在課堂上，只靠單個(gè)小組難以完成工程任務(wù)，學(xué)生需要交流互動(dòng)、分享經(jīng)驗(yàn)、交換觀點(diǎn)，對(duì)探究實(shí)踐過(guò)程中的各種信息進(jìn)行深度加工處理。從組內(nèi)制訂目標(biāo)到組內(nèi)交流設(shè)計(jì)圖，從向全班學(xué)生展示模型到小組間商討存在的問(wèn)題，學(xué)生在展示交流的過(guò)程中評(píng)價(jià)和反思。在生生互動(dòng)、師生互動(dòng)的過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷了“頭腦風(fēng)暴—自我反思—聽(tīng)取建議”的研討過(guò)程，逐步架構(gòu)知識(shí)框架。

在思維碰撞的過(guò)程中，教師會(huì)沿著“討論、設(shè)計(jì)、制作、再討論、再設(shè)計(jì)、再制作”的路徑，實(shí)現(xiàn)課程化的內(nèi)容架構(gòu)，把課程內(nèi)容當(dāng)成一個(gè)小項(xiàng)目、小工程，從而有充足的時(shí)間在科學(xué)課堂上將工程思維滲透給學(xué)生。

三、運(yùn)用工程思維方法，融入科學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂

本單元是典型的工程單元，它將制作小船時(shí)所涉及的知識(shí)貫穿在整個(gè)大單元框架中，將工程思維與核心素養(yǎng)要求滲透在每一課的教學(xué)中，在潛移默化、循序漸進(jìn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生工程思維的培養(yǎng)。

依據(jù)造船的要求展開(kāi)研究，學(xué)生需要根據(jù)成本預(yù)算設(shè)計(jì)圖紙，并參照?qǐng)D紙建模、再設(shè)計(jì)、再測(cè)試，在真實(shí)的情境中運(yùn)用工程思維、新工具和新技術(shù)來(lái)完成實(shí)踐任務(wù)。通過(guò)層層遞進(jìn)、不斷深入的活動(dòng)，學(xué)生的工程思維逐步形成，培養(yǎng)了核心素養(yǎng)。

1.巧妙引導(dǎo)，啟發(fā)思維

工程活動(dòng)起于思考，要點(diǎn)包括理念、要素、設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)。每一個(gè)工程的開(kāi)展都離不開(kāi)它的核心理念，而核心理念直接決定了工程實(shí)施的方向。工程基于理念創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，將會(huì)事半功倍。

（1）問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，明確任務(wù)

在本單元的起始課上，學(xué)生已經(jīng)了解、認(rèn)識(shí)了船的歷史。教師提出“船的發(fā)展過(guò)程中有什么變化？”“怎樣讓獨(dú)木舟保持穩(wěn)定？”“怎樣減小船的阻力？”這三個(gè)問(wèn)題，將科學(xué)和工程問(wèn)題有效結(jié)合在一起，讓學(xué)生將零碎的知識(shí)變成聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐操作。教師要以發(fā)展學(xué)生工程思維為出發(fā)點(diǎn)，使活動(dòng)契合他們的認(rèn)知起點(diǎn)、學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)思維困惑、科學(xué)發(fā)展空間。

（2）合理引導(dǎo)，自主探究

學(xué)生遇到棘手問(wèn)題時(shí)，自我處理能力相對(duì)較弱，教師應(yīng)當(dāng)合理引導(dǎo)，為他們創(chuàng)造一個(gè)敢于思考、易于思考、自主思考的學(xué)習(xí)空間。在引導(dǎo)過(guò)程中，教師應(yīng)結(jié)合本單元所學(xué)知識(shí)和學(xué)生的已有認(rèn)知來(lái)開(kāi)展活動(dòng)。如在《設(shè)計(jì)我們的小船》一課中，教師可以通過(guò)3種引導(dǎo)方式讓學(xué)生設(shè)計(jì)小船（見(jiàn)表2）。

從表2中可以看出，引導(dǎo)方式1和引導(dǎo)方式2是簡(jiǎn)單的指導(dǎo)性過(guò)渡，大大限制了學(xué)生的思維。引導(dǎo)方式3中，教師在學(xué)生開(kāi)始設(shè)計(jì)前就梳理了整個(gè)實(shí)踐活動(dòng)中的注意點(diǎn)，讓他們圍繞材料、載重量、穩(wěn)定性、動(dòng)力系統(tǒng)等角度開(kāi)展自主探究，尋找解決問(wèn)題的辦法。相對(duì)而言，引導(dǎo)方式3更有利于學(xué)生的自我發(fā)展，培養(yǎng)他們的自主思考能力。

（3）適時(shí)設(shè)問(wèn)，思維介入

課程標(biāo)準(zhǔn)指出，科學(xué)探究是科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方式。五年級(jí)學(xué)生已有了一定的思維能力，能運(yùn)用簡(jiǎn)單的方式記錄實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。但工程設(shè)計(jì)圖不只是感性認(rèn)知層面的繪畫，更多的是將理性層面的數(shù)據(jù)和圖示等內(nèi)容體現(xiàn)出來(lái)，它需要學(xué)生把握工程思維的特點(diǎn)，讓工程項(xiàng)目更具籌劃性、系統(tǒng)性、可靠性、科學(xué)性和實(shí)踐性（見(jiàn)表3）。

在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)更多地考慮載重量，但如何讓動(dòng)力系統(tǒng)與穩(wěn)定性和諧統(tǒng)一才是一個(gè)難點(diǎn)。此時(shí)，教師需要及時(shí)提問(wèn)（如何安裝小船的動(dòng)力系統(tǒng)、安裝在哪里才能保證小船的穩(wěn)定性、動(dòng)力朝向哪個(gè)方向才能使小船穩(wěn)定前行等），促進(jìn)學(xué)生去考慮動(dòng)力安裝的位置和角度等。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)階思維

工程技術(shù)有一個(gè)過(guò)程：從問(wèn)題到方案設(shè)計(jì)，初次測(cè)試，修改完善，再測(cè)試，最后形成成品。可以說(shuō)，工程技術(shù)的核心是自我完善的過(guò)程。

例如，在各組初步完成小船的制作后，學(xué)生對(duì)載重量進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)評(píng)價(jià)要求，載重量要大于200克才算達(dá)標(biāo)，但許多小組在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法體會(huì)到載重量的標(biāo)準(zhǔn)，腦海中無(wú)法形成具象的概念。對(duì)此，教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行梳理后開(kāi)展二次設(shè)計(jì)，甚至多次設(shè)計(jì)。如此反復(fù)操作，學(xué)生對(duì)如何設(shè)計(jì)小船使其承重量大于200克有了一定的意識(shí)，能針對(duì)性地改進(jìn)小船的設(shè)計(jì)。

工程建設(shè)向來(lái)需要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，而再設(shè)計(jì)為技術(shù)與工程領(lǐng)域的教學(xué)打開(kāi)了一扇窗。教師要基于學(xué)生再設(shè)計(jì)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，為他們搭建了有效的“腳手架”，從而促進(jìn)他們工程思維的發(fā)展。

3.落實(shí)評(píng)價(jià)，實(shí)踐優(yōu)化

工程評(píng)價(jià)的主要目的是讓學(xué)生能更好地、更有目的地學(xué)習(xí)和實(shí)踐。當(dāng)學(xué)生的思維中出現(xiàn)新事物時(shí)，教師要及時(shí)采用生生互評(píng)、教師評(píng)價(jià)等方式來(lái)將工程思維完善和深入。這樣，學(xué)生就會(huì)對(duì)自己的作品進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)估，設(shè)想這件作品在使用的過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題；再經(jīng)過(guò)小組討論等方式改進(jìn)作品，完善作品；最后制作出達(dá)到預(yù)期的成果，發(fā)展自身的工程思維能力和實(shí)踐能力。

實(shí)踐中，大多數(shù)小組制作的小船都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些瑕疵：有的小船承重量大，但成本較高；有的小船使用的動(dòng)力較經(jīng)濟(jì)，但行駛距離較短；等等。完成作品后，學(xué)生根據(jù)課前的小船測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，給其他小組的作品評(píng)分。之后，教師根據(jù)每個(gè)小組在整個(gè)項(xiàng)目中的表現(xiàn)，分別給各小組評(píng)分并適時(shí)提出針對(duì)性的建議，及時(shí)幫助他們積累經(jīng)驗(yàn)。

測(cè)試記錄單（見(jiàn)表4）讓學(xué)生可以將自己小組作品的不足全面地記錄下來(lái)，幫助他們優(yōu)化模型。學(xué)生在交流中對(duì)比不同小組的模型，取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)化自己的方案。

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