新课标下小学科学课工程教学实践研究

钱伟钢 上海市松江区泗泾第五小学

一、小学科学课工程教学面临的挑战

在小学阶段开展工程教育，有助于提高学生关注实际生活中的真实问题，有助于学生积累解决真实问题的经验，提高学生解决真实问题的能力，增强他们工程思维和工程实践的能力。2017 年版小学科学课程标准颁布以后，关于学生工程思维培养、科学课工程教学的研究偶尔可在杂志、网络上看到，但整体而言，工程教育的资源比较稀缺，在一定程度上使得相关教师对小学生工程教育的重视度不够，实施效果不太理想。《义务教育科学课程标准（2022 年版）》（以下简称“新课标”）将“工程与设计”领域的三个主要概念单列出来，将工程教育的重要性提到了新的高度。我国基础教育阶段的工程教育尚处于起步阶段，没有成熟的课程设置与师资配备，也缺乏相对权威可靠的课程资源。尽管教师在教学过程中可能会指导学生进行技术方面内容的学习与应用，但显然没有达到新课标中“技术与工程实践能力”所明确规定的要求，因此对于绝大部分小学科学课教师而言，工程教学内容依然是相对陌生的，这对他们将是一次全新的挑战。

二、小学科学课工程教学流程的设计

（一）小学科学课工程设计过程

小学科学课中的学生工程实践，并不是以要求学生完成工程产品的量为目的，更多的是让学生经历设计到解决方案的多个路径，包括决策、评估、修改、测试和重新测试，也就是要学生经历工程设计的过程。工程设计是运用工程原理和知识去满足一种实际需要的活动，它需要在有明确结果要求的情况下，在寻求解决问题方案的过程中遵循系统的方法，工程设计过程也是工程思维最好的体现与实践。新课标也明确要求学生具有初步的技术与工程实践能力，“知道工程需要经历明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等过程”，这六个要素是工程设计活动的主要阶段，是对工程设计过程的高度概括。根据新课标中关于工程设计活动的要求，制定了小学科学课工程设计过程引导表（见文后表1）。

其中，“学生工程实践具体流程”对应新课标活动要素细化了学生工程设计活动过程，“工程学习目标”根据新课标中课程目标、核心素养学段特征、课程内容、学业质量等关于工程实践过程的具体描述确定，“教师指导建议”则主要根据新课标课程实施教学建议的要求确定。工程设计过程引导表的设计有助于教师了解学生在经历某一工程过程时的具体活动目标，其中工程学习目标是针对小学六年级学生工程实践的最高标准。

（二）学生工程实践流程设计

学生工程实践流程的确定，可以帮助教师引导学生在具体工程实践中遵循结构合理的设计过程，因为它为形成可能的最佳解决方案提供了框架结构，遵守设计过程的行动本身帮助学生建立了解决问题的能力和逻辑。根据新课标中学生工程实践能力目标，结合小学科学课工程设计过程，参考建构主义以及教学模型等相关理论，以螺旋进阶理念，设计了小学科学课学生工程实践流程图（见图1）。流程以新课标工程设计活动要素作为工程活动阶段的划分依据，细化了学生工程实践的具体活动步骤。

图1 学生工程实践流程

熟悉学生工程实践流程，便于教师开展基于教材或自选内容的工程教学设计，并能够基于真实的问题情境，面向全体学生，运用跨学科知识去解决问题，教师能够关注到学生在各阶段中的工程表现，通过表现与作品进行多角度多维度评价。同时，借助学生工程实践流程，教师也能够引导学生在工程实践活动中参与团队合作，不断提升发现问题、解决问题的探究实践能力，重复设计、迭代制作的工程思维能力也能得到锻炼与加强，符合新课标核心素养的具体要求。

三、“有效的隔音墙”教学实例

“有效的隔音墙”一课属于上海远东版教材第五册第五单元《无处不在的声音》中教师自主设计的工程教学内容。该内容是在学生已经初步构建了有关声音的知识体系的基础上开展的，即学生已经通过探究理解了物体振动与物体发声之间的联系，认识了声音的产生与传播、声音的变化和噪声等简单声学现象，了解了基本工程设计的一般过程并经历过简单的工程实践。

学生工程实践的主要过程如下：

（一）明确问题 讨论调研

教师创设真实情境，即学校附近的高速公路跨线桥高峰时汽车通行产生的噪声污染对周围居民产生了一定的困扰，希望能够找到解决问题的方法，从而引发工程需求。学生在组建工程团队以后开展讨论，确定需要解决的是居民的噪声问题。解决的方法很多，如居民在高峰时期带上耳罩、居民楼墙内外加装隔音层等。通过汇总讨论，发现最为合理可行的方案是在高架桥两侧安装隔音效果更好的隔音墙。同时，教师也在这个阶段提供工程活动过程量表，帮助学生明确需要进行的过程性评价以及相应的评定等级。

（二）确定标准 明确约束

教师引导学生思考设计制造“有效的隔音墙”装置会受到的限制，怎样的隔音墙才能达到预期的效果，如何检测，是否能达成设计意图。教师出示了高架桥模型，提供了可供选择的制作材料，包括有机玻璃板、厚纸板、木片、脱脂棉、薄泡沫板等，对这些材料标示了经过测试所得到的隔绝噪声的效率，并对不同材料根据大小、材质、隔音效果等因素确定了各自的“价格”，同时教师还明确工程造价的最高限额。教师在确定材料与价格前进行过适当的计算与调整，避免“绝对优势”材料的出现，从而产生需要学生在总价范围内对材料减噪效果与价格进行权衡再选择的效果。学生工程团队根据之前学习的噪音检测的方法，通过讨论和教师共同确定了检验工程作品优劣的标准，这些条件包含了减少噪音的量、工程总价格、工程“建造”难度、隔音墙的美观程度等。

（三）选择方案 创建设计

学生工程团队展开头脑风暴，在组内研讨过程中各自提出各自认为可行的隔音墙的制作方案，有的参考现有的模式在高架桥两边制作弧形有机玻璃板，有的想把整个高架桥面全部包裹起来，有的则考虑参照剧院内墙的设计利用“吸音”材料来进行制作，有的尝试通过草图的方式解释全新的“建造”方案……教师鼓励学生在工程团队内部借助表格、草图、示意图等各种方式说明、介绍各自的设计思路，并引导学生根据工程问题的限制条件等比较多种可能的解决方案，初步判断其合理性，通过团队内部投票表决等形式确定最终的设计方案，并对方案进行修改与完善。设计方案中要求列出使用的材料，画出图示并用文字进行简单说明。同时，要求在设计图上简单标记每个组员贡献的想法，或者没有被采纳的意见，所有组员的名字必须出现在设计图上。

（四）实施计划 建立模型

学生根据已经确定了的工程设计方案进行隔音墙的制作，这需要考验学生的动手能力、计算能力以及逻辑能力。学生严格按照所选定的方案开展活动，分工合作，在规定时间内根据方案中所选定的材料，选择合适的工具，利用已经掌握的技术方法按照既定步骤实施工程计划。学生在制作过程中需要通过计算并记录所耗费的材料的大致价格，以控制制作成本。同时，学生还需要根据教师提供的记录单，利用之前已经掌握使用方法的声级计测量并记录模拟发声装置工作时“高架桥两侧居民区”的初始分贝值，为下一环节测试与检测提供初始数据。计划实施过程中，工程团队的组长需要调控制作时间，每一个团队成员都要求贡献自己的力量。

（五）测试检验 构建数据

工程团队根据第二阶段确定的工程核验标准，利用教师提供的工程活动记录单，使用声级计按照实验的操作要求团队合作开展工程作品——隔音墙的测试工作，通过多次测试并记录下测试分贝值，通过计算得出所减少的分贝值并计算平均值，从而初步判断自己工程作品的工作效果。教师需要保证活动场所本身的噪声控制，并鼓励学生进行多次测试，以确保数据的准确性。

（六）分析证据 优化设计

工程团队集体整理真实记录的隔音墙噪声减少的相关测试数据，分析隔音墙的隔音效果。根据分析结果判断设计方案中材料选择和制造方式的正确性，讨论价格限制范围内更好的制作方案以及隔音墙制作工艺等方面可能存在的问题。总结工程团队作品存在的缺陷，并能够宽容地对待作品存在的缺陷。教师引导学生分析检测所发现的作品问题，根据这些证据对作品进行有针对性的改进。例如，离成本边际还比较远的情况下，引导学生增加隔音材料以提升隔音效果；在高架桥制作条件许可的情况下，改变隔音墙的设计样式等。同时鼓励学生根据作品缺陷开展第二次设计，为迭代制作做准备。当然，部分团队的作品经过分析，改进的余地很小或者近乎完美，则可以直接进入最后的成果展示阶段。

（七）迭代制作 测试论证

在条件许可且有必要的情况下，引导工程团队根据需求从原初的工程问题出发，修改隔音墙的设计图纸，重新设计方案并根据新图纸再次制作或改进隔音墙，并对新的工程作品进行测试检验，再次分析数据，帮助学生养成“问题—改进—新问题—再改进”的习惯，并在限定的时间内最终完成工程方案与工程作品。可以要求工程团队在不影响工程作品性能的前提下适当美化自己的工程作品。

（八）成果发布 交流展示

在所有工程团队完成工程作品后，教师组织召开发布会或展览会，引导各个工程团队通过现场介绍的方式发布并展示各自团队制作完成的隔音墙，介绍自己隔音墙所能减少的噪声数据以及耗材的价格，介绍团队成员在活动中的主要贡献以及工程活动过程中的心得和趣事。教师引导各个团队公正客观地根据工程约束条件等对其他团队的作品进行公开评价，并进行现场投票和评选，教师表彰优秀团队和优秀的“有效的隔音墙”作品。

新课标的颁布与实施，进一步凸显小学科学课开展工程教育的重要性。依据新课标中关于工程活动各要素制定了工程教学设计过程，厘清了学生工程学习的活动流程，明确了教师工程教学各个阶段的活动并提供了具体的指导建议，希望可以为教师工程教学设计提供借鉴，为工程教学实施提供指引。

表1 小学科学课工程设计过程引导表