交给学生一把工程思维的金钥匙

史振华

〔摘    要〕  2022年版《义务教育科学课程标准》把“技术与工程”作为核心概念之一，旨在引导学生在具体的工程问题中，利用技术优势解决实际问题，提升创新精神和实践能力。小学科学教育愈加重视培养学生基于问题解决和工程设计等的科学素养，搭建“设计—制作”中工程思维的支架，需要从操作同理实验、拆卸玩具结构、绘制图示模型、分析实验数据、设计思维导图几方面入手，最终促进学生科学思维能力的提升。

〔关键词〕  小学科学；工程思维；能力

〔中图分类号〕  G424               〔文献标识码〕  A        〔文章编号〕  1674-6317  （2023）  13-0004-03

生活是探究的起点。学生从出生到长大，在自己的生活中接触了很多玩具和实物，在潜意识“玩”的过程中，利用感兴趣的材料，开动自己的脑筋，在拼装、搭建和观察的过程中完成简单的任务。因此，学生是天生的探究者和工程师，具有与生俱来的好奇心和解决问题的意识。作为科学教师，要利用学生善于实践的特点，帮助他们在工程制作中解决实际问题，更好地认识周围的世界。

2022年版《义务教育科学课程标准》重新定位了1～6年级科学课程的性质，主要体现在科学课程的基础性、实践性和综合性上。课程内容新增了技术与工程领域，说明小学科学教育愈加重视培养学生基于问题解决和工程设计等的科学素养。我们将科学发现和技术发明以及工业发展结合在一起，就能激发学生的工程思维，发挥工程思维在科学教学中的重要作用。

工程思维，是在具体的工程任务情境中，产生问题需求，明确问题，进而围绕这个问题进行方案设计、实施计划、检验产品、改进完善，最后构建模型或开发出产品的一种思维方式。在小学科学教学中培养学生的工程思维，有利于学生利用已有的经验和小组合作智慧进行意义建构，从多方面、多维度培养学生解决实际问题的策略，从而提升其创新精神和实践能力，水到渠成地落实科学学科的核心素养培养要求。

一、操作同理实验，获得设计启发

实验原理是在大量观察、实践的基础上，经过归纳、概括而得出的。在小学科学教学中，探究性实验的原理是设计工程项目的基础和原点。为此，作为科学教师，要在设计工程技术任务的同时，围绕工程设计目标，根据核心概念所暗含的实验原理进行剖析，设计符合学生认知发展规律的工程探究任务群。在改造、设计过程中明确工程中所蕴含的原理，进一步了解生活中的科学，培养学生解决问题的意识。在小学科学的技术与工程领域的学习中，工程的关键是设计，而设计离不开科学原理的支撑。2021年江苏省评优课中《安全线的秘密》这一节课，充分诠释了科学原理对工程技术的支撑作用。

（一）操作实验，获得原理

探究开始后，教师设计了一个实验：从水平方向吹1片纸条；从2片纸条之间由上往下吹气。学生通过实验发现，两片纸条并没有如猜测的一般向两边分开，而是向中间合拢。实验现象激起学生的探究欲望，但并没有理解实验现象中的原理。教师又演示了吹风机水平吹机翼模型的实验，并让两位学生用风速计测量机翼上下的风速。实验测得机翼上下的风速不同，上面流速快，下面流速慢，而机翼在不断上升。此时教师出示伯努利原理：等高流动时，流速大，压力就小。学生在实验中观察了伯努利现象，理解了伯努利原理。

（二）得到启发，设计“产品”

学生根据伯努利原理得出启发：火车快速行驶，火车边上的空气快速流动，形成压力差，站台上的乘客如果站得近就容易被“吸”进轨道。在这个原理指导下，学生用吹风机模拟气流，不断调试改进“乘客”的安全距离，最终找到模拟站台的安全线位置。

二、拆卸玩具，搭建设计框架

玩具是学生生活的伙伴，在玩的同时能够产生许多有意义的问题，正是这些问题的出现，驱动着学生不断探索玩具中的奥秘，促进动手能力的提升。因此，玩具也是一种有意义的探究材料，要充分利用这些材料，引导学生发现问题、设计方案解决问题，开展深入探究。

（一）拆卸玩具，观察结构

当学生在玩玩具过程中发现一系列有待解决的问题后，他们会潜意识地把玩具拆开，来了解玩具的构造，看看到底是怎么回事。同时在拆装玩具的过程中，学生巧妙利用螺丝刀、起子等简单机械，初步体验了完成一个小项目的快乐。因此，拆解玩具的行为本身就是学生主动建构知识体系的过程。省评优课中《八音盒》这节课的教师就是让学生通过拆卸、探究玩具，获得技术技能。学生玩八音盒，观察八音盒发声特点，猜测内部结构，然后拆卸八音盒，观察内部结构，认识八音盒各部件名称。这样就帮助学生利用产品原型建构新的经验，有利于以后产品设计的改进工作，丰富学生探究的信息，学习向深度发展。

（二）研究原理，设计框架

在拆卸玩具的环节中，教师指导学生零部件摆放要“有序细致、分门别类”，以培养其严谨细致的科学态度。然后根据各零部件的形状结构研究它们的功能，利用小组头脑风暴法讨论发现八音盒发出不同音调的原理。而原理是改造模型的“标准”，学生要按照这个“标准”进行分析，规划自己的项目活动，如设计目标、改进方法等，促进学生有目的地探究。这样通过“玩—猜—拆—研”，学生“像工程师一样”，获得了知识和技能，提升了科学素养。如果有充分的材料，课后做一个类似八音盒的玩具，学生也肯定乐意接受。

三、绘制图示模型，架构设计思路

学生在工程项目设计过程中，最先用到的思维方式便是模型建构，而模型建构也是科学思维的一种重要形式。学生在设计过程中，大多会利用图文来表达自己或小组的思维过程，这实际上就是一种思维模型建构：依据图文设计，制作模型、修改模型，形成解决问题的思路。如教学《像工程师那样——制作空气净化器》这一节课中，教师在学生明确问题“做一个空气净化器”之后，巧用图示模型为学生设计思维搭建支架，展示空气净化器模型的主要结构：外壳、进风口、出风口。学生观察模型结构图后，就对自己手中的图纸有了一个全新的了解，促进模型的有效建構，为后面制作净化器架构了工程思维，降低了设计难度，找到探究的最近发展区，为设计提供了铺垫。绘制图文是一个展示学生思维的过程，而修改图纸则是思维提升的过程。教师要根据学生的认知发展特点，帮助其利用已有的经验和获得的信息，围绕工程目标进行设计，建构模型，促进科学思维能力的提升。

四、分析实验数据，改进设计思维

科学的本质在于寻找实证，在引导学生进行实证性研究的过程中，各种数据便是工程设计的支撑点。在工程项目实践过程中所测试出来的数据，能帮助学生分析、比较，从而发现规律，并通过对规律的研究进一步修改产品，实现各种实用的目的，如提高产量、降低消耗、提高产品性能或者质量等。

（一）对比数据，改进产品

收集數据、对比数据是工程设计过程中的重要环节，它能为学生工程项目的设计评价提供参考依据，有利于改进产品。如《制作汽水》这一节课，教师收集了各小组制作汽水原料小苏打和柠檬汁的数量，以及两者混合后的pH酸碱度。让学生归纳分析数据，发现问题：柠檬汁多的pH酸碱度小，小苏打多的pH酸碱度大。在此基础上和雪碧的pH酸碱度（3.3）相比，进一步改进汽水的调配比例，改善自制汽水的口味，实现提高产品质量的目的。对比数据的首要任务就是引导学生观察数据，发现数据间的规律，通过发现规律，促进思维发展。

（二）分析数据，优化作品

数据分析本身就是一项在业务和数据之间搭建桥梁的工作。收集分析数据，可以促进学生工程思维的进一步提升，促进学生工程技术实践力的提高。《像工程师那样——制作空气净化器》这节课，教师引导学生测量收集各种滤材的净化效果数据，然后形成柱状图，分析柱状图数据，找到过滤效果最佳的滤材。然后启发学生从经济成本出发进行考虑，从而进一步改进作品，制作一款效果好、成本低的净化器。

五、设计思维导图，教给思维方法

为帮助学生梳理评价工程设计过程，教师往往启发学生利用思维导图来展示小组的设计过程。在思维导图中，既有工程核心概念的呈现，又有相关的层级概念表现，有利于学生从整体上思考解决问题的策略。教学中，学生可以利用思维导图知道材料的组成，材料的功能、应用。思维导图通过知识的层层展开，形成一个关于该课程的整体知识体系框架，能够形象地展现大脑的发散性思维，从而实现对课程的全局把握，再结合实际进行专题训练，很容易形成一个关于选材、加工、使用的综合思维方法。笔者观看过一节STEM课程《铁皮青蛙跳起来的秘密》，学生经历了“玩—猜—拆—研”的环节。学生拆下铁皮青蛙各零部件、分门别类摆放好之后，教师指导学生画思维导图，将各零部件的名称、作用、拓展在思维导图中展示出来，综合思维方法，使工程理念不仅仅局限于课堂，而且拓展到生活的各方面。

拥有好的思维是学生成长成才的关键。现代教育背景下，愈来愈强调培养学生的工程思维能力。小学教学看似很细微的工作，实则承载着学生思维成长的重任。只有很好地把握小学教学这一时机，工程思维这块基石才能更好地推动学生成长成才。工程思维能力的形成是一个循序渐进、螺旋递进的过程，教师要启迪学生运用工程思维，构架工程思维的桥梁，交给学生一把工程思维的金钥匙，让他们去开启工程实践的大门。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社.2022.