聚焦关键要素，培养学生工程实践能力

工程实践活动的有效实施能够增强学生的工程实践能力、培养学生的科学品质，更能促进学生核心素养的真正发展。科学课程标准将“工程设计与物化”的内容纳入科学核心概念之中，并明确了工程实践活动的一系列关键要素，包括明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、展示成果等。苏教版《科学》教材中专门设置了如小小工程师、项目化学习等专项学习内容，这些内容需要用到工程实践活动的学习方式。在“立体小菜园”项目教学中，为了能更好地开展工程实践活动，我们逐步形成以明确工程问题、设计实践方案、制作和完善模型、物化和展示成果这四个关键环节为基础的教学流程（如图1）。

一、明确工程问题

1.结合生活需求

在开展工程实践活动之前，教师要引导学生明确工程问题。首先，了解需求，这里的需求可以是学生个人的需求、也可以是社会共同的需求；然后，结合以上需求明确要解决的工程问题，并且将工程问题转变为工程实践活动任务。[1]例如，在野外生活中，电源是人们共同的需求，由此明确“如何在野外拥有电源”的问题，提出制作水力发电机的任务。

2.创设主题情境

教师在教学中可以创设一个真实的主题情境，如故事情境、实验情境、生活情境、问题情境、科学史情境和讨论情境等，让学生在情境中明确工程问题，提出将要实践的工程任务。这可以激发学生的兴趣，也可以激发他们的学习动机。

在“立体小菜园”项目的导入环节，教师提供“人口多、耕地少”的阅读资料或视频资料，让学生了解到解决粮食短缺的社会需求，并以图片的形式出示“立体农场”的概念。在了解“立体农场”优缺点的同时，学生知道了蔬菜、水果等农作物可以在高层建筑中种植，从而思考如何将“立体农场”迁移到每个家庭的阳台，并将其转化成工程实践任务：在阳台建造一个“立体小菜园”。这样一来，学生将要实践的工程任务不是教师直接给出的，而是来源于根据社会需求提出的工程问题。

二、设计实践方案

设计实践方案是工程实践活动的灵魂，是工程物化的前提条件，指引着工程实践的方向。工程设计不同于科学探究设计，它不仅要考虑科学因素，而且要考虑技术因素、环境因素、经济因素和文化因素等（如图2）。除此之外，教师要培养学生运用设计图纸、材料选择、经费核算等外显的表达形式，促进他们工程设计能力的提升。[2]

1.分析任务，做好前期研究

工程问题往往较为复杂，需要使用一种或者多种资源，包括诸多为了解决该问题所需要完成的相互独立、相互依赖、相互联系的活动，通常具有系统性、多元性和开放性等特征。如果直接让学生设计方案，会有较大难度，让他们无从下手。因此，教师在教学中要培养学生采用系统、多元和开放的思维方式去考虑各种因素。在设计实践活动方案之前，教师先引导学生分析工程任务，思考可能会遇到什么问题，需要知道哪些信息，再根据实际情况将工程问题分解为诸多的小任务，鼓励他们明确分工、人人参与，围绕一个小任务进行大量的前期研究，并在小组中分享交流各自的前期研究，集思广益，共同商讨可行方法，为后续设计实践方案做好铺垫。

在“立体小菜园”项目任务分析环节，教师引出问题“在阳台制作一个立体小菜园可能会遇到什么问题，需要考虑哪些方面的内容？”，并鼓励学生结合前期研究学习单（如图3）尽可能多地列出需要前期研究的内容，进行分工合作。通过资料的收集、小组交流讨论等活动对每个方面的内容进行研究，如“选择适合在阳台种植的蔬菜”“选择适合阳台种植的容器和土壤”“阳台种植技术有哪些”“如何实现立体化种植”等，让学生在小组初步统一意见，商讨出可行方法。值得注意的是，在收集“立体小菜园”的各方面信息时，教师要引导学生尽可能多地收集，充分发挥思维的开放性，发展他们的创造性思维。

2.集思广益，设计方案和图纸

基于前期研究，小组内集思广益、商讨方法，初步形成一些可行方法，设计具体制作方案。当然，工程任务的完成是要有一定标准的，在设计方案之前学生要明确怎样的设计才算是成功的，如产品效果、质量牢固、节约材料等。同时，为了方便学生设计制作方案，教师可以为他们提供“超市化”的材料清单，鼓励他们从中选择合适的材料，并采用图文结合的方式展示。在画示意图时，教师要引导学生标注使用到的科学知识、各部分的结构、主要功能和科学原理等。在这个环节中，学生的工程设计思维能力得到了发展，具体表现为科学知识应用、图纸设计、材料选择、成本计算等。无论哪一方面都是工程设计思维的体现，但学生在这些方面的基础比较薄弱，所以教师在教学中要循序渐进，帮助他们提升工程设计思维。[3]

在“立体小菜园”项目设计环节，学生根据在阳台建造一个立体小菜园的任务，提出了众多需要前期研究的小任务，如选择适合在阳台种植的蔬菜、选择适合阳台种植的容器和土壤、阳台种植技术有哪些、如何实现立体化种植等。教师提供大量的文字、图片和视频等阅读资料，学生结合前期研究学习单，将收集到的信息汇总，并与小组成员分享交流，从而商讨出在阳台建造立体小菜园的可行方法。如在解决“如何实现立体化种植”这个小任务时，学生通过查阅资料、借鉴已有经验等方式，明确需要制作一个能放在阳台的立体种植架。教师先引导学生独立画出立体种植架的设计图，然后在小组中交流讨论，形成小组共同认可的方案，并画出小组设计图（如图4）。这里的设计图不仅要有立体种植架的外观设计，还要细化到具体的材料、大小、高度、长度等信息，使其具有可操作性。在这个过程中，学生逐步养成用设计图纸表达设计思路的品质。同时，对于制作材料的选择、成本的计算等问题，教师要进行针对性地指导，循序渐进地发展学生工程设计的思维能力。

三、制作和完善模型

制作和完善模型是实施工程实践方案的重要手段之一。该环节中，学生要严格按照设计方案制作模型，再结合评价标准检验模型，最后改进完善模型，为物化和展示成果打下坚实的基础。

1.依据设计方案，制作模型

模型制作的过程是检验设计方案可行性的重要环节，是设计方案与物化成果之间的重要中间环节。制作模型时，学生要严格遵照设计方案，这有助于他们熟悉制作方法和流程、熟练工具的使用，而且有助于他们发现设计方案中可能存在的不合理之处。在修改方案的过程中，教师要重点让学生解释修改的原因，为接下来实际工程物化的过程做好充分准备，并初步发展学生的工程物化能力。

制作“立体小菜园”模型时，针对“如何实现立体化种植”这一任务，教师为学生提供了“超市化”材料，要求他们根据具体情况填写“模型制作材料使用情况记录表”（见表1），树立节约成本的意识。当学生在制作过程中发现工程设计的不足之处时，教师引导他们及时修改，并说明修改理由。例如，有的小组设计的立体种植架是垂直的四层型，在制作过程中他们发现垂直结构不利于植物的生长，遂将其修改为“楼梯状”的四层型，并标注修改的原因。

2.设计评价标准，检验模型

检验模型并改进完善是工程实践活动的关键环节，它可以促使实践方案和模型不断迭代，发展学生的创新思维能力。为了帮助学生有目的地检验模型，教师要帮助学生设计评价标准，如产品效果、牢固稳定、节约材料、分工合作、后期维护计划等，同时采取形式多样的评价手段。当学生检验成果之后，发现小组制作的模型存在可以改进的方面，教师及时引导学生进行设计方案和模型的改进，为接下来完善模型提供理论基础。

在“立体小菜园”项目的评价环节，学生结合检验评价表（见表2）开展自评和互评活动。在这个过程中，学生能发现小组的模型可以改进的方面：

首先，选择适合种植的植物，需要考虑植物的生长习性与阳台和种植盆中的环境是否适应，这体现出对科学要素的考虑；

其次，设计“立体小菜园”的立体化形式，无论是制作种植架，还是与阳台构造相结合进行立体化设计，均需要考虑到技术要素；

再次，在选择搭建材料时，无论是金属材料，还是木质材料，甚至是PV水管等，除了要考虑材料的结实程度之外，还要考虑材料是否经济实惠等要素；

最后，教师要鼓励学生对设计的立体小菜园进行装扮，使它变得更加美观。如有小组的立体种植架选择的是PV水管，他们通过检验发现这种材料制作的立体种植架在“牢固稳定”方面只打了两颗星，而其他小组选择的金属材料虽然在“牢固稳定”方面打了三颗星，但是“节约成本”方面却只有一颗星。经过交流、讨论，学生决定将立体种植架的制作材料改为木质材料，木制的立体种植架不仅牢固、稳定，而且成本较低。

3.发展创新思维，不断改进完善模型

创新思维是学生必备的关键能力之一。首先，在工程设计环节教师要注重引导学生讨论方案，鼓励他们尽可能提出更多的方案，或是与别人不同的想法，使他们的设计思维具有跳跃性和求异性，触发思维的碰撞，产生创新的火花；然后，当学生发现模型存在各方面的不足或需要改进的地方时，教师要鼓励他们自主改进设计方案，或借鉴其他小组的成功经验。在此过程中学生可能会发现更多新问题，教师要引导他们学会反思，寻找原因，改进完善，使整个工程实践成果不断迭代更新，从而不断培养他们的创新思维。[4]在不断经历设计、制作、改进、再设计、再制作的过程后，学生的工程实践能力会得到有效发展。

在设计“立体小菜园”的阶段，无论是植物、种植盆的选择，还是立体小菜园的模型设计，教师都要让学生在收集大量资料的基础上，在小组中充分进行“头脑风暴”，不断优化。教师设计模型评价方案（见表3）帮助学生对小组制作的模型进行自评和互评，取长补短，促使模型不断改进和完善，从而逐步发展创新思维。如有学生提出可以种植黄豆，因为黄豆种植难度低；有学生提出黄豆虽然易于种植，可是由于阳台的空间限制，黄豆的产量将会很低；有学生提出可以种植小青菜或葡萄……学生针对一个方面充分讨论，不断优化想法。

四、物化和展示成果

1.结合模型，物化成果

工程实践能力的核心内容是工程物化能力的发展，只有让学生真正参与工程实践活动，才能逐步发展他们的工程物化能力。当成果的物化过程很难在课堂教学中完成时，教师可以在学校科技社团活动时带领学生完成，或是鼓励他们利用课余时间进行工程实践。在学生物化成果的过程中教师要给予充足的支持和帮助，如提供工程物化过程中需要的材料和工具等，同时，鼓励他们人人参与、相互合作，最终制作出与模型相符的成果。

在建造“立体小菜园”的过程中，教师引导学生经历了从工程问题到物化成果的整个实践过程，认识了工程实践的一般流程。特别是在物化成果的环节，教师提供了大量的制作材料和工具，如木料、钉子、花盆、各种类型的土壤、各种蔬菜水果的种子和幼苗、锤子、螺丝刀等。教师可以结合学校科技社团活动，让学生有充足的时间和空间制作。该环节的建造不同于之前的模型制作，不仅需要建造“立体种植架”，还要选择适合种植在阳台的植物种子或幼苗，以及种植的容器和土壤等。教师可以在科学实验室或者社团教室开辟出一块类似阳台环境的位置，方便学生放置建造好的“立体小菜园”，方便督促他们后期对“立体小菜园”进行维护、照料种植的蔬菜、水果等，使工程实践活动得到延续。在这个过程中，小组成员要分工明确、人人参与。

2.充分展示交流，回顾工程实践

教师要开展形式多样的活动让学生展示、交流物化成果。通过展示交流，学生可以取长补短，使自己的设计和物化过程更加优化，而这样的活动往往会被教师忽视。因此，教师要重视开展形式多样的展示交流活动，如成果发布会、展示橱窗、舞台表演等。在展示交流活动中，学生要通过产品说明书、演讲词、剧本、图片、视频等多种方式来推介自己的成果。同时，教师也可以组织学生对其他小组作品的设计、物化的质量以及推介的表现等通过投票来评优或表彰，充分调动学生的积极性。[5]

当每个小组都完成“立体小菜园”的制作之后，教师设计了一场“成果发布会”（如图5），让学生将“立体小菜园”的设计方案和物化过程以及过程中的感受展示出来。有的小组精心设计了“成果说明书”，有的小组制作了PPT，详细介绍了“立体小菜园”各方面的情况，还有一个小组设计了“相声表演”的节目来介绍“立体小菜园”。针对学生的创意展示，教师及时组织学生现场投票，分别评选出“最佳成果奖”和“最佳展示奖”。同时，学生在展示交流中也发现了自己小组的物化成果还有更多可以改进的地方，使新作品的迭代有了更多的可能，发挥了他们的主观能动性。

参考文献

[1]狄倩倩.巧用工程思维优化探究性教学——以三年级《做个小茶包》为例[J].科教导刊，2021（06）.

[2]孟王芳.以有效设计助推工程思维提升[J].启迪与智慧，2018（11）.

[3]芮春花.科学教学中“逆向工程”教学模式的建构[J].教育与管理，2022（20）.

[4]邵锋星.小学阶段如何培养学生的技术素养与工程思维[J].人民教育，2021（Z3）.

[5]张军霞.把握技术与工程领域的教学[J].科教导刊，2021（24）.