基于工程思维的小学科学FCRCTP教学模型建构

达佳敏

【摘要】核心素养教育改革背景下，在科学教育中培养工程思维已经成为基础科学教育转型优化的新态势。工程思维的培养需要以工程实践活动为载体，工程设计流程为解决创新性的工程问题提供了方法，将工程设计流程融入教学实践是在小学科学教学中培养学生工程思维的有效途径。文章以工程设计流程为媒介建构了包含聚焦情境、明确问题、研究设计、构建模型、测试优化和展示评价等六个步骤的小学科学FCRCTP教学模型，并以“我们的过山车”为例阐述验证了该教学模型的可行性和有效性。

【关键词】小学科学；工程思维；工程设计；教学模型

【中图分类号】G623.6【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2024）11—0104—05

随着人类社会的发展，世界各国经济转型，21世纪对人才培养的诉求更加注重思维及能力的提升。发展核心素养成为人们回应当前和未来技术变革和全球化挑战的举措。工程思维是一种以比较权衡和系统分析为核心的筹划性思维[1]，工程思维对分析与综合、实践与应用、创新与优化、跨学科思考及团队合作等方面多维能力的培养具有整体要求，有助于达成培养学生核心素养这一整体性目标。工程的关键是设计，工程设计是工程实践的锚点，工程设计流程成为组织科学与工程实践活动的结构性办法。于是，以工程设计流程为媒介建构渗透工程思维的小学科学教学模型成为科学与工程教育实践中值得研究的一个问题。

一、FCRCTP教学模式设计的理论基础

（一）工程思维的内涵及特点

人们在工程实践过程中形成的思维方式便是工程思维。工程思维表现出跨学科性、系统性、创造性与迭代性等特征，需要跨学科及多学科协同研究才能获得更全面的解决方案。工程思维解决工程问题，倡导将问题拆解为子问题。工程思维体现了人们根据意愿改变物质世界的创造性思想，工程思维通常采用迭代的方式来解决问题。基础教育阶段培养学生的工程思维是让学生面对工程过程时，学习解决工程问题所需的系统性方法并逐步形成具有系统性、创造性、工程性等特点的解决问题的思维方式，使学生获得面对挑战的能力。

（二）小学科学教育中的工程思维培养

科学链接着人类与自然，科学为人类提供认识世界、解释世界的途径和方法。工程是以人类需求为出发点，集科学知识、各项技术及生产经验于一体，综合考虑各种约束条件和原则，创造人工产物的社会建构活动。工程和科学具有重叠的概念和过程，工程的开展需要以科学理论为指导和原则，科学的发展推动着工程的发展，而工程实施过程中产生的新问题、新挑战助推着科学的进步。工程教育活动以科学认知为基础，以创新发明活动为载体，让学生在实践过程中运用科学知识、使用技术工具来解决现实问题，该过程注重让学生经历产品的设计制作过程，培养他们创造性解决问题与制造产品的能力。科学教育为工程教育中科学认知体系的建立提供支持，工程教育又为科学教育中探究原理提供情境。

据了解，工程思维的培养及工程教育的发展最早在高等教育阶段开展，美国是在基础教育阶段开设工程教育课程的领跑者。美国于2009年发布《K-12教育中的工程：理解现状和提升未来》[2]，于2011年颁布《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》[3]并以此为基础于次年颁布《新一代科学教育标准》[4]，这些方针政策的出台促进了基础教育阶段工程教育的发展。我国也紧随国际科学教育研究的步伐，在基础教育阶段注重培养学生的工程思维。《小学科学课程标准（2017年版）》首次融入“技术与工程”领域内容，并倡导跨学科学习方式[5]。《义务教育科学课程标准（2022年版）》重视技术与工程实践的素养导向，强调基于核心概念、跨学科概念和学生思维水平开展技术与工程实践[6]。我国研究者们就工程思维培养开展了教学模式、教学设计、教学案例等一系列研究，工程思维的培养也成为我国小学科学教育研究中的重要导向。在我国当前基础教育变革的背景下，小学科学课程教学中渗透工程思维不失为一种两全其美的措施。

（三）工程设计流程

工程设计关注如何用设计来实现人们的需求。工程设计流程为解决创新性的复杂问题提供了组织性方法，工程设计流程成为培养工程思维的有效媒介。《马萨诸塞州K-12“技术/工程”课程标准》[6]将工程设计流程分为确定需求或问题、研究、设计、原型、测试评估、提供反馈、沟通解释等八个步骤。《义务教育科学课程标准（2022年版）》将工程过程分为明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等六个步骤[7]。我国学术界也普遍认为确定问题、设计方案、制作原型及迭代优化是工程设计流程中不可或缺的环节。

二、渗透工程思维的小学科学FCRCTP教学模型建构

本文在总结工程思维的内涵特点、研究工程思维在小学科学教学的培养现状基础上，分析了不同版本的工程设计流程，构建了如图1所示的渗透工程思维的小学科学FCRCTP教学模型。

（一）聚焦情境（Focus situation）

情境是认知的生长点，工程情境的创设为学习者提供真实可控的学习环境，这种特定的环境能够使学习者产生强烈的情感共鸣从而促进其主动学习。在情境中学习往往需要参与者采取分工与合作的方式开展，这使得学习者在独立思考判断的同时提高了团队协作效能。教师要从学生的生活经验中挖掘有助于建构的、适用于教学实践的真实情境，引导学生从情境中获得真实有效的体验。

（二）明确需求（Clarify Requirement）

面对一项工程项目，实施者必须明确本次实践的需求及需要解决什么问题，还需要界定设计问题的限制条件从而划定学生的设计范围以确保设计的可实施性。在明确问题的过程中要识别并提出关键问题，关键问题的回答是解决整个工程问题的核心，避免在次要问题上浪费时间和资源。

（三）研究设计（Research and Design）

研究设计是解决工程问题和实现项目目标的关键步骤。在明确需求的基础上，学生搜集资料开展研究，运用头脑风暴、思维导图、逆向思考等创造性思维技巧生成多种可能的问题解决方案并绘制相应的模型图。之后组内成员共同讨论比较各方案的优缺点，根据预先设定的评价标准评估并筛选最具潜力和最符合需求的问题解决方案。

（四）构建模型（Construct Model）

构建模型是将设计概念转化为设计实体的重要步骤。可根据设计需求和目标确定所需的模型类型，再根据模型类型和具体的设计需求选择适当的工具、材料以及相应的设计文件来构建模型。需要注意的是，设计者必须按照设计方案构建模型，以确保模型能够代表设计概念和实现设计目标。

（五）测试优化（Test and Optimize）

测试优化是确保模型符合需求和满足预期的重要步骤，这一环节的关键是持续的监测和多次的迭代改进。根据约束条件及设计目标对原型进行测试评估，识别潜在的问题，明确改进空间，找出设计的弱点和瓶颈。根据数据反馈的信息再次设计并改进模型实现作品的迭代优化，直到达到设计目标。

（六）展示评价（Presentation and Evaluate）

有效的评价能帮助学生实现预期的目标和效果，作品完成后，教师搭建平台指导学生有序展示分享，师生在汇报项目完成情况的同时使用评价量规开展组内自评、组间互评及教师评价。展示者在演示或演讲时要简明扼要、条理清晰地分析本组方案的可行性，在展示过程中还要积极接受观众的反馈并针对性地回应观众的提问，这有助于改进设计方案。在学生开展工程实践的过程中，教师要适时提供所需资源，从而辅助学生开展实践，规范学生的学习活动，帮助学生纠正错误。

三、FCRCTP教学模型的应用——以“我们的过山车”为例

（一）教学目标

教学目标是列举并描述生活中常见物体的直线运动、曲线运动等运动方式，了解工程设计的基本流程；参与工程决策、工程设计、工程实施及工程评价等工程实践环节；针对设计要求，使用已有的材料和特定的工具，按照工程设计流程完成任务；了解工程项目的完成需要考虑的多种因素，融合多学科的知识，提升跨学科的能力。

（二）重难点呈现

本项目实践的重点是能够在多次迭代中设计并搭建一座过山车模型。为使学生按照工程要求搭建，教师需提前发放评价量规。另外，为调动全体成员的参与度，教师需要引导学生做好小组分工，各位“工程师们”在设计搭建过程中既各司其职又协同配合，共同完成本组的作品。

对于授课对象而言，完全按照工程设计图开展轨道铺设是比较困难的，必须确保工程实施的科学性和严谨性，故不可在搭建过程中为提高工程完成度而舍弃设计图来随意搭建。教师需要引导学生加强组内交流，在“施工员”与“设计师”的实时配合下调整设计图，并根据设计图搭建模型。

（三）教学过程

1.教师借助红蓝3D过山车视频激发学生对过山车的探究兴趣，学生佩戴自制红蓝3D眼镜体验乘坐过山车的虚拟情境，调动自身对过山车的认知。教师创设征集“设计并建造过山车”方案的工程情境，让学生以工程师的身份开展工程学习，在提升其身份认同感的同时触发学习内驱力。

2.在实施工程项目时学生需要理解工程情境，明确本次实践中需要解决的工程需求是“设计并搭建一座以重力为驱动力的过山车模型”。教师出示塑料积木及小球等，确定以塑料积木作为搭建过山车模型的基本材料，以塑料小球模拟车厢。

3.在明确需求的基础上，教师引导学生研究“过山车的结构特征、图纸设计方法、过山车建造要点、轨道长度测试方法”等问题。学生在查阅资料和收集信息的基础上讨论并确定设计及搭建要点。各团队在研究的基础上“头脑风暴”制订并选择设计方案，之后分工实施方案。组长负责统筹规划，“设计员”根据工程要求及研究结果绘制图纸，同时“施工员”熟悉材料并用积木搭建直线轨道和曲线轨道，“测试员”应熟悉轨道长度的测量方法。

4.学生根据既定的方案，依据设计图纸搭建过山车模型。在组长的协调下，“施工员”依据图纸来搭建，其他成员协同建造，搭建过程中要及时向“设计员”反馈出现的问题。“施工员”的操作要严谨规范，所搭建的模型必须与图纸相匹配，不可随意更改设计图。

5.过山车搭建完成后，组内成员根据项目要求开展模型测试，并检查过山车整体的稳固性、轨道的适应性、轨道长度的匹配性等，尝试用小球检测。测试完成后，学生需根据检测结果和搭建过程中反馈的问题改进设计图，再由设计图完善模型并再次测试，经过多次迭代得到最优的过山车设计图及模型。

6.完成最终作品后，教师组织各组分享成果。各组展示设计图，从起点释放小球展示其运行情况并汇报轨道长度。在学生汇报的过程中，师生使用包括作品本身成效和过程性表现等多维度的评价量规同步开展组内自评、组间互评及教师评价。之后，教师协助学生统计制作评分汇总表并评选出最优设计作品。经过本次展示评价，各组“工程师”可根据评价反馈的信息继续迭代调整本组的作品。项目结束后，教师引导学生复盘整个项目的实践过程，反思在学习实践中的不足，强化对实践中操作的系统认知。

（四）教学成效

在该教学模型指导下的教学实践给学生充分的自主探索空间，本案例中学生以工程师的身份在工程情境中找出搭建过山车的具体需求，在开展相关研究的基础上筛选设计方案并据此搭建过山车模型，再采用测试与多次迭代的方法得到最终作品，最后展示分享评选出最佳设计作品。学生在解决该工程问题的过程中，掌握了知识技能，发展了工程思维，提升了核心素养。

四、渗透工程思维的小学科学教学策略

从教学模型的设计和案例的实践可看出，渗透工程思维的小学科学教学过程的重点在于，学生可在教师的指导下参与工程实践活动，不仅发展了工程思维，也培养了解决问题的能力。故而，教师应当在教学中运用聚焦于问题解决的教学策略。

（一）创设符合学生认知发展水平的真实工程情境

情境是认知活动的基础，创设情境是重要的课堂教学策略。在教学中创设工程情境可以让学生更好地融入课堂氛围以达成学习目标，也使得学生的工程思维在潜移默化中得以发展。在创设工程情境时，教师要注意情境与学生的认知发展水平相匹配，可从学生的生活环境、知识经验背景及其熟知的自然和社会现象中筛选出符合学情的情境。

（二）设计学生参与度高的工程实践活动

学生的工程思维发展及工程实践能力提升可在高参与度的实践活动中逐步实现，因此学生必须亲身经历统筹、设计、实施、检验及迭代等工程实践活动过程，教师对学生的薄弱处给予针对性指导。另外。教师要在学生实践的过程中提供足够的材料与足够的时间，以确保每个学生都能有机会参与到工程实践的环节中来。

（三）提倡合作与竞争学习

在实践活动中，相互合作更容易碰撞出思维的火花，使得学生的认知结构得以交叠和互补，从而各自建构出更完整的工程认知框架，拓展工程思维。因此教师要有意识地引导学生开展小组合作学习，让他们为实现共同的目标而努力。教师也可组织学生开展组间竞争学习，用组间竞争促进组内成员的合作。

在中小学不具备另设工程类课程的背景下，义务教育阶段的科学教育渗透工程思维是满足当前科学与工程整合教育需求的实践途径，将工程设计流程融入科学教学实践是在小学科学教学中培养学生工程思维的有效途径。本文在简要回顾工程思维培养历程及分析工程思维特点的基础上，以工程设计流程为载体构建了包含聚焦情境、明确问题、研究设计、构建模型、测试优化和展示评价等六个步骤的教学模型，并以“我们的过山车”为例在教学实践层面阐述并验证了该教学模型具有的可行性和有效性。在实践过程中，教师应创设真实的工程情境，让学生在合作与交流中了解工程设计流程，掌握知识技能，解决实际问题，发展核心素养。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]National Research Council. Engineering in K-12 Education： Understanding the Status and Improving the Prospects[M]. Wash？ ington，DC：National Academies Press，2009.

[3]National Research Council. A framework for K-12 science education：Practices，crosscutting concepts，and core ideas[M]. Washington，DC：National Academies Press，2011.

[4]美国科学教育标准制定委员会著；叶兆宁，杨元魁，周建中，译.新一代科学教育标准[M].北京：中国科学技术出版社，2019.

[5]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

[6]2016 Massachusetts Department of Education. Massachusetts Science & Technology/Engineering Curriculum Framework [EB/ OL].（2017-01-18）. http：//www.doe.mass.edu/frameworks/scitech/2016-04.pdf.

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

编辑：宋春宇