以小学高年级为例，在科学学科教学中渗透工程技术理念与方法的研究

谢燕珍

【摘要】  时代在变，新事物、新行业、新需求层出不穷，社会对创新人才的需求日益增大，科学教育要迎合社会发展的需要，教师要有翻转课堂的能力，因此把STEM与科学探究融合起来，培养学生社会意识、问题解决、技术运用、科学探究等核心素养，培养学生能够“带走”的能力，是每一个科学老师刻不容缓的责任。

【关键词】  工程技术 科学探究 渗透

【中图分类号】  G623.9             【文献标识码】  A   【文章编号】  1992-7711（2019）09-174-02

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国家2017版科学课程标准的修订，首次把工程技术纳入科学教学中，但现状是教学中工程技术理念的渗透不够：也没有完善的操作指引和评价指标、行动的策略，加上一线老师的工作量大，教学负担重，也存在重视不够的情况;而学生的年龄、心理及动手能力欠缺、也缺少对产品与使用性能关联、改进的反思;通过查找百度、维普资讯、数据库“读秀”等网站及相关文献资料，工程技术与小学科学学科的融合很少，基于此，我们开展了在科学学科教学中渗透工程技术理念与方法的研究。

在实际的研究中：我们以学生作品为载体，采用5E教学模式进行教学，对比设计前后思路的不同，让学生更好把科学、技术、社会环境与数学四体合一，能从规划性、实践性、科学性、系统性与创新性等多角度进行产品设计与制作、反思作品改进提高，达到创新解决实际的问题去检测评价模板的成效;并以工程设计、产品制作为主线，把工程技术课程目标及教学内容融合在小组的探究活动中，探讨如何渗透工程技术，产品设计前后的对比和作品的制作、修改完善，促进学生的工程素养的提高，并为一线教师的教学提供可行的教学案例、参考和借鉴，初步形成小学科学教学中实施工程学教学的策略模式;努力开发“工程技术”的学习资源，（包括探究小报告、学生设计图、制作作品等），建立基于中小组活动的评价体系。提高学生工程技术素养，不但评价学生参与性、也评价设计的科学性、系统性与创新性及解决实际问题可行性等过程性的评价，促进学生科学素养的提高。

我们研究内容主要有两点：1、以高年级科学教材中涉及的工程技术学习内容为载体，分列实验组和对照组进行产品设计、制作、再设计及进一步修改作品等活动，在活动中收集学生的活动数据，通过客观评价不同组的学生水平，初步形成适合小学高年段科学探究与工程技术渗透的活动模式。2、检测科学探究与工程技术渗透评价模板的成效。依据学生、教材情况拟以海珠区小学为例进行如下的活动：A、开展问卷调查，掌握活动前学生、老师工程技术素养层次，经过研究活动之后达到的层次;B、把小学科学的教材梳理出与工程技术有关的活动如下：《做个生态瓶》、《做个太阳能热水器》、《设计制作小赛车》、《造一艘小船》、《设计制作一个保温瓶》，《做一个一分钟计时器》、《做一个钟摆》、《用纸造一座“桥”》、《怎样放得更大”》等，在具体的教学研究中学习借鉴美国新标准中的科学与工程实践的研究策略：提出（科学）问题，描述（工程）问题;创设和使用模型;计划和实施研究;分析和解释数据;运用数学和计算思维;建构（科学）解释和设计（工程）解决方案;依据证据进行辩论;信息的获取、评估和交流。C、进行抽样追踪：跟踪学生模拟设计、动手制作和作品改进的前后差异，获取学生动手制作能力、工程素养提升的证据，记录收集原始数据，整理形成适合小学高年段科学教学中实施工程学教学的策略模式的文字资料。

一路走来，我们洒下了心血，也收获良多：

一、促进了师生的良性互动，学生实证意识、科学探究、工程素养、反复调试能力等大大提高！老师把学生的情况作为研究的切入点，做到课堂有理可依，教与学相得益彰！如“做纸桥”的教学中，由最初站不稳的纸桥，改进后可以承重95本科学书！六年二班王梓泓的分享这样写：修改后的纸桥由桥面和支架组成，支架由六个平面倒三角形组成，每一个都与旁边的两个交叉、相连扣紧，并且每一个小三角形的边上都留出一小段纸棒用来粘贴，这样大大提高了桥的稳定性，又减少了支架断开、脱落的风险和因支架过度承重导致桥面变形的几率;在《设计制作一个保温杯》教学中，调查显示超过43%的同学都采用锡纸包在外层进行保温，但实验后发现：包上锡纸的保温杯，它的温度比不包的观察杯还低，这样的结果显然是出乎意料的！真正的科学不是想当然，而是在实践中……摘录其中的实验：

在实验开始的1小时05分内，5个实验组都降温较快，特别是2号（不做任何保温处理）在实验开始后3小时内从81℃快速降到28℃左右，另外3组（分别做了不同包裹保温处理）降温速度较慢，基本从55℃降为35℃之间，其中4号（木棉花花絮加塑料瓶）的保温效果最好，温度在40℃。相较于2号（不做任何保温处理）高12℃。学生写道：我们发现包裹木棉花花絮和塑料瓶的保温效果最佳， 锡纸不能起到保温效果，反而会加速热量流失，这个完全颠覆了我们原来的认知！这是多么珍贵的感悟！

二、为学生科学分享提供了可操作的证据，孩子们有机会把自己的设计意图、修改提高及困惑在小组、班级、红领巾广播去分享，既锻煉参与其中的学生，又让更多的同学得到启发，由点带面形成崇尚科学、追求亲历的良好氛围，已有谢欣、周凯莉、王梓泓、黄嘉慧、黄嘉杨、邱子豪、叶超颖、曾铭彦、麦璟彤、徐立煦、张浩源、余俊学、梁栋、庞褚璋、范文韬、冯子桓等多位同学都做了全校的分享，上交的优秀小报告27份。

三、课题研究采用5E教学模式（课前任务→探究质疑→设计分享→实验取证→修改提高→整理评价），“教”与“研”落到实处，5E教学模式应用在科学探究与工程技术融合3的教学中效果令人惊喜！如保温杯的教学中，课堂着力解决设计与应用、创意表达的问题，以解决问题能力培养为核心，学习不该只是设计做出一个保温杯，而是应该主动参与社会，服务人类，教学中抛出两个问题：1、针对小孩子不爱喝开水，爱喝对健康不利的饮料，如何修改设计，做出让人喜欢喝水的保温杯？2、小宝宝饿了要喝奶时，水温要么过高或过低，怎样设计出水温刚好可以随时冲调奶粉的保温杯？在参与的环节，提前向学生布置任务，要求把设计图和成品带回课堂分享、登记作业，这样有效避免部分学生偷懒游离活动之外，学生利用家里找到的材料的去尝试反而在课堂上呈现更多的材料，通过设计分享、保温效果的实验取证及修改，能更好加深学生对热传导知识的掌握，要做保温杯，既要综合考虑装水部分材料的安全性，又要考虑包裹材料散热慢达到保温的目的，在活动中，他们的思维、动手、动脑能力得到很大提高，分享交流环节中体验自信和成功的喜悦！课后更愿意把保温杯的研究深入下去。体现了以解决问题能力培养为核心、勇于探索、重视实践操作的STEM教育与我国新一轮教育改革的理念相吻合，在真实的动手动脑中，学生对热传导的掌握、不同材料的导热性能理解深刻！真正明白用来做保温的材料应选用热的不良导体，这比任何的口头说教或书本的描述来得真实可靠！让学生懂得设计的产品要能用，实用，可行操作，能解决真实的问题1。这是新课程标准的重要精神之一。也是工程技术的魅力所在！经过修改，学生们的设计有的加装温度计方便控温迎合婴儿冲奶需求，有的设计考虑卡通吸引孩子喝水等等，如果真能设计出符合使用的保温杯，也算是功德一件！反复的教学实践发现5E的模式可以有效推进科学与STEM的有机融合。（看附件3：STEM融合科学探究特色课例、附件4：不同材料保温效果科学小星星研究）

四、较好地培养了学生的工程意识和主动探索的精神，学生的奇思妙想五花八门又各具特色！，他们手脑俱进，学习热情高涨，我欣喜的发现学生的工程意识有了较好的提高，制作的热情高涨，学到相关科学知识就忍不住想要自己找材料来尝试做放大镜，相信学生在此过程中有很多发现，并经历多次的调整修改，这正是当下教育倡导的提高学生的工程素养，解决实际问题所必须的！课题研究还促进了学生的分析理解能力，如常用的螺丝刀，都知道用它来拧进或拔出钉子，不会徒手操作，说明它省力，但学生的图示却是费力的！问题出在哪？提供木板、钉子和螺丝刀让学生去操作，与徒手操作比较，终于发现是杠杆的基础没过关，没找准三点（支点、动力点、阻力点）和两臂（动力臂和阻力臂），导致明明省力的变成了费力，错误的理解违背了事实，所以，在教学中，利用事实证据帮助学生去分析发现：螺丝刀的支点应在最前的尖端，阻力点是卡住铁钉的凹槽位，动力点就是人手接触的地方，由于操作时旋转的，从横切面看，这三个点可以看成了大小不同的圆环套在一起，支点就是圆心，大环上任何点都是动力点，小环上的点就是阻力点，即同心大圆和小圆的半径分别是动力臂和阻力臂，可以看出，大圆半径是小圆半径的好多倍，因此操作起来非常的省力，马路边的水龙头和司机方向盘，道理都一样;而制做放大镜时，学生最初想到徒手对焦放大镜，到利用硬卡纸，依镜大小裁剪卷成纸筒，刚好包住放大镜，再剪出纸条做成纸环套在纸筒上，这样一个简单的放大镜就做成了，关键是随时可拆、可组装，用来观察细小的物体效果良好！中山大学研究生导师、小课题研究开拓者费伦猛教授《怎样做小课题研究》一书中这样表述：……小课题研究着力塑造教师自内而外的自主研发行为，是一种“研究投入较小”2可操作强的方式，强调研究材料要来自生活，学生熟悉，易找易做，真正体现投入小而收获大，制作及实验更易成功，收到很好的教学效果。这样的学习，才能帮助学生理解工程技术在生活中的应用，STEM渗透科学探究才扎实有效，更能培养学生的实证意识、磨炼他们经受失败、不畏困难的意志，这是当今社会人才培养所必需的……

五、我们的研究还在继续，深度、广度都不够，开发的教学素材有待完善，科学探究與STEM融合的情况也不理想，统计结果显示：有的内容老师们很少去落实。如：设计制作一个保温杯仅仅占1%左右！其中《造一艘小船》、《设计制作一个保温瓶》，《用纸造一座“桥”》、《怎样放得更大”》已经做了课堂的公开教研，下一步要加快进度，力求积累更多的资料，为研究积累更多的原始证据，用数据说话，希望研究收到好的效果。

（课题编号：GDXKT16949）

[ 参  考  文  献 ]

[1]小学科学课程标准[M].57 -58. 北京师范大学出版社.

[2]费伦猛.如何做小课题研究[J].小课题研究有哪些特性，2011，（01）：1-4 世界图书出版社.

[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，（04）：13-22.