基于项目化迭代设计的小学科学工程思维培养策略探究

朱依晴

（浙江省杭州钱塘新区义蓬第一小学 浙江杭州 311225）

工程思维是人们在社会实践活动中所具备的基本思维意识，有着科学性、逻辑性和创造性等特征。[1]在新课改背景下，培养小学生工程思维是小学科学教学中的重要目标。但是，受到传统教学模式的影响，小学科学教学中教师一直都忽视了对学生工程思维的培养，既不利于学生探究问题、解决问题能力的提升，又不利于推动小学科学课程的发展。“迭代思维”是互联网发展下的产物，它的出现也为教育注入了新的活力。基于此，下面将对基于项目化迭代设计的小学科学工程思维培养进行分析与探究。

一、相关概念阐述

（一）迭代设计

迭代是指基于循环反馈过程的活动，其主要目的是通过不断地尝试与完善来逐步逼近想要达到的目标与结果。[2]迭代设计则是指先建立一个近似模型，然后收集新的参数，继续实现一个更近似的模型的过程。在数学领域中，迭代就是一个函数模型，在程序设计中，迭代就是一种算法，在软件开发中，它就是常见的模型。目前，迭代设计已经开始融到了学科教学中，并给予了其更加丰富的含义。

（二）项目化

现代教学中如何采用有效的教学途径来提升学习质量一直都是教育界所关注的问题。项目是教学法是现代教学中的重要手段，特别是在互联网发展的背景下，项目教学法更是发挥这高效的作用。在小学科学课程教学中可以发现，科学技术的发展速度较快，基本上无法保证课本的内容完全能够跟上时代，解决这一问题的方法就是采用项目教学，让学生通过“做中学”来完成教学目标，达到科学、技术、工程、数学多方面发展的STEAM教学要求。项目化教学法在近些年来也逐渐成为我国国内教育者研究的热门对象。

（三）工程思维

人们的思维活动通常都对应着实践活动，与工程实践活动相对应的就是工程思维。工程思维的设计性与实践性决定了其在现实世界中的应用，推动了人们的创造活动。工程思维具有科学性、逻辑性与艺术性统一以及容错性的特征。在本课题研究过程中，将工程思维看作是解决问题过程中的一种思维方式，这个需要解决的问题就被称作为“工程”。学生分工不同，他们在工程中所扮演的角色就不同，包括了工程决策者、工程设计师以及工程实施者等等。

二、基于项目化迭代设计的小学科学工程思维培养模型设计

（一）整合性

STEAM教学理念强调了学科之间的整合，在项目化迭代设计的小学科学课程教学中，教师同样也要为科学课程以及其他学科课程搭建出一个桥梁，根据项目开展要求来创设出具体的知识情境，实现科学探究与工程设计并行的要求。同时，工程思维具有科学性、逻辑性与艺术性的特征，在解决工程问题的过程中本身就会涉及到不同类型的学科问题，包括科学、技术工程和数学等等。[3]因此，基于项目户迭代设计的小学科学活动设计过程中，教师必须要关注项目中各学科的整合性，融合科学、技术、工程和数学相关领域的知识。也只有如此，才能够让项目实施过程中为学生提供最真实的情感体验，感受知识融合的意义，从而真正形成高阶思维技能——工程思维。

（二）连续性

在STEAM教学理论指导下的课堂教学是一个不断成熟与完善的过程，它改变了传统教学中以教师为中心的教学模式，强调了学生在学习过程中的主体作用，用循序渐进的方法来培养学生的高阶思维，即解决问题的能力。在项目化迭代思维的小学科学教学中，培养学生工程思维更不是一个简单的事情，是一个完整的工程活动必然会经过反复的迭代。所以，在项目化教学活动中，教师必须要在STEAM理念的指导下，关注模型的适用性，合理考虑各种教学因素，确保小学阶段工程思维培养的连续性。

三、活动的基本环节设计

培养学生的工程思维并非是要进行工程教育，同时针对的对象是小学生，他们的认知能力和认知水平有着局限性，所以项目的内容不能过于复杂，某些工程领域的活动不能完全按照标准来进行。一般来说，基于项目化迭代设计的小学科学工程思维培养过程主要可以分为四个环节，包括工程决策、工程设计、工程实施以及工程成果展示。

（一）工程决策阶段

工程决策阶段包括两项主要活动，首先是要进行工程活动的整体设计和安排，其次是要制定和选择实施方案。在小学科学的项目教学中，就是指通过对活动开展的环境、安排以及可行性分析来制定出合适的方案，具体来说可以分为三步：首先，根据科学课程的教学内容来明确项目开展的目标，之后收集相应的资料，制定出多个项目开展的备选方案，最后对备选方案进行筛选。当然，这三个步骤并非有着严格的先后顺序，它们之间可能会出现多次反复，直到得到最佳的方案。影响工程决策的因素十分广泛，包括实践、外界环境和决策者等等，这就要求决策人员必须要做到具体问题具体分析，避免死板的思考方式。

工程决策阶段虽然只是项目的设计阶段，但是将会对整个工程活动起到关键的影响。在迭代设计中，更是要对每一个决策和设计要进行反复地、周密地思考，权衡所有的条件因素，确保设计的可行性，保证工程活动的顺利开展。

（二）工程设计与再设计阶段

工程设计是对工程决策阶段所制定出的方案进行细化的环节，体现了工程决策阶段的工程理念，包括对工程任务、效果、环境和实施步骤的全面规划。[4]工程设计在整个工程开展过程中起到了承上启下的作用，是集智慧与技术为一体的体现。在小学科学教学中，做好工程设计是实现STEAM教学要求的关键路径。在项目化迭代设计中，工程设计阶段实际上就是解决问题的思考过程，其关键就是要根据问题拟定解决的方案，设计具体步骤，再进行不断调整与分析。具体到小学科学教学中，学生首先要根据工程决策中所制定的方案来进行工程各个细节的设计，做好每个环节的开展策略，明确步骤操作。之后再通过小组共同探究的方式来分析设计中的不足之处，并对其进行修改和完善，完成再设计要求。

（三）工程实施与完善阶段

工程实施阶段就是将工程方案以及工程设计中抽象理念转变为实践的过程，在基于项目化迭代设计的小学科学教学中，工程实施阶段应该包括工程实施、工程展示与评估和工程更新与改造三个环节。工程实施阶段是对工程决策以及工程设计两个阶段的理论研究成果进行实践检验的过程，其主要目的是对之前的设计进行分析，解决其中存在的冲突。工程展示与评估是在完成基本的模型之后，对成果进行展示，分析工程决策的正确以及合理性，检验工程实施是否可靠。工程的更新与改造是根据工程展示与评估阶段的一种对决策进行修改和优化的过程，以此不断调整工程建造过程，满足迭代要求。

在小学科学的项目教学中，此阶段才真正进入到了培养学生工程思维的实践阶段，它能够让学生在不断地尝试与调整过程中让自己的思维从模糊到清晰，从宏观到具体，形成工程思维。

（四）工程成果展示阶段

工程成果就是工程思维在工程中的具体落实与表现，工程成果的展示阶段就是为工程的参与者提供了分享工程成果的机会，也是对整个工程实施过程的硅谷与思考。在工程成果展示阶段，工程的参与者和实施者已经经历了整个工程开展过程，实现了知识的积累要求，对这一过程的回顾可以起到对知识的梳理与强调作用。

四、基于项目化迭代设计的小学科学工程思维培养案例

下面将以四年级科学课中的“设计制作车”这一活动问题，具体分析基于项目化迭代设计的小学科学教学中培养学生工程思维的方法。

对于四年级的学生来说，他们已经具备了一定的认知能力、动手能力、交流能了和创新能力，他们能够完成一定的教学操作要求，设计制作小赛车是五年级科学中的一节课，其主要目的是要让学生了解工程科学的原理，运用科学探究方法来解决简单的日常生活问题，其难度不大，但可以帮助学生熟悉、了解工程设计的过程，为之后的工程活动开展奠定良好的基础。具体实施情况如下：

（一）工程决策阶段

首先，教师要以引导学生对日常生活中常见的小车进行分析，了解小车的主要构造，分析在本次工程活动中学生需要制作的小车的组件——车轮、车身、发动机，明确在制作过程中必须要注意的问题：搭建车身结构、保证车辆的平稳前进、增加小车的行驶路程。之后，各小组领取工程记录单，通过填写记录单中的内容来完成工程的决策。本节课中笔者所设计的工程记录单内容如下：

在该阶段中，如果教师发现有小组出现了不知道如何下手的情况，就必须要及时了解他们出现的问题和原因，从学生角度出发，循序渐进地进行引导，帮助各小组都能够按时完成工程记录单的填写。

（二）工程设计与再设计阶段

在工程设计阶段，教师要先带领学生对小车设计和程序设计进行分析，让各小组的学生先对小车进行简单的设计，然后再通过查阅资料、寻求教师帮助以及头脑风暴等形式来对设计进行迭代。需要注意的是，由于四年级的学生思维方面并不是十分成熟，他们的想法可能会天马行空，所以教师必须要做好引导，确保工作的效率。之后，各小组成员根据自己的设想完成结构设计图，明确在小赛车制作过程中所需要使用的材料，为之后的工程实施打下基础。

（三）工程实施与完善阶段

在工程实施阶段开始之后，准备充足的学生便可以在工程决策者的带领下开展工程项目，进行小车的搭建。笔者在教学中发现，部分小组小车搭建的速度很快，在短短的十九分钟之后就开始进行了赛车的测试，但是却发现了“小车原地转圈”的问题。在笔者与学生通过共同的观察和分析之后，造成这种情况的原因是两个轮子不平衡，左轮承受的重力要明显大于右轮，所有出现了原地转圈的情况。还有些小组出现了赛车动力不足、轮子打滑、零件散落等问题，这些小组的程序设计者也很快进行了调整，改进了程序的设计，解决了这些问题。

之后，各小组对自己的项目成果进行了展示与交流，并根据其他小组的建议开展工程再设计。在这个环节中，各小组之间的工作效率有了明显的提升，他们的工作开展更加具有针对性，能够在现有的基础上进行了结构和程序的优化，提升工程质量。

（四）成果展示与总结阶段

在各小组完成再设计之后，教师要组织学生进行最后的成果展示，由小组代表阐述工程设计与实施过程中的想法，并听取教师与其他学生所提出的改进方案。在分享完毕之后，教师要带领学生回顾整个制作过程，帮助学生完成自我评价和作品评价，吸取整个活动中的经验。

五、结束语

基于项目化迭代设计的小学科学工程教学目前还是一个并不完善的教学模式，在该模式中培养学生工程思维的策略更需要教师进行思考与分析。在工程项目的开展过程中，教师的探索和研究、学生的自主创新都是需要关注的问题。只有不断提升学生的专业素养，让学生成为工程项目开展过程中的中心，保证他们的思维可以不断完善与发展，才能够为社会培养出更多具有工程思维的创造人才。