借鉴数学建模程序设计“工程与技术”教学

名师简介

韩世英  小学科学特级教师，新疆维吾尔自治区优秀教师、教学能手。从事过高中语文、高中生物、小学语文、小学数学和小学科学教学工作，拥有丰富的跨学段、跨学科课堂教学和大赛经历。担任过校长、新疆生产建设兵团小学科学理事长职务，拥有丰富的组织策划和指导引领教学教研及科普培训活动经验。所带队伍在兵团的各级各类比赛中名列前茅，为兵团小学科学教师队伍的建设和发展，发挥了重要作用。

“工程与技术”的教学是《科学》新教材实施的难点，制约的主要因素是：教师没有相关教育和教学经历，不能有效指导学生设计和制作。我们从课程目标的定位、教学理念建模策略的应用两个方面着手，促进教师“工程与技术”教学理念和实施策略的提高，以帮助教师尽快掌握该类型课程的实施策略，提高课堂教学质量。

2001年新课改实施的后期，曾有人说过，“一流教师教知识，二流教师教技能，三流教师教思维，特级教师什么都不教”。这句话在“以培养学生核心素养为目标”的2018年教科版《科学》教材的实施过程中，又有了新的解读和实践意义。

小学科学课程目标从2001年的三维目标升级为2017年的四维目标，即从“知识与技能”“过程与方法”“情感、态度、价值观”的三维目标，升级到了“科学知识”“科学探究”“科学态度”“科学、技术、社会与环境”的四维目标。上升一个维度意味着增加了无数个三维，在育人效果上将产生数量级的变化。教学内容和教材结构也进行了重新编写，其中最大的亮点就是增加了“工程与技术”领域。“工程与技术”不仅在教学内容上成为科学课的一部分，有独立的课时内容，而且每节课四维目标中的“科学、技术、社会与环境”目标也是“工程与技术”领域一些思想的渗透。但在新教材的实施过程中，教师没有理解或者注意到：对“科学、技术、社会与环境”这个维度的教学目标如何落实？这个维度的教学目标与其他三维目标如何整合为统一的整体？“工程与技术”类课型如何开展教学，是2017版新课程理念实施的难点和重点。一种理念的实施或教学目标的实现，首先对该理念或目标内涵、意义、实施策略的学习和理解，其次才是在理念和目标指导下的教学活动。如何认识和应用新教学理念开展“工程与技术”领域的教学呢？我们可以在课标中学习理念，可以在单元教材的分析中感悟，也可以在具体的课堂教学中实践和内化。作为一名一线教研员，在学习新课程理念后，尤其是在用新理念指导自己观摩课堂教学的实践活动中，对“工程与技术”类课型的设计和评价，对“工程与技术”思维在科学课程中实施难点和教育价值的挖掘，有如下思考。

一、精准确立教学目标，引领策略优化过程

201版课标指出，“儿童的工程技术实践活动与科学探究活动具有同等重要的地位和作用”。这句话对“工程与技术”的教育价值和教学目标做了定位。课标为什么这样说？“工程与技术”实践活动与科学探究活动的共同点是什么呢？是什么让它具有“重要地位和作用”？用我们熟悉的“科学探究”来理解陌生的“工程与技术”，说明“工程与技术”与“科学探究”一样，它最重要的育人价值就在学生发明和建造的实践过程中，在应用知识解决问题的过程中，在综合运用各种知识与材料形成产品的实践中。这恰恰是建构主义思想的核心，是建构主义理论在STEM教育理念、项目式学习、深度学习中的具体运用。

课标对学生在不同学段开展了不同的技术发明、工程建设活动。在科学概念方面，要帮助学生形成三个主要概念，其中包括：“技术的核心是发明，是人们对自然的利用和改造”“工程技术的核心是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动”。从这些描述中我们可以看到：这两个主要概念其实是两个观念，是学生在发明技术的过程中、在设计和制作的实践中，体验发明创造的一般规律，体验工程建造从设计到制作的一般过程。虽然是小发明、小制造，但解决问题的策略与大发明、大制造是一样的，是从娃娃开始培养创新型人才的实践。如果从为国家培养创新型人才的目标出发，再次审视“工程与技术”类课程，是不是感觉不一样了？小发明、小制作的教学，看到的是有形的产品，看不到的是无形的思维和解决问题的策略。厘清这一点就会明白，“工程与技术”在教学目标的定位、学习方式的选择等方面，不能等同于我们熟悉的科学知识的学习模式。

在研读教材时我们也发现，编写教材时，常常把“工程与技术”内容放在单元的最后一课或两课。比如，在四年级下册“电”的单元，课时顺序是：《电与我们的生活》《点亮小灯泡》《简单电路》《导体和绝缘体》《模拟安装一个照明电路》。《模拟安装一个照明电路》这一课的单元定位就是对本单元核心概念“电必须在闭合电路中流动”的应用，知识的学习已经不是本课的学习重点了，而设计和制作一个符合照明需要的实际电路才是重难点。

必须让学生经历这个完成真实任务的全过程，经历一个完整的“设计与制作”过程，即明确任务—构造思路—筛选解决方法—检验解决方案—制作实体模型—评估并提交结果。不是每一个“工程与技术”内容都要经历这个完整的过程的，可以在不同学段有所侧重。但“工程与技术”对五六年级这个学段，已经要求经历完整的过程了。从成功的课例看，学生在教师的引导下，经历了完整的照明电路从设计到制作的全过程，成功制作了一个满足需要的照明电路，对“电必须在闭合电路中流动”这个核心概念有了更深入的理解，还感受到了工程设计的复杂性，也就是说，在“设计与制作”的每一个环节，都体会到了选择的多样性和策略的优化选择。这是教师最容易忽略的，却是“工程与技术”领域重要的教学目标。这种意识必须在教师的引领下，学生才能体会到、意识到、应用上。

学生是解决问题的主体，教师是方案设计和策略优化的引领者，师生的“双主体作用”缺一不可。真实的问题、开放的实践、成功的制作、同伴的欣赏，都能够激发学生的创造性、提高解决实际问题的能力。STEM教育理念可以在这个过程中得到非常好的应用。一节好的“工程与技术”课，一定是过程与结果高度统一，学生不僅是技术与工程的受用者，更是掌握技术与完成工程的主体。

二、借鉴数学建模程序，塑造工程技术理念

在“工程与技术”的教学实践中，经常有两种典型现象：一种是“优秀环节大拼盘”现象。课堂上活动材料琳琅满目、活动形式丰富多彩、学生参与度高，但在课后检测中，却发现学生连本课的主要任务是什么都不清楚，既没有完成产品或任务，也没有实现科学概念的发展。另一个极端是，学生拖不动，教师只好唱独角戏，一讲到底，感觉就是一节“手工课”，出现了“名师的教学设计不灵”的尴尬。这两种现象的背后，都是教师既没有吃透教材编写意图，又没有领会名师精彩环节或活动的设计意图，更没有在吃透整节课教学目标和教育理念上下功夫，没有把一节课当作一个“系统”来分析和应用别人的教学设计，教学活动孤立，或内在联系不紧密。这是教师解读教材不深入、教学理念不明晰，或者是教学理念呈现碎片化、没有融会贯通的表现。从对教材的解读和教学活动的设计上，都表现出教师对教学理念和教学环节没有内化，没有形成系统，所以不会用，不会灵活用。这种情况是非常普遍的。教师是“教技术”，而不是“用工程思维提高知识的理解和应用，训练技术能力”。“工程与技术”教学，是教师不熟悉、不擅长的，那么，如何提高“工程与技术”类课程的教学质量呢？教师“工程与技术”素养和教育理念的提高必须先于学生、高于学生。对此，科学课本身的课程理念和学习方法给了我一些思考和启发。

数学的建模过程分模型准备、模型假设、模型构成、模型分析、模型解释、模型检验、模型应用等几个环节。环节本身就是模型的程序表现形式，有时候我们会忽略程序的育人价值。在塑造教师“工程与技术”教育理念时，我们要借鉴的就是它的程序。例如，组织教师学习相关理论和开展课堂实践（包括自己上课和对他人课堂的观课、议课），就是“模型准备”。这个阶段是教师收集大量现象和信息阶段，需要在现象层面积累丰富的个性化案例，教师对这个环节是熟悉的。紧接着，要引领教师试着分析多个教学现象背后的设计意图和理念，要尝试用课标对“工程与技术”的目标、实施策略、评价导向等理念进行解释和应用，在解释和应用的过程中，加深对理念的理解，形成模糊的认知框架。

开展模拟名师课堂这种方式可以促进模型假设和构成。教师在这个环节开始了第一次严重分化，一部分教师表现出不重视、不愿意对课标和教参进行研读，就课备课，缺乏单元意识和课程意识，对本课教学环节缺乏结构性分析，单元教学没有结构性和系统性，评课也停留在讲现象、说流程层面，上课和听课都停留在现象表现。另一部分教师在自我反思和交流研讨中，对一些新理念形成了自我理解和价值认同。这个理解和认同不是静止的，是发展变化的，越实践，模型就越清晰，从细节走向了抽象概括，已经可以用“工程与技术”新理念上課和评课，在反反复复的上课和评课中，进一步熟悉模型、优化模型。如果这一阶段能够及时补充学习脑科学和课程新发展理念、控制环节的细节，就可以达到宏观建模清晰、细节调控到位、自主学习有效的效果。细细品味，在引导教师建模的过程中，再次感受“工程与技术”思维，在塑造教师理念方面也有理念上的同一性。

三、结语

在探究塑造教师“工程与技术”理念的实践中，我感悟到科学课的另一重价值：从具体教学内容抽离出来的思维品质提升模式。这是本次探究实践的新感悟。