科学教学中“逆向工程”教学模式的建构

摘要 以工程师反向产品分析方法建构适合学生的“玩→猜→拆→研→创”逆向工程教学模式，可以潜移默化地培养学生的工程思维，并在适合学生年龄特点的逆向工程实践中鼓励学生积极参与工具和材料的使用、灵活掌握工程方法，持续保持工程品质，提升学生工程素养。

关  键  词 科学教学 逆向工程 工程素养 教学模式

引用格式 芮春花.科学教学中“逆向工程”教学模式的建构[J].教学与管理，2022（20）：62-64.

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）强调，科学课程旨在培养学生的核心素养，包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个方面。其中，探究实践主要指在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题，以及在技术与工程实践过程中，形成的科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力[1]。技术与工程实践能力中特别强调了解技术与工程实践的一般过程与方法。技术与工程部分的学习要基于学生已有知识经验和认知水平，综合利用学科核心概念和跨学科概念，通过跨学科综合实践，解决真实情境中的技术与工程问题，而且要关注技术与工程问题的规范性，让学生养成通过“动手做”解决问题的习惯，培养学生的探究实践能力。[2]常见技术与工程类型的课上教师常常强调针对实际需求明确问题，设计并制作一个产品。然而，在提出这个需求之前，教师常常忘记考虑学生是否具有工程实践相关前经验，是否灵活掌握工程实践过程与方法？是否熟悉工具和材料的使用，是否具备相应工程实践品质？那么，如何在工程项目开始之前有效提升学生工程实践能力，规范其工程与实践方法，培养其工程实践素养？笔者认为学生分析一个较为复杂的真实产品的过程恰好弥补了这一空白，即逆向工程。

如果把传统的按照“明确问题—前期研究—设计方案—制作模型—测试评估—展示交流”的产品形成过程称为正向工程，那么“获得产品—分析拆解—学习原理—改进设计”的流程就可以称为反向分析产品的过程，即逆向工程。

那么，如何将工程师的反向产品分析过程转变为适合提高学生工程素养的逆向工程学习流程，笔者结合课堂教学实践，尝试建构适合学生的“玩→猜→拆→研→创”逆向工程教学模式（如图1）。以下将以笔者设计的“八音盒”一课为例具体说明。

一、玩——在观察与归纳中实现情境带入

八音盒悠扬的乐声经常勾起人们对美好往事的回忆，使人们坠入对时光岁月的追忆中。八音盒是一种深受学生喜爱的机械发音乐器，其工作原理蕴含了学生熟知的关于声音、传动等方面的相关科学概念。

课的开始，教师摇动手摇八音盒，通过听悠扬且熟悉的八音盒乐曲，激发其探究兴趣。此时，引出探究问题：与其他乐器相比，八音盒发出的声音以及其发音的方式与其他乐器相比，有什么特点？课件中出现一些常见乐器的图片，帮助学生回忆常见乐器的特点，学生自然而然将思维聚焦到八音盒独特的特征与构造上。带着这一问题，学生两人一组玩一个不透明的八音盒，在玩的过程中仔细观察八音盒，获得其外部信息，为猜测内部构造做好准备。

处于小学阶段的学生不喜欢枯燥无味的说教式被动学习，更喜欢通过生活化、学生化的方式展开主动学习。只有将学生带入到真实的情境中，他们才会切身体会到学习的意义，每个学生都是一个个体，对问题都有自己个性化的解决方式，对工程产品也有自己的分析之道。建构主义学习观认为学习不仅是大脑在活动，也是大脑与身体、环境的联合。所以在工程设计活动中教师要通过真实的任务或者产品刺激学生的感官，产生情感的共鸣，让真实的工程任务或产品增加学生学习的趣味性，激发其探究的热情。

在玩八音盒的过程中，学生已经被带入工程师的真实工作情境中，且这一真实情境对学生而言是富有意义的，因为这是他们切身想去了解的一件不熟悉且较为复杂的产品，他们需要综合调动各种感官，仔细捕捉产品的外部特征，具身其中。这样真实的情境能迅速激起学生的求知欲，促进其深度思考。在真实的情境中明确一个对学生有意义的工程任务，且让其浸润其中，是提升学生工程素养的基础。

二、猜——在思考与推测中发展工程思维

在观察之后，师生、生生之间交流八音盒发音和发音方式上的特点。在交流的时候有些学生更关注发音的特点，如一个循环播放的、声音清脆的乐曲片段;有些学生更关注发音方式上的特点，如金属与金属间的敲击、多个簧片被弹拨等。教师在学生交流时充当记录员，有意识地将他们对这两个问题的思考按外部信息和对内部结构的推测两个方面分类板书。

在“猜”这一环节，教师有意识地将学生的回答通过板书分类处理（从上而下板书学生观察到的外部信息，从下往上板书学生猜测的内部情况），让学生明白他们的想法一部分来自于外部信息的捕捉，另一部分其实来自于根据外部信息对内部结构的推测。但是学生自己并没有意识到他们已经从观察自发地走向了猜测，而板书是一种可视化的教学语言，教师可以通过板书的处理将学生的思维显性化，让学生的隐性思维变得显性且有逻辑。

通过显性化的思维过程，让学生明白工程师在分析一件产品的时候也是从“外”到“内”，由“静”的状态转向“动”的机制。工程思维的形成是一个漫长的、需要逐步培养的过程。如果教師能适当地在工程原理方面或者在学生表露出对问题的想法时给予他们一些指导和整理，那么将对他们的工程思维产生极大的促进作用。

三、拆——在拆解与分析中锻炼工程能力

学生交流自己的猜想与推测后，教师指着板书抛出问题：这些都是你们的想法，里面是不是这样呢？怎么才能知道？学生回答——拆开看看。“拆”是逆向工程中重要的一步，与其灌输式告诉学生如何去拆，不如一句“工程师也常常用拆的方法分析产品，那你为什么要拆？”让学生明确自己拆的目的是为了将先前的推测与拆开之后的情况进行对比，置身其中，沉浸于此项工程之中。

工程活动中的拆不是破坏，因为学生要拆自己手中的八音盒，所以他会思考如何拆，即有序细致、分门别类。有序细致是工程师的品质，分门别类是逆向工程中分析零件结构的重要方法。随后，学生动手拆解八音盒，拆解的过程中学生由外及内关注各零件间的结构，并参与小组间的交流。

工程素养包括以工程与技术为本体的工程知识，更包括画图、工具使用等通识性技能的工程能力。工具是物化的技术，而只有在真实且具体的任务中，技术才能显示出其特有的意义，八音盒的拆解与分析就是具体的任务。使用工具是学生对已有技术体验与感知最为直接和有效的途径[3]。教师应根据不同年龄段学生实践能力的特点，为其设计合适的有关工具使用的工程任务，让学生在真实的工程任务中逐步掌握一定的技术知识，并锻炼其使用工具的能力。教师只有给予学生充分的实践机会，他们才能对习得的技术反复练习、灵活运用，从而提升工程能力。

四、研——在解析与探究中镌刻工程方法

学生对八音盒内部零件有了清晰的认识，发现这样小巧的空间内部包括传动部分和发声部分后，他们急于表达，怎样的表达更有利于学生从工程知识走向工程思维、工程方法，实现其工程素养的提升？这是需要教师思考的，于是本课设计了以下的工程活动。

布置任务：各部件之间是怎样联系起来一起工作的。用图文结合的方式记录、整理、表述自己的分析。一方面，用任务引领学生从关注“静态”零件及组合走向对各部件间“动态”运转机制的分析，从而引导学生学会综合运用所学知识初步分析一个较为复杂的产品;另一方面，画产品结构图是工程素养中不可缺少的一环，学生在画图的过程中或用不同角度的视图（正视图、俯视图、右视图等），或用分解图，或用组装图表达各零件组合起来的样子以及各部件之间是如何配合的。经过画图这一静态过程的沉淀，在接下来的借助图纸的动态交流过程中，学生的思路更加清晰，表达的逻辑更加严密。在全班的交流解析中，学生对八音盒的工作原理有了整体的认知。这其实是工程活动中的系统分析，即一种整体性思维方式，把认识对象当做系统来看待，在系统与要素、要素与要素、系统和环境的相互联系、相互作用中分析问题、解决问题。

至此，学生的研究还不够，教师在学生研究基础上抛出两个研究问题：八音盒发出的旋律能不能倒着播放？小小八音盒能发出不同的音调，形成一段旋律，是怎么实现的？在开放问题的引领下深入研究，学生关注到工程师在运用概念的同时还必须有精妙的设计，在问题的驱动下学生进行细致的观察与分析，找到复杂产品的核心设计。

如果用图文结合的方式表达八音盒零件间的有效配合是解析内部结构的“浅研”，那么，对上述两个问题的深入研究，就是探明核心技术的“深研”。由“浅”入“深”，既有利于学生发现八音盒的核心技术，更是对逆向工程中重要分析方法的学习，即由整体到核心。

五、创——在设计与创新中拓宽学习维度

在学生拆解和研究之后，教师提出挑战任务：设计并制作一个可以播放指定乐曲的八音盒。跟常见的STEM教学中工程设计阶段的开放式任务不同，这是一个半开放式的挑战任务。逆向工程的本质是模仿创新，模仿创新有两条路径：一是掌握核心技术并应用于他物;二是受到原产品的启发，形成根本性创新设计。在完全创新之前这样的仿创是必要的，既能够让学生保持持续研究的兴趣，又能给学生提供创造的空间。学生完全掌握八音盒的核心技术后，创新对他们来说将不再是难事。

本课教学不仅是让学生仿创八音盒，更重要的是借助八音盒的分析教会学生一种分析较为复杂产品的方法，希望学生可以运用这种方法分析生活中更多的物品，运用逆向工程思维找到工程产品的核心技术，完成产品的根本性创新，从而拓宽学习的宽度与广度。

适合学生的逆向工程教学的根本目的是提升学生工程素养。如果说对八音盒的系统分析是明线，那“玩→猜→拆→研→创”这样符合学生心理的逆向工程教学就是本课的暗线。双线并进既在对八音盒的系统分析中潜移默化地培养学生的工程思维，又在适合学生年龄特点的逆向工程实践中鼓励学生积极参与工具和材料的使用，灵活掌握工程方法，提升学生的工程素养。

我们常常觉得一节课或者几节课下来学生需要做出某个物品或者理解某个科学概念，但在这个过程中学生思维方面的获得更重要。但是任何一个项目的实施都是需要时间的，对教师、对学生都是一个挑战。“玩→猜→拆→研→创”这一逆向工程教学模式突破短周期工程设计的难点，为更多工程实践课程的实施提供了可参考的模式，也为学生认识复杂产品提供了一个较为成熟的方法。郝京华教授指出，我们对工程实践课堂的研究与世界平齐，只要我们勇于对传统课堂发起挑战，那么工程實践教育将不断产生新的飞跃。

参考文献

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

[2] 胡卫平.在探究实践中培育科学素养——义务教育科学课程标准（2022年版）解读[J].基础教育课程，2022（10）：39-45.

[3] 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）：99-102.

*该文为南京市“十四五”重点规划课题“小学教师研究型文化建设的实践研究”（LZD/2021/03）、“主动联结：儿童科学学习新范式的区域研究”（LZD/2021/68）的研究成果