工程活动中促进小学生思维深度发展的教学实践——以“船的漂浮”为例

◎ 顾玲梅

《义务教育科学课程标准（2022 年版）》（以下简称《2022 版课标》）将“科学思维”作为科学课程所要培养的核心素养的一个方面，强调了科学思维在学习过程中的重要性。相较于《义务教育小学科学课程标准（2017 年版）》，《2022 版课标》更加注重技术与工程领域的内容，要求通过技术与工程实践，让学生经历明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善和发布成果等过程，体验一个完整的工程实践活动。其中，学生的工程思维是开展技术与工程活动的必要条件。工程思维是一种通过科学和系统化的方式，对实际问题进行分析、设计、改进和解决的思维模式。它的核心是解决实际问题的能力，在处理复杂的工程问题时，需要将问题分解成可管理的部分，从而有针对性地寻找解决方案；在发现问题的本质后，想出创造性的解决方案，以创造出最优的设计或解决方案；在实施工程方案时，充分利用技术和先进工具进行技术评估和验证，设计并实现具有可行性的解决方案，以达成问题的解决。科学思维为工程思维提供了一定的理论指导与方法论的启发，工程思维是科学思维的重要组成部分，是科学创新必备的思维能力。从小培养学生的工程思维，有助于提高学生解决复杂问题的能力，帮助学生理解和体会工程对个人与社会的意义。

学生工程思维的培养需要付诸实践。通过具体的工程活动，学生才能够围绕着真实的工程问题开展工程设计与实践。活动中，学生的工程思维能够经历调动、释放、碰撞和提升逐步发展的过程。在实施工程活动时，只有做到工程活动的各环节与学生思维发展过程的有效对接，才能有助于学生工程思维的培养。根据多年来的教学实践，笔者梳理出依据工程活动主要环节促进学生思维深度发展的实施路径，如图1 所示。

图1 工程活动中促进学生思维深度发展的实施路径

接下来笔者以远东版《自然》二年级上册第五单元“漂浮和下沉”中“船的漂浮”一课为例，对上述路径的形成进行具体阐述。

一、引入工程问题，触发思维觉醒

开展工程实践活动的第一环节，就是引入工程问题。什么样的工程问题，才是学生乐于去解决的呢？认知科学揭示，只有当学生的内在动机强于外在动机的时候，他们才会更加乐于思考和探索。因此，创设有趣或者真实的情境引入工程问题，能调动起学生解决问题的兴趣。而设计具有一定挑战性的工程问题则能激发学生的思考和创造力。通过这些方式能提升学生参与解决工程问题的内在动机，实现工程思维的觉醒。

在“船的漂浮”一课中，学生要解决的工程问题是：怎样使破了洞的小船不会沉没？与船相关的工程问题，对于二年级的孩子而言是既新奇又富有挑战性的。教师首先利用学生熟悉的动画片《小猪佩奇》的某一片段作为情境引入（见图2），在看到佩奇爷爷的船因为破洞沉没时，抛出问题“请同学们帮佩奇想想，有什么办法可以让破了洞的小船不会沉没？”生动的情境调动起了学生想要帮助佩奇一家解决问题的兴趣。学生提出了“用东西把破洞给堵起来”“用结实的钢板在破洞上再钉一层”等各种方法。紧接着教师出示第二个情境，让学生观看破损模型小船下沉的过程，引导学生发现即使船舱破了洞，船在进水后也不会立即下沉，只有当水逐渐向整个船舱漫延开来，进水量多了，船才会沉没。此时，学生立即就联想到可以在造船的时候把船舱分隔成很多独立的空间，通过阻止水的漫延，保证船体在部分破损的情况下，依然可以浮在水面上。在解决这一问题的思考过程中，学生发生了从“事后补救”到“事先预防”的思维转变，从而实现问题解决的思维觉醒。

图2 情境一：《小猪佩奇》动画片段

二、开展工程设计，实现思维释放

工程设计是工程活动的重要环节，也是工程思维训练的核心阶段。因为工程思维的培养要在设计建造中涵育。如果在教学中把工程设计方案直接提供给学生，让学生照着现成的设计图和方法步骤依样画葫芦，直接进入制作环节，这只能是一个制作活动，而不是工程活动。在活动过程中，学生只得到了操作能力的培养，没有得到设计与创新能力的培养。工程活动就是要引导学生亲自思考设计，让他们自己设计出作品图稿，拿出制作方案，这样他们才有机会开展工程思考，思维才能得到有效发展。

（一）借助问题引导，形成设计思路

开展工程设计需要引导学生产生更好的设计想法，拿出更佳的设计方案。学生在设计时往往直奔着问题解决的方案展开，觉得只要能达到解决问题的目的即可，而不会想到设计的优劣性。因此设计的思路容易停留在浅层，难以形成多种设计方案，更不会有不同设计间的比较选择。所以在这一环节上，教师可以借助问题链的形式先让学生明确设计的要点，通盘考虑设计所能够达到的作用效果，使学生的设计思路达到更深的层次。

在本节课中，教师让学生在船舱结构图上开展设计，并且借助问题链，让学生先在小组内展开头脑风暴——“需要安装几块隔板？安装在什么位置？能够起到怎样的作用？”学生通过问题引导得到启示：①隔板安装的数量和位置是设计中的要点，需要小组成员协商确定；②假如按照设计图安装隔板，那么船舱内部的进水情况是否得到了改善，能否保证船不会下沉，这也是需要思考的。在这些问题的引导下，学生的设计思路会逐渐深入，推动形成更好的设计想法。

（二）降低设计难度，实现设计想法

在设计方案时，如何让学生的设计思维得到充分的体现呢？设计方案的形式是多样化的，可以通过拼图、绘图、电脑制图等形式开展工程设计。但需要针对不同年段学生的设计能力，找到符合并方便学生表达设计想法的材料或工具，以帮助学生开展方案设计，释放自己的设计思维。因此，在这一环节的设计中还需要做到降低学生设计表达的难度，提升设计思维的广度。

在进行分隔船舱的设计时，学生的设计难点在于船舱内部立体设计图的绘制。教师借助“赛·课堂”教学系统，让学生在平板电脑上完成设计（见图3）。平板电脑中，船舱立体图作为背景，隔板图作为拖拽的素材，学生只要在系统中选择需要的隔板数量，利用拖拽的方式将隔板放置到想要安装的位置，即可轻松实现设计想法，大大降低了设计难度。学生还可以灵活调整隔板的位置和数量，让思考与设计空间更加自由。信息技术赋能的工程设计不仅能帮助学生将自己的设计想法清晰地呈现出来，而且还能帮助授课教师掌握学生设计的进程，把控设计的时间。

图3 “赛·课堂”教学系统中分隔船舱的设计界面

三、交流设计意图，激发思维碰撞

工程设计中的方案交流，是为了形成最优的设计方案，这是决定工程实践效果的关键。这一环节需要让学生根据自己的设计图充分表达设计意图，在不同的想法中激发出思维碰撞的火花。可以借助信息技术手段实现学生设计思维的可视化，这样不仅能帮助学生表达清楚自己的设计想法，还便于其他学生的理解，提高方案交流的有效性。通过呈现不同的设计方案，引导学生开展方案评估，比较优缺点，在思维的碰撞中不断优化设计方案，培养学生的创新能力，进一步提升工程思维。

在方案交流环节中，学生设计方案是在“赛·课堂”教学系统中完成的，因此可以直接利用平台将小组的设计图呈现在教室大屏幕上，教师和学生都可以非常直观地看到各个小组的设计方案。基于此，教师能有目的地选择不同的小组方案，有效地组织交流活动。根据不同的设计方案（见图4），学生的设计想法举例如下。

图4 设计方案列举

“我们小组想用两块隔板，这样只有船的中间会进水，船头和船尾不会进水。”

“隔板离破洞的地方近一点，这样进水的空间就小了。”

“我们用了三块隔板，中间也把它隔了一下，这样比之前的进水量少。”

“我们这样的设计使得船的进水量会更少，因为除了船头和船尾不会进水外，中间还有一块地方也不会进水。”

通过方案对比，学生发现隔板数量不同、安装位置不同，会使得船舱内的进水量不同。不同思维之间的碰撞，引导学生解决问题的思维从“如何阻止水在船舱内漫延开来”转变为“尽可能减少船舱内的进水量”，这样船沉没的可能性就更小。

四、实施工程实践，突出思维进阶

小学生工程实践的结果，通常需要让学生根据自己的设计方案制作工程模型。学生依据方案需求进行合理分工，像工程师那样对照自己的设计图展开制作，体会工程制作中的规范及严谨。在制作完成后，需要测试模型、调整方案和优化模型。通过测试来检验设计方案的可行性，通过调整方案和优化模型最终实现工程问题的解决。在这个环节中，很重要的一点是引导学生体会工程设计与实践过程的反复性，鼓励学生不断尝试，在失败中提取有价值的经验，引导学生进行更深入的思考，发展创新思维，从而完成思维的进阶。

（一）优化材料，便于工程改进

在工程实践中，材料的选择和使用对于工程设计和工程结果具有重要影响。学生在搭建工程模型时，需要匹配和方便操作的材料帮助学生将设计想法付诸实践，并根据模型测试效果反复调整自己的设计方案，然后优化模型，这一过程无疑是学生工程思维进一步提升的重要体现。因此在这一环节中，教师需要亲自反复试验，优化工程材料，达到方便学生组装和拆卸的目的。

本节课中，在开展分隔船舱的工程实践时，隔板和船体之间需要做到方便黏合，并且贴合紧密，才能节约操作时间，提升成功率。教师采用了两侧包有防撞条的软塑料板作为船舱隔板的材料。隔板的大小与船舱宽度刚好匹配，使其两侧的弹性防撞条在隔板和船舱之间起到了很好的防渗水作用。学生安装隔板时，只需利用防水胶泥将隔板底部与船舱底部封起来即可。这样大大降低和减少了学生操作的难度和时间，也便于安装和拆卸，使学生在实践过程中有机会不断去尝试改进。

（二）对比测试效果，生成新想法

工程测试是工程实践中的重要环节，是了解工程设计缺陷的有效方法。测试不仅可以发现问题，还可以帮助学生精确定位潜在问题，迅速有效地解决问题，并根据测试结果来判断方案是否成功。通过测试结果，学生可以有针对性地优化工程设计，提高工程成果的质量，实现问题解决的最佳效果。这一过程锻炼的不仅是学生的动手实践、团队合作、观测比较、问题解决能力，还有工程思维品质的综合运用能力。

在课堂中，学生将制作好的小船模型放入水中进行测试，依据船的沉浮情况来调整设计方案。用不锈钢制成的小船密度大，即使进水量不多也依然容易沉掉，所以学生在失败中总结经验，通过增加船内的隔板数量，减小隔板之间的间隔空间，减少船舱内的进水量，达到使破损小船不沉没的目的。在一次次的测试、改进和优化中，学生发现船舱内隔板数量越多，间隔空间越小，船行驶的安全性就更高，进一步认识到“水密隔舱”技术的作用（见图5）。通过这样的工程实践过程，学生找到了优质的设计方案，呈现了最佳工程结果，顺利解决了工程问题，实现了让破损的小船安全漂浮在水面上。

图5 分隔船舱过程中的工程改进

综上所述，在工程活动中，教师需要抓住工程活动各环节，借助有效的方法、手段，不断提供点点滴滴的思维启迪，铺设好思维发展的路线，提升学生工程思维的品质。但是工程思维的发展并不是一蹴而就的，怎样做到可持续是至关重要的问题。因此，在今后的教学实践中，笔者还将致力于各个年级的工程活动或项目的整体化和进阶性设计，让学生的工程思维发展得到可持续的提升。