学生工程启蒙教育的“三化”策略

◇从玮峰（浙江：湖州市织里实验小学教育集团）

在基础教育阶段，加强以培养学生创新精神和实践能力为目标的技术与工程教育，是中国走向设计强国之路的重要一步。工程教育所培养的工程思维是一种筹划、设计、建造以满足人的需要为目的的实践理性思维，包括系统思考能力、创造力、乐观、合作、沟通能力。那么如何在小学阶段对学生进行工程启蒙教育呢？笔者以小学科学教材实验为切入口，基于科学实验当中所存在的一些问题，根据工程设计的活动流程，提炼了实验改进的“三化”策略，希望能为广大一线教师提供一点借鉴。

一、基于“精准化”策略，将实验现象变“小”为“大”

在小学科学实验当中，为了更符合学生的年龄特征、动手能力和知识水平，许多专业的实验仪器无法使用，或者进行简化，导致一些实验现象的变化十分“微小”。笔者采取“精准化”策略设计工程活动，培养学生实事求是的精神、学科知识的迁移能力。

【案例1】教科版三上《空气有质量吗》一课中，学生发现，由于简易天平本身的质量问题、摩擦力问题，以及空气的质量很轻，还有三年级学生的操作问题等原因，导致该实验在课堂实践中效果不是很明显，天平的倾斜在很多时候无法直接观察到。基于技术与工程理念，运用“精准化”策略，学生将实验进行了如下的改进。通过对实验的分析，讨论并设计提高简易天平精准性的措施促，使学生尝试发现实物模型的不足之处，并加以优化。

设计1：可能是空气太轻了，10 筒、20 筒空气不足以使天平发生明显变化，那么注入更多的空气，实验现象是否会变得更加明显？

设计2：会不会是绿豆相对空气太重了，用绿豆来称量空气导致实验结果不明显？能不能用质量更小的物体来称量？比如芝麻，用更精细的物体来放大实验的结果。

设计3：从生活中的秤中获得灵感。我们的简易天平也可以加上指针和刻度，用来指示天平的倾斜变化，这样实验现象应该会更明显。

活动中，学生通过已有知识的迁移，把数学学科的比较思维融入工程设计，培养了学生的知识迁移能力和学科融合能力。

【案例2】教科版四上《声音的变化》一课中，利用钢尺探究声音的强弱变化和高低变化。学生发现，在实际课堂环境中，由于组与组之间的相互影响，在相对嘈杂的氛围下，声音很难清晰地辨别。基于技术与工程理念，运用“精准化”策略，学生对实验进行了如下改进。

设计1：我们可以用更大的尺子来做实验，同时耳朵离尺子更近一些，拨动尺子时更用力一些，实验效果是否会更加明显？

设计2：既然是环境太吵了，那我们营造一个相对安静的环境再进行实验不就可以了？用一个大箱子罩起来做实验，是不是可以听得更清楚？

设计3：我们组的设计灵感来自音叉实验套件。我们能不能给钢尺也安装一个共鸣器？用螺母来固定钢尺，调节螺母，还可以调节尺子的长度。

声音看不见摸不着，在原有的实验活动中，许多学生在判断声音的强弱、高低时，尤其是声音的高低，本来在比较嘈杂的环境下，判断就很困难。部分学生往往是从尺子伸出桌面的长度“看”出结论，而非“听”出结论，或者“人云亦云”。让学生清晰听到声音的变化才能更好地判断，在活动中培养实事求是的精神。

二、基于“便利化”策略，让实验体验由“弱”变“强”

在教学过程中笔者发现，经常有一些实验会受到天气、时长等额外因素的影响，开展得不太顺利，甚至是无法有效进行，学生的实验体验较“弱”。笔者采取“便利化”策略设计工程活动，培养学生的模型建构能力、选择结构性材料的能力。

【案例3】教科版三下《阳光下物体影子的变化》一课中制作简易日晷，在实际上课时，往往受天气影响，没有太阳时无法开展活动，即使有太阳，制作一天的日晷需要学生持续观察一整天并记录影子，实施难度也较大，课堂上的科学知识目标难以及时完成。基于技术与工程理念，运用便利化策略，学生对实验进行了如下改进。

设计1：在前一课的学习中，我们就用到了模拟实验，探究太阳和月亮的大小关系，那么这里我们能不能用手电筒来模拟太阳的东升西落？

设计2：我们觉得可以分工合作，组内成员分批，每人负责2 个时间点的观察和描绘，在大课间、午自修以及每节课后8 个时间段进行观察记录。

设计3：我们可以设计一个类似过山车一样的轨道，用小灯泡来模拟太阳，让小灯泡能在固定的轨道上自由移动，这样来模拟太阳每天有规律地东升西落。

活动中，多数学生都采用模拟实验来解决时长的问题，通过模拟实验的工程设计，培养了学生的创新能力及模型建构能力。

【案例4】教科版三上《水沸腾了》一课中，学生发现，观察加热过程中水的变化和温度变化，在本课中使用的是普通的玻璃温度计，读取温度，三年级的学生需要一定的时间。但在本课内容中，温度计的使用不是重点，观察水沸腾过程中的变化才是实验目的，而且使用课本中的实验装置进行加热，水也难以沸腾。基于技术与工程理念，运用便利化策略，学生对实验进行了如下改进。

设计1：针对读数烦琐的问题，我们觉得可以采用电子温度计进行读数。

设计2：针对水难以沸腾的问题，我们想是否可以把大烧杯改成小烧杯，水量减少，水沸腾是不是更容易？

设计3：针对水难以沸腾的问题，我们可以模拟生活中烧饭，给烧杯做个盖子，同时还能固定温度计呢。

通过对器材的重新选择以及生活常识的迁移，培养学生选择结构性材料的能力，并能从实际生活中寻找解决问题的方法。

三、基于“可视化”策略，使实验效果化“抽象”为“形象”

在小学科学教材中，我们学习了许多“抽象”的知识，比如物体的运动、力学知识、光学知识等，当遇到这些无法直接清晰可见的实验活动时，部分学生会学习得比较吃力。笔者采取“可视化”策略设计工程活动，培养学生的逻辑思维能力、创新能力、探索精神。

【案例5】教科版三下《各种各样的运动》一课中，观察和记录圆点在各种物体上的运动形式。在实际操作中，我们发现，物体运动起来之后，圆点看不清晰，许多玩具本身的颜色跟贴纸的颜色相近，不易观察，而且三年级学生在观察一些玩具的运动时，注意力容易被玩具分散，忽略对圆点的细致观察和记录。基于技术与工程理念，运用可视化策略，学生对实验进行如下改进。

设计1：我们可以采取更多不同颜色的贴纸来进行实验，比如红、黄、绿，这三种颜色正是交通信号灯的三种颜色，是最醒目的颜色。

设计2：能不能先用手机进行拍摄，再通过视频的快进功能或者慢放功能进行观察？有些物体可能运动得太快了，不易观察，也有些物体可能是运动得太慢了，运动轨迹不连贯。

设计3：从玩荧光棒中获得的灵感，晚上挥舞荧光棒可以非常清晰地看到荧光棒的运动轨迹。能不能用一种荧光材料来代替贴纸，然后在光线较暗的环境下进行实验，观察点的运动轨迹？

在本次活动中，学生进行了头脑风暴，突破了原有实验的固有思维，从多个角度实现运动轨迹的清晰化，促进了学生创新能力的发展。

【案例6】教科版五上《光的传播会遇到阻碍吗》一课中，教材实验采用烟来充当反射的介质，利用点燃熏香来产生烟。烟其实是由一些小颗粒物组成的，运用在课堂上，我觉得仍存在一些问题：学生吸入烟，会不会对呼吸道产生一定的影响，而且实际操作时，对烟的浓度也有较高的要求。刚点燃时，浓度太低，光路呈现不明显；点燃时间过长，烟雾浓度过大，可能导致光路断断续续，无法形成完整的光路。基于技术与工程理念，运用可视化策略，学生对实验进行了如下改进。

设计1：用粉笔灰代替烟雾，材料获取容易，粉笔灰的数量可以调整，用盖子盖住盒子，使用时用力摇晃盒子，扬起粉笔灰呈现光路。

设计2：我们的灵感来源于雨天的夜晚，当空中布满雨水时，我们可以看到汽车的灯光路径，可以用喷雾器装水喷出水雾来呈现光路，而且水对人体绝对安全。

设计3：通过查找资料，我们发现了一种化学药品经常用于光路的可视化实验，在寻求教师的帮助后，我们设计了用氢氧化铁溶液来呈现光路。

光路的可视化对五年级的学生来说，其实是很陌生的，但是同时也是充满好奇和向往的。在本次工程设计之前，我们就学习了丁达尔效应，了解了为什么一般情况下看不到光的传播路径。那是因为光线比较集中，当光沿一个方向传播时，几乎不会有光线反射到人的眼睛里。那么怎么让光路可见呢？其实就是让光在传播的过程中反射一些光线出来。烟雾起的就是这个作用。在充分了解原理的基础上，再开展设计活动，不仅保护了学生的好奇心，也培养了他们探索未知事物的精神。

将科学教材中的实验问题作为工程问题来实施，有效避免了多数工程问题与学生生活距离比较远的问题，在课堂上亲身体验“精准化”“便利化”“可视化”对实验的改进作用。在这一过程中，学生的工程实践能力、创新能力、团队协作能力、表达能力等都得到了更好发展。在学生心中种下一颗工程技术的种子，期待未来能够长成适应社会发展的参天大树。