基于工程思维教学“船的研究”

工程思维是科学教育的一个重要目标，每一册教材中都有单元将工程学习列入单元学习的最终目标。但当下科学教材中的实验大多仍是验证性实验，这种实验方式只能让学生以固有的思维去证明实验的结论，难以发挥他们的主观能动性，激发他们的学习积极性。在“船的研究”单元教学中，我们尝试在实验教学中渗透对学生工程思维的培养，扭转理论和实践脱离、操作和创新分离、技术与科学背离等倾向。

一、把握工程思维特点，培养学生实践能力

工程是既要基于科学和技术解决实际问题，又要考虑省时、省材、合理、可靠、美观等多方面要求的复杂过程。它的操作过程是先指定某个目标，再按照工程的一般规范和设计准则投入生产和制造，最后以产品的形式作为工程的结果进行生产和建设。工程思维具有系统性、设计性、实践性、跨学科性等特点，科学教师要牢牢地把握这些特点，培养学生的实践能力。

1.系统性——培养分析权衡的能力

工程设计的一般步骤是先让学生对某一具体情境或某一环节中的技术问题进行具体分析，得出解决问题的办法，再利用模型建构等方式开展设计活动。在工程整体设计中，学生既要考虑各个因素之间相互制约的关系，也要明确各项因素权衡的侧重点。

在本单元中，学生需要系统性地考虑各种问题或限制，例如，船体多大比较合适？船型如何设计可以减少阻力？船体用什么材料？如何提高载重量和稳定性？选择什么作为动力？等等。在设计时，学生会发现这些问题之间是相互关联制约的，需要综合考量、系统分析。例如，如何在不改变大小的情况下提高载重量？安装了动力系统后是否需要考虑它本身的重量？改变船的形状是否会影响船的稳定性？等等。

通过思考这些问题，学生锻炼了系统分析能力和工程思维中的权衡能力，这不仅有助于提升他们的学习能力，而且提高了他们解决实际问题的能力。

2.设计性——培养迭代优化的能力

工程的关键是设计。设计决定了工程能否顺利实施，包括工程的目标、工程的流程、工程中所遇到的问题、工程的细节等，充分体现了学生的思维能力和创造能力。在工程实践中，学生会不断地发现问题、改进设计、解决问题，体会设计的重要性。

例如，在《设计我们的小船》一课中，学生在初期的设计往往是简单的，而经过多轮头脑风暴后，他们发现这样的设计完全不能用于实践。因此，学生改进设计，将船的动力系统、船的尺寸、船的装饰等一步一步地增加到设计图中（如图1），最终完成设计。

在“再设计”的过程中，学生需要聚焦关键问题，看到自身的不足，针对问题能够进行反思。只有经过一次一次的迭代，学生才能设计出更精良的小船。

3.实践性——培养动手动脑的能力

离开了实践，设计就是纸上谈兵。工程思维的培养要基于工程实践，而实践是检验工程设计的重要环节。在课堂上，学生可以通过制作产品来实现自己的设计，这也是工程实践的最终目标。

例如，本单元最后一课《制作与测试我们的小船》就是一节实践课，课上学生将前面所学的知识运用到实践中，为单元的学习画上完美的句号。学生通过对照设计图制作自己的小船（如图2），体会到了工程实践带来的乐趣和成就感。

在这个过程中，学生深刻地体会到了技术对工程实施的重要性，也感受到了完成工程后的喜悦。在解决具体问题的过程中，他们绞尽脑汁，将自己的创新能力发挥到了极致，通过不断地完善让作品更加优秀。

4.跨学科性——培养知识融合的能力

以工程思维的形成来描述技术与工程类实验课的目标是最合理的，它启示我们技术与工程类实验不能只局限于运用科学知识和设计能力，而要更多地结合STEM教育，整合多学科知识，实现跨学科的融合。

例如，在设计小船的过程中，学生不仅需要知道如何使小船浮起来、如何增加船的载重量、使用什么样的材料最合适、用什么形状能减少阻力等知识，还需要结合美术知识，让设计图看上去更美观，更需要融入数学知识，在比例格内按尺寸画出小船的大小，计算出小船的面积、体积与载重量。通过运用多学科知识，学生能更好地将工程思维与探究性实验结合，将各科知识与生活实践结合，使科学探究具有实践意义。

工程思维的渗透要立足于真实的问题、学生的需求、感性的认识、思维的唤醒。只有让学生切实解决生活中的问题，产生探究的欲望，在感受中寻找到乐趣，将自己的思维活力激发出来，基于工程思维的小学科学探究性实验才有味道。

二、直击工程素养目标，塑造特色实验课堂

1.调整目标，以核心素养引领工程活动

核心素养是对科学素养的进一步深化，凸显科学学科的本质和育人价值。教师要立足课程标准要求、教学目的和学生的实际情况，预设工程实践活动。在每个任务环节，学生的具体目标都应体现一定的工程素养，最后才能进一步整合成指向工程素养的教学目标（见表1）。

单元学习以培养学生的科学素养为主体，不断展开，不断深入挖掘，直到完成目标。例如，本单元的学习目标非常明确——制作小船。学生在探究的过程中一旦明确了评价要求，就会按照评价目标设计自己的小船。评价要求推动了学生的思维发展，要求他们通过合作，细心地设计、完善方案。学生在达成科学素养目标的过程中发展了工程思维。

教师要着眼学生的长期发展，培养他们解决复杂问题的工程思维，切实引导他们积极参与多维的设计活动，从而提升他们的工程思维能力。通过参加融合工程思维的科学实践活动，学生了解了工程思维形成的过程，在以后的学习生活中更敢于尝试解决问题，通过协同合作理性地分析问题，寻找最适合的解决方案。

2.转换认知，以任务重构科学概念

基于工程思维培养的教学是一个以任务重构科学概念的过程。在旧教材中，教师以研究物体在水中的沉浮为起点，让学生在已有概念的支撑下，以“造一艘船”的活动匆忙结束。而在新教材中，教师更多地以活动为主体，用活动架构整个单元的内容。

例如，学生从具体材料（木头、橡皮泥、铁制品等）和限制条件（载重量、小船行驶方向、小船的稳定性等）等方面解决制作小船的困难。在工程建造的过程中，教师可以看出学生整个认知过程的变化，其思维是动态进阶的。学生通过再设计和再制作，不断修正自己的概念，从而构建正确的科学概念（如图3）。

3.优化路径，以立体研讨实现课程架构

在以往“技术与工程”的教学中，师生通常在40分钟内完成整个工程环节。而新教材把“制作小船”当成一个单元框架，优化设计制作活动的路径，对技术与工程领域进行整体构建，形成有层次、有联系的单元活动体系（如图4）。

在课堂上，只靠单个小组难以完成工程任务，学生需要交流互动、分享经验、交换观点，对探究实践过程中的各种信息进行深度加工处理。从组内制订目标到组内交流设计图，从向全班学生展示模型到小组间商讨存在的问题，学生在展示交流的过程中评价和反思。在生生互动、师生互动的过程中，学生经历了“头脑风暴—自我反思—听取建议”的研讨过程，逐步架构知识框架。

在思维碰撞的过程中，教师会沿着“讨论、设计、制作、再讨论、再设计、再制作”的路径，实现课程化的内容架构，把课程内容当成一个小项目、小工程，从而有充足的时间在科学课堂上将工程思维渗透给学生。

三、运用工程思维方法，融入科学实验课堂

本单元是典型的工程单元，它将制作小船时所涉及的知识贯穿在整个大单元框架中，将工程思维与核心素养要求渗透在每一课的教学中，在潜移默化、循序渐进中实现对学生工程思维的培养。

依据造船的要求展开研究，学生需要根据成本预算设计图纸，并参照图纸建模、再设计、再测试，在真实的情境中运用工程思维、新工具和新技术来完成实践任务。通过层层递进、不断深入的活动，学生的工程思维逐步形成，培养了核心素养。

1.巧妙引导，启发思维

工程活动起于思考，要点包括理念、要素、设计与结构。每一个工程的开展都离不开它的核心理念，而核心理念直接决定了工程实施的方向。工程基于理念创设真实的情境，将会事半功倍。

（1）问题驱动，明确任务

在本单元的起始课上，学生已经了解、认识了船的历史。教师提出“船的发展过程中有什么变化？”“怎样让独木舟保持稳定？”“怎样减小船的阻力？”这三个问题，将科学和工程问题有效结合在一起，让学生将零碎的知识变成联系实际的实践操作。教师要以发展学生工程思维为出发点，使活动契合他们的认知起点、学习兴趣、科学思维困惑、科学发展空间。

（2）合理引导，自主探究

学生遇到棘手问题时，自我处理能力相对较弱，教师应当合理引导，为他们创造一个敢于思考、易于思考、自主思考的学习空间。在引导过程中，教师应结合本单元所学知识和学生的已有认知来开展活动。如在《设计我们的小船》一课中，教师可以通过3种引导方式让学生设计小船（见表2）。

从表2中可以看出，引导方式1和引导方式2是简单的指导性过渡，大大限制了学生的思维。引导方式3中，教师在学生开始设计前就梳理了整个实践活动中的注意点，让他们围绕材料、载重量、稳定性、动力系统等角度开展自主探究，寻找解决问题的办法。相对而言，引导方式3更有利于学生的自我发展，培养他们的自主思考能力。

（3）适时设问，思维介入

课程标准指出，科学探究是科学学习的主要方式。五年级学生已有了一定的思维能力，能运用简单的方式记录实验的过程。但工程设计图不只是感性认知层面的绘画，更多的是将理性层面的数据和图示等内容体现出来，它需要学生把握工程思维的特点，让工程项目更具筹划性、系统性、可靠性、科学性和实践性（见表3）。

在教学实践中我们发现，学生的设计过程会更多地考虑载重量，但如何让动力系统与稳定性和谐统一才是一个难点。此时，教师需要及时提问（如何安装小船的动力系统、安装在哪里才能保证小船的稳定性、动力朝向哪个方向才能使小船稳定前行等），促进学生去考虑动力安装的位置和角度等。

2.结构设计，进阶思维

工程技术有一个过程：从问题到方案设计，初次测试，修改完善，再测试，最后形成成品。可以说，工程技术的核心是自我完善的过程。

例如，在各组初步完成小船的制作后，学生对载重量进行测试。根据评价要求，载重量要大于200克才算达标，但许多小组在设计时无法体会到载重量的标准，脑海中无法形成具象的概念。对此，教师要引导学生对问题进行梳理后开展二次设计，甚至多次设计。如此反复操作，学生对如何设计小船使其承重量大于200克有了一定的意识，能针对性地改进小船的设计。

工程建设向来需要经历一个较长的过程，而再设计为技术与工程领域的教学打开了一扇窗。教师要基于学生再设计的起点和终点，为他们搭建了有效的“脚手架”，从而促进他们工程思维的发展。

3.落实评价，实践优化

工程评价的主要目的是让学生能更好地、更有目的地学习和实践。当学生的思维中出现新事物时，教师要及时采用生生互评、教师评价等方式来将工程思维完善和深入。这样，学生就会对自己的作品进行简单的评估，设想这件作品在使用的过程中可能遇到的问题；再经过小组讨论等方式改进作品，完善作品；最后制作出达到预期的成果，发展自身的工程思维能力和实践能力。

实践中，大多数小组制作的小船都能达到标准，但不可避免地会出现一些瑕疵：有的小船承重量大，但成本较高；有的小船使用的动力较经济，但行驶距离较短；等等。完成作品后，学生根据课前的小船测评标准，给其他小组的作品评分。之后，教师根据每个小组在整个项目中的表现，分别给各小组评分并适时提出针对性的建议，及时帮助他们积累经验。

测试记录单（见表4）让学生可以将自己小组作品的不足全面地记录下来，帮助他们优化模型。学生在交流中对比不同小组的模型，取长补短，优化自己的方案。

参考文献

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