指向工程思维培养的科学项目实践活动

袁晋

摘要：在小学科学教学中，培养学生的工程思维是重要课题。在科学项目实践活动中，通过锻炼筹划性思维、激发可行性思维、培植价值性思维、实现迭代性思维等路径，能够有效培养学生的工程思维。

关键词：工程思维；筹划性思维；可行性思维；价值性思维；迭代性思维

中图分类号：G623.6 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2023）11-0078-03

《义务教育科学课程标准（2022年版》（以下简称《新课标》）强调实现从知识本位到素养本位的跨越，创新设置了13个学科核心概念，涵盖了所有学生在义务教育阶段应该掌握的科学课程的核心内容[1]。其中“技术、工程与社会”和“工程设计与物化”两个学科核心概念迅速引起了一线科学教育工作者的广泛关注，使得学生工程思维能力的培养成为热门研究课题。工程思维是一种筹划性、可行性、价值性、迭代性思维，其核心是能够对一个项目或者领域存在的问题进行比较系统的分析，整体把握和规划，权衡其利弊，并进行风险评估，提出较为系统的解决方案，力求拿出全面、综合、科学的决策。

相关研究表明，为学生创造参加具有综合性与跨学科性的工程实践活动可以有效地促进其工程思维的发展，如何帮助学生找到一种适切的习得方式就变得尤为重要[2]。笔者在《新课标》中找到了答案：义务教育课程要变革育人方式，突出实践，“突出课程内容结构化，探索主题、项目、任务等内容组织方式”，“探索大单元教学，积极开展主题化、项目式学习等综合性教学活动”，指向“做中学”“用中学”“创中学”的课程与教学体系，倡导项目学习。

一、问题解决，锻炼筹划性思维

科学的核心是发现，工程的价值是实现。工程中的筹划性思维是指解决现实问题时调动和使用各种思维方式，全方位、多层次和多角度对问题进行运筹和集成，达到解决工程问题目的的思维。所以，科学学科项目实践活动必须是基于问题的学习，学生在明确问题，进行头脑风暴时会产生多个可能的解决方案。

教师在设计学科项目实践活动时，应为学生提供选择自认为最好的解决方案的机会，并引导学生落实解决方案，促使学生在解决问题中不断地修改和完善。在这样的项目学习探究过程中，学生需要不断地考虑方案是否可行，具体落实到每一个步骤是否可以实际操作。学生通过不断的自我反思、自我审视，找出自身存在的问题，继而自我调整，发现和解决遇到的困难和问题，锻炼筹划性思维。例如，在开展“空气炮”这个学科项目实践活动时，就要设计引导学生思考的问题：制作空气炮可以选择什么材料？如何制作空气炮？究竟是什么因素制约和影响着空气炮的射程？大部分学生会想当然地认为炮口大射程就远。但事实真的是这样吗？炮身粗细和射程会不会也有联系呢？有什么办法可以使炮身更牢固些？怎样测试炮程更科学？有层次的问题串设计，促使学生在一开始时可以有针对性地把这些问题进行系统搭建，从而形成问题框架，有效地助推学生顺利完成下一阶段的设计、制作与测试，让学生在实践中真切感受到可行性和可操作性的意义和价值，从而有效锻炼筹划性思维。

二、情境驱动，激发可行性思维

工程中的可行性思维是指在解决现实问题时，充分考虑需求的角色是否满足、按照功能的逻辑思考是否能走通、遇到技术知识盲点是否能突破等。网上有一个关于折纸的论点：一张纸无论怎么对折，都不能超过9次，真的是这样吗？有些学生不相信。于是，就用A4纸亲自动手折一折，结果只能折7次。还有些学生质疑是不是纸太小，于是更换了一张更长更薄的宣纸，结果也只是折了8次，第9次因为太厚折不下去了。其实，不相信的学生是一种基于学科逻辑的系统思维，是用科学原理和科学概念解决问题的思维活动。亲自动手实践的学生则是用证据说话，从问题的真实情境出发，考虑“现实性”“可行性”和“实现性”，这就是工程中的可行性思维。

教师在设计科学学科项目实践活动时，必须从学生的生活经验和认知特征出发，创设出一个具有驱动性的项目情景，从而有效激发学生的可行性思维。例如，在开展“佩奇的保温杯”这个学科项目实践活动时，教师创设驱动性项目情境：为佩奇设计制作一款简易保温杯，能满足她夏天喝冰水的需求。学生通过实践探究，发现不同的方式方法均可完成工程任务。但有的小组为达成保温目的，选择多种保温材料叠加，杯子外壁越来越厚，甚至超过了杯子的容量；有的小组甚至没有进行开盖设计。这时，教师就要引导学生充分、综合地考虑各种因素的“现实性”“实现性”“可行性”，以顺利地完成工程任务，顺利形成可行性思维。

三、真实任务，培植价值性思维

工程技术的关键是设计，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。工程思维是以价值为取向的一种思维，目的是满足社会的需要、实现并创造更大的价值。工程思维和现实世界的核心相互关系是“设计性”和“实践性”的完美统一，引导人们主动地创造现实、塑造现实、改变世界。

教师在设计学科项目实践活动时，制定的任务目标要和现实生活、现实世界勾连起来，具有现实意义。这样，学生在参与项目学习，完成目标任务的时候，才能获得真实的生活体验和社会性的成长。例如，在开展“滴灌器”学科项目实践活动时，学生为了更好地种植养护好学校“知行农场”中的蔬菜，自制了滴灌器，并迭代出几代产品，投入农场使用。这时，教师就要抓住契机，设计能够使学生走上舞台展示自己的学习成果的项目学习任务。在展示中教师惊喜地发现，有的学生解决了土地板结的问题，有的学生解决了流速的问题，有的学生在设计上更加美观，展现出学生在学习实践过程中尽情地思考和创造，让学生体悟到了创造价值的喜悦。这个项目的学习解决了学生现实生活中真真切切遇到的问题，在教师合理的设计、有意识的引导下，学生在活动中培植工程思维的价值取向。

四、改进产品，实现迭代性思维

工程设计是一个通过不断构思设想、建立模型、反復测试、不断迭代，最终解决现实问题的创新性过程。那迭代是什么呢？如果说创新是一个从无到有的过程，那么迭代就是一个从有到优的过程。

教师在设计学科项目实践活动时，要引导学生体验新值的产生、旧值的优化、新值与旧值之间的对比、旧值与新值之间的递推，从而促使学生理解工程设计的实现要经历由实践到理论、再到理论和实践相结合、继而由理论向实际发展等转变。例如，在开展“垃圾桶变形计”学科项目实践活动时，学生在制作智能语音分类垃圾桶时，有的出现电路接触不良的情况，有的会出现桶盖打开不顺畅的问题，有的会出现语音识别错误的问题……学生的研究没有因为困难就此停止，而是兴趣盎然地不断试错，深入思考后优化设计方案，不断地在原始设计基础上寻求新的方法解决暴露出来的问题。工程设计是一种非线性优化，对模型进行测试，往往要经历无数次的失败，所以测试不是工程设计的终点，而是又一个崭新的起点。学生通过反复测试，反思总结失败的原因，不断地尝试改进，不断地迭代，不断地追求卓越，完善自己的作品，走向成功，从而实现迭代性思维的培养。

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）[M].北京：北京师范大学出版社，2022：90.

[2]张华.让学生创造着长大——2022年版义务教育课程方案和课程标准核心理念解析[M].北京：教育科学出版社，2022：157.

责任编辑：贾凌燕