“四维”推进：工程实践活动的序列进阶

科学课程标准首次明确了科学思维作为核心素养的重要内涵，同时新增了“工程设计与物化”这一核心概念。工程是一种人工造物活动，是人类社会赖以生存和发展的基石，是直接而实际的生产力体现。在小学科学教学中对学生进行工程思维启蒙和锻炼，课程标准对其实践能力和思维素养提升的要求，可以帮助他们更好地理解和探索世界，培养他们改造环境的倾向和解决实际问题的能力。[1]工程思维是在参与工程实践活动中逐渐形成与发展的一种高阶思维，是一种面向实际问题解决的思维方式。工程思维主要包括工程决策思维、工程设计思维、工程实施思维、工程评价思维。

学生科学探究的过程既是动手实践的过程，也是科学思维运用的过程，但传统科学探究与工程实践活动的过程及最终导向存在一些差异，导致教师运用传统科学探究的教学方法进行工程实践活动教学时，往往难以取得良好的教学效果。科学教师亟须更新教学理念，采取适宜的教学策略，在工程思维的驱动下开展工程实践活动。

一、工程决策思维：真实情境下的问题驱动

在工程实践活动的初始阶段，如果未激起学生解决驱动问题的需求，只是为了做而做，缺乏主观意愿，他们就不清楚实践结果的最终指向，更不用谈如何将想法变成现实，创造有价值的产品。工程实践中应用工程决策思维，将问题驱动模式与真实情境理念相结合，可以激发学生兴趣与动机，从而促进教学目标的达成和科学素养的发展。

1.真实情境，引发决策意愿

在工程实践活动之前，教师要优先从学生遇到的真实情境中提出驱动性工程问题，也可以结合生活实际创设形象生动的情境，从而激发他们主动参与的热情，提高他们解决问题的积极性，引发他们的工程决策意愿。

教材中关于“设计我们的小船”系列活动的驱动，仅仅是平铺直叙的任务：依据所学的知识和提供的一些材料，发挥想象，自己设计并制作一艘小船。对于这样的任务，学生只是知道“要这么做”，却不知道“为什么做”，导致一些学生不感兴趣，以致工程实践活动难以开展。

教师结合学校开展的“探秘珍珠世界”项目（如图1），提出驱动性问题：“同学们打捞珍珠蚌时乘坐的浮筏比较小，还有安全隐患，你能设计一个成本低、安全系数高、载重量大、有自己动力的小船吗？”学生的积极性很高，尤其是之前参与过打捞珍珠蚌的学生，更是表现出浓厚的兴趣。

2.身份认同，强化自主驱动

参与工程实践活动，有助于学生发现自己成为一名工程师的潜能，提升解决实际问题的能力。教师可以在上课时展示工程对社会的积极影响以及著名工程师的故事，引发学生的认同与效仿，发挥榜样的力量，强化他们参与工程实践活动的自主性。

例如，在课前观看了中国航母工程的视频后，学生无不感叹国家的强盛，同时对航母工程师这一身份有了认同和向往。在设计与造船活动前，教师给每个小组都分发了一本工程日志，让他们给自己的工程队起名，并设置不同的工程角色，如工程决策师、工程设计师、工程建造师、工程测试员、工程采购员、工程考察员等，让他们深入体验工程师的职业，激发他们内在的学习动机，提高创新能力。

3.工程量规，明确约束条件

教师需要在工程过程的“明确问题”环节就规定好评测指标，主要包括产品是否超出限制的条件、是否可以解决问题、完成任务的效率等内容。只有将测试标准前置，学生在工程实施阶段才会有方向、有目的地开展制作，才能让评价量规在整个工程实践活动中发挥诊断和促进作用。

例如，学生已经知道了约束的条件“成本低、安全系数高、载重量大、有自己动力的小船”，但这些条件还是比较宽泛，教师可以将评价量规前置并进一步细化为增加航行距离、坚固程度、安全系数、美观程度等评价项目（见表1）。

二、工程设计思维：创意搭建下的方案细化

课程标准提出了工程的关键是设计、工程是设计方案物化的结果这两个主要概念。但是在很多工程实践活动中，由于缺乏工程设计思维，有些学生往往只能模仿教师的步骤跟着做，并没有发挥很大的自主性。有些学生即便有了很有创意的设想，但缺乏图纸化的技能，难以将想法转化成翔实完备的设计方案。设计方案的过程也是工程设计思维运用的过程，教师要引导学生掌握一定的设计方法，并尽可能多地提出解决思路。[2]

1.开放性视野，探索多元方向

实际的工程项目通常不会只有唯一的解决方案。因此，教师开展工程实践活动时要让学生从多元方向进行设计，避免将他们束缚于某个标准答案之内，出现千篇一律的情况。

教师可要求学生在确保达到基本设计要求的基础上，积极思考如何对小船进行创新改进。例如，有的小组侧重于提升小船的美观程度，有的小组想让小船行驶更加稳定，还有的小组倾向于增强其坚固程度。这样开放性的问题解决方式，更有利于学生进行创造性的思考，发散他们的思维。

2.创新式技法，发散设计思路

在工程设计中，教师可以引导学生采取多种创新技法，如头脑风暴法、列举法、组合法以及“创意十二诀”等。这一过程中，学生的灵感得到激发，在思维的碰撞中，进一步丰富解决问题的思路。例如，在设计小船前，教师让各小组开展了充分的头脑风暴活动，让他们就小船的设计展开深入讨论，共同完善自己小组的设计方案。

3.图形化支架，完成工程构想

思维导图能够将抽象的思维形象地展现出来。教师在学生设计的过程中，可以引导他们运用气泡图、树状图、维恩图、鱼骨图以及辐射图等多种类型的思维导图，将原本零散无序的思考整合成为一个结构清晰的整体。在这个归纳梳理的过程中，学生还能随时补充新的想法，进一步丰富和完善设计方案。例如，教师在学生的头脑风暴环节提供了思维导图支架（如图2），帮助他们一边讨论，一边整理思路，并推导优化。

工程产品的制作过程实质上是由局部到整体构建的过程，因此，在设计图纸阶段就必须充分考虑各个局部的细节。设计图的详细程度与学生按图索骥的制作难度息息相关，详细的设计图也更容易促进小组成员的协同合作，提升工程产品的制作效率。

例如，在设计过程中，教师引导学生不仅要画出小船的外观，而且要图文并茂，标注出各部分具体使用的材料，船体各结构的尺寸等。如果有特殊的地方，还要配上简单的文字说明。同时，教师要求学生从俯视图和侧视图两个角度进行设计图的绘制，鼓励画出细微处。为简化设计难度，教师提供带格子的设计纸，一小格代表1厘米。图3为活动中小组的初始设计图。

三、工程实施思维：缜密迭代下的闭环推进

工程实践活动的本质是创造人工实体。学生除了有良好的科学知识储备、创意的工程设计外，更需要掌握实践技能。工程实施思维是指将想法、方案转化为有形物品的思维，实施步骤缜密、环节细化是工程建造的关键。

1.丰富材料选择，强化实施保障

合理的材料是工程实施的基础。教师在给学生准备材料时要做到材料丰富且具有结构性，尽量提供他们熟悉的、易于加工制作和成本低的材料，并以“材料自选区”的形式让他们选择。同时，工程的实施需要考虑成本，不能任由学生选择和使用材料，需要给予一定的限制，让他们体会更符合现实工程建造时的情境：在限定条件下进行设计，并找到最优的解决方案。

例如，教师为每组提供了120个造船币，制订了材料清单（见表2），让学生在设计的同时有意识地进行成本核算，并在选择材料的过程中加以思考与取舍，锻炼工程思维。

2.活用“三化”策略，增强工程实效

不同小组的方案设计和对动手能力的要求不尽相同，教师在指导学生制作的过程中，要根据他们具体的实施情况，合理采取“三化”策略，即优化、转化和变化。

优化。对于没有头绪的学生，教师可以给他们提供最基本的范例，让他们在工程实施过程中有章可循，并在范例的基础上进行优化。例如，教师给不会制作的小组提供其他班级的小船示例，让他们参考其他小组选择的材料，并思考材料之间是如何连接的。

转化。对于在实施过程中卡壳的学生，教师可以进行点拨，提示他们换一个角度和思路继续完成工程建造。例如，教师在巡视时发现有一个小组的船身缝隙很大、容易漏水，于是指导该小组用锡纸对船的底部进行包裹，解决漏水问题。

变化。对于已经提前完成工程建造的学生，教师可以适当提高要求，增强挑战性，促使他们继续改进自己的产品。例如，有一个小组的设计非常简单，只用了很短的时间就完成了制作。教师针对性地提问：“如果有人坐在你们的小船上，如何保证他们不掉下去呢？”在新的要求下，学生很快就进行了改进设计，在船的周边增加了护栏。

3.落实分工合作，提升合作能力

合作能力是工程领域必备的核心素养之一，在工程探究中教师应注重培养学生的组内合作以及组间协同习惯。例如，教师为各个小组设置了六个角色，并分别给予对应的任务（如图4）。这不仅在小组内部有效实现了细化分工与高效合作，还通过工程考察员实现各小组间的互动交流与评价，巧妙地搭建了全班范围内的合作机制，有力地推动了整体的合作进程。

四、工程评价思维：量规评价下的反馈扩容

工程评价思维指向的是工程实践中每个环节的反思与测评，以便对工程成果进行针对性优化。在工程实践的检验成果环节实施评价，可以促进学生对作品进行改进完善；在发布成果的环节实施交流展示评价，可以让学生体验到工程实践活动带来的成就感；活动结束后的反思评价，有助于学生生成发展工程思维的内驱动力。

1.成果检验，促进工程改进

学生在检验作品阶段发现成果与设计的差别，以及一些不足之处，会探究改进策略。教师可以通过评价的方式引导学生进行迭代改进。

一是促发迭代意愿。学生的想法和创意各不相同，在工程实践活动的每一个重要环节，教师均可开展组内、组间的互相交流与评价，增强他们的思维碰撞。在交流分享中，教师要求学生及时收集与成果相关的数据与建议，并分析判断自己成果的哪些地方需要改进。例如，活动时，教师让每个小组都派出一位工程考察员，在不打扰其他小组活动的情况下参观考察，找到值得自己小组借鉴的地方，也可以对其他小组进行适当的交流和评价，并及时记录，最终促成小组的迭代意愿。

二是引导迭代方向。实际的工程产品设计还要考虑到方方面面，达到解决问题的目标只是基本要求，教师要在成果的测试后引导学生反思不足，从而进行针对性的改进。例如，在小船的制作活动中，学生充分利用前置的评价量规，从坚固程度、安全系数和美观程度多方面去改进完善自己的小船模型。同时，教师提供调试记录表，帮助学生快速聚焦迭代的方向，让他们通过持续不断的改进与迭代，更加深入地体验真实的工程实践项目，进而提升工程思维能力。

三是激发迭代精神。工程设计是一个循环递进的过程，失败是不可避免的。设计中的失败可以提供改进和完善的重要契机，其价值不可忽视。教师需要引导学生认识到不害怕失败，专注于从每一次失败的尝试中汲取宝贵的经验，培养他们坚韧不拔的品质。例如，其中一个小组的小船仅能载重不足100克重，教师逐步引导学生总结失败经验，进行针对性的改进。两次迭代完善后，该小组的小船载重成功提升至300多克重。学生从失败中学习并最终走向成功，可以极大地激发成就感，促进迭代精神的养成。

第一次迭代

生：老师，我们的小船最多能放8颗螺母（如图5-a，1颗螺母约为10克重），怎么办？

师：你们一开始是怎么设计的？

生：我们把两片泡沫叠起来，可以增加小船的浮力。

师：实际测试时发现了什么问题？

生：小船很不稳，再增加重物就会侧翻，对称放置也没用。

师：你们觉得是什么原因造成的？准备怎么改进？

生：可能是底部太小了，不稳定，我觉得可以想办法增加底部的面积。

第二次迭代

生：老师，我们在原来的船底加了一层小竹竿，这一次承载了110克重（如图5-b）。