基于工程思維的小學(xué)科學(xué)FCRCTP教學(xué)模型建構(gòu)

【摘要】核心素養(yǎng)教育改革背景下，在科學(xué)教育中培養(yǎng)工程思維已經(jīng)成為基礎(chǔ)科學(xué)教育轉(zhuǎn)型優(yōu)化的新態(tài)勢。工程思維的培養(yǎng)需要以工程實踐活動為載體，工程設(shè)計流程為解決創(chuàng)新性的工程問題提供了方法，將工程設(shè)計流程融入教學(xué)實踐是在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程思維的有效途徑。文章以工程設(shè)計流程為媒介建構(gòu)了包含聚焦情境、明確問題、研究設(shè)計、構(gòu)建模型、測試優(yōu)化和展示評價等六個步驟的小學(xué)科學(xué)FCRCTP教學(xué)模型，并以“我們的過山車”為例闡述驗證了該教學(xué)模型的可行性和有效性?！娟P(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)；工程思維；工程設(shè)計；教學(xué)模型隨著人類社會的發(fā)展，世界各國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，21世紀對人才培養(yǎng)的訴求更加注重思維及能力的提升。發(fā)展核心素養(yǎng)成為人們回應(yīng)當前和未來技術(shù)變革和全球化挑戰(zhàn)的舉措。工程思維是一種以比較權(quán)衡和系統(tǒng)分析為核心的籌劃性思維[1]，工程思維對分析與綜合、實踐與應(yīng)用、創(chuàng)新與優(yōu)化、跨學(xué)科思考及團隊合作等方面多維能力的培養(yǎng)具有整體要求，有助于達成培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)這一整體性目標。工程的關(guān)鍵是設(shè)計，工程設(shè)計是工程實踐的錨點，工程設(shè)計流程成為組織科學(xué)與工程實踐活動的結(jié)構(gòu)性辦法。于是，以工程設(shè)計流程為媒介建構(gòu)滲透工程思維的小學(xué)科學(xué)教學(xué)模型成為科學(xué)與工程教育實踐中值得研究的一個問題。一、FCRCTP教學(xué)模式設(shè)計的理論基礎(chǔ)（一）工程思維的內(nèi)涵及特點人們在工程實踐過程中形成的思維方式便是工程思維。工程思維表現(xiàn)出跨學(xué)科性、系統(tǒng)性、創(chuàng)造性與迭代性等特征，需要跨學(xué)科及多學(xué)科協(xié)同研究才能獲得更全面的解決方案。工程思維解決工程問題，倡導(dǎo)將問題拆解為子問題。工程思維體現(xiàn)了人們根據(jù)意愿改變物質(zhì)世界的創(chuàng)造性思想，工程思維通常采用迭代的方式來解決問題?；A(chǔ)教育階段培養(yǎng)學(xué)生的工程思維是讓學(xué)生面對工程過程時，學(xué)習(xí)解決工程問題所需的系統(tǒng)性方法并逐步形成具有系統(tǒng)性、創(chuàng)造性、工程性等特點的解決問題的思維方式，使學(xué)生獲得面對挑戰(zhàn)的能力。（二）小學(xué)科學(xué)教育中的工程思維培養(yǎng)科學(xué)鏈接著人類與自然，科學(xué)為人類提供認識世界、解釋世界的途徑和方法。工程是以人類需求為出發(fā)點，集科學(xué)知識、各項技術(shù)及生產(chǎn)經(jīng)驗于一體，綜合考慮各種約束條件和原則，創(chuàng)造人工產(chǎn)物的社會建構(gòu)活動。工程和科學(xué)具有重疊的概念和過程，工程的開展需要以科學(xué)理論為指導(dǎo)和原則，科學(xué)的發(fā)展推動著工程的發(fā)展，而工程實施過程中產(chǎn)生的新問題、新挑戰(zhàn)助推著科學(xué)的進步。工程教育活動以科學(xué)認知為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新發(fā)明活動為載體，讓學(xué)生在實踐過程中運用科學(xué)知識、使用技術(shù)工具來解決現(xiàn)實問題，該過程注重讓學(xué)生經(jīng)歷產(chǎn)品的設(shè)計制作過程，培養(yǎng)他們創(chuàng)造性解決問題與制造產(chǎn)品的能力。科學(xué)教育為工程教育中科學(xué)認知體系的建立提供支持，工程教育又為科學(xué)教育中探究原理提供情境。據(jù)了解，工程思維的培養(yǎng)及工程教育的發(fā)展最早在高等教育階段開展，美國是在基礎(chǔ)教育階段開設(shè)工程教育課程的領(lǐng)跑者。美國于2009年發(fā)布《K-12教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來》[2]，于2011年頒布《K-12科學(xué)教育框架：實踐、跨學(xué)科概念和核心概念》[3]并以此為基礎(chǔ)于次年頒布《新一代科學(xué)教育標準》[4]，這些方針政策的出臺促進了基礎(chǔ)教育階段工程教育的發(fā)展。我國也緊隨國際科學(xué)教育研究的步伐，在基礎(chǔ)教育階段注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維?！缎W(xué)科學(xué)課程標準（2017年版）》首次融入“技術(shù)與工程”領(lǐng)域內(nèi)容，并倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式[5]?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）》重視技術(shù)與工程實踐的素養(yǎng)導(dǎo)向，強調(diào)基于核心概念、跨學(xué)科概念和學(xué)生思維水平開展技術(shù)與工程實踐[6]。我國研究者們就工程思維培養(yǎng)開展了教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)案例等一系列研究，工程思維的培養(yǎng)也成為我國小學(xué)科學(xué)教育研究中的重要導(dǎo)向。在我國當前基礎(chǔ)教育變革的背景下，小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)中滲透工程思維不失為一種兩全其美的措施。（三）工程設(shè)計流程工程設(shè)計關(guān)注如何用設(shè)計來實現(xiàn)人們的需求。工程設(shè)計流程為解決創(chuàng)新性的復(fù)雜問題提供了組織性方法，工程設(shè)計流程成為培養(yǎng)工程思維的有效媒介。《馬薩諸塞州K-12“技術(shù)/工程”課程標準》[6]將工程設(shè)計流程分為確定需求或問題、研究、設(shè)計、原型、測試評估、提供反饋、溝通解釋等八個步驟?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）》將工程過程分為明確問題、設(shè)計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善、發(fā)布成果等六個步驟[7]。我國學(xué)術(shù)界也普遍認為確定問題、設(shè)計方案、制作原型及迭代優(yōu)化是工程設(shè)計流程中不可或缺的環(huán)節(jié)。二、滲透工程思維的小學(xué)科學(xué)FCRCTP教學(xué)模型建構(gòu)本文在總結(jié)工程思維的內(nèi)涵特點、研究工程思維在小學(xué)科學(xué)教學(xué)的培養(yǎng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析了不同版本的工程設(shè)計流程，構(gòu)建了如圖1所示的滲透工程思維的小學(xué)科學(xué)FCRCTP教學(xué)模型。（一）聚焦情境（Focussituation）情境是認知的生長點，工程情境的創(chuàng)設(shè)為學(xué)習(xí)者提供真實可控的學(xué)習(xí)環(huán)境，這種特定的環(huán)境能夠使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生強烈的情感共鳴從而促進其主動學(xué)習(xí)。在情境中學(xué)習(xí)往往需要參與者采取分工與合作的方式開展，這使得學(xué)習(xí)者在獨立思考判斷的同時提高了團隊協(xié)作效能。教師要從學(xué)生的生活經(jīng)驗中挖掘有助于建構(gòu)的、適用于教學(xué)實踐的真實情境，引導(dǎo)學(xué)生從情境中獲得真實有效的體驗。（二）明確需求（ClarifyRequirement）面對一項工程項目，實施者必須明確本次實踐的需求及需要解決什么問題，還需要界定設(shè)計問題的限制條件從而劃定學(xué)生的設(shè)計范圍以確保設(shè)計的可實施性。在明確問題的過程中要識別并提出關(guān)鍵問題，關(guān)鍵問題的回答是解決整個工程問題的核心，避免在次要問題上浪費時間和資源。（三）研究設(shè)計（ResearchandDesign）研究設(shè)計是解決工程問題和實現(xiàn)項目目標的關(guān)鍵步驟。在明確需求的基礎(chǔ)上，學(xué)生搜集資料開展研究，運用頭腦風(fēng)暴、思維導(dǎo)圖、逆向思考等創(chuàng)造性思維技巧生成多種可能的問題解決方案并繪制相應(yīng)的模型圖。之后組內(nèi)成員共同討論比較各方案的優(yōu)缺點，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的評價標準評估并篩選最具潛力和最符合需求的問題解決方案。（四）構(gòu)建模型（ConstructModel）構(gòu)建模型是將設(shè)計概念轉(zhuǎn)化為設(shè)計實體的重要步驟。可根據(jù)設(shè)計需求和目標確定所需的模型類型，再根據(jù)模型類型和具體的設(shè)計需求選擇適當?shù)墓ぞ摺⒉牧弦约跋鄳?yīng)的設(shè)計文件來構(gòu)建模型。需要注意的是，設(shè)計者必須按照設(shè)計方案構(gòu)建模型，以確保模型能夠代表設(shè)計概念和實現(xiàn)設(shè)計目標。（五）測試優(yōu)化（TestandOptimize）測試優(yōu)化是確保模型符合需求和滿足預(yù)期的重要步驟，這一環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是持續(xù)的監(jiān)測和多次的迭代改進。根據(jù)約束條件及設(shè)計目標對原型進行測試評估，識別潛在的問題，明確改進空間，找出設(shè)計的弱點和瓶頸。根據(jù)數(shù)據(jù)反饋的信息再次設(shè)計并改進模型實現(xiàn)作品的迭代優(yōu)化，直到達到設(shè)計目標。（六）展示評價（PresentationandEvaluate）有效的評價能幫助學(xué)生實現(xiàn)預(yù)期的目標和效果，作品完成后，教師搭建平臺指導(dǎo)學(xué)生有序展示分享，師生在匯報項目完成情況的同時使用評價量規(guī)開展組內(nèi)自評、組間互評及教師評價。展示者在演示或演講時要簡明扼要、條理清晰地分析本組方案的可行性，在展示過程中還要積極接受觀眾的反饋并針對性地回應(yīng)觀眾的提問，這有助于改進設(shè)計方案。在學(xué)生開展工程實踐的過程中，教師要適時提供所需資源，從而輔助學(xué)生開展實踐，規(guī)范學(xué)生的學(xué)習(xí)活動，幫助學(xué)生糾正錯誤。三、FCRCTP教學(xué)模型的應(yīng)用——以“我們的過山車”為例（一）教學(xué)目標教學(xué)目標是列舉并描述生活中常見物體的直線運動、曲線運動等運動方式，了解工程設(shè)計的基本流程；參與工程決策、工程設(shè)計、工程實施及工程評價等工程實踐環(huán)節(jié)；針對設(shè)計要求，使用已有的材料和特定的工具，按照工程設(shè)計流程完成任務(wù)；了解工程項目的完成需要考慮的多種因素，融合多學(xué)科的知識，提升跨學(xué)科的能力。（二）重難點呈現(xiàn)本項目實踐的重點是能夠在多次迭代中設(shè)計并搭建一座過山車模型。為使學(xué)生按照工程要求搭建，教師需提前發(fā)放評價量規(guī)。另外，為調(diào)動全體成員的參與度，教師需要引導(dǎo)學(xué)生做好小組分工，各位“工程師們”在設(shè)計搭建過程中既各司其職又協(xié)同配合，共同完成本組的作品。對于授課對象而言，完全按照工程設(shè)計圖開展軌道鋪設(shè)是比較困難的，必須確保工程實施的科學(xué)性和嚴謹性，故不可在搭建過程中為提高工程完成度而舍棄設(shè)計圖來隨意搭建。教師需要引導(dǎo)學(xué)生加強組內(nèi)交流，在“施工員”與“設(shè)計師”的實時配合下調(diào)整設(shè)計圖，并根據(jù)設(shè)計圖搭建模型。（三）教學(xué)過程1.教師借助紅藍3D過山車視頻激發(fā)學(xué)生對過山車的探究興趣，學(xué)生佩戴自制紅藍3D眼鏡體驗乘坐過山車的虛擬情境，調(diào)動自身對過山車的認知。教師創(chuàng)設(shè)征集“設(shè)計并建造過山車”方案的工程情境，讓學(xué)生以工程師的身份開展工程學(xué)習(xí)，在提升其身份認同感的同時觸發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。2.在實施工程項目時學(xué)生需要理解工程情境，明確本次實踐中需要解決的工程需求是“設(shè)計并搭建一座以重力為驅(qū)動力的過山車模型”。教師出示塑料積木及小球等，確定以塑料積木作為搭建過山車模型的基本材料，以塑料小球模擬車廂。3.在明確需求的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生研究“過山車的結(jié)構(gòu)特征、圖紙設(shè)計方法、過山車建造要點、軌道長度測試方法”等問題。學(xué)生在查閱資料和收集信息的基礎(chǔ)上討論并確定設(shè)計及搭建要點。各團隊在研究的基礎(chǔ)上“頭腦風(fēng)暴”制訂并選擇設(shè)計方案，之后分工實施方案。組長負責(zé)統(tǒng)籌規(guī)劃，“設(shè)計員”根據(jù)工程要求及研究結(jié)果繪制圖紙，同時“施工員”熟悉材料并用積木搭建直線軌道和曲線軌道，“測試員”應(yīng)熟悉軌道長度的測量方法。4.學(xué)生根據(jù)既定的方案，依據(jù)設(shè)計圖紙搭建過山車模型。在組長的協(xié)調(diào)下，“施工員”依據(jù)圖紙來搭建，其他成員協(xié)同建造，搭建過程中要及時向“設(shè)計員”反饋出現(xiàn)的問題?！笆┕T”的操作要嚴謹規(guī)范，所搭建的模型必須與圖紙相匹配，不可隨意更改設(shè)計圖。5.過山車搭建完成后，組內(nèi)成員根據(jù)項目要求開展模型測試，并檢查過山車整體的穩(wěn)固性、軌道的適應(yīng)性、軌道長度的匹配性等，嘗試用小球檢測。測試完成后，學(xué)生需根據(jù)檢測結(jié)果和搭建過程中反饋的問題改進設(shè)計圖，再由設(shè)計圖完善模型并再次測試，經(jīng)過多次迭代得到最優(yōu)的過山車設(shè)計圖及模型。6.完成最終作品后，教師組織各組分享成果。各組展示設(shè)計圖，從起點釋放小球展示其運行情況并匯報軌道長度。在學(xué)生匯報的過程中，師生使用包括作品本身成效和過程性表現(xiàn)等多維度的評價量規(guī)同步開展組內(nèi)自評、組間互評及教師評價。之后，教師協(xié)助學(xué)生統(tǒng)計制作評分匯總表并評選出最優(yōu)設(shè)計作品。經(jīng)過本次展示評價，各組“工程師”可根據(jù)評價反饋的信息繼續(xù)迭代調(diào)整本組的作品。項目結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)盤整個項目的實踐過程，反思在學(xué)習(xí)實踐中的不足，強化對實踐中操作的系統(tǒng)認知。（四）教學(xué)成效在該教學(xué)模型指導(dǎo)下的教學(xué)實踐給學(xué)生充分的自主探索空間，本案例中學(xué)生以工程師的身份在工程情境中找出搭建過山車的具體需求，在開展相關(guān)研究的基礎(chǔ)上篩選設(shè)計方案并據(jù)此搭建過山車模型，再采用測試與多次迭代的方法得到最終作品，最后展示分享評選出最佳設(shè)計作品。學(xué)生在解決該工程問題的過程中，掌握了知識技能，發(fā)展了工程思維，提升了核心素養(yǎng)。四、滲透工程思維的小學(xué)科學(xué)教學(xué)策略從教學(xué)模型的設(shè)計和案例的實踐可看出，滲透工程思維的小學(xué)科學(xué)教學(xué)過程的重點在于，學(xué)生可在教師的指導(dǎo)下參與工程實踐活動，不僅發(fā)展了工程思維，也培養(yǎng)了解決問題的能力。故而，教師應(yīng)當在教學(xué)中運用聚焦于問題解決的教學(xué)策略。（一）創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認知發(fā)展水平的真實工程情境情境是認知活動的基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)情境是重要的課堂教學(xué)策略。在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)工程情境可以讓學(xué)生更好地融入課堂氛圍以達成學(xué)習(xí)目標，也使得學(xué)生的工程思維在潛移默化中得以發(fā)展。在創(chuàng)設(shè)工程情境時，教師要注意情境與學(xué)生的認知發(fā)展水平相匹配，可從學(xué)生的生活環(huán)境、知識經(jīng)驗背景及其熟知的自然和社會現(xiàn)象中篩選出符合學(xué)情的情境。（二）設(shè)計學(xué)生參與度高的工程實踐活動學(xué)生的工程思維發(fā)展及工程實踐能力提升可在高參與度的實踐活動中逐步實現(xiàn)，因此學(xué)生必須親身經(jīng)歷統(tǒng)籌、設(shè)計、實施、檢驗及迭代等工程實踐活動過程，教師對學(xué)生的薄弱處給予針對性指導(dǎo)。另外。教師要在學(xué)生實踐的過程中提供足夠的材料與足夠的時間，以確保每個學(xué)生都能有機會參與到工程實踐的環(huán)節(jié)中來。（三）提倡合作與競爭學(xué)習(xí)在實踐活動中，相互合作更容易碰撞出思維的火花，使得學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)得以交疊和互補，從而各自建構(gòu)出更完整的工程認知框架，拓展工程思維。因此教師要有意識地引導(dǎo)學(xué)生開展小組合作學(xué)習(xí)，讓他們?yōu)閷崿F(xiàn)共同的目標而努力。教師也可組織學(xué)生開展組間競爭學(xué)習(xí)，用組間競爭促進組內(nèi)成員的合作。在中小學(xué)不具備另設(shè)工程類