小学科学教学中学生工程思维能力的培养

随着科学、技术、工程与数学的整合教育，在当下的科学教育中培养小学生的工程思维至关重要。因此，本文简要阐述了工程思维的内涵及特征，分析了小学科学教学中培养学生工程思维能力的价值，并提出了培养小学生工程思维能力的新思路与新策略。

近年来，伴随着社会各界对科学教育质量要求的不断提升，美国国家研究协会出台了《K―12年级科学教育框架》，该框架围绕“科学和工程实践、跨学科的概念、学科核心观念”的维度组织，着重体现了注重实践并让学生在较少内容上实现真正学习的思想。该框架将工程教育纳入到了K-12年级的科学教育中，将之前《国家科学教育标准》中的“基于探究学习”模型更加具体化，为如何进行科学探究指明了实现途径，使抽象的理论找到了实践的落脚点，提高了教学的可操作性。然而，在大多数人眼里只有在理工科大学里才出现的工程问题，能否在小学的课堂里研究呢？小学生能否培养工程思维呢？这是大多数人所质疑的。事实上，随着STEM教育的整合，各学科之间的联系越来越紧密，小学学习阶段的科学与工程教育之间又有交集。因此，工程思维在小学科学教学中对提高学生的工程实践能力，以及培养学生综合素质方面起着重要的作用。

一、工程思维的内涵及特征

工程思维是指按照某一特定的目标，遵循一定的规范或标准进行设计，然后进行生产或建设，直至最后制造出产品供应社会或建成设施投入运营。工程思维有如下特征：

首先，工程思维具有现实性。工程思维是以筹划的可行性为宗旨，面临的是潜在可能性与现实可行性的转化契机，寻求工程理想与工程实际两者间矛盾的解决。它能将客体对象变得跟主体价值需要相符合，它之所以具有现实性，在于它根植于主体的价值意图，工程思维的可实现性特征表明工程建构比其他活动更能考验人才的真才实学。

其次，工程思维具有创新性。与创新思维相比，工程思维的创造性如同放风筝者手中的线，它更具有方向性、目标性，强调的是标准化与操作性；而创新思维如同没有线的风筝，它更具有跳跃性、求异性，强调的是想象力的发展。

再次，工程思维具有综合性。工程思维是一种复杂的系统性思维，它不同于理性思维，理性思维注重事实，强调证据。在工程活动中既要考虑所要建造或建构的对象和目标，又必须把整个活动本身与周围的自然、社会、经济系统联系起来，把工程系统放到这个大系统的背景之中。工程思维是“应该――如何做”的思维活动，是对实践的理性认识，是一种复杂层次的实体型思维。为此，工程思维除了具备科学思维和技术思维的一些基本特点之外，还要具备这种综合判断和选择的能力。

二、小学科学教学中培养学生工程思维能力的价值

目前，我国的科学教育在小学课程中一直处于副课地位，而欧美国家领先于我们几十年，随着美国新一代《K-12年级科学教育框架》的出台，使得我国的科学教育也面临着一场巨大的困难与挑战。

当下，我们的科学教材中大多数的实验为验证性实验，虽然能够巩固所学的理论，但在调动学生学习的主动性，培养学生的思维能力方面则较差，更缺乏自主探究能力与工程思维能力的培养。实际的科学课堂教学中，不是为了理论而理论就是为了操作而操作，使得科学与技术之间的关系也日益浅薄，乃至整体的无意识。

然而，工程恰恰架起了科学发现、技术发明与产业发展的桥梁，为我们的实际教学探寻了新的思路。如“小小建筑师”是“做中学”科学教育改革实验项目，它是一个科学与技术交织在一起的案例，结构的稳固性中既有科学原理，又蕴含着工程设计和操作技术，让学生自主搭建积木或自主设计实验是培养学生的科学推理能力和科学建模能力的重要形式，也是培养学生工程思维和技术应用的新方式。在此基础上，教师可以将工程案例的教学融入实际教学中，并将探究性和实践性相结合的实验引入当下的科学教学中，或将师徒制或兵教兵的模式引入到教学中，或者与校外建立合作关系，让学生在实际参与和体验中进行探究性的学习。

工程思维关注的是共性，思维过程区分为无意识、潜意识和有意识，在实际的问题与决策中，要尝试使用最合适的方法和工具进行模型设计与工程实践，力求最优化原则，是“应该做――如何做”的思维活动，是对实践的理性认识，是一种复杂层次的实体型思维。为此，工程思维除了具备科学思维和技术思维的一些基本特点之外，还要具备这种综合判断和选择的能力。

因此，我们不仅要重视科技教育，更应重视工程教育，并将科学、技术、工程与数学相融合的新模式应用到我国的科学教育中，进而培养学生的工程思维能力，培养全面发展与更具人性的人。

三、小学科学教学中培养学生工程思维能力的策略

2012年美国发布了国家教育进展评估（Nationa lAssessmentof EducationalProgress，NAEP）的《2014年国家教育进展评估的技术和工程素养框架》报告，该报告是对科学、技术、工程与数学的整合，对科学教育从“探究――实践”的转变有着现实的指导意义，这也是科学教师从工程思维的角度去考虑科学教学时不可或缺的参考。例如，科学问题源于对自然现象的解释，如“为什么灯泡会发光？”工程学则源于需要解决的问题，如“怎样将能发光的灯泡应用到房子里？”这两个生活中最简单的问题，其目的就是如何将科学与工程问题有效结合在一起。如何将科学与工程有效结合，如何将学生零碎的知识与机械过程变成一个具有实践意义的相互联系的过程，其切入点只能从培养学生的工程思维着手，因此，科学教学中培养学生工程思维能力应该从以下几个方面进行教学：

1.基于课堂教学，重视对知识的应用能力

传统教学是一本书一支粉笔的教学，是一种填鸭式的教学模式，不注重学生对知识的掌握与应用。而工程思维是以系统工程知识为基础，为了提高学生的思维效率，就必须加强工程知识的系统学习，如《2014年国家教育进展评估的技术和工程素养框架》指出四年级的学生就应该开始简单但系统性的设计，尝试回答“科技是怎样被用于创造材料的”问题，能运用系统方法对简单问题设计解决方法，并构建一个简单的模型来测定是否满足问题的要求等。因此，在实际的教学过程中应给学生提供应用知识的机会，如在教师的指导下学生进行高效的讨论与交流，让学生尝试自己设计或组织教学，让学生体验自主设计的教学活动，进而培养学生的设计能力，以及工程思维下的应用能力。

2.创设实验情景，注重对探究的创新能力

科学是建立在实验基础上的，而实验的核心是探究，可以往的探究是在现成答案的情况下进行的演示活动。在基础实验教学中，教师要给学生创设良好的实验情景，能让学生在自发的情景下，进行一般性的自主探究。如学生通过LedongScratch互动教学平台等工具，让学生自主搭建数字化实验系统，将实验探究工具的开发作为探究实验的重要组成成分，同时也是体现工程思维与技术应用的一种新的方式。同时，在实验教学中还应该重视学生设计能力，因为设计即探究，让学生在设计实验中理解科学与工程的关系，进而提高学生学习科学的探究兴趣，以及工程思维下的创新能力。

3.构造实物模型，加强学生的工程实践能力

美国《K-12年级科学教育框架》用“科学和工程实践”替代“科学探究”，体现了参与科学研究和工程设计不仅需要技能，更需要对相关知识的理解与运用。实物模型是依靠物质的基本形态所做的模仿，是一种已有的零件实物或样件。在小学科学教学中完全有必要开设实物模型构造的教育，如通过泥塑、雕塑可以培养学生的感知能力与动手能力，通过搭建房子可以培养学生的整体性思维能力，提高对实体性的理性认识。

总之，工程思维能力的形成是一个循序渐进的过程，应逐步强化与提高。在科学教学中为培养学生的工程意识，引导他们注重工程实际、明确学习目的，形成工程思维，我们可以按照从“工程中提出问题――讲解有关理论――联系工程应用”这样的认识规律组织教学，优化课程结构，并将理论教学与实践环节相结合，进而达到培养学生工程实践能力的目的。