學生工程啟蒙教育的“三化”策略

◇從瑋峰（浙江：湖州市織里實驗小學教育集團）

在基礎(chǔ)教育階段，加強以培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力為目標的技術(shù)與工程教育，是中國走向設(shè)計強國之路的重要一步。工程教育所培養(yǎng)的工程思維是一種籌劃、設(shè)計、建造以滿足人的需要為目的的實踐理性思維，包括系統(tǒng)思考能力、創(chuàng)造力、樂觀、合作、溝通能力。那么如何在小學階段對學生進行工程啟蒙教育呢？筆者以小學科學教材實驗為切入口，基于科學實驗當中所存在的一些問題，根據(jù)工程設(shè)計的活動流程，提煉了實驗改進的“三化”策略，希望能為廣大一線教師提供一點借鑒。

一、基于“精準化”策略，將實驗現(xiàn)象變“小”為“大”

在小學科學實驗當中，為了更符合學生的年齡特征、動手能力和知識水平，許多專業(yè)的實驗儀器無法使用，或者進行簡化，導致一些實驗現(xiàn)象的變化十分“微小”。筆者采取“精準化”策略設(shè)計工程活動，培養(yǎng)學生實事求是的精神、學科知識的遷移能力。

【案例1】教科版三上《空氣有質(zhì)量嗎》一課中，學生發(fā)現(xiàn)，由于簡易天平本身的質(zhì)量問題、摩擦力問題，以及空氣的質(zhì)量很輕，還有三年級學生的操作問題等原因，導致該實驗在課堂實踐中效果不是很明顯，天平的傾斜在很多時候無法直接觀察到。基于技術(shù)與工程理念，運用“精準化”策略，學生將實驗進行了如下的改進。通過對實驗的分析，討論并設(shè)計提高簡易天平精準性的措施促，使學生嘗試發(fā)現(xiàn)實物模型的不足之處，并加以優(yōu)化。

設(shè)計1：可能是空氣太輕了，10 筒、20 筒空氣不足以使天平發(fā)生明顯變化，那么注入更多的空氣，實驗現(xiàn)象是否會變得更加明顯？

設(shè)計2：會不會是綠豆相對空氣太重了，用綠豆來稱量空氣導致實驗結(jié)果不明顯？能不能用質(zhì)量更小的物體來稱量？比如芝麻，用更精細的物體來放大實驗的結(jié)果。

設(shè)計3：從生活中的秤中獲得靈感。我們的簡易天平也可以加上指針和刻度，用來指示天平的傾斜變化，這樣實驗現(xiàn)象應(yīng)該會更明顯。

活動中，學生通過已有知識的遷移，把數(shù)學學科的比較思維融入工程設(shè)計，培養(yǎng)了學生的知識遷移能力和學科融合能力。

【案例2】教科版四上《聲音的變化》一課中，利用鋼尺探究聲音的強弱變化和高低變化。學生發(fā)現(xiàn)，在實際課堂環(huán)境中，由于組與組之間的相互影響，在相對嘈雜的氛圍下，聲音很難清晰地辨別。基于技術(shù)與工程理念，運用“精準化”策略，學生對實驗進行了如下改進。

設(shè)計1：我們可以用更大的尺子來做實驗，同時耳朵離尺子更近一些，撥動尺子時更用力一些，實驗效果是否會更加明顯？

設(shè)計2：既然是環(huán)境太吵了，那我們營造一個相對安靜的環(huán)境再進行實驗不就可以了？用一個大箱子罩起來做實驗，是不是可以聽得更清楚？

設(shè)計3：我們組的設(shè)計靈感來自音叉實驗套件。我們能不能給鋼尺也安裝一個共鳴器？用螺母來固定鋼尺，調(diào)節(jié)螺母，還可以調(diào)節(jié)尺子的長度。

聲音看不見摸不著，在原有的實驗活動中，許多學生在判斷聲音的強弱、高低時，尤其是聲音的高低，本來在比較嘈雜的環(huán)境下，判斷就很困難。部分學生往往是從尺子伸出桌面的長度“看”出結(jié)論，而非“聽”出結(jié)論，或者“人云亦云”。讓學生清晰聽到聲音的變化才能更好地判斷，在活動中培養(yǎng)實事求是的精神。

二、基于“便利化”策略，讓實驗體驗由“弱”變“強”

在教學過程中筆者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常有一些實驗會受到天氣、時長等額外因素的影響，開展得不太順利，甚至是無法有效進行，學生的實驗體驗較“弱”。筆者采取“便利化”策略設(shè)計工程活動，培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)能力、選擇結(jié)構(gòu)性材料的能力。

【案例3】教科版三下《陽光下物體影子的變化》一課中制作簡易日晷，在實際上課時，往往受天氣影響，沒有太陽時無法開展活動，即使有太陽，制作一天的日晷需要學生持續(xù)觀察一整天并記錄影子，實施難度也較大，課堂上的科學知識目標難以及時完成?；诩夹g(shù)與工程理念，運用便利化策略，學生對實驗進行了如下改進。

設(shè)計1：在前一課的學習中，我們就用到了模擬實驗，探究太陽和月亮的大小關(guān)系，那么這里我們能不能用手電筒來模擬太陽的東升西落？

設(shè)計2：我們覺得可以分工合作，組內(nèi)成員分批，每人負責2 個時間點的觀察和描繪，在大課間、午自修以及每節(jié)課后8 個時間段進行觀察記錄。

設(shè)計3：我們可以設(shè)計一個類似過山車一樣的軌道，用小燈泡來模擬太陽，讓小燈泡能在固定的軌道上自由移動，這樣來模擬太陽每天有規(guī)律地東升西落。

活動中，多數(shù)學生都采用模擬實驗來解決時長的問題，通過模擬實驗的工程設(shè)計，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力及模型建構(gòu)能力。

【案例4】教科版三上《水沸騰了》一課中，學生發(fā)現(xiàn)，觀察加熱過程中水的變化和溫度變化，在本課中使用的是普通的玻璃溫度計，讀取溫度，三年級的學生需要一定的時間。但在本課內(nèi)容中，溫度計的使用不是重點，觀察水沸騰過程中的變化才是實驗?zāi)康模沂褂谜n本中的實驗裝置進行加熱，水也難以沸騰?；诩夹g(shù)與工程理念，運用便利化策略，學生對實驗進行了如下改進。

設(shè)計1：針對讀數(shù)煩瑣的問題，我們覺得可以采用電子溫度計進行讀數(shù)。

設(shè)計2：針對水難以沸騰的問題，我們想是否可以把大燒杯改成小燒杯，水量減少，水沸騰是不是更容易？

設(shè)計3：針對水難以沸騰的問題，我們可以模擬生活中燒飯，給燒杯做個蓋子，同時還能固定溫度計呢。

通過對器材的重新選擇以及生活常識的遷移，培養(yǎng)學生選擇結(jié)構(gòu)性材料的能力，并能從實際生活中尋找解決問題的方法。

三、基于“可視化”策略，使實驗效果化“抽象”為“形象”

在小學科學教材中，我們學習了許多“抽象”的知識，比如物體的運動、力學知識、光學知識等，當遇到這些無法直接清晰可見的實驗活動時，部分學生會學習得比較吃力。筆者采取“可視化”策略設(shè)計工程活動，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力、創(chuàng)新能力、探索精神。

【案例5】教科版三下《各種各樣的運動》一課中，觀察和記錄圓點在各種物體上的運動形式。在實際操作中，我們發(fā)現(xiàn)，物體運動起來之后，圓點看不清晰，許多玩具本身的顏色跟貼紙的顏色相近，不易觀察，而且三年級學生在觀察一些玩具的運動時，注意力容易被玩具分散，忽略對圓點的細致觀察和記錄?；诩夹g(shù)與工程理念，運用可視化策略，學生對實驗進行如下改進。

設(shè)計1：我們可以采取更多不同顏色的貼紙來進行實驗，比如紅、黃、綠，這三種顏色正是交通信號燈的三種顏色，是最醒目的顏色。

設(shè)計2：能不能先用手機進行拍攝，再通過視頻的快進功能或者慢放功能進行觀察？有些物體可能運動得太快了，不易觀察，也有些物體可能是運動得太慢了，運動軌跡不連貫。

設(shè)計3：從玩熒光棒中獲得的靈感，晚上揮舞熒光棒可以非常清晰地看到熒光棒的運動軌跡。能不能用一種熒光材料來代替貼紙，然后在光線較暗的環(huán)境下進行實驗，觀察點的運動軌跡？

在本次活動中，學生進行了頭腦風暴，突破了原有實驗的固有思維，從多個角度實現(xiàn)運動軌跡的清晰化，促進了學生創(chuàng)新能力的發(fā)展。

【案例6】教科版五上《光的傳播會遇到阻礙嗎》一課中，教材實驗采用煙來充當反射的介質(zhì)，利用點燃熏香來產(chǎn)生煙。煙其實是由一些小顆粒物組成的，運用在課堂上，我覺得仍存在一些問題：學生吸入煙，會不會對呼吸道產(chǎn)生一定的影響，而且實際操作時，對煙的濃度也有較高的要求。剛點燃時，濃度太低，光路呈現(xiàn)不明顯；點燃時間過長，煙霧濃度過大，可能導致光路斷斷續(xù)續(xù)，無法形成完整的光路。基于技術(shù)與工程理念，運用可視化策略，學生對實驗進行了如下改進。

設(shè)計1：用粉筆灰代替煙霧，材料獲取容易，粉筆灰的數(shù)量可以調(diào)整，用蓋子蓋住盒子，使用時用力搖晃盒子，揚起粉筆灰呈現(xiàn)光路。

設(shè)計2：我們的靈感來源于雨天的夜晚，當空中布滿雨水時，我們可以看到汽車的燈光路徑，可以用噴霧器裝水噴出水霧來呈現(xiàn)光路，而且水對人體絕對安全。

設(shè)計3：通過查找資料，我們發(fā)現(xiàn)了一種化學藥品經(jīng)常用于光路的可視化實驗，在尋求教師的幫助后，我們設(shè)計了用氫氧化鐵溶液來呈現(xiàn)光路。

光路的可視化對五年級的學生來說，其實是很陌生的，但是同時也是充滿好奇和向往的。在本次工程設(shè)計之前，我們就學習了丁達爾效應(yīng)，了解了為什么一般情況下看不到光的傳播路徑。那是因為光線比較集中，當光沿一個方向傳播時，幾乎不會有光線反射到人的眼睛里。那么怎么讓光路可見呢？其實就是讓光在傳播的過程中反射一些光線出來。煙霧起的就是這個作用。在充分了解原理的基礎(chǔ)上，再開展設(shè)計活動，不僅保護了學生的好奇心，也培養(yǎng)了他們探索未知事物的精神。

將科學教材中的實驗問題作為工程問題來實施，有效避免了多數(shù)工程問題與學生生活距離比較遠的問題，在課堂上親身體驗“精準化”“便利化”“可視化”對實驗的改進作用。在這一過程中，學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力、表達能力等都得到了更好發(fā)展。在學生心中種下一顆工程技術(shù)的種子，期待未來能夠長成適應(yīng)社會發(fā)展的參天大樹。