聚焦關(guān)鍵要素，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力

工程實踐活動的有效實施能夠增強學(xué)生的工程實踐能力、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)品質(zhì)，更能促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的真正發(fā)展?？茖W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)將“工程設(shè)計與物化”的內(nèi)容納入科學(xué)核心概念之中，并明確了工程實踐活動的一系列關(guān)鍵要素，包括明確問題、設(shè)計方案、實施計劃、檢驗作品、改進(jìn)完善、展示成果等。蘇教版《科學(xué)》教材中專門設(shè)置了如小小工程師、項目化學(xué)習(xí)等專項學(xué)習(xí)內(nèi)容，這些內(nèi)容需要用到工程實踐活動的學(xué)習(xí)方式。在“立體小菜園”項目教學(xué)中，為了能更好地開展工程實踐活動，我們逐步形成以明確工程問題、設(shè)計實踐方案、制作和完善模型、物化和展示成果這四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)的教學(xué)流程（如圖1）。

一、明確工程問題

1.結(jié)合生活需求

在開展工程實踐活動之前，教師要引導(dǎo)學(xué)生明確工程問題。首先，了解需求，這里的需求可以是學(xué)生個人的需求、也可以是社會共同的需求；然后，結(jié)合以上需求明確要解決的工程問題，并且將工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虒嵺`活動任務(wù)。[1]例如，在野外生活中，電源是人們共同的需求，由此明確“如何在野外擁有電源”的問題，提出制作水力發(fā)電機(jī)的任務(wù)。

2.創(chuàng)設(shè)主題情境

教師在教學(xué)中可以創(chuàng)設(shè)一個真實的主題情境，如故事情境、實驗情境、生活情境、問題情境、科學(xué)史情境和討論情境等，讓學(xué)生在情境中明確工程問題，提出將要實踐的工程任務(wù)。這可以激發(fā)學(xué)生的興趣，也可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動機(jī)。

在“立體小菜園”項目的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師提供“人口多、耕地少”的閱讀資料或視頻資料，讓學(xué)生了解到解決糧食短缺的社會需求，并以圖片的形式出示“立體農(nóng)場”的概念。在了解“立體農(nóng)場”優(yōu)缺點的同時，學(xué)生知道了蔬菜、水果等農(nóng)作物可以在高層建筑中種植，從而思考如何將“立體農(nóng)場”遷移到每個家庭的陽臺，并將其轉(zhuǎn)化成工程實踐任務(wù)：在陽臺建造一個“立體小菜園”。這樣一來，學(xué)生將要實踐的工程任務(wù)不是教師直接給出的，而是來源于根據(jù)社會需求提出的工程問題。

二、設(shè)計實踐方案

設(shè)計實踐方案是工程實踐活動的靈魂，是工程物化的前提條件，指引著工程實踐的方向。工程設(shè)計不同于科學(xué)探究設(shè)計，它不僅要考慮科學(xué)因素，而且要考慮技術(shù)因素、環(huán)境因素、經(jīng)濟(jì)因素和文化因素等（如圖2）。除此之外，教師要培養(yǎng)學(xué)生運用設(shè)計圖紙、材料選擇、經(jīng)費核算等外顯的表達(dá)形式，促進(jìn)他們工程設(shè)計能力的提升。[2]

1.分析任務(wù)，做好前期研究

工程問題往往較為復(fù)雜，需要使用一種或者多種資源，包括諸多為了解決該問題所需要完成的相互獨立、相互依賴、相互聯(lián)系的活動，通常具有系統(tǒng)性、多元性和開放性等特征。如果直接讓學(xué)生設(shè)計方案，會有較大難度，讓他們無從下手。因此，教師在教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生采用系統(tǒng)、多元和開放的思維方式去考慮各種因素。在設(shè)計實踐活動方案之前，教師先引導(dǎo)學(xué)生分析工程任務(wù)，思考可能會遇到什么問題，需要知道哪些信息，再根據(jù)實際情況將工程問題分解為諸多的小任務(wù)，鼓勵他們明確分工、人人參與，圍繞一個小任務(wù)進(jìn)行大量的前期研究，并在小組中分享交流各自的前期研究，集思廣益，共同商討可行方法，為后續(xù)設(shè)計實踐方案做好鋪墊。

在“立體小菜園”項目任務(wù)分析環(huán)節(jié)，教師引出問題“在陽臺制作一個立體小菜園可能會遇到什么問題，需要考慮哪些方面的內(nèi)容？”，并鼓勵學(xué)生結(jié)合前期研究學(xué)習(xí)單（如圖3）盡可能多地列出需要前期研究的內(nèi)容，進(jìn)行分工合作。通過資料的收集、小組交流討論等活動對每個方面的內(nèi)容進(jìn)行研究，如“選擇適合在陽臺種植的蔬菜”“選擇適合陽臺種植的容器和土壤”“陽臺種植技術(shù)有哪些”“如何實現(xiàn)立體化種植”等，讓學(xué)生在小組初步統(tǒng)一意見，商討出可行方法。值得注意的是，在收集“立體小菜園”的各方面信息時，教師要引導(dǎo)學(xué)生盡可能多地收集，充分發(fā)揮思維的開放性，發(fā)展他們的創(chuàng)造性思維。

2.集思廣益，設(shè)計方案和圖紙

基于前期研究，小組內(nèi)集思廣益、商討方法，初步形成一些可行方法，設(shè)計具體制作方案。當(dāng)然，工程任務(wù)的完成是要有一定標(biāo)準(zhǔn)的，在設(shè)計方案之前學(xué)生要明確怎樣的設(shè)計才算是成功的，如產(chǎn)品效果、質(zhì)量牢固、節(jié)約材料等。同時，為了方便學(xué)生設(shè)計制作方案，教師可以為他們提供“超市化”的材料清單，鼓勵他們從中選擇合適的材料，并采用圖文結(jié)合的方式展示。在畫示意圖時，教師要引導(dǎo)學(xué)生標(biāo)注使用到的科學(xué)知識、各部分的結(jié)構(gòu)、主要功能和科學(xué)原理等。在這個環(huán)節(jié)中，學(xué)生的工程設(shè)計思維能力得到了發(fā)展，具體表現(xiàn)為科學(xué)知識應(yīng)用、圖紙設(shè)計、材料選擇、成本計算等。無論哪一方面都是工程設(shè)計思維的體現(xiàn)，但學(xué)生在這些方面的基礎(chǔ)比較薄弱，所以教師在教學(xué)中要循序漸進(jìn)，幫助他們提升工程設(shè)計思維。[3]

在“立體小菜園”項目設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)在陽臺建造一個立體小菜園的任務(wù)，提出了眾多需要前期研究的小任務(wù)，如選擇適合在陽臺種植的蔬菜、選擇適合陽臺種植的容器和土壤、陽臺種植技術(shù)有哪些、如何實現(xiàn)立體化種植等。教師提供大量的文字、圖片和視頻等閱讀資料，學(xué)生結(jié)合前期研究學(xué)習(xí)單，將收集到的信息匯總，并與小組成員分享交流，從而商討出在陽臺建造立體小菜園的可行方法。如在解決“如何實現(xiàn)立體化種植”這個小任務(wù)時，學(xué)生通過查閱資料、借鑒已有經(jīng)驗等方式，明確需要制作一個能放在陽臺的立體種植架。教師先引導(dǎo)學(xué)生獨立畫出立體種植架的設(shè)計圖，然后在小組中交流討論，形成小組共同認(rèn)可的方案，并畫出小組設(shè)計圖（如圖4）。這里的設(shè)計圖不僅要有立體種植架的外觀設(shè)計，還要細(xì)化到具體的材料、大小、高度、長度等信息，使其具有可操作性。在這個過程中，學(xué)生逐步養(yǎng)成用設(shè)計圖紙表達(dá)設(shè)計思路的品質(zhì)。同時，對于制作材料的選擇、成本的計算等問題，教師要進(jìn)行針對性地指導(dǎo)，循序漸進(jìn)地發(fā)展學(xué)生工程設(shè)計的思維能力。

三、制作和完善模型

制作和完善模型是實施工程實踐方案的重要手段之一。該環(huán)節(jié)中，學(xué)生要嚴(yán)格按照設(shè)計方案制作模型，再結(jié)合評價標(biāo)準(zhǔn)檢驗?zāi)Ｐ停詈蟾倪M(jìn)完善模型，為物化和展示成果打下堅實的基礎(chǔ)。

1.依據(jù)設(shè)計方案，制作模型

模型制作的過程是檢驗設(shè)計方案可行性的重要環(huán)節(jié)，是設(shè)計方案與物化成果之間的重要中間環(huán)節(jié)。制作模型時，學(xué)生要嚴(yán)格遵照設(shè)計方案，這有助于他們熟悉制作方法和流程、熟練工具的使用，而且有助于他們發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中可能存在的不合理之處。在修改方案的過程中，教師要重點讓學(xué)生解釋修改的原因，為接下來實際工程物化的過程做好充分準(zhǔn)備，并初步發(fā)展學(xué)生的工程物化能力。

制作“立體小菜園”模型時，針對“如何實現(xiàn)立體化種植”這一任務(wù)，教師為學(xué)生提供了“超市化”材料，要求他們根據(jù)具體情況填寫“模型制作材料使用情況記錄表”（見表1），樹立節(jié)約成本的意識。當(dāng)學(xué)生在制作過程中發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計的不足之處時，教師引導(dǎo)他們及時修改，并說明修改理由。例如，有的小組設(shè)計的立體種植架是垂直的四層型，在制作過程中他們發(fā)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)不利于植物的生長，遂將其修改為“樓梯狀”的四層型，并標(biāo)注修改的原因。

2.設(shè)計評價標(biāo)準(zhǔn)，檢驗?zāi)Ｐ?/p>

檢驗?zāi)Ｐ筒⒏倪M(jìn)完善是工程實踐活動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它可以促使實踐方案和模型不斷迭代，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。為了幫助學(xué)生有目的地檢驗?zāi)Ｐ?，教師要幫助學(xué)生設(shè)計評價標(biāo)準(zhǔn)，如產(chǎn)品效果、牢固穩(wěn)定、節(jié)約材料、分工合作、后期維護(hù)計劃等，同時采取形式多樣的評價手段。當(dāng)學(xué)生檢驗成果之后，發(fā)現(xiàn)小組制作的模型存在可以改進(jìn)的方面，教師及時引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計方案和模型的改進(jìn)，為接下來完善模型提供理論基礎(chǔ)。

在“立體小菜園”項目的評價環(huán)節(jié)，學(xué)生結(jié)合檢驗評價表（見表2）開展自評和互評活動。在這個過程中，學(xué)生能發(fā)現(xiàn)小組的模型可以改進(jìn)的方面：

首先，選擇適合種植的植物，需要考慮植物的生長習(xí)性與陽臺和種植盆中的環(huán)境是否適應(yīng)，這體現(xiàn)出對科學(xué)要素的考慮；

其次，設(shè)計“立體小菜園”的立體化形式，無論是制作種植架，還是與陽臺構(gòu)造相結(jié)合進(jìn)行立體化設(shè)計，均需要考慮到技術(shù)要素；

再次，在選擇搭建材料時，無論是金屬材料，還是木質(zhì)材料，甚至是PV水管等，除了要考慮材料的結(jié)實程度之外，還要考慮材料是否經(jīng)濟(jì)實惠等要素；

最后，教師要鼓勵學(xué)生對設(shè)計的立體小菜園進(jìn)行裝扮，使它變得更加美觀。如有小組的立體種植架選擇的是PV水管，他們通過檢驗發(fā)現(xiàn)這種材料制作的立體種植架在“牢固穩(wěn)定”方面只打了兩顆星，而其他小組選擇的金屬材料雖然在“牢固穩(wěn)定”方面打了三顆星，但是“節(jié)約成本”方面卻只有一顆星。經(jīng)過交流、討論，學(xué)生決定將立體種植架的制作材料改為木質(zhì)材料，木制的立體種植架不僅牢固、穩(wěn)定，而且成本較低。

3.發(fā)展創(chuàng)新思維，不斷改進(jìn)完善模型

創(chuàng)新思維是學(xué)生必備的關(guān)鍵能力之一。首先，在工程設(shè)計環(huán)節(jié)教師要注重引導(dǎo)學(xué)生討論方案，鼓勵他們盡可能提出更多的方案，或是與別人不同的想法，使他們的設(shè)計思維具有跳躍性和求異性，觸發(fā)思維的碰撞，產(chǎn)生創(chuàng)新的火花；然后，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)模型存在各方面的不足或需要改進(jìn)的地方時，教師要鼓勵他們自主改進(jìn)設(shè)計方案，或借鑒其他小組的成功經(jīng)驗。在此過程中學(xué)生可能會發(fā)現(xiàn)更多新問題，教師要引導(dǎo)他們學(xué)會反思，尋找原因，改進(jìn)完善，使整個工程實踐成果不斷迭代更新，從而不斷培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。[4]在不斷經(jīng)歷設(shè)計、制作、改進(jìn)、再設(shè)計、再制作的過程后，學(xué)生的工程實踐能力會得到有效發(fā)展。

在設(shè)計“立體小菜園”的階段，無論是植物、種植盆的選擇，還是立體小菜園的模型設(shè)計，教師都要讓學(xué)生在收集大量資料的基礎(chǔ)上，在小組中充分進(jìn)行“頭腦風(fēng)暴”，不斷優(yōu)化。教師設(shè)計模型評價方案（見表3）幫助學(xué)生對小組制作的模型進(jìn)行自評和互評，取長補短，促使模型不斷改進(jìn)和完善，從而逐步發(fā)展創(chuàng)新思維。如有學(xué)生提出可以種植黃豆，因為黃豆種植難度低；有學(xué)生提出黃豆雖然易于種植，可是由于陽臺的空間限制，黃豆的產(chǎn)量將會很低；有學(xué)生提出可以種植小青菜或葡萄……學(xué)生針對一個方面充分討論，不斷優(yōu)化想法。

四、物化和展示成果

1.結(jié)合模型，物化成果

工程實踐能力的核心內(nèi)容是工程物化能力的發(fā)展，只有讓學(xué)生真正參與工程實踐活動，才能逐步發(fā)展他們的工程物化能力。當(dāng)成果的物化過程很難在課堂教學(xué)中完成時，教師可以在學(xué)?？萍忌鐖F(tuán)活動時帶領(lǐng)學(xué)生完成，或是鼓勵他們利用課余時間進(jìn)行工程實踐。在學(xué)生物化成果的過程中教師要給予充足的支持和幫助，如提供工程物化過程中需要的材料和工具等，同時，鼓勵他們?nèi)巳藚⑴c、相互合作，最終制作出與模型相符的成果。

在建造“立體小菜園”的過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了從工程問題到物化成果的整個實踐過程，認(rèn)識了工程實踐的一般流程。特別是在物化成果的環(huán)節(jié)，教師提供了大量的制作材料和工具，如木料、釘子、花盆、各種類型的土壤、各種蔬菜水果的種子和幼苗、錘子、螺絲刀等。教師可以結(jié)合學(xué)?？萍忌鐖F(tuán)活動，讓學(xué)生有充足的時間和空間制作。該環(huán)節(jié)的建造不同于之前的模型制作，不僅需要建造“立體種植架”，還要選擇適合種植在陽臺的植物種子或幼苗，以及種植的容器和土壤等。教師可以在科學(xué)實驗室或者社團(tuán)教室開辟出一塊類似陽臺環(huán)境的位置，方便學(xué)生放置建造好的“立體小菜園”，方便督促他們后期對“立體小菜園”進(jìn)行維護(hù)、照料種植的蔬菜、水果等，使工程實踐活動得到延續(xù)。在這個過程中，小組成員要分工明確、人人參與。

2.充分展示交流，回顧工程實踐

教師要開展形式多樣的活動讓學(xué)生展示、交流物化成果。通過展示交流，學(xué)生可以取長補短，使自己的設(shè)計和物化過程更加優(yōu)化，而這樣的活動往往會被教師忽視。因此，教師要重視開展形式多樣的展示交流活動，如成果發(fā)布會、展示櫥窗、舞臺表演等。在展示交流活動中，學(xué)生要通過產(chǎn)品說明書、演講詞、劇本、圖片、視頻等多種方式來推介自己的成果。同時，教師也可以組織學(xué)生對其他小組作品的設(shè)計、物化的質(zhì)量以及推介的表現(xiàn)等通過投票來評優(yōu)或表彰，充分調(diào)動學(xué)生的積極性。[5]

當(dāng)每個小組都完成“立體小菜園”的制作之后，教師設(shè)計了一場“成果發(fā)布會”（如圖5），讓學(xué)生將“立體小菜園”的設(shè)計方案和物化過程以及過程中的感受展示出來。有的小組精心設(shè)計了“成果說明書”，有的小組制作了PPT，詳細(xì)介紹了“立體小菜園”各方面的情況，還有一個小組設(shè)計了“相聲表演”的節(jié)目來介紹“立體小菜園”。針對學(xué)生的創(chuàng)意展示，教師及時組織學(xué)生現(xiàn)場投票，分別評選出“最佳成果獎”和“最佳展示獎”。同時，學(xué)生在展示交流中也發(fā)現(xiàn)了自己小組的物化成果還有更多可以改進(jìn)的地方，使新作品的迭代有了更多的可能，發(fā)揮了他們的主觀能動性。

參考文獻(xiàn)

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