錢偉鋼 上海市松江區(qū)泗涇第五小學(xué)

一、小學(xué)科學(xué)課工程教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

在小學(xué)階段開展工程教育，有助于提高學(xué)生關(guān)注實(shí)際生活中的真實(shí)問題，有助于學(xué)生積累解決真實(shí)問題的經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生解決真實(shí)問題的能力，增強(qiáng)他們工程思維和工程實(shí)踐的能力。2017 年版小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)頒布以后，關(guān)于學(xué)生工程思維培養(yǎng)、科學(xué)課工程教學(xué)的研究偶爾可在雜志、網(wǎng)絡(luò)上看到，但整體而言，工程教育的資源比較稀缺，在一定程度上使得相關(guān)教師對(duì)小學(xué)生工程教育的重視度不夠，實(shí)施效果不太理想?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）將“工程與設(shè)計(jì)”領(lǐng)域的三個(gè)主要概念單列出來，將工程教育的重要性提到了新的高度。我國(guó)基礎(chǔ)教育階段的工程教育尚處于起步階段，沒有成熟的課程設(shè)置與師資配備，也缺乏相對(duì)權(quán)威可靠的課程資源。盡管教師在教學(xué)過程中可能會(huì)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行技術(shù)方面內(nèi)容的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，但顯然沒有達(dá)到新課標(biāo)中“技術(shù)與工程實(shí)踐能力”所明確規(guī)定的要求，因此對(duì)于絕大部分小學(xué)科學(xué)課教師而言，工程教學(xué)內(nèi)容依然是相對(duì)陌生的，這對(duì)他們將是一次全新的挑戰(zhàn)。

二、小學(xué)科學(xué)課工程教學(xué)流程的設(shè)計(jì)

（一）小學(xué)科學(xué)課工程設(shè)計(jì)過程

小學(xué)科學(xué)課中的學(xué)生工程實(shí)踐，并不是以要求學(xué)生完成工程產(chǎn)品的量為目的，更多的是讓學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)到解決方案的多個(gè)路徑，包括決策、評(píng)估、修改、測(cè)試和重新測(cè)試，也就是要學(xué)生經(jīng)歷工程設(shè)計(jì)的過程。工程設(shè)計(jì)是運(yùn)用工程原理和知識(shí)去滿足一種實(shí)際需要的活動(dòng)，它需要在有明確結(jié)果要求的情況下，在尋求解決問題方案的過程中遵循系統(tǒng)的方法，工程設(shè)計(jì)過程也是工程思維最好的體現(xiàn)與實(shí)踐。新課標(biāo)也明確要求學(xué)生具有初步的技術(shù)與工程實(shí)踐能力，“知道工程需要經(jīng)歷明確問題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施計(jì)劃、檢驗(yàn)作品、改進(jìn)完善、發(fā)布成果等過程”，這六個(gè)要素是工程設(shè)計(jì)活動(dòng)的主要階段，是對(duì)工程設(shè)計(jì)過程的高度概括。根據(jù)新課標(biāo)中關(guān)于工程設(shè)計(jì)活動(dòng)的要求，制定了小學(xué)科學(xué)課工程設(shè)計(jì)過程引導(dǎo)表（見文后表1）。

其中，“學(xué)生工程實(shí)踐具體流程”對(duì)應(yīng)新課標(biāo)活動(dòng)要素細(xì)化了學(xué)生工程設(shè)計(jì)活動(dòng)過程，“工程學(xué)習(xí)目標(biāo)”根據(jù)新課標(biāo)中課程目標(biāo)、核心素養(yǎng)學(xué)段特征、課程內(nèi)容、學(xué)業(yè)質(zhì)量等關(guān)于工程實(shí)踐過程的具體描述確定，“教師指導(dǎo)建議”則主要根據(jù)新課標(biāo)課程實(shí)施教學(xué)建議的要求確定。工程設(shè)計(jì)過程引導(dǎo)表的設(shè)計(jì)有助于教師了解學(xué)生在經(jīng)歷某一工程過程時(shí)的具體活動(dòng)目標(biāo)，其中工程學(xué)習(xí)目標(biāo)是針對(duì)小學(xué)六年級(jí)學(xué)生工程實(shí)踐的最高標(biāo)準(zhǔn)。

（二）學(xué)生工程實(shí)踐流程設(shè)計(jì)

學(xué)生工程實(shí)踐流程的確定，可以幫助教師引導(dǎo)學(xué)生在具體工程實(shí)踐中遵循結(jié)構(gòu)合理的設(shè)計(jì)過程，因?yàn)樗鼮樾纬煽赡艿淖罴呀鉀Q方案提供了框架結(jié)構(gòu)，遵守設(shè)計(jì)過程的行動(dòng)本身幫助學(xué)生建立了解決問題的能力和邏輯。根據(jù)新課標(biāo)中學(xué)生工程實(shí)踐能力目標(biāo)，結(jié)合小學(xué)科學(xué)課工程設(shè)計(jì)過程，參考建構(gòu)主義以及教學(xué)模型等相關(guān)理論，以螺旋進(jìn)階理念，設(shè)計(jì)了小學(xué)科學(xué)課學(xué)生工程實(shí)踐流程圖（見圖1）。流程以新課標(biāo)工程設(shè)計(jì)活動(dòng)要素作為工程活動(dòng)階段的劃分依據(jù)，細(xì)化了學(xué)生工程實(shí)踐的具體活動(dòng)步驟。

圖1 學(xué)生工程實(shí)踐流程

熟悉學(xué)生工程實(shí)踐流程，便于教師開展基于教材或自選內(nèi)容的工程教學(xué)設(shè)計(jì)，并能夠基于真實(shí)的問題情境，面向全體學(xué)生，運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)去解決問題，教師能夠關(guān)注到學(xué)生在各階段中的工程表現(xiàn)，通過表現(xiàn)與作品進(jìn)行多角度多維度評(píng)價(jià)。同時(shí)，借助學(xué)生工程實(shí)踐流程，教師也能夠引導(dǎo)學(xué)生在工程實(shí)踐活動(dòng)中參與團(tuán)隊(duì)合作，不斷提升發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的探究實(shí)踐能力，重復(fù)設(shè)計(jì)、迭代制作的工程思維能力也能得到鍛煉與加強(qiáng)，符合新課標(biāo)核心素養(yǎng)的具體要求。

三、“有效的隔音墻”教學(xué)實(shí)例

“有效的隔音墻”一課屬于上海遠(yuǎn)東版教材第五冊(cè)第五單元《無處不在的聲音》中教師自主設(shè)計(jì)的工程教學(xué)內(nèi)容。該內(nèi)容是在學(xué)生已經(jīng)初步構(gòu)建了有關(guān)聲音的知識(shí)體系的基礎(chǔ)上開展的，即學(xué)生已經(jīng)通過探究理解了物體振動(dòng)與物體發(fā)聲之間的聯(lián)系，認(rèn)識(shí)了聲音的產(chǎn)生與傳播、聲音的變化和噪聲等簡(jiǎn)單聲學(xué)現(xiàn)象，了解了基本工程設(shè)計(jì)的一般過程并經(jīng)歷過簡(jiǎn)單的工程實(shí)踐。

學(xué)生工程實(shí)踐的主要過程如下：

（一）明確問題 討論調(diào)研

教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，即學(xué)校附近的高速公路跨線橋高峰時(shí)汽車通行產(chǎn)生的噪聲污染對(duì)周圍居民產(chǎn)生了一定的困擾，希望能夠找到解決問題的方法，從而引發(fā)工程需求。學(xué)生在組建工程團(tuán)隊(duì)以后開展討論，確定需要解決的是居民的噪聲問題。解決的方法很多，如居民在高峰時(shí)期帶上耳罩、居民樓墻內(nèi)外加裝隔音層等。通過匯總討論，發(fā)現(xiàn)最為合理可行的方案是在高架橋兩側(cè)安裝隔音效果更好的隔音墻。同時(shí)，教師也在這個(gè)階段提供工程活動(dòng)過程量表，幫助學(xué)生明確需要進(jìn)行的過程性評(píng)價(jià)以及相應(yīng)的評(píng)定等級(jí)。

（二）確定標(biāo)準(zhǔn) 明確約束

教師引導(dǎo)學(xué)生思考設(shè)計(jì)制造“有效的隔音墻”裝置會(huì)受到的限制，怎樣的隔音墻才能達(dá)到預(yù)期的效果，如何檢測(cè)，是否能達(dá)成設(shè)計(jì)意圖。教師出示了高架橋模型，提供了可供選擇的制作材料，包括有機(jī)玻璃板、厚紙板、木片、脫脂棉、薄泡沫板等，對(duì)這些材料標(biāo)示了經(jīng)過測(cè)試所得到的隔絕噪聲的效率，并對(duì)不同材料根據(jù)大小、材質(zhì)、隔音效果等因素確定了各自的“價(jià)格”，同時(shí)教師還明確工程造價(jià)的最高限額。教師在確定材料與價(jià)格前進(jìn)行過適當(dāng)?shù)挠?jì)算與調(diào)整，避免“絕對(duì)優(yōu)勢(shì)”材料的出現(xiàn)，從而產(chǎn)生需要學(xué)生在總價(jià)范圍內(nèi)對(duì)材料減噪效果與價(jià)格進(jìn)行權(quán)衡再選擇的效果。學(xué)生工程團(tuán)隊(duì)根據(jù)之前學(xué)習(xí)的噪音檢測(cè)的方法，通過討論和教師共同確定了檢驗(yàn)工程作品優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，這些條件包含了減少噪音的量、工程總價(jià)格、工程“建造”難度、隔音墻的美觀程度等。

（三）選擇方案 創(chuàng)建設(shè)計(jì)

學(xué)生工程團(tuán)隊(duì)展開頭腦風(fēng)暴，在組內(nèi)研討過程中各自提出各自認(rèn)為可行的隔音墻的制作方案，有的參考現(xiàn)有的模式在高架橋兩邊制作弧形有機(jī)玻璃板，有的想把整個(gè)高架橋面全部包裹起來，有的則考慮參照劇院內(nèi)墻的設(shè)計(jì)利用“吸音”材料來進(jìn)行制作，有的嘗試通過草圖的方式解釋全新的“建造”方案……教師鼓勵(lì)學(xué)生在工程團(tuán)隊(duì)內(nèi)部借助表格、草圖、示意圖等各種方式說明、介紹各自的設(shè)計(jì)思路，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)工程問題的限制條件等比較多種可能的解決方案，初步判斷其合理性，通過團(tuán)隊(duì)內(nèi)部投票表決等形式確定最終的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行修改與完善。設(shè)計(jì)方案中要求列出使用的材料，畫出圖示并用文字進(jìn)行簡(jiǎn)單說明。同時(shí)，要求在設(shè)計(jì)圖上簡(jiǎn)單標(biāo)記每個(gè)組員貢獻(xiàn)的想法，或者沒有被采納的意見，所有組員的名字必須出現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖上。

（四）實(shí)施計(jì)劃 建立模型

學(xué)生根據(jù)已經(jīng)確定了的工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行隔音墻的制作，這需要考驗(yàn)學(xué)生的動(dòng)手能力、計(jì)算能力以及邏輯能力。學(xué)生嚴(yán)格按照所選定的方案開展活動(dòng)，分工合作，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)根據(jù)方案中所選定的材料，選擇合適的工具，利用已經(jīng)掌握的技術(shù)方法按照既定步驟實(shí)施工程計(jì)劃。學(xué)生在制作過程中需要通過計(jì)算并記錄所耗費(fèi)的材料的大致價(jià)格，以控制制作成本。同時(shí)，學(xué)生還需要根據(jù)教師提供的記錄單，利用之前已經(jīng)掌握使用方法的聲級(jí)計(jì)測(cè)量并記錄模擬發(fā)聲裝置工作時(shí)“高架橋兩側(cè)居民區(qū)”的初始分貝值，為下一環(huán)節(jié)測(cè)試與檢測(cè)提供初始數(shù)據(jù)。計(jì)劃實(shí)施過程中，工程團(tuán)隊(duì)的組長(zhǎng)需要調(diào)控制作時(shí)間，每一個(gè)團(tuán)隊(duì)成員都要求貢獻(xiàn)自己的力量。

（五）測(cè)試檢驗(yàn) 構(gòu)建數(shù)據(jù)

工程團(tuán)隊(duì)根據(jù)第二階段確定的工程核驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，利用教師提供的工程活動(dòng)記錄單，使用聲級(jí)計(jì)按照實(shí)驗(yàn)的操作要求團(tuán)隊(duì)合作開展工程作品——隔音墻的測(cè)試工作，通過多次測(cè)試并記錄下測(cè)試分貝值，通過計(jì)算得出所減少的分貝值并計(jì)算平均值，從而初步判斷自己工程作品的工作效果。教師需要保證活動(dòng)場(chǎng)所本身的噪聲控制，并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行多次測(cè)試，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（六）分析證據(jù) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

工程團(tuán)隊(duì)集體整理真實(shí)記錄的隔音墻噪聲減少的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析隔音墻的隔音效果。根據(jù)分析結(jié)果判斷設(shè)計(jì)方案中材料選擇和制造方式的正確性，討論價(jià)格限制范圍內(nèi)更好的制作方案以及隔音墻制作工藝等方面可能存在的問題?？偨Y(jié)工程團(tuán)隊(duì)作品存在的缺陷，并能夠?qū)捜莸貙?duì)待作品存在的缺陷。教師引導(dǎo)學(xué)生分析檢測(cè)所發(fā)現(xiàn)的作品問題，根據(jù)這些證據(jù)對(duì)作品進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)。例如，離成本邊際還比較遠(yuǎn)的情況下，引導(dǎo)學(xué)生增加隔音材料以提升隔音效果；在高架橋制作條件許可的情況下，改變隔音墻的設(shè)計(jì)樣式等。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)作品缺陷開展第二次設(shè)計(jì)，為迭代制作做準(zhǔn)備。當(dāng)然，部分團(tuán)隊(duì)的作品經(jīng)過分析，改進(jìn)的余地很小或者近乎完美，則可以直接進(jìn)入最后的成果展示階段。

（七）迭代制作 測(cè)試論證

在條件許可且有必要的情況下，引導(dǎo)工程團(tuán)隊(duì)根據(jù)需求從原初的工程問題出發(fā)，修改隔音墻的設(shè)計(jì)圖紙，重新設(shè)計(jì)方案并根據(jù)新圖紙?jiān)俅沃谱骰蚋倪M(jìn)隔音墻，并對(duì)新的工程作品進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，再次分析數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生養(yǎng)成“問題—改進(jìn)—新問題—再改進(jìn)”的習(xí)慣，并在限定的時(shí)間內(nèi)最終完成工程方案與工程作品。可以要求工程團(tuán)隊(duì)在不影響工程作品性能的前提下適當(dāng)美化自己的工程作品。

（八）成果發(fā)布 交流展示

在所有工程團(tuán)隊(duì)完成工程作品后，教師組織召開發(fā)布會(huì)或展覽會(huì)，引導(dǎo)各個(gè)工程團(tuán)隊(duì)通過現(xiàn)場(chǎng)介紹的方式發(fā)布并展示各自團(tuán)隊(duì)制作完成的隔音墻，介紹自己隔音墻所能減少的噪聲數(shù)據(jù)以及耗材的價(jià)格，介紹團(tuán)隊(duì)成員在活動(dòng)中的主要貢獻(xiàn)以及工程活動(dòng)過程中的心得和趣事。教師引導(dǎo)各個(gè)團(tuán)隊(duì)公正客觀地根據(jù)工程約束條件等對(duì)其他團(tuán)隊(duì)的作品進(jìn)行公開評(píng)價(jià)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)投票和評(píng)選，教師表彰優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)和優(yōu)秀的“有效的隔音墻”作品。

新課標(biāo)的頒布與實(shí)施，進(jìn)一步凸顯小學(xué)科學(xué)課開展工程教育的重要性。依據(jù)新課標(biāo)中關(guān)于工程活動(dòng)各要素制定了工程教學(xué)設(shè)計(jì)過程，厘清了學(xué)生工程學(xué)習(xí)的活動(dòng)流程，明確了教師工程教學(xué)各個(gè)階段的活動(dòng)并提供了具體的指導(dǎo)建議，希望可以為教師工程教學(xué)設(shè)計(jì)提供借鑒，為工程教學(xué)實(shí)施提供指引。

表1 小學(xué)科學(xué)課工程設(shè)計(jì)過程引導(dǎo)表