【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(shì)。工程思維的培養(yǎng)需要以工程實(shí)踐活動(dòng)為載體，工程設(shè)計(jì)流程為解決創(chuàng)新性的工程問(wèn)題提供了方法，將工程設(shè)計(jì)流程融入教學(xué)實(shí)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(jì)流程為媒介建構(gòu)了包含聚焦情境、明確問(wèn)題、研究設(shè)計(jì)、構(gòu)建模型、測(cè)試優(yōu)化和展示評(píng)價(jià)等六個(gè)步驟的小學(xué)科學(xué)FCRCTP教學(xué)模型，并以“我們的過(guò)山車”為例闡述驗(yàn)證了該教學(xué)模型的可行性和有效性。【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)；工程思維；工程設(shè)計(jì)；教學(xué)模型隨著人類社會(huì)的發(fā)展，世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，21世紀(jì)對(duì)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(dāng)前和未來(lái)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(duì)分析與綜合、實(shí)踐與應(yīng)用、創(chuàng)新與優(yōu)化、跨學(xué)科思考及團(tuán)隊(duì)合作等方面多維能力的培養(yǎng)具有整體要求，有助于達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)這一整體性目標(biāo)。工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)是工程實(shí)踐的錨點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)流程成為組織科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)的結(jié)構(gòu)性辦法。于是，以工程設(shè)計(jì)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(shí)踐中值得研究的一個(gè)問(wèn)題。一、FCRCTP教學(xué)模式設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)（一）工程思維的內(nèi)涵及特點(diǎn)人們?cè)诠こ虒?shí)踐過(guò)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(wèn)題，倡導(dǎo)將問(wèn)題拆解為子問(wèn)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(lái)解決問(wèn)題。基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)學(xué)生的工程思維是讓學(xué)生面對(duì)工程過(guò)程時(shí)，學(xué)習(xí)解決工程問(wèn)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(diǎn)的解決問(wèn)題的思維方式，使學(xué)生獲得面對(duì)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(rèn)識(shí)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(diǎn)，集科學(xué)知識(shí)、各項(xiàng)技術(shù)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)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(huì)建構(gòu)活動(dòng)。工程和科學(xué)具有重疊的概念和過(guò)程，工程的開(kāi)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(dòng)著工程的發(fā)展，而工程實(shí)施過(guò)程中產(chǎn)生的新問(wèn)題、新挑戰(zhàn)助推著科學(xué)的進(jìn)步。工程教育活動(dòng)以科學(xué)認(rèn)知為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新發(fā)明活動(dòng)為載體，讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中運(yùn)用科學(xué)知識(shí)、使用技術(shù)工具來(lái)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，該過(guò)程注重讓學(xué)生經(jīng)歷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作過(guò)程，培養(yǎng)他們創(chuàng)造性解決問(wèn)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(rèn)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(kāi)展，美國(guó)是在基礎(chǔ)教育階段開(kāi)設(shè)工程教育課程的領(lǐng)跑者。美國(guó)于2009年發(fā)布《K-12教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來(lái)》[2]，于2011年頒布《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)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(biāo)準(zhǔn)》[4]，這些方針政策的出臺(tái)促進(jìn)了基礎(chǔ)教育階段工程教育的發(fā)展。我國(guó)也緊隨國(guó)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。《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（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]。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》重視技術(shù)與工程實(shí)踐的素養(yǎng)導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)基于核心概念、跨學(xué)科概念和學(xué)生思維水平開(kāi)展技術(shù)與工程實(shí)踐[6]。我國(guó)研究者們就工程思維培養(yǎng)開(kāi)展了教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)案例等一系列研究，工程思維的培養(yǎng)也成為我國(guó)小學(xué)科學(xué)教育研究中的重要導(dǎo)向。在我國(guó)當(dāng)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(jì)流程工程設(shè)計(jì)關(guān)注如何用設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)人們的需求。工程設(shè)計(jì)流程為解決創(chuàng)新性的復(fù)雜問(wèn)題提供了組織性方法，工程設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)》[6]將工程設(shè)計(jì)流程分為確定需求或問(wèn)題、研究、設(shè)計(jì)、原型、測(cè)試評(píng)估、提供反饋、溝通解釋等八個(gè)步驟。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將工程過(guò)程分為明確問(wèn)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)布成果等六個(gè)步驟[7]。我國(guó)學(xué)術(shù)界也普遍認(rèn)為確定問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、制作原型及迭代優(yōu)化是工程設(shè)計(jì)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(diǎn)、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(jì)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(rèn)知的生長(zhǎng)點(diǎn)，工程情境的創(chuàng)設(shè)為學(xué)習(xí)者提供真實(shí)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(qiáng)烈的情感共鳴從而促進(jìn)其主動(dòng)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(kāi)展，這使得學(xué)習(xí)者在獨(dú)立思考判斷的同時(shí)提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作效能。教師要從學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)中挖掘有助于建構(gòu)的、適用于教學(xué)實(shí)踐的真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生從情境中獲得真實(shí)有效的體驗(yàn)。（二）明確需求（ClarifyRequirement）面對(duì)一項(xiàng)工程項(xiàng)目，實(shí)施者必須明確本次實(shí)踐的需求及需要解決什么問(wèn)題，還需要界定設(shè)計(jì)問(wèn)題的限制條件從而劃定學(xué)生的設(shè)計(jì)范圍以確保設(shè)計(jì)的可實(shí)施性。在明確問(wèn)題的過(guò)程中要識(shí)別并提出關(guān)鍵問(wèn)題，關(guān)鍵問(wèn)題的回答是解決整個(gè)工程問(wèn)題的核心，避免在次要問(wèn)題上浪費(fèi)時(shí)間和資源。（三）研究設(shè)計(jì)（ResearchandDesign）研究設(shè)計(jì)是解決工程問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)的關(guān)鍵步驟。在明確需求的基礎(chǔ)上，學(xué)生搜集資料開(kāi)展研究，運(yùn)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(wèn)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(diǎn)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估并篩選最具潛力和最符合需求的問(wèn)題解決方案。（四）構(gòu)建模型（ConstructModel）構(gòu)建模型是將設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)實(shí)體的重要步驟。可根據(jù)設(shè)計(jì)需求和目標(biāo)確定所需的模型類型，再根據(jù)模型類型和具體的設(shè)計(jì)需求選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ摺⒉牧弦约跋鄳?yīng)的設(shè)計(jì)文件來(lái)構(gòu)建模型。需要注意的是，設(shè)計(jì)者必須按照設(shè)計(jì)方案構(gòu)建模型，以確保模型能夠代表設(shè)計(jì)概念和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。（五）測(cè)試優(yōu)化（TestandOptimize）測(cè)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(cè)和多次的迭代改進(jìn)。根據(jù)約束條件及設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)原型進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，識(shí)別潛在的問(wèn)題，明確改進(jìn)空間，找出設(shè)計(jì)的弱點(diǎn)和瓶頸。根據(jù)數(shù)據(jù)反饋的信息再次設(shè)計(jì)并改進(jìn)模型實(shí)現(xiàn)作品的迭代優(yōu)化，直到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。（六）展示評(píng)價(jià)（PresentationandEvaluate）有效的評(píng)價(jià)能幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)和效果，作品完成后，教師搭建平臺(tái)指導(dǎo)學(xué)生有序展示分享，師生在匯報(bào)項(xiàng)目完成情況的同時(shí)使用評(píng)價(jià)量規(guī)開(kāi)展組內(nèi)自評(píng)、組間互評(píng)及教師評(píng)價(jià)。展示者在演示或演講時(shí)要簡(jiǎn)明扼要、條理清晰地分析本組方案的可行性，在展示過(guò)程中還要積極接受觀眾的反饋并針對(duì)性地回應(yīng)觀眾的提問(wèn)，這有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。在學(xué)生開(kāi)展工程實(shí)踐的過(guò)程中，教師要適時(shí)提供所需資源，從而輔助學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐，規(guī)范學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，幫助學(xué)生糾正錯(cuò)誤。三、FCRCTP教學(xué)模型的應(yīng)用——以“我們的過(guò)山車”為例（一）教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)是列舉并描述生活中常見(jiàn)物體的直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式，了解工程設(shè)計(jì)的基本流程；參與工程決策、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施及工程評(píng)價(jià)等工程實(shí)踐環(huán)節(jié)；針對(duì)設(shè)計(jì)要求，使用已有的材料和特定的工具，按照工程設(shè)計(jì)流程完成任務(wù)；了解工程項(xiàng)目的完成需要考慮的多種因素，融合多學(xué)科的知識(shí)，提升跨學(xué)科的能力。（二）重難點(diǎn)呈現(xiàn)本項(xiàng)目實(shí)踐的重點(diǎn)是能夠在多次迭代中設(shè)計(jì)并搭建一座過(guò)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(píng)價(jià)量規(guī)。另外，為調(diào)動(dòng)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(jì)搭建過(guò)程中既各司其職又協(xié)同配合，共同完成本組的作品。對(duì)于授課對(duì)象而言，完全按照工程設(shè)計(jì)圖開(kāi)展軌道鋪設(shè)是比較困難的，必須確保工程實(shí)施的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，故不可在搭建過(guò)程中為提高工程完成度而舍棄設(shè)計(jì)圖來(lái)隨意搭建。教師需要引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)組內(nèi)交流，在“施工員”與“設(shè)計(jì)師”的實(shí)時(shí)配合下調(diào)整設(shè)計(jì)圖，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖搭建模型。（三）教學(xué)過(guò)程1.教師借助紅藍(lán)3D過(guò)山車視頻激發(fā)學(xué)生對(duì)過(guò)山車的探究興趣，學(xué)生佩戴自制紅藍(lán)3D眼鏡體驗(yàn)乘坐過(guò)山車的虛擬情境，調(diào)動(dòng)自身對(duì)過(guò)山車的認(rèn)知。教師創(chuàng)設(shè)征集“設(shè)計(jì)并建造過(guò)山車”方案的工程情境，讓學(xué)生以工程師的身份開(kāi)展工程學(xué)習(xí)，在提升其身份認(rèn)同感的同時(shí)觸發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。2.在實(shí)施工程項(xiàng)目時(shí)學(xué)生需要理解工程情境，明確本次實(shí)踐中需要解決的工程需求是“設(shè)計(jì)并搭建一座以重力為驅(qū)動(dòng)力的過(guò)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(guò)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(guò)山車的結(jié)構(gòu)特征、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方法、過(guò)山車建造要點(diǎn)、軌道長(zhǎng)度測(cè)試方法”等問(wèn)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(jì)及搭建要點(diǎn)。各團(tuán)隊(duì)在研究的基礎(chǔ)上“頭腦風(fēng)暴”制訂并選擇設(shè)計(jì)方案，之后分工實(shí)施方案。組長(zhǎng)負(fù)責(zé)統(tǒng)籌規(guī)劃，“設(shè)計(jì)員”根據(jù)工程要求及研究結(jié)果繪制圖紙，同時(shí)“施工員”熟悉材料并用積木搭建直線軌道和曲線軌道，“測(cè)試員”應(yīng)熟悉軌道長(zhǎng)度的測(cè)量方法。4.學(xué)生根據(jù)既定的方案，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙搭建過(guò)山車模型。在組長(zhǎng)的協(xié)調(diào)下，“施工員”依據(jù)圖紙來(lái)搭建，其他成員協(xié)同建造，搭建過(guò)程中要及時(shí)向“設(shè)計(jì)員”反饋出現(xiàn)的問(wèn)題。“施工員”的操作要嚴(yán)謹(jǐn)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(jì)圖。5.過(guò)山車搭建完成后，組內(nèi)成員根據(jù)項(xiàng)目要求開(kāi)展模型測(cè)試，并檢查過(guò)山車整體的穩(wěn)固性、軌道的適應(yīng)性、軌道長(zhǎng)度的匹配性等，嘗試用小球檢測(cè)。測(cè)試完成后，學(xué)生需根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和搭建過(guò)程中反饋的問(wèn)題改進(jìn)設(shè)計(jì)圖，再由設(shè)計(jì)圖完善模型并再次測(cè)試，經(jīng)過(guò)多次迭代得到最優(yōu)的過(guò)山車設(shè)計(jì)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(jì)圖，從起點(diǎn)釋放小球展示其運(yùn)行情況并匯報(bào)軌道長(zhǎng)度。在學(xué)生匯報(bào)的過(guò)程中，師生使用包括作品本身成效和過(guò)程性表現(xiàn)等多維度的評(píng)價(jià)量規(guī)同步開(kāi)展組內(nèi)自評(píng)、組間互評(píng)及教師評(píng)價(jià)。之后，教師協(xié)助學(xué)生統(tǒng)計(jì)制作評(píng)分匯總表并評(píng)選出最優(yōu)設(shè)計(jì)作品。經(jīng)過(guò)本次展示評(píng)價(jià)，各組“工程師”可根據(jù)評(píng)價(jià)反饋的信息繼續(xù)迭代調(diào)整本組的作品。項(xiàng)目結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)盤整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐過(guò)程，反思在學(xué)習(xí)實(shí)踐中的不足，強(qiáng)化對(duì)實(shí)踐中操作的系統(tǒng)認(rèn)知。（四）教學(xué)成效在該教學(xué)模型指導(dǎo)下的教學(xué)實(shí)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(guò)山車的具體需求，在開(kāi)展相關(guān)研究的基礎(chǔ)上篩選設(shè)計(jì)方案并據(jù)此搭建過(guò)山車模型，再采用測(cè)試與多次迭代的方法得到最終作品，最后展示分享評(píng)選出最佳設(shè)計(jì)作品。學(xué)生在解決該工程問(wèn)題的過(guò)程中，掌握了知識(shí)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(jì)和案例的實(shí)踐可看出，滲透工程思維的小學(xué)科學(xué)教學(xué)過(guò)程的重點(diǎn)在于，學(xué)生可在教師的指導(dǎo)下參與工程實(shí)踐活動(dòng)，不僅發(fā)展了工程思維，也培養(yǎng)了解決問(wèn)題的能力。故而，教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中運(yùn)用聚焦于問(wèn)題解決的教學(xué)策略。（一）創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的真實(shí)工程情境情境是認(rèn)知活動(dòng)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(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，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(shí)，教師要注意情境與學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平相匹配，可從學(xué)生的生活環(huán)境、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)背景及其熟知的自然和社會(huì)現(xiàn)象中篩選出符合學(xué)情的情境。（二）設(shè)計(jì)學(xué)生參與度高的工程實(shí)踐活動(dòng)學(xué)生的工程思維發(fā)展及工程實(shí)踐能力提升可在高參與度的實(shí)踐活動(dòng)中逐步實(shí)現(xiàn)，因此學(xué)生必須親身經(jīng)歷統(tǒng)籌、設(shè)計(jì)、實(shí)施、檢驗(yàn)及迭代等工程實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程，教師對(duì)學(xué)生的薄弱處給予針對(duì)性指導(dǎo)。另外。教師要在學(xué)生實(shí)踐的過(guò)程中提供足夠的材料與足夠的時(shí)間，以確保每個(gè)學(xué)生都能有機(jī)會(huì)參與到工程實(shí)踐的環(huán)節(jié)中來(lái)。（三）提倡合作與競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)在實(shí)踐活動(dòng)中，相互合作更容易碰撞出思維的火花，使得學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)得以交疊和互補(bǔ)，從而各自建構(gòu)出更完整的工程認(rèn)知框架，拓展工程思維。因此教師要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展小組合作學(xué)習(xí)，讓他們?yōu)閷?shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)而努力。教師也可組織學(xué)生開(kāi)展組間競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)，用組間競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)組內(nèi)成員的合作。在中小學(xué)不具備另設(shè)工程類