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摘 要 工程思维是实践性的、以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维。将工程思维融入小学科学课程，能够让学生体验STEM技能，从而运用数学、科学和技术领域的概念来系统地解决复杂问题。文章以STEM项目《造一艘小船》为例，根据工程设计流程，通过有效的探究活动，利用直观的实验现象，引导学生理解科学概念，多层次实践科学概念，培养学生解决复杂问题的工程思维。
关键词 工程思维 设计流程 学习目标
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.02.039
Cultivating Engineering Thinking Based on Design Process
——Take STEM project “building a boat” as an example
WU Xuehui
（Chongqing Lianguang Primary School， Chongqing 400032）
Abstract： Engineering thinking is a kind of practical planning thinking with the core of system analysis and comparison. Integrating engineering thinking into primary school science curriculum can enable students to experience stem skills， so as to use the concepts of mathematics， science and technology to solve complex problems systematically. This paper takes stem project "building a boat" as an example， according to the engineering design process， through effective exploration activities， using intuitive experimental phenomena， to guide students to understand scientific concepts， multi-level practice of scientific concepts， and cultivate students' engineering thinking to solve complex problems.
Keywords： engineering thinking; design process; learning object
现行小学科学高年级教材中，部分单元可通过制造产品的方式开展以工程为主的STEM项目活动。以STEM项目《造一艘小船》为例，根据工程设计流程，通过有效的探究活动，利用直观的实验现象，引导学生理解科学概念，多层次实践科学概念，培养学生解决复杂问题的工程思维。
工程思维是实践性的、以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维。工程设计流程注重引导学生运用系统分析的方法，针对某一具体技术领域的问题进行要素分析、整体规划，并运用模拟和简易建模等方法进行设计。将工程思维融入小学科学课程，能够让学生体验STEM技能，从而运用数学、科学和技术领域的概念来系统地解决复杂问题。
科学与工程设计流程的联系
科学与工程互为补充，却又不尽相同。一般而言，科学探究的目的在于利用证据来解释自然界和人类世界，而工程设计的目的在于解决关系到人类需求和欲望的特定问题，但两者在很多环节上存在着共性。
小学科学一直倡导以探究式学习为主的学习方式，工程设计流程的8个步骤和课程标准中提出的探究性学习的8个要素有着不少联系（见表1）。
通过表1可以看出，工程设计的流程和探究性学习的思路大致相同，两者都是基于建构主义学习理论。工程设计流程还注重对模型进行合理构建、测试评估、反馈改进，以解决真实的问题，是人与人之间的互动过程，是社会性联系的建立过程。
培养工程思維的一般步骤
1.通过驱动问题，明确学习目标
STEM项目活动是一个复杂的、较为综合的、持续时间较长的学习过程。首先，要确立一个目标明确的项目内容;其次，需要提出生动有趣的，能激发学生主动学习的驱动问题。在各个环节提升学生的学习动力，突出以生为本的课程宗旨。
如在《造一艘小船》一课中，教师将“用橡皮泥造一艘装载重物尽量多的小船”作为本节课的驱动问题。该问题表述清晰，项目学习目标明确，易于辨识，便于学生围绕问题开展工程活动。
2.厘清问题线索，探寻解决方法
因为小学生对信息处理的能力还比较有限，所以教师应帮助学生厘清问题线索，仔细分辨问题中隐含的各种变量，控制其中无关变量，保留一个可控变量，为他们开展项目活动创造易于思考的空间。在引导时，教师应基于学生已有的科学知识开展活动。 《造一艘小船》就是在学生已知“船排开的水量越大，越容易浮在水面上”这一前提下，围绕驱动问题开展活动。教师执教本课时出现了3种不同的引导方式：方法1和方法2是引导性过渡，一定程度上抑制了学生的思维发展;方法3在学生制订计划前，教师帮助梳理了整个活动中应该控制的变量，统一了小船的重量、制作材料、制造时间、单一货物的重量及水位等变量，减少了多余变量带来的干扰，让学生围绕“什么形状的船载重量更大”开展自主探究，找寻问题的解决办法（见表2）。
3.巧用数据分析，学习科学概念
如果能把本课的抽象概念通过学生能直观看到的方式演绎出来，就能把“抽象”变为“形象”，将科学概念转化为学生易懂的语言，也能培育学生学科学、用科学的科学精神。
本课的科学概念之一就是：相同重量的橡皮泥，浸入水中的体积越大越容易浮，它的装载量也随之增大。其中的关键词是装载量、浸入水中的体积。装载量通过小船装载垫圈个数来表示。“体积”这个词对五年级的学生而言还比较抽象，何况“船”浸入水中的部分是一个不太规则的结构，怎样描述“浸入水中的体积”难度很大。
教师巧妙地利用溢水杯，将橡皮泥船浸入水中的体积通过溢出的水量呈现，并给足学生探究时间，让学生通过自主活动多次尝试改变橡皮泥船的外形，测量溢出的水量与装载垫圈个数的关系。学生从记录的多次实验数据可以发现，装载的垫圈个数越多，溢出的水量越大。垫圈个数和溢出的水量两组数据既呈现出实验的变化规律，又让学生潜移默化地学习了科学概念。
4.物化客观数据，构建模型雏形
数据是最客观、最直接的记录和描述实验现象的符号。通过数据学生可以看到现象的变化趋势，发现其中规律，建立客观的数据模型。
在课堂上，各小组先通过实验数据分析出小船装载量与排开的水量之间的关系，再结合实验中观察到的橡皮泥船的外形特点，将本课抽象的科学概念形象化。数字建模和实物建模两种方式相互结合，在学生心中很轻松地构建起一艘装载量大的小船模型：做成碗形，面积大，船沿高，船壁厚度均匀。
5.注重交流分享，引发思维共鸣
在以学生为主体的课堂上，教师须营造一个宽松的学习环境，给予学生引导、协助和支持，为他们寻找相关信息搭建“脚手架”，提高他们在活动中的参与度和专注度。在整个活动中，教师应该给学生提供与同学交流测试结果的机会;如果有可能，还可以让他们展示自己的最终方案，分享经验。这样不仅锻炼了语言表达能力，还培养了严谨求实的科学态度和辩证客观的批判思维。
在《造一艘小船》的課堂上，教师根据学生能力特点，将变量化繁为简，创造了以生为本的学习空间。在实验过程中，留给学生足够的探究时间，借用实验器材，把抽象的概念转化为直观的数据，通过数据搭建思维的“脚手架”，促使学生在交流环节有现象可谈，有证据可用，有建议可提。
6.实践科学概念，应对复杂挑战
基于解决真实问题开展的STEM项目强调将知识运用于生活，体现其综合性、实践性、开放性、动态性等特点。其中工程思维更强调思维的整体性、人文性和实践性。
对小学生而言，他们对产品的初次设计可能还是基于自身的想象和已有的生活经验。通过数据分析后，对产品进行重新设计，就是将相关科学知识实践运用的具体表现。在改进产品环节，教师须让学生阐述修改产品的科学依据和科学原理，以养成将知识学以致用的科学精神。交流分享环节使学生明白更复杂的大众需求，促进产品的不断迭代，以此经历一个产品从设计到制作，从模型到样品甚至是商品的完整过程，逐步培养他们解决复杂问题的意识和能力。
实施建议
STEM项目活动和工程设计都是从驱动问题开始的，描述具体要求，确定解决方案，在实践过程中发现新问题，继而开展新一轮项目学习，在完成新的项目学习的同时又会产生新问题，这样周而复始。为保持学生能够有效且持续开展项目活动，还须关注以下几点：
1.基于真实问题，设计STEM活动
小学生的心中一直有这样一个疑问：钢铁不能浮在水面上，为什么钢铁造的船却可以浮在水面上呢？一艘小小的船承载了关于浮力的大量知识。如果以学生心中的疑问为切入点，按照工程思维设计一个STEM项目，同样可以覆盖教材中该单元的主要内容，也更有助于培养学生解决复杂问题的能力。
2.确定有效指令，建立活动秩序
STEM项目是开放性很强的课程。教师通过相关指令营造一个积极参与、秩序井然的活动环境也是非常必要的。教师应明确告知学生开始、停止的指令，小组分工明确，确保实施过程有条不紊。
3.关注动态生成，开展持续研究
在本课中，部分小组的导学单上可以看见他们记录下“船体平坦、底部平稳、船的面积要大”等描述语言，部分学生制作了盘形船、方形船等，不同形状的船装载力怎样呢？如果有多余的时间，可以针对学生在课堂上的动态生成展开深入研究，这样会让学生更深入地理解所学概念。
4.呈现方式多样，外显研究过程
数据可以很直观地呈现小船排开的水量与装载量的关系，文字也可以描述装载量大的船的特点，还可以通过侧视、俯视等角度拍摄照片或视频记录学生研究过程中船的外形的改变过程，做到数据、图片、视频、文字的同时运用。
关键词 工程思维 设计流程 学习目标
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.02.039
Cultivating Engineering Thinking Based on Design Process
——Take STEM project “building a boat” as an example
WU Xuehui
（Chongqing Lianguang Primary School， Chongqing 400032）
Abstract： Engineering thinking is a kind of practical planning thinking with the core of system analysis and comparison. Integrating engineering thinking into primary school science curriculum can enable students to experience stem skills， so as to use the concepts of mathematics， science and technology to solve complex problems systematically. This paper takes stem project "building a boat" as an example， according to the engineering design process， through effective exploration activities， using intuitive experimental phenomena， to guide students to understand scientific concepts， multi-level practice of scientific concepts， and cultivate students' engineering thinking to solve complex problems.
Keywords： engineering thinking; design process; learning object
现行小学科学高年级教材中，部分单元可通过制造产品的方式开展以工程为主的STEM项目活动。以STEM项目《造一艘小船》为例，根据工程设计流程，通过有效的探究活动，利用直观的实验现象，引导学生理解科学概念，多层次实践科学概念，培养学生解决复杂问题的工程思维。
工程思维是实践性的、以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维。工程设计流程注重引导学生运用系统分析的方法，针对某一具体技术领域的问题进行要素分析、整体规划，并运用模拟和简易建模等方法进行设计。将工程思维融入小学科学课程，能够让学生体验STEM技能，从而运用数学、科学和技术领域的概念来系统地解决复杂问题。
科学与工程设计流程的联系
科学与工程互为补充，却又不尽相同。一般而言，科学探究的目的在于利用证据来解释自然界和人类世界，而工程设计的目的在于解决关系到人类需求和欲望的特定问题，但两者在很多环节上存在着共性。
小学科学一直倡导以探究式学习为主的学习方式，工程设计流程的8个步骤和课程标准中提出的探究性学习的8个要素有着不少联系（见表1）。
通过表1可以看出，工程设计的流程和探究性学习的思路大致相同，两者都是基于建构主义学习理论。工程设计流程还注重对模型进行合理构建、测试评估、反馈改进，以解决真实的问题，是人与人之间的互动过程，是社会性联系的建立过程。
培养工程思維的一般步骤
1.通过驱动问题，明确学习目标
STEM项目活动是一个复杂的、较为综合的、持续时间较长的学习过程。首先，要确立一个目标明确的项目内容;其次，需要提出生动有趣的，能激发学生主动学习的驱动问题。在各个环节提升学生的学习动力，突出以生为本的课程宗旨。
如在《造一艘小船》一课中，教师将“用橡皮泥造一艘装载重物尽量多的小船”作为本节课的驱动问题。该问题表述清晰，项目学习目标明确，易于辨识，便于学生围绕问题开展工程活动。
2.厘清问题线索，探寻解决方法
因为小学生对信息处理的能力还比较有限，所以教师应帮助学生厘清问题线索，仔细分辨问题中隐含的各种变量，控制其中无关变量，保留一个可控变量，为他们开展项目活动创造易于思考的空间。在引导时，教师应基于学生已有的科学知识开展活动。 《造一艘小船》就是在学生已知“船排开的水量越大，越容易浮在水面上”这一前提下，围绕驱动问题开展活动。教师执教本课时出现了3种不同的引导方式：方法1和方法2是引导性过渡，一定程度上抑制了学生的思维发展;方法3在学生制订计划前，教师帮助梳理了整个活动中应该控制的变量，统一了小船的重量、制作材料、制造时间、单一货物的重量及水位等变量，减少了多余变量带来的干扰，让学生围绕“什么形状的船载重量更大”开展自主探究，找寻问题的解决办法（见表2）。
3.巧用数据分析，学习科学概念
如果能把本课的抽象概念通过学生能直观看到的方式演绎出来，就能把“抽象”变为“形象”，将科学概念转化为学生易懂的语言，也能培育学生学科学、用科学的科学精神。
本课的科学概念之一就是：相同重量的橡皮泥，浸入水中的体积越大越容易浮，它的装载量也随之增大。其中的关键词是装载量、浸入水中的体积。装载量通过小船装载垫圈个数来表示。“体积”这个词对五年级的学生而言还比较抽象，何况“船”浸入水中的部分是一个不太规则的结构，怎样描述“浸入水中的体积”难度很大。
教师巧妙地利用溢水杯，将橡皮泥船浸入水中的体积通过溢出的水量呈现，并给足学生探究时间，让学生通过自主活动多次尝试改变橡皮泥船的外形，测量溢出的水量与装载垫圈个数的关系。学生从记录的多次实验数据可以发现，装载的垫圈个数越多，溢出的水量越大。垫圈个数和溢出的水量两组数据既呈现出实验的变化规律，又让学生潜移默化地学习了科学概念。
4.物化客观数据，构建模型雏形
数据是最客观、最直接的记录和描述实验现象的符号。通过数据学生可以看到现象的变化趋势，发现其中规律，建立客观的数据模型。
在课堂上，各小组先通过实验数据分析出小船装载量与排开的水量之间的关系，再结合实验中观察到的橡皮泥船的外形特点，将本课抽象的科学概念形象化。数字建模和实物建模两种方式相互结合，在学生心中很轻松地构建起一艘装载量大的小船模型：做成碗形，面积大，船沿高，船壁厚度均匀。
5.注重交流分享，引发思维共鸣
在以学生为主体的课堂上，教师须营造一个宽松的学习环境，给予学生引导、协助和支持，为他们寻找相关信息搭建“脚手架”，提高他们在活动中的参与度和专注度。在整个活动中，教师应该给学生提供与同学交流测试结果的机会;如果有可能，还可以让他们展示自己的最终方案，分享经验。这样不仅锻炼了语言表达能力，还培养了严谨求实的科学态度和辩证客观的批判思维。
在《造一艘小船》的課堂上，教师根据学生能力特点，将变量化繁为简，创造了以生为本的学习空间。在实验过程中，留给学生足够的探究时间，借用实验器材，把抽象的概念转化为直观的数据，通过数据搭建思维的“脚手架”，促使学生在交流环节有现象可谈，有证据可用，有建议可提。
6.实践科学概念，应对复杂挑战
基于解决真实问题开展的STEM项目强调将知识运用于生活，体现其综合性、实践性、开放性、动态性等特点。其中工程思维更强调思维的整体性、人文性和实践性。
对小学生而言，他们对产品的初次设计可能还是基于自身的想象和已有的生活经验。通过数据分析后，对产品进行重新设计，就是将相关科学知识实践运用的具体表现。在改进产品环节，教师须让学生阐述修改产品的科学依据和科学原理，以养成将知识学以致用的科学精神。交流分享环节使学生明白更复杂的大众需求，促进产品的不断迭代，以此经历一个产品从设计到制作，从模型到样品甚至是商品的完整过程，逐步培养他们解决复杂问题的意识和能力。
实施建议
STEM项目活动和工程设计都是从驱动问题开始的，描述具体要求，确定解决方案，在实践过程中发现新问题，继而开展新一轮项目学习，在完成新的项目学习的同时又会产生新问题，这样周而复始。为保持学生能够有效且持续开展项目活动，还须关注以下几点：
1.基于真实问题，设计STEM活动
小学生的心中一直有这样一个疑问：钢铁不能浮在水面上，为什么钢铁造的船却可以浮在水面上呢？一艘小小的船承载了关于浮力的大量知识。如果以学生心中的疑问为切入点，按照工程思维设计一个STEM项目，同样可以覆盖教材中该单元的主要内容，也更有助于培养学生解决复杂问题的能力。
2.确定有效指令，建立活动秩序
STEM项目是开放性很强的课程。教师通过相关指令营造一个积极参与、秩序井然的活动环境也是非常必要的。教师应明确告知学生开始、停止的指令，小组分工明确，确保实施过程有条不紊。
3.关注动态生成，开展持续研究
在本课中，部分小组的导学单上可以看见他们记录下“船体平坦、底部平稳、船的面积要大”等描述语言，部分学生制作了盘形船、方形船等，不同形状的船装载力怎样呢？如果有多余的时间，可以针对学生在课堂上的动态生成展开深入研究，这样会让学生更深入地理解所学概念。
4.呈现方式多样，外显研究过程
数据可以很直观地呈现小船排开的水量与装载量的关系，文字也可以描述装载量大的船的特点，还可以通过侧视、俯视等角度拍摄照片或视频记录学生研究过程中船的外形的改变过程，做到数据、图片、视频、文字的同时运用。