模型建构到实体转化：基于工程设计思维的探究式学习路径探索

一、背景与现状

1. 工程教育在科学课程中的定位

《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确提出“工程设计与物化”作为科学实践的核心环节，强调通过真实问题解决培养学生的系统思维与创新能力

。当前科学课堂存在“重知识轻实践”“重结果轻过程”等问题，学生常局限于碎片化知识学习，缺乏对工程系统性的理解。

2. 《船的研究》单元的教学困境

传统教学中，学生多通过观察与实验了解船的浮力原理，但对工程设计流程的体验不足。例如，教材中“设计小船”活动常简化为材料选择与简单测试，缺乏真实约束条件下的迭代优化过程。此外，载人船建造等高阶任务因材料复杂、成本控制难，多停留在理论探讨阶段。

3. 新课标对工程实践的新要求

新课标强调“做中学”与“做思结合”，要求通过项目化学习实现知识整合。例如，需在限定条件下（如成本、尺寸）完成产品物化，并通过证据优化方案。这为重构《船的研究》单元教学提供了方向。

4. 真实教学中测试与素养的平衡

各个学校里面，到了中高段，会有期中、期末的书面测试。现阶段，家长们往往更重视学生纸面上的成绩，忽视对学生学科素养的发展。教师在每学期有限的课时中，既需要保证平时课堂上的实验也需要兼顾学生作业效度，碰到一个单元最后 1-2 节课时的大实践内容，有的时候就会选择忽略或者设置为不需要验收的家庭实践。

二、解决路径：工程设计思维驱动的探究式学习

1. 问题界定与标准设定

​核心进阶任务：

​基础任务：制作一艘符合实验室水槽条件的小船（尺寸：长⩽0.6m ，载重 ⩾220g ，直线行驶，成本 ⩽20 元）。

​进阶任务：小组合作建造可载人船（尺寸 ⩾1m×1m ，含船体与动力系统）。

​约束条件：

材料选择需兼顾成本与性能（如铝箔、泡沫板、塑料瓶等）。

动力系统需满足稳定性要求（如船舵控制方向、螺旋桨提供推力）。

由基础到进阶任务的设计，通过分层递进的工程实践，系统促进学生核心素养发展：

​科学观念：基础任务通过载重测试与稳定性优化，深化浮力、结构与功能关系的理解；进阶任务引入流体力学与动力系统设计，构建系统化工程认知。

​科学思维：基础任务通过多轮迭代培养问题归因与证据分析能力；进阶任务需统筹材料选择、动力匹配等复杂变量，发展系统思维与批判性思维。

​探究实践：基础任务强化动手操作与实验验证能力；进阶任务通过团队协作、跨学科技术整合（如机械传动设计），提升工程实施与技术创新能力。

​态度责任：基础任务渗透成本控制与资源优化意识；进阶任务通过载人安全设计，强化工程伦理与社会责任感，培养可持续发展观。

2. 工程设计流程实施

（1）定义问题与需求分析

通过“船的发展史”案例研讨，引导学生明确现代船舶需满足的功能需求（如载重、速度、安全性）。结合实验室、学校提供的游泳池等条件，制定量化指标（如载重量、行驶稳定性）。

（2）方案设计与优化

设计思维训练：采用“头脑风暴→草图绘制→可行性评估”流程，鼓励多方案并行。例如，针对载重问题，提出“增大体积”“优化结构”等策略。

跨学科整合：融入数学计算（体积与浮力关系）、美术设计（船体外形优化）等学科知识。

轮换制点评优化：学生小组将设计图（A3 纸）固定在画板架上，每组留一名学生在设计图旁边介绍思路。其他成员分散到其他小组依次参观、点评。比如在这个过程中，就有学生提出某个小组的船首是方形的，这样在水中的阻力比较大，应改成尖形的建议，也有学生提出某个小组的双体船之间的间距可以远一些，这样比较稳定。交流完成后，各小组回看“意见箱”里的建议小纸条，小组讨论、修正方案。

（3）物化与测试​

模型制作​：按设计图选择工具（剪刀、胶枪等）加工材料，强调“物图一致”原则。如果在制作过程中发现有不合理的地方，也可以及时修改。

多轮测试：记录小船行驶轨迹、载重数据，分析问题（如侧翻、动力不足），形成改进证据链。

（4）迭代改进与成果展示

问题归因：通过对比实验验证假设（如船底面积与稳定性相关性）。

成本控制：引入“材料采购清单”，模拟工程预算管理。

成果评价：采用“设计图完整性 + 功能实现度 + 团队协作”三维评价量表。

3. 载人船项目的深化实践（1）结构创新

采用“分舱设计”提升稳定性，参考现代船舶龙骨结构。

动力系统多样化：对比风帆、电动螺旋桨、明轮、手划桨的适用场景。

（2）安全性优化

通过“载人模拟测试”验证承重极限，调整船舷高度与重心分布。

引入安全防护装置（如救生圈、人字梯）。

（3）跨学科挑战数学：计算船体浮力与载重平衡。

工程：设计动力系统。

环境科学：探讨环保材料应用（如可回收塑料瓶）。

在载人船只的项目实践中，对学生小组提出了比实验室小船更高的要求。如何能够使得小船能够载得动一个人？需要准备好更多、更丰富的材料，用来制作体积 / 载重量更大的船只。如何能够让小船行驶一段距离而不下沉？需要做好防水措施，比如在船体缠上胶带或者底部放置游泳圈。怎样让小船稳定行驶？可以使用人力手划。

三、总结与反思

1. 教学成效

科学素养提升​： 90% 学生能清晰描述“浮力—结构—动力”的相互作用关系。

工程能力发展​：小组迭代次数平均达 3.5 次，成本控制达标率82% 。

跨学科整合​： 85% 学生认为数学与美术知识在项目中发挥了关键作用。

2. 挑战与改进方向

材料限制​：低成本材料的功能局限性需通过替代方案（如 3D 打印部件）突破。

时间管理​：长周期项目需细化阶段目标，避免进度滞后。

评价体系​：需开发更细粒度的工程思维评价工具（如设计日志、反思报告）。

3. 理论启示

本研究验证了“模型建构—物化验证”路径在小学工程教育中的可行性，为新课标倡导的“做中学”提供了实践范式。未来可探索与STEAM 课程的深度融合，如引入Arduino 控制模块实现智能化船舶。

胡慧阳 杭州师范大学附属未来科技城小学（杭州二中教育集团）浙江省杭州市 310000