小学科学教学中培养工程思维的路径

近年来，随着《义务教育科学课程标准（2022 年版）》的颁布与实施，小学科学教育的目标正逐步由传统的知识积累向核心素养导向转变。其中，工程思维作为科学学科核心素养的重要组成部分，首次被明确提出并受到广泛关注。这一变化不仅体现了国家对未来人才培养方向的战略调整，也对小学科学教学提出了新的挑战和要求。而小学科学课程本身具有鲜明的实践性和综合性特征，强调观察、实验、推理和建模等科学探究方式，这为工程思维的渗透提供了天然的教学土壤。通过合理设计教学活动，让学生在真实或模拟问题情境中经历“ 提出问题—设计方案—实践验证—反思改进” 的完整过程，不仅能提升学生的综合实践能力，也有助于其形成初步的工程意识和创新能力。

一、以项目式学习为抓手，构建工程思维发展框架

项目式学习是一种以学生为中心的教学方式，强调通过长期的、跨学科的真实任务，引导学生在合作中解决复杂问题。学生在完成项目的过程中，能够主动建构知识、整合技能，从而形成对问题的整体认知和解决能力。工程思维正是在这种情境中得以内化和发展的。通过设定明确的问题情境、制定可行的计划、分工协作、不断调试方案，学生不仅锻炼了逻辑思维，还提升了团队合作和创新意识，这正是工程思维的关键要素。

例如，以《植物的生长变化》这一单元为例，教师可以设计一个名为“ 搭建迷你生态种植箱” 的项目式学习活动。学生在此前的学习中已经掌握了植物生长所需的基本条件，如阳光、水分、土壤和空气等，并对种子萌发、幼苗成长的过程有初步认识。在此基础上，教师引导学生思考：如果在教室中没有自然光照或空间有限的情况下，如何为植物提供适宜的生长环境？随后引入生活中常见的室内种植装置和立体农业的概念，并布置任务：请各小组利用提供的材料设计并制作一个可以在教室内持续种植小型植物的迷你生态种植箱。教学过程中，教师首先展示可用于搭建的材料，如透明塑料箱、小灯泡（模拟阳光）、棉绳（滴灌系统模拟）、泡沫板（支撑结构）、小花盆、土壤及绿萝或豆芽等易养植物，让学生根据所学知识进行材料选择与结构设计讨论。学生在小组内围绕光照、通风、水分供给等因素展开交流，并绘制出初步的设计图纸。随后进入动手操作阶段，学生按照设计方案组装结构，有的小组采用棉线连接储水瓶与种植槽，实现缓慢供水；有的小组在顶部安装LED 灯带，模拟白天光照周期；还有的小组在侧壁开设可调节的小孔，以控制箱内湿度与空气流通。最后学生需定期测量植物高度、叶片数量、土壤湿度等指标，并在后续课时中汇报植物的生长情况，分析影响因素，反思设计中的优点与改进空间。

二、以问题导向教学为核心，激发学生工程思维动机

问题导向教学是一种基于现实问题开展教学的方法，强调学生在解决问题的过程中自主建构知识体系。这种教学方式能够有效激发学生的学习动机，推动他们深入思考问题背后的科学原理与技术应用。学生在面临适当挑战的问题时，最能激发其认知潜能。在小学科学教学中，教师通过设置贴近生活、富有挑战性的工程类问题，可以帮助学生建立“ 问题意识” ，从而逐步形成工程思维的基本结构。

例如，以《电路》单元中的“ 点亮小灯泡” 为主题，教师可以设计一节问题导向教学课。课堂伊始，教师播放一段关于夜间探险队员在山洞中因照明设备故障而被困的视频片段，并提出问题：“ 如果在没有外部光源的情况下，如何利用身边的材料制作一个简易照明装置？” 学生围绕“ 电的作用” 和“ 如何让灯泡亮起来” 展开讨论，初步形成对电路连接的基本认知。教师顺势引导出核心问题：“ 要使一个小灯泡发光，需要哪些基本元件？它们之间应该如何连接 ?" 随后布置任务：请各小组使用提供的材料（电池、导线、小灯泡、灯座、开关等）尝试独立搭建一个完整的简单电路，并使灯泡成功发光。在教学过程中，学生分组进行探究实践，教师提供必要的材料支持并观察学生的操作过程。有的小组先将导线直接连接电池和灯泡，但发现灯泡不亮，经过反复调试后意识到必须形成闭合回路。随着实验的深入，学生逐渐掌握电池、导线、用电器和开关在电路中的作用，并能根据现象分析电路是否连接正确。完成基础任务后，教师进一步拓展问题情境：“ 如果要在‘ 黑暗房间’ 中设计一个多点控制的照明系统，你会怎么安排开关和灯泡的位置？” 学生开始绘制设计草图，并尝试用多个开关和灯泡搭建更复杂的串联或并联电路模型。最后，组织成果展示与交流活动，各组介绍自己的电路结构特点，并接受其他小组的提问与建议，在不断反思与改进中深化对电路原理的理解。

三、以跨学科整合作为支撑，拓展工程思维的应用维度

跨学科整合是当前教育改革的重要方向之一，尤其在 STEM（科学、技术、工程、数学）教育理念的影响下，越来越多的学校尝试打破学科壁垒，引导学生在真实情境中综合运用多学科知识。学生在不同领域的智能表现存在差异，而跨学科整合正好提供了多样化的发展路径。在小学科学教学中，通过与数学、信息技术、美术等学科的有机融合，不仅可以拓宽学生的知识视野，还能帮助他们在解决实际问题时具备更全面的思维方式。

例如，以《岩石与土壤》的单元为例，教师需要设计一节题为“ 搭建微型地质勘探装置” 的跨学科整合课。该课时融合了科学、数学、信息技术和劳动技术四个学科内容，旨在引导学生在真实问题情境中综合运用所学知识进行工程设计与实践。教师创设情境：“ 如果要在一个地形复杂、人类难以进入的区域采集土壤样本，可以采用哪些方式？如何通过简易装置实现远程或半自动化的样本收集？” 随后布置任务：请各小组利用提供的材料，设计并制作一个能够模拟地质勘探过程的简易装置，要求能完成“ 探测—采集—提取” 三个基本操作环节。教学过程中，教师首先引导学生回顾岩石与土壤的基本分类及其物理特性，并结合数学中的测量知识，让学生了解如何对采集到的土壤深度、湿度等信息进行记录。在此基础上，教师引入简单的机械结构知识，如杠杆、滑轮、齿轮传动等，并介绍基础的编程模块（如使用 Makeblock 或 Arduino 平台），帮助学生理解如何通过传感器控制电机运转来实现自动化操作。学生分组展开设计与制作，有的小组用小型铲子和弹簧装置模拟采样结构，通过马达带动绳索实现升降；有的小组设计了一个带有旋转钻头的采集器，利用光敏传感器判断地面是否达到采样位置后启动采集动作。学生在制作过程中不仅需要考虑装置的稳定性与功能性，还需根据实际测试结果不断优化结构和程序逻辑。在成果展示环节，各组依次演示装置运行效果，说明其工作原理及改进思路，其他小组则从实用性、创新性、稳定性等多个维度提出建议。

结语：在小学科学教学中培养工程思维，不仅是落实新课标理念的必然要求，更是提升学生综合素养、服务未来社会发展的关键举措。未来，教师应继续深化教学改革，探索更多适合小学生认知水平和发展需求的工程思维培养方式，让科学课堂真正成为孕育未来工程师的沃土。

参考文献：

[1]顾茜,夏小俊,柏毅.工程思维导向的小学科学跨学科主题课程设计思考[J].东南大学学报(哲学社会科学版),2024,26(S2):54-59.

[2]沈诗慧.小学科学项目化学习[J].学生·家长·社会,2024,(41):75-77.

[3]陈航.基于情、知、言的应用延伸型小学科学工程设计课[J].基础教育研究,2023,(12):60-62.