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基于工程思维的小学科学探究性教学

时间:2019/12/2 9:47:43 来源:狄倩倩字体显示:大 中 小阅读:289 次

溧阳市外国语小学 狄倩倩

各位老师:大家好!

今天我主讲的题目是《基于工程思维的小学科学探究性教学》 。工程是以科学和技术为基础的系统性工作。新版课程标准中提出科学的核心是发现;技术的核心是发明;工程的核心是建造,关键是设计,灵魂是思维工程是人类为实现自己的需要,对已有的物质材料和生活环境加以系统性的开发、生产、加工、建造等。

小学科学探究性教学中培养学生工程思维能力的必要性。

面临的问题:现在科学学习的过程中会出现这两种现象:有部分学生对科学缺乏兴趣或者认为科学无用。当下,我们的科学教材中大多数的实验为验证性实验,虽然能巩固所学的理论,但在调动学生学习的主动性,培养学生的思维能力方面较弱,缺乏自主探究能力和工程思维能力的培养。可能存在为理论、为操作而理论、操作,科学与技术的内在联系渐行渐远。

解决路径:工程思维关注的是共性,要在实际的问题和决策中,尝试最合适的方法和工具进行模型设计和工程实践。力求最优化原则。它架起了科学发现、技术发明与产业发展的桥梁,为实际教学探寻新的思路。

工程思维的内涵及特征:

工程思维是按照某一种特定的目标,遵循一定的规范或标准进行设计,然后进行生产或建设,直至最后制造出产品供应社会或建成设施投入运营。

1.  工程思维具有现实性。

  工程思维以筹划的可能性为宗旨,面临的潜在可能性与现实可能性的转化契机,寻求工程理想与工程实际两者间矛盾的解决。它能将客体对象变得跟主体价值需要相符合,所以它具有现实性。以做个小茶包为例,学生想把茶叶和水进行分离,从现实生活中常见的壶出发,进行改造。但在大型会场上服务员拿壶逐个倒茶很不方便,由此改进要制造能快速茶水分离并方便便捷的产品。

2.工程思维具有约束性。

工程思维要遵循这样的一定的规范与要求。也有科学原理、制作方法与程序所规定的内容可能性的边界。工程思维必须接受诸多的现实条件的约束,所以工程思维它是不允许随意性的,它需要一定的缜密性。换句话来说,工程思维就是必须要有一个前提条件,工程不允许失败。工程思维的目的就是追求卓越。最优化、效率最大化,它创造价值改善生活。比如在怎么让茶水分离这个问题上,我们初始的茶是从无滤网的壶内倒出,所以受到壶的约束,我们首先思考的是怎么改进壶,从而重新设计壶的结构。如果是科学思维无边界,可以提出任何可能的想法。

3.工程思维具有综合性(整体性)。

工程思维是一种复杂的系统性思维,它不同于科学思维,科学思维注重事实,强调证据。在工程活动中既要考虑所要建造或建构的对象和目标,又要把整个活动本身和周围的自然、社会、经济系统联系起来,从环境、经济、社会等方面的评价某个工程的设计并且提出改进和完善的意见。所以工程思维除了具备科学思维和技术思维的一些基本特点之外,还要具备综合性判断和选择的能力。

例如茶包带来便捷的同时让茶水分离更快速。茶包由哪些部分组成?考虑茶包纸应该具备哪些特征:经济上实惠、环保、透水性好,出茶速度快、通透性好,让顾客看得明白买的放心。学生要综合以上所有因素,选择最合适的材料。

4.工程思维具有创新性。

与创新思维相比,工程思维的创造性如同放在风筝者手中的线,它更具有方向性、目标性,强调的是标准化与操作性;而创新思维如同没有线的风筝,它更具有跳跃性、求异性,强调的是想象力的发展。

例如:在制作标准化茶包的基础上,继续思考:现在的茶包能满足人们的需求吗?世界是缤纷多彩的,人的需求也各不相同,比如有人喜欢喝大杯茶或者很浓的茶,怎么办呢?

 

如何将工程思维与探究性教学有效结合,如何将学生零碎的知识与机械过程变成具有实践意义的相互联系的过程,工程思维至关重要,主要有四个立足点:

1.基于真实的问题。学生所遇到的问题确实是现实生活中、生产中确确实实遇到的问题。创设一个真实的情境,才能产生真实的问题。

2.基于学生的需求。体验到不方便,明确有愿望和需求,再来改进,解决工程问题。

3.基于感性认识。在探究性教学中要让孩子多去体验和感受。

4.基于思维的唤醒。要把已有的知识、经验,要把已有的生活经验充分唤醒、激发、挑战,把学生思维的活力激发出来,这样基于工程思维的小学科学探究性教学才有味道。例:出示杯子喝茶图,这样喝茶方便吗?不方便?那怎么解决这个问题呢?

因此,可以从以下几个方面进行教学:

1.创造真实情境,以问题为出发点,启发思考。

工程活动,它起于思考。四个要素主要是理念、要素、设计与结构。理念是工程活动展开的前提,是关于工程计划方案运行管理基本思想的概括。创设真实的情境,结合恰当的体验,后续事半功倍。因为学生在课前对茶叶相关的知识了解的很少,所以为了铺垫和宣扬溧阳的茶文化,用茶叶节相关视频营造合适的氛围。只要有客人来,热情的溧阳人民都会请他喝杯溧阳茶。今天你们也是我的客人,请你喝杯溧阳茶。以此来引诱学生喝茶,增加课堂情趣的同时让他品尝、体验,引导学生发现茶叶容易喝道嘴里这一真实问题。进而产生思考为什么茶叶容易喝道嘴里?怎么让茶水分离?以此启发思考,奠定理念基础:怎样让茶水分离。

 

2.有结构的活动设计,推进学生的工程思维。

工程技术有一个过程:从问题到方案设计,初次尝试,修改完善,再试,最后形成成品。因此工程思维就是在理念的指导之下,根据一定的功能和要求巧妙构思,设计结构体系,选择组合优化结成自然要素、技术要素、人文要素、社会要素、环境要素等各种功能要素,使它们彼此关联,相互耦合,成为一个结构化的、功能化的、效率化的复杂系统。工程技术最核心的一定要有自我完善修改的过程。基于这样一个过程,做个小茶包这节课的整体构架是:追本溯源,壶内的文章壶外做,三次提升。工程理念是怎样让茶水分离,怎么办?提示学生:你们的水都是从这个壶里倒出来的,你能对这个壶进行改进吗?出示实物壶和图让孩子在设计的时候画一画,让思考更有力度,让学生在自己的想法里多驰骋一会儿。第一次提升是把学生的关注点引导到壶上,让他画,有部分学生会画滤网。教师准备带滤网的壶,展示,让学生讨论使用滤网有什么优点?缺点?怎么改进?学生可能说到不能完全茶水分离,把网眼调小但是容易堵塞。第二次提升是滤网的升级版—滤杯,分析优缺点时发现网孔更细,更多,不容易堵塞,但茶叶渣要倒出,泡茶时水要多,清洗困难,携带不方便等。滤网、滤杯这么多缺点又怎么解决呢?这时学生的思维局限在壶内,想不到壶内的文章壶外做。这是是工程思维更高的一次跃升。于是第三次提升便捷的袋泡茶出现了。

是以对壶的改进,对茶包的设计和制作为载体,逐步推进学生工程思维,为什么要做小茶包追溯源头是因为滤网滤杯有缺点,携带不方便,清洗不方便,还容易碎等。

 

3.积极评价、指导,推动工程思维进阶。

逐步推进工程思维,产生新问题的需要,让学生的感性认识更充分,办法更多。在新问题新方法出现时,积极利用生生互评、教师指导来推进工程思维的进一步完善。进入中学段以后,学生一定需要在低段在这个基础上面进行观察、提问,对他人的想法、模型提出自己的想法并说理由。学生在工程学习的过程当中,他们需要能够简单地评估一个产品或者系统的各种权衡因素,预想使用效果,把握使用时机,在想办法改良作品的过程当中能够研讨发生这种变化的原因,获得对物质性质的一种认识,再着手来进行相关的改进。

例:小茶包的制作有两次改进。第一次改进:茶包纸选用什么样的材料?第二次改进:1袋小茶包到底要取多少份量?提问:茶包纸的材质必须具备哪些特点?通过对比研究发现卫生、结实、透水、环保、通透的茶包纸最好。结实更牢固,透水让出茶的速度更快,环保可持续发展有利于生态建设,通透让商家诚信经营。要标准化生产,市场推广,就要给客户更好地体验。同时综合经济因素的影响。构造实物模型时发现有的学生用不透明的厚棉布、有的同学用半透明的无纺布、也有人用透明又环保的玉米纤维网布或者是透明的尼龙布。通过观察各种茶包模型,积极地生生互评,我们能很快的得出茶包纸的选用标准。1包茶包中放多少茶叶合适?通过师生交流可以确定在5克以内,不同分量的1-5克的茶叶冲泡之后会是什么样的?通过评价比较不同的样品茶包,发现尺寸对商家也很重要。大了浪费茶包纸,小了茶叶装不下等问题。通过评价和指导让问题的范围有节奏的收缩,让工程思维的指向性更明确,快速进阶。

 

4.构造实物模型,用思维推动工程建设,加强学生工程思维的整体性。

工程成于物品。工程思维突出实战,理论应用到生活中还有很长一段距离,而工程思维就是努力缩短这段距离,最终让理论和生活顺利对接。工程学思维恰好是沿着科学思维指明方向,不断构造实物模型,最终修建出一条通向正确方向的道路。

设计模型:要激活学生之前对茶包的认识,只有学生掌握了科学概念之后,才能将科学概念灵活地运用到设计与制作活动中,实现动手动脑。茶包由哪些部分组成?布置任务:你能为这个一次性杯子设计并制作方便取用的小茶包吗?学生在纸上对茶包的外形等进行设计。所谓设计模型是指围绕着设计方案,小组成员相互讨论,明确设计和制作方案,最终画出茶包的设计示意图。设计的过程中,小组成员也要思考他们所提出的设计方案,哪些是可行的。以此活跃思维,为后续的设计、制作奠定基础。

验证模型:在工程设计活动中,验证模型占据核心位置。学生根据实现设计的模型构建模型,但是由于种种因素的影响,部分小组会脱离原先设计好的方案,可能最终变成想怎么做就怎么做。所以在验证模型的第一阶段,鼓励学生验证模型,观察方案是否可行。比如第一次选择茶包纸后做好的各种各样的茶包可以通过观察或者泡茶的方式验证茶包纸的性能以及加工手法。

评价模型:当建模完成后,各个小组展示他们的茶包模型,是否是为特定的杯子设计,一边展示还要一边讲解设计思路,介绍本组茶包的特色。

修正模型:分析比较这一过程,便于学生发现问题、并促使学生反思:什么样的茶包纸是最好的最适合大规模生产的,1袋茶叶的份量是多少最合适呢?最合适的茶包尺寸是多少?在反思中形成新的里面反馈课堂。由于收到课堂时间的影响,茶包模型不会太精致,可以把这些茶包当做样品,便于课后更好地反思。

《做个小茶包》这一探究活动中重复经历设计模型、验证模型、评价模型、修正模型4个过程。工程思维就是逢山开路涉水搭桥,遇到什么问题研究解决什么问题。摸着石头过河,在科学方法指引下尝试试错。在这四个过程中工程思维必须全面把握人与自然、与其他成员乃至整个人类社会的互动关系,避免单纯从技术的角度考虑工程问题,避免仅仅着眼于工程对象本身而忽视工程“系统”与“环境”的相互作用。每当面对工程问题时,就非常“自然地”以系统论的视角,综合、全而地思考、处理工程问题,审视工程的价值问题; 在考虑技术问题的同时,“附带地”统筹考虑其他一切相关方面的问题; 从人类社会和自然界安全的角度,从短期利益与长期利益一致的角度,从局部利益与整体利益一致的角度,从追求性能与经济性比值最大化的角度,把相关事物联系到一起,综合考察并驾驭它们之间的相互作用。,加强了工程思维的整体性。

5.有结构的材料,助力探究性教学中工程思维的呈现。

材料的选择和摆放位置、顺序等都有严格的要求,有结构的材料可以让课堂更有秩序,对研究也是一大助力。小学生自制能力差,对材料有旺盛的好奇心和求知欲,一旦材料的结构不清晰,学生停不下来,课堂的控制就会很难。

本节课用到的材料是:茶壶设计图、四种茶包纸材料、线、热封机、电子秤、直尺、剪刀、一次性塑料杯等。学生对电子秤、热封机、剪刀等很感兴趣,会一直不停地在摸索,将这些研究的欲望转变为工程思维的力量。

例如:在初次尝试制作茶包时只提供每小组4种茶包纸、茶叶,线,订书机等材料,材料放在抽屉里。在研究完茶包纸的材质后,进行茶叶份量的探讨时,更具需求适时的提供电子秤,在第二次制作时提供选择出来的最好的玉米纤维网布、剪刀、直尺、热封机支撑学生的工具需求。期间,教师指导学生通过对电子秤、直尺、剪刀、热封机的操作与使用,学习简单的加工方法,初步认识生活中常见的工具,意识到人们的生活离不开各种工具,工具是人的力量的一种延伸。如操作和使用电子秤、热封机,比较杆秤、盘秤、电子秤等称重工具的准确性,体会使用工具更准确,让标准化大规模生产成为可能。知道使用工具可以更加精准、便利和快捷。

 

6.有结构的板书,凸显工程思维的进阶,体现出明显的活动推进过程:

围绕怎样让茶水分离进行一系列的思维活动,并最终让茶包标准化生产成为可能。把学生工程思维的每个节点,转变的过程都体现在板书上,和说明书一样,让人一目了然。

案例《做个小茶包》以“设计为主线,边设计边改进,体现学生思维”为中心,分为科学活动和工程活动。科学活动中,学生了解了茶水分离知识与概念;工程活动中,学生以“制作茶包和控制茶叶量”为题,经历工程设计的完整流程,了解不同材质的茶包纸性能、工程实践的各种限制条件、科学知识在工程建造中的应用,从而加深概念理解。并通过制作茶包的模型,继续深化理解。

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新课标要求中对科学教育从“探究—实践”的转变有着现实的指导意义,这也给科学教师如何利用工程思维去更好地服务于探究性教学提供了不可或缺的参考。基于工程思维的小学科学探究性教学既突出学生的主体地位、又体现教师的主导作用,“主导—主体”相结合。科学与工程的整合,符合当今融合的课程理念,又有助于学生以整体的角度去思考和看待问题,希望通过本课的理论与实践分析,为大家提供科学与工程实践在课堂中的整合提供更多思路借鉴与指导。

 

 

探究和实践有什么关系?探究主要解决“是什么”和“为什么”的问题,是关于自然界现象的一种解释;看到一种现象,想知道是怎么回事,就去探究一番,探究后获得的是知识,是对自然界的解释,是新的概念、新的理论、新的观点,这是科学层面的东西。

实践主要不是满足人类的好奇心,它是要解决生产、生活中需要解决的实际问题,不是为获得新的概念、观点、新的理论。解决问题,可能是生产新的产品、可能是发明新的技术。实践育人是教育部明确提的一个要求,而实践也是提升核心素养的一个重要途径。所以,科学教育在重视探究的同时也要重视实践。

 


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