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基于工程思维的小学科学FCRCTP教学模型建构

【摘要】核心素养教育改革背景下，在科学教育中培养工程思维已经成为基础科学教育转型优化的新态势。工程思维的培养需要以工程实践活动为载体，工程设计流程为解决创新性的工程问题提供了方法，将工程设计流程融入教学实践是在小学科学教学中培养学生工程思维的有效途径。文章以工程设计流程为媒介建构了包含聚焦情境、明确问题、研究设计、构建模型、测试优化和展示评价等六个步骤的小学科学FCRCTP教学模型，并以“我们的过山车”为例阐述验证了该教学模型的可行性和有效性。

【关键词】小学科学；工程思维；工程设计；教学模型

随着人类社会的发展，世界各国经济转型，21世纪对人才培养的诉求更加注重思维及能力的提升。发展核心素养成为人们回应当前和未来技术变革和全球化挑战的举措。工程思维是一种以比较权衡和系统分析为核心的筹划性思维[1]，工程思维对分析与综合、实践与应用、创新与优化、跨学科思考及团队合作等方面多维能力的培养具有整体要求，有助于达成培养学生核心素养这一整体性目标。工程的关键是设计，工程设计是工程实践的锚点，工程设计流程成为组织科学与工程实践活动的结构性办法。于是，以工程设计流程为媒介建构渗透工程思维的小学科学教学模型成为科学与工程教育实践中值得研究的一个问题。

一、FCRCTP教学模式设计的理论基础

（一）工程思维的内涵及特点

人们在工程实践过程中形成的思维方式便是工程思维。工程思维表现出跨学科性、系统性、创造性与迭代性等特征，需要跨学科及多学科协同研究才能获得更全面的解决方案。工程思维解决工程问题，倡导将问题拆解为子问题。工程思维体现了人们根据意愿改变物质世界的创造性思想，工程思维通常采用迭代的方式来解决问题。基础教育阶段培养学生的工程思维是让学生面对工程过程时，学习解决工程问题所需的系统性方法并逐步形成具有系统性、创造性、工程性等特点的解决问题的思维方式，使学生获得面对挑战的能力。

（二）小学科学教育中的工程思维培养

科学链接着人类与自然，科学为人类提供认识世界、解释世界的途径和方法。工程是以人类需求为出发点，集科学知识、各项技术及生产经验于一体，综合考虑各种约束条件和原则，创造人工产物的社会建构活动。工程和科学具有重叠的概念和过程，工程的开展需要以科学理论为指导和原则，科学的发展推动着工程的发展，而工程实施过程中产生的新问题、新挑战助推着科学的进步。工程教育活动以科学认知为基础，以创新发明活动为载体，让学生在实践过程中运用科学知识、使用技术工具来解决现实问题，该过程注重让学生经历产品的设计制作过程，培养他们创造性解决问题与制造产品的能力。科学教育为工程教育中科学认知体系的建立提供支持，工程教育又为科学教育中探究原理提供情境。

据了解，工程思维的培养及工程教育的发展最早在高等教育阶段开展，美国是在基础教育阶段开设工程教育课程的领跑者。美国于2009年发布《K-12教育中的工程：理解现状和提升未来》[2]，于2011年颁布《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》[3]并以此为基础于次年颁布《新一代科学教育标准》[4]，这些方针政策的出台促进了基础教育阶段工程教育的发展。我国也紧随国际科学教育研究的步伐，在基础教育阶段注重培养学生的工程思维。《小学科学课程标准（2017年版）》首次融入“技术与工程”领域内容，并倡导跨学科学习方式[5]。《义务教育科学课程标准（2022年版）》重视技术与工程实践的素养导向，强调基于核心概念、跨学科概念和学生思维水平开展技术与工程实践[6]。我国研究者们就工程思维培养开展了教学模式、教学设计、教学案例等一系列研究，工程思维的培养也成为我国小学科学教育研究中的重要导向。在我国当前基础教育变革的背景下，小学科学课程教学中渗透工程思维不失为一种两全其美的措施。

（三）工程设计流程

工程设计关注如何用设计来实现人们的需求。工程设计流程为解决创新性的复杂问题提供了组织性方法，工程设计流程成为培养工程思维的有效媒介。《马萨诸塞州K-12“技术/工程”课程标准》[6]将工程设计流程分为确定需求或问题、研究、设计、原型、测试评估、提供反馈、沟通解释等八个步骤。《义务教育科学课程标准（2022年版）》将工程过程分为明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等六个步骤[7]。我国学术界也普遍认为确定问题、设计方案、制作原型及迭代优化是工程设计流程中不可或缺的环节。

二、渗透工程思维的小学科学FCRCTP教学模型建构

本文在总结工程思维的内涵特点、研究工程思维在小学科学教学的培养现状基础上，分析了不同版本的工程设计流程，构建了如图1所示的渗透工程思维的小学科学FCRCTP教学模型。

（一）聚焦情境（Focussituation）

情境是认知的生长点，工程情境的创设为