《义务教育科学课程标准（2022年版）》重视技术与工程实践中的素养培养，强调基于儿童思维水平，综合应用学科概念和跨学科概念解决具体问题。从科学原理到技术实践，需要学生对知识进行迁移和综合应用，科学思维是其中重要的参与因素和认知方式，因此，这一教学过程是培养学生科学思维的重要契机。
顾明远先生曾说，培养学生的思维能力，最根本是从教到学的转变。教师要信任学生，让学生在问题解决或决策中发挥思维的自驱作用，让他们主动参与学习过程、积极开展探索实践，让学生在学习活动中勤于思考、学会思考、发展思维，“让学习者成长”。
教科版科学三年级“测量降水量”指导学生认识并制作简易的雨量器，用来测量降水量，帮助完成“天气日历”的观察和记录，从而认识当地天气特点。制作雨量器是一个基于科学原理的、简单的技术与工程领域的实践活动。笔者巧用科学思维的驱动作用，在建构原理认识的基础上，引导学生自主设计、制作、评价模型，实现主动学习。
1 分析学情，定位思维靶向
知是行之始。科学原理为技术与工程问题的解决提供了坚实的理论基础和可靠的依据。在学习“测量降水量”一课时，学生需要建立测量降水量相关的科学概念，只有掌握测量的科学原理，才能开展自制雨量器的活动。降水量是指一定时间内，从天空降落到地面上的液态或固态（可融化）水，未经蒸发、渗透、流失，在水平面上积聚的深度（高度）。这是学生自制简易雨量器的认知基础。学生在日常生活中形成的前概念是否趋同于这一科学概念呢？
为了调查学生前概念，笔者使用下雨的真实情境导入教学，让学生知道下雨在气象学上称作降水，然后引导学生分析“这场雨下得大不大，并说说判断依据”。学生在日常生活中积累了一定认知，会根据雨滴大小、地面积水程度等现象来判断下雨的大小。再追问“应该怎样测量降水量呢？”学生认为测量降水量就是要测量雨水的多少，降落的水多，就是大雨；降落的水少，就是小雨。仔细分析这些前概念，笔者发现学生多是用“体积”概念去解释与衡量降水量的，即多或少的判断。这与降水量指向“深度（高度）”的科学概念存在较大差异。学生如果没有修正“降水量”这一概念，没有正确建构测量降水量这一科学原理，就会给后续雨量器的制作活动带来认知阻碍，就难以理解为什么要测量雨水的高度，而不是测量雨水的体积。这种观念上的壁垒需要通过有效的探究活动去打破，让学生充分理解概念背后的因果关系，实现概念的自我修正，建立正确概念。
2 破立结合，实现概念转换
依据概念转变教学理论，学生的概念转变需要经历识别旧异常、建构新概念和应用新概念3个过程。首先要让学生对已有概念产生疑问，引发认知冲突，然后设法让学生理解新概念并认识其合理性，再引导学生体验并应用新概念解决面临的问题，产生有价值的体验
［1］。概念转变发生在学生理解与应用新概念的过程中。
为了让学生发现自身概念认知的不足，教师给学生呈现了2只同样大小的烧杯，其中盛放体积不同的雨水，让学生根据经验判断是大雨、中雨还是小雨。学生猜想到：水少的那杯是“下的小雨”，水多的那杯是“大雨天或暴雨天接的雨水”。之后，教师发布一条重要信息：这两杯水是同一场雨、同时间段内、同一个地方正常情况下接收的雨水。学生认为不可能，纷纷寻思着如何解释这一现象。在学生的质疑中，教师呈现接雨水的容器——2只口径大小不同的直筒容器，学生经过瞬间的沉默之后马上明白了原因并进行推测：口径大的瓶子能接到更大范围的雨水，收集的雨水多；口径小的瓶子只能接到小范围的雨水，收集的雨水少。两杯雨水的比较利用了学生的思维定式，直接作用于学生前概念，引起了学生的认知冲突，打破了他们头脑中的认知壁垒。
古人云，不破不立，破而后立。接下来教师引导学生将两杯雨水复原到口径不同的直筒容器里。学生通过观察和比较，立即发现其中的规律：雨水高度一样。教师又出示1只口径更大的容器，“那天若用这个更大的容器去接雨水会怎样？”他们乐了，推测：会收集到更多的雨水，但是水的高度会和小容器的一样。
真的是这样吗？教师没有给出答案，而是启发他们进行自我验证。在雨天，学生会把大小不同的容器放到操场上收集雨水，观察雨水的高度；在阴天和晴天，学生会利用浴室常用的喷淋龙头等装置来模拟一场雨，进而开展验证活动。在探究过程中，学生经历比较、分析、综合等思维活动，概括出雨水高度这一观察要素与降水量之间的关系，从而明白了“降水量的测量用收集雨水的高度来表示”是更科学的，锻炼了科学思维的深刻性。这些思维活动驱动学生从实践中发现问题，在解释中提升认知，帮助学生建构起测量降水量的新科学概念，为自制雨量器的设计和选材奠定了认知基础。
3 问题引路，开启实践活动
问号是开启任何一门科学的钥匙。自制一种测量降水量的仪器，有办法吗？新问题给学生思维带来新的挑战，也顺利开启了后续技术与工程的实践活动。问题使学生的思维有明确的目的，会引导学生反思前面的探究过程，迁移探究认知，引导学生考虑雨量器该怎么制作。整个技术与工程实践活动的推进，学生要经历“设计→制作→测试→改进”等过程，这些过程需要学生为制作雨量器而展开积极的思维活动。
小学中年级学生仍处于以直观形象思维为主的阶段，手脑的协调性欠佳，不适合有难度的设计和制作活动。思维的深刻性、灵活性品质表现不强，批判性薄弱，创新思维存在较大发展空间。这些思维特点常常会让他们在学习实践中表现出以下特点：不能全面、深刻地思考问题解决的策略和方法，总是“做”先于“想”，容易带来实践的障碍或失败；过难的思维活动容易让他们放弃思考，失去内驱力；思维活动容易受同伴意见、书本信息等其他因素的干扰，失去个性化；发散思维活跃，但往往缺乏创新的目的性，容易想得“天花乱坠”。
针对这些思维特征，为了促使学生科学地开展技术与工程项目，教师的教学强化了制作前的设计指导部分，通过明确的问题引导、灵活多样的设计方式、逐步深入的思维活动以及简单直观的呈现形式等手段帮助学生克服难点，以此提高学生主动参与活动的内驱力。
首先，为帮助学生系统地思考雨量器的设计方案，笔者设计了针对性强的问题组，为学生搭建了学习支架。
（1） 我们需要哪些材料？（指导考虑制作材料及工具）
（2） 材料要满足哪些要求？（启发学生思考材料特征）
（3） 先做什么？再做什么？（启发学生考虑制作步骤）
（4） 有哪些注意事项？（学生思考制作安全问题等）
其次，学生可以选择不同的方式进行设计。除了所用的纸笔外，教师还有一些器物材料启发参考，让不同思维类型的学生都参与到其中。
再次，让学生更直观地呈现设计信息。不仅呈现图文信息，还可以用实物（材料）辅助说明的方式表述看法。
这段教学让学生明白动手之前先动脑，先设计再制作，使学生经历一个更科学的技术与工程的实践过程。
4 选材分析，完善模型设计
在设计环节，选材是更深层次的科学思维体现。教学要利用学生的认知差异促使他们主动建构认知。教师为学生提供的材料具有多种结构因素，尤其是用来收集雨水的容器，有透明的和不透明的、圆形的和方形的、直筒形的和非直筒形的、口径大的和口径小的，还有高矮差异等，让学生讨论：可以选择哪些容器用来制作雨量器。不同的学生有不同选择结果，这些分歧暴露出学生的思维差异。将设计活动指向对不同因素的细致分析，会产生“为什么要选择透明容器？”“为什么选直筒容器？”“方形容器行不行？”等问题，生成如下教学片段。
师：这一两只瓶子不够大家用的，所以我收集了一些容器。你们觉得这些容器都能正确测量雨水高度吗？（拿出许多不同的容器）
生：2号瓶子不行，它不透明，不好量雨水高度。
师：那就是说透明的容器更适合做雨量器，同意吗？
生：我觉得有些透明容器也不行。那个5号容器就不行，口太小，肚子又大，收集雨水的高度会变的。
师（拿出5号集气瓶）：他说这是一个不理想的容器。这个容器和老师刚刚装红色雨水容器的口径是一样大的。我们把45 mm高的红色雨水倒入这个容器里会怎样？
生：会比45 mm少（师追问为什么），因为它肚子大一些。
师：同意她的意见吗？（大部分学生同意）谁来试一试？
生（把红色雨水倒进集气瓶后，用尺子测量）：21 mm。
师：看来它真不合格。谁能总结一下哪种容器合格？
生：要用口径和肚子一样大的透明容器测量才会准确。
师：意思是要直筒、透明的容器更好。
生：我觉得7号盒子也不合适，因为它是方形的，不是圆形的。
师：你们认为7号方盒容器也不行吗？（一部分学生说不合适，另一部分说可以的学生举起手来）
生：方形的也可以，我们要测的是收集雨水的深度，和形状没有关系，只要口径和盒身一样大就可以了。
师：有道理。只要是直筒、透明的容器就可以了，与容器的形状没有关系。
通过学生思辨性的研讨，针对制作中的材料特点、容器形状、刻度标准等不同影响因素逐一进行分析，驱动他们对雨量器的设计进行深入的思考，同时完成了概念建构后的巩固与迁移，进一步帮助学生完成概念转换。这个过程虽是基于具体材料的思维活动，但学生从复杂材料中发现了本质属性，进行归纳和判断，从具象走向了抽象，有了科学思维的进阶表现。
5 反思评价，激励质疑创新
学生通过制作完成了自己的雨量器后，限于天气原因，只能在教室里开展“人工降雨”活动，以检验自制雨量器是否成功。测试实验帮助学生进一步巩固了科学认知，同时体验到技术作品带来的成就感，他们发现自己可以像气象台一样测量出降水量，也能科学地判断一场雨的大小，充分认识到技术工具带来的方便。课后，学生可以应用工具进行测量、记录，完成“天气日历”，从而发现当地天气特征，顺利达成教学目标，完成从概念建构到工具制作，再应用工具探究新的知识，让学生体验并认识到科学、技术与工程是彼此联系并互促发展的。
实践能帮助学生检验出自制雨量器存在的问题：标尺被雨水浸湿了、读数不方便等。有的学生还根据自己的实践情况和科学认知推测出一些作品缺点，如雨水可能会蒸发损失、容器太小雨水可能会溢出来等。学生出现的每一个问题都是思维培养的契机。教师提出“一个好的雨量器应该符合什么标准”，引导学生反思雨量器的制作标准，开展积极的评价，并指导学生想办法进一步完善自己的雨量器。
针对学生提到的雨水损失、读数难等问题，笔者呈现了气象观测场里的专业雨量器，并说明气象人员是怎样处理这些问题的，以此鼓励他们发现并提出这些问题是非常有价值的，同时激励学生像气象工作者一样具备精益求精的科学态度，不断改进自己的雨量器。
“如果想让我们的雨量器更科学、更先进，你有什么好办法？”由此引导学生提出新方案、新观点，给学生留有课后继续探索的空间。一些“金点子”的提出，就是学生创新思维的最好体现，也是这项活动的最佳拓展。
整个教学活动先探究再制作，打破了教学时间、空间的局限，引导学生深思考、慢建构，投入地开展科学实践。技术与工程领域的活动并不是独立于课堂的，而是与学生探究内容紧密联系的，教师可利用科学原理指导技术与工程的设计，实践作品成为科学探究的工具或模型，有意识地让学生经历科学、技术与工程两个领域间的互促发展而形成闭环关系
［2］。
教师在新时代背景下更适合做一个学习设计者、指导者、帮助者
［3］。在开展探究实践时，教师应该从学生科学核心素养的培养出发，精心设计活动，把学生的学放在主体地位上；科学思维是培养核心，也是推动科学学习活动的最大引擎。教师在教学中要充分激发学生的科学思维，利用其驱动作用，使学生在科学概念的建构和技术与工程项目的设计实施上主动探究和实践，引导学生深入学习。
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