工程实践：基于小学科学教材的项目化学习实践

摘要

项目化学习作为一种项目驱动的综合性学习方式，是推动工程实践学习的高效途径。为充分发挥科学学科的育人功能，应厘清工程实践教学中探究与实践的关系，基于教材基础，克服课时较少、探究实践失衡、课程内容割裂等不足，开发拓展优化课程内容，统整重构优化课程结构，以评促改优化评价策略，以项目化学习为载体，设计开展适合不同学段的、螺旋上升的学习活动，提升学生核心素养。

Graphical abstract

关键词

工程实践 / 小学科学 / 教材 / 项目化学习 / 核心素养 / 实践探索

项目化学习作为一种项目驱动的综合性学习方式，具有目标多元、情境真实、内容综合等特点，是推动工程实践学习的高效途径，是落实学生核心素养的重要方式。

在教学时教师若能基于教材基础，以项目化学习为载体，设计开展适合不同学段、螺旋上升的工程实践活动，则会对学生工程实践能力的培养起到积极推动作用。

1 厘清探究与实践的关系

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）指出，科学课程培养的学生核心素养包括4个方面：科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。其中，“探究实践”中的“探究”主要指科学探究能力，“实践”主要指技术与工程实践能力。这也是“课标”中首次将“探究”与“实践”并列为通过科学课程培养的学生核心素养。同时，“课标”中也将“技术、工程与社会”“工程设计与物化”作为科学学科的核心概念之一，其中“工程实践”的字眼在“课标”中更是频繁出现，高达29次，而在《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》中仅出现了1次。很显然，工程实践在科学学习中的地位已被提升到一个全新的高度^［1］。

“课标”明确指出，“探究实践”中的“探究”主要指科学探究能力，主要体现在：理解科学探究的一般过程和方法；提出科学问题，并针对科学问题进行合理猜想与假设；制订计划并收集证据，分析证据并得出结论；对结果进行解释与评估；准确表达观点，反思探究过程与结果。“实践”主要指技术与工程实践能力，主要体现在：了解技术与工程实践的一般过程和方法，针对实际需要明确问题，提出有创意的方案，并根据科学原理和限制条件进行筛选；实施计划，利用工具和材料进行加工制作；根据实际效果进行修改迭代；用自制的简单装置及实物模型验证或展示某些原理、现象和设想。

可以看出，探究和实践两者是紧密联系、相互依存的。探究为实践提供指导，为实践提供了方向和方法，使实践更加具有针对性和有效性。同时，实践是检验探究成果的重要途径。通过实践，人们可以验证探究所得的理论和知识的正确性与可行性。实践中的反馈和结果可以为进一步探究提供新的思路和问题。在实践中发现的问题和不足，可以引导人们进行更深入的探究；而探究所得的新知识和方法，又可以推动实践的改进和创新。因此，探究和实践是一个不断循环、相互促进的过程，是科学研究和社会发展中不可或缺的两个方面，它们共同推动着人类社会的进步和发展。

2 当前工程实践教学存在的不足

2.1 课时数少，易被忽视

工程实践能力作为小学科学核心素养的一部分已被明确提出，其重要性不言而喻。作为一线科学教师，笔者发现目前小学科学各版本的教材设计中属于工程实践教学的内容并不多。以苏教版教材为例，笔者梳理了小学六年的科学教材目录（表1），从教材设计上看，在全学段68个项目中，只有8个属于工程实践类项目，占全部项目的12%。

分析表1可以发现，在为数不多的工程实践项目中，有6个“像工程师那样”的教学内容均被安排在相应年级教材的最后。调查发现，不少一线教师认为该内容是教材的拓展部分，属于灵活机动的教学内容，且这部分内容主要关注的是学生实践能力的培养，对知识能力要求较低，因此不少教师对该部分内容的教学并不太重视，更多的是纸上谈兵，一带而过。

课时安排较少，再加上教师教学观念的偏颇，工程实践教学形同虚设，这对于学生工程实践能力的培养无疑是不利的。

2.2 探究实践失衡

“课标”提到，技术与工程实践能力不仅包括知道机械的工作原理，还需要学生能够针对实际需要明确问题，提出有创意的方案，并根据科学原理和限制条件进行筛选，利用工具和材料进行加工制作；根据实际效果进行修改迭代，从而在实际解决工程问题的过程中发展学生的核心素养。

通过研读教材可以发现，从课程内容上看，教材涉及工程实践教学的内容并不少，例如“热传递”“简单机械”“简单电路”“打开工具箱”“仿生”等多个单元的内容与工程实践教学都有着紧密联系。以苏教版五年级下册第四单元中的“拧螺丝的学问”为例，本课共分为四部分，分别是：介绍轮轴的结构，探究轮轴在什么情况下更省力，认识各种各样的轮轴，了解轮轴的发展史。

其实，轮轴工具在工程实践中被广泛运用，它为工程实践带来了很多的便利和效益。但纵观这节课的流程，教学主要聚焦在对轮轴省力原理的探究和理解上，缺乏在实际生活中选择、创造、使用机械解决问题的实践过程。对标“课标”中核心素养的“探究实践”，本节课的教学重科学探究，轻工程实践，它属于一节探究型科学课。

因此，尽管现行教材中有部分内容确实与工程实践相关，但由于教材设计重探究、轻实践，这样的课程对学生工程实践能力的提升并没有太大意义。而脱离了“实践”的“探究”，往往会让人陷入只顾仰望星空、忘记脚踏实地的状态，产生与实际应用脱钩的问题。

2.3 课程内容割裂

课程内容割裂指的是课程内容之间缺乏联系和整合，学生在学习过程中难以将不同的知识进行有机结合。以苏教版科学五年级上册“热传递”单元为例，本单元共由4课组成。其中，前3课认识了热传递的3种方式：热传导、热对流、热辐射；第4课是聚焦不同材料的传热本领，从而认识热的良导体和不良导体；本课的末尾安排了拓展内容：制作保温盒。

从教材结构上来看，前3课呈并列关系，分别探究了热在气体、固体、液体中的传热方式，第4课聚焦到热的传热本领，又是一个新的研究视角，4课之间知识点彼此封闭，内在联系被割裂开来。这种情况会导致学生的学习只是单一的知识点堆砌，缺乏将不同知识进行整合和关联的能力，难以形成综合应用的思维模式，从而难以将所学知识应用到实际问题中，影响了他们解决实际问题的能力。此外，像这样割裂的课程内容也会使学习变得单一和枯燥，学生难以看到不同知识之间的联系和应用，长此以往，将导致学生学习动机和兴趣下降。

3 工程实践教学的优化策略

“课标”指出：义务教育科学课程是一门体现科学本质的综合性、实践性基础课程，它旨在培养学生的核心素养。立足核心素养的学习，必定是学生在充分经历了探究实践的基础上，将所学的知识和方法进行总结和反思，并最终实现迁移、应用以及创新的过程。为加强培养工程技术创新人才，对标国家战略急需，进一步落实“课标”理念，笔者对小学科学教材内容进行了梳理、整合与拓展，并从以下几个方面着手，开发设计了一些基于教材的工程实践的项目化学习案例。

3.1 开发拓展，优化课程内容

由于教材中的部分内容与工程实践有着密切的联系，教师可以尝试以教材为基点，拓展与之相关联的工程实践的项目化学习活动，并利用学校科技节、社团活动、课后服务等时间开展教学，从而弥补课时数少、易被忽视的短板。

以苏教版五年级下册第二单元“仿生”为例，学生通过对比实验发现：物体承重力与其形状有关，由此探索出拱形结构的作用，而本单元的落脚点是“仿生”，并未对除三棱柱、四棱柱、六棱柱外的其他形状的承受力进行更多的探究和实践应用。为此，笔者设计了以搭建大楼为任务的项目化学习。与传统教学不同，大楼搭建这个项目在知识上涉及结构、材料、技术、设计、建造等知识，在学科上涉及科学、数学、美学等多个学科。在项目开展过程中，学生对KT板的分配、支柱的设计、人员的分工等问题都进行了深度的研究。在搭建过程中，当学生在选择支柱的形状时，遇到了问题。通过数学课的学习，学生知道三角形具有稳定性。于是，在设计支柱形状这一环节时，很多学生提出了用三棱柱结构。三角形具有稳定性，三棱柱的抗压能力就一定强吗？这两者之间有关联吗？为搞清这一问题，学生进行了“探究不同形状抗压能力”的对比试验，最终发现圆柱形的抗压能力最强，而“稳定性”并不等于“承受力”。在这个过程中，随着实践的开展，产生了需要探究的新问题，新问题的探究又推动了实践开展，这就是项目化学习的完整模型——克罗多纳双循环模型（图1）。

再如，“简单机械”单元，该单元虽然探究了各种机械的省力原理，但缺乏学生在实际生活中运用机械、利用原理解决问题的实践体验。基于此，笔者设计了“制作投石车”的项目化学习活动。为了提高挑战性，该项目设置为定点投掷，这对投石车的射程和投掷的准确度都有很高的要求。在项目开展过程中，学生通过聚焦投石车的支撑点、车身结构、机械原理、动力来源、材料选取等多个问题展开了项目化学习。在设计车身结构时，他们能灵活运用斜面、轮轴、杠杆等多种机械原理进行设计，从生活中选取各种动力来源，并通过反复调试，达到定点投掷的要求。在参与实际工程项目的设计、实施和管理，经历 “思考—制作—测试”的工程实践过程中，学生的发散性思维和收敛性思维均得到了发展，他们能够将课堂上学到的理论知识应用到实践中，加深对工程原理和技术方法的理解，从而促进核心素养的发展。

由此可见，课堂上学到的知识只有用更多的实践去检验，才能真正实现知识的生活化。以上两个案例都是基于五年级学生的认知水平，在学生已有知识经验的基础上，通过项目化学习的方式，全面提升了学生工程核算、实践创新、归纳推理、团队协作的能力。

3.2 统整重构，优化课程结构

尽管现行教材设计总体重探究、轻实践，但只要教师敢于打破课程框架，基于大概念视角，将一节课或一个单元的内容进行统整重构，就能实现“实践”和“探究”的深度融合，有效提升学生的工程实践能力。

以苏教版五年级上册“热传递”单元为例，基于上文的分析，笔者打破了教材的原有框架，对单元教学内容进行了统整，设计了“制作保温盒”的项目化学习（图2）。本项目围绕“如何设计保温性能好的保温盒”展开，学生首先通过分析产品需求，思考“保温效果好需要考虑哪些方面的因素”“保温盒采用什么结构和材料”“不同材料间的保温效果有什么区别”等问题。在选择保温材料时，学生会考虑到热在固体、液体、气体中的传递情况，从而开展实验进行探究，发现固体传热最快、气体传热最慢，三者的传热方式都是从高温物体传递给低温物体。于是，学生在设计保温盒时，利用间隔设计来减少热的散失。在制作保温盒时，学生发现不同的固体材料传热本领也不一样，从而引出实验探究“不同的材料的传热本领”。

在这个项目活动中，学生在经历“方案设计—开发实现—测试验收—优化改进—产品发布”等一系列工程实践的过程中，会适时开展一些科学探究，从而为工程实践指明方向。由此可见，笔者将原本第四课的拓展内容“制作保温盒”作为本单元的项目引入，将3种热传递方式的探究恰到好处地融合到工程实践活动中。在解决问题的过程中，学生会面对实际应用中的各种问题，这就需要他们充分发挥创造性思维、团队协作能力去寻找解决方案。在真实情境中的问题驱动下，学生的工程实践能力得以不断提升和突破^［2］。

当然，有些单元中各课知识相对独立，缺乏一定的关联性，很难进行大单元的统整重构，教师则可以以一节课为基点，设计开展工程实践活动。以“点亮小灯泡”一课为例，笔者设计了以模拟安装照明电路为任务的项目化学习。在本课中，学生以设计一个房间照明电路为工程任务，综合考虑书桌、床等因素，围绕简单电路的组成和连接展开探究活动。在实践中针对遇到的问题，不断设计、分析，最终解决一个个工程问题，在真实情境中培养学生的逻辑思维能力和解决复杂问题的能力。

3.3 以评促改，优化评价策略

在项目化学习中，评价具有极其重要的意义。它不仅是衡量学生学习成果和教师教学效果的一种方式，更是推动学习进程、提升学习质量的重要工具。因此，在项目化学习过程中，应重视评价的作用，科学合理地设计评价方式和标准，以推动学习的深入发展^［3］。

（1） 评价主体多元。

在项目化学习评价中，为了进一步提升评价的科学性，教师可以设计多种评价表（表2），通过学生自评与互评、家长评价、教师评价等多种途径相结合的方式，充分发挥多主体参与评价的积极性，并综合利用各评价主体的结果，促进项目化教与学方式的改变。

（2） 评价方法多样。

项目化学习的内容也影响着评价方法。教师可结合具体的项目化学习内容，开展个性化的评价方式。比如，“建大楼”“投石车”的项目化学习，由于它们的项目化成果具有竞技性，可通过开展比赛的方式，邀请教师、学生、家长等参与观摩，并展开评价。此外，也可通过网络投票等信息技术的方式，将单项评价与整体评价相结合，提高评价的科学性、专业性和客观性。

4 结语

基于教材的统整重构和拓展延伸，结合丰富的评价方式，有效解决了目前工程实践教学中的不足，帮助学生将理论知识转化为实践能力，培养学生跨学科综合应用能力、团队合作与创新思维能力，并为他们积累实际经验，使他们在今后的学习和生活中能够应对各种挑战。

参考文献

[1] 张勇，徐文彬.《义务教育科学课程标准（2022年版）》中课程理念、目标和内容的新变化［J］.基础教育课程，2023（03）：4-10.

[2] 陆启威.项目式学习亟须厘清的几个问题［J］.江苏教育研究，2019（32）：9-13.

[3] 夏雪梅.项目化学习的实施：学习素养视角下的中国建构［M］.北京：教育科学出版社，2020.