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工程思维视域下小学科学教学实践路径优化研究
工程思维视域下小学科学教学实践路径优化研究
作者简介：顾新芬，任教于南京师范大学附属江阴实验小学，教导处副教导，高级教师，本科学历，无锡市科学学科带头人，曾荣获江苏省中小学生实验能力大赛先进个人、无锡市优秀教育工作者、无锡市科学学科带头人等荣誉称号。 《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确提出“立足素养发展”的课程理念，强调教学需聚焦学生科学思维与实践能力的培养[1]。工程思维作为解决实际问题的核心思维模式，与小学科学“做中学、学中研”的教学理念高度契合，是落实核心素养培养的关键抓手。然而，在当前的小学科学教学中，工程思维的培养仍面临诸多现实困境。 一、工程思维融入小学科学教学的时代价值 契合核心素养培养要求，落实育人根本任务 小学科学学科核心素养包含科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个方面，工程思维是科学思维的重要组成部分，与核心素养的培养目标高度契合[2]。工程思维要求从实际需求出发，经系统分析、逻辑推理、创新设计、不断改进等环节解决问题。在此过程中，学生不仅能更深入地理解科学概念，还能提升探究实践能力和科学思维水平。在核心素养导向的教育改革背景下，将工程思维融入小学科学教育，可以实现从单纯传授知识到注重能力培养和素养提升的转变，同时通过具体的实践活动，让学生在解决真实问题的过程中养成科学的思考习惯和行为方式，为学生的终身发展打下坚实基础。 衔接科技发展趋势，提升社会适应能力 当前人工智能、智能制造、绿色科技等领域发展迅速，这无疑对公民的工程素养和创新能力提出了更高的要求。小学科学教学作为科技启蒙的关键环节，肩负着促进学生适应未来社会发展的重要使命。培养工程思维并非给小学生讲授专业的工程知识，而是引导他们用工程师的视角看待世界，理解身边的科技产品的设计思路和用途，学会运用不同的学科知识应对复杂挑战。这样，他们在未来面对科技变革时，便能具备更强的适应能力、学习能力和问题解决能力，成长为符合时代需求的复合型人才。 二、工程思维与小学科学教学的内在契合性 工程思维的核心内涵与特征 工程思维是一种以解决实际问题为目标的思维方式，既讲究系统性和逻辑性，又注重实践性和创新性，强调从发现需求到找到解决方案的完整思考过程。工程思维主要有三个特点：一是目标明确，所有思考和实践都围绕对具体问题的解决展开；二是注重整体，综合考虑功能实现、材料选择、成本控制、环境适配等多个因素；三是不断优化，通过“设计—实践—反思—改进”的模式让解决方案日趋完善[3]。在实际教学中，这些特征有着直观的体现。以苏教版科学三年级（下册）“雨有多大”为例，学生在“制作简易雨量器”实践活动中，先按教材要求用塑料瓶制作初代作品，测试时发现瓶口不规则导致测量误差大，便提出更换透明直筒瓶，同时在贴刻度贴纸时考虑到了“每一格代表 1 毫米”的精准度问题。在后续使用中，学生发现雨天风大会让雨量器倾斜，因此增加了底座配重设计。“发现问题—调整方案—优化改进”的过程完美诠释了工程思维的迭代优化性，也让学生亲身感受到了思维不断完善的过程。教学中的真实场景充分证明，工程思维的特征与小学科学“在做中学习、在学习中思考”的教学理念高度匹配，为两者深度融合提供了内在条件。 工程思维与科学教学的内在联系 工程思维和小学科学教学联系紧密。工程思维以实际应用为导向，特别强调创新、实践和跨学科整合，将其融入科学教学，能有效培养学生的实践能力和创新精神，提升解决实际问题的能力。这种内在联系主要体现在三个方面：第一，两者都重视实践应用，工程思维需通过实践解决问题，科学教学也强调实验观察、动手操作等实践活动；第二，两者都鼓励创新，工程思维倡导设计创新性的解决方案，科学教学支持学生开展创新实验和探究活动，两者结合能更好地激发学生的创新热情；第三，两者都具有跨学科性，解决工程问题往往需要运用多个学科知识，而小学科学课程本身涉及物理、化学、生物学、数学、美术等多个领域，为工程思维的渗透提供了天然条件[4]。 三、工程思维视域下小学科学教学实践路径分析 精准筛选教学内容，搭建工程思维培养载体 工程思维的形成需要通过实际工程活动积累经验。学生只有积极参与工程相关实践，将思考与动手结合，才能逐步养成这种思维方式。小学科学教材内容丰富，但并非所有的内容都适合培养工程思维。因此，教师需要精心筛选教学内容，选出具有明显工程属性、针对性强且适合小学生动手实践的内容，设计专门的工程思维培养课题，并采用合适的方式开展教学。比如，苏教版科学四年级（下册）“动物的庇护所”一课是培养工程思维的优质素材。这节课包含三个活动。第一个活动“观察并交流野生动物的家”能让学生积累感性认识，产生学习兴趣，为后续工程思维的培养做好铺垫；第二个活动“寻访一个动物的家”引导学生研究动物巢穴的材料、外观等特点，了解其构造原理，为设计制作打下基础；第三个活动“设计并动手搭建一个鸟巢”是整合工程思维的关键环节，能让学生充分发挥想象力，动手实践，在设计和搭建过程中提升工程思维。 创设真实实践情境，深化工程思维训练 真正的科学离不开实践，而实践的核心是探究。但传统教学中的探究活动，往往只是在得出固定答案后进行验证和演示，缺乏真正的探索性。在实际教学中，教师要鼓励学生在实践前深入了解，明确问题所在，激发学生自主探索的欲望。铅笔是学生日常学习中的常用工具，很多学生都会遇到铅笔用短后难以握持、扔掉又有些浪费的问题。这个真实的生活场景是培养工程思维的绝佳素材，教师可围绕“设计制作铅笔加长器”开展实践活动。第一步，明确问题与需求。教师引导学生梳理铅笔加长器的设计要求：制作简单，适合小学生操作；使用方便，加长后握感舒适、不影响书写；结构牢固，不会轻易损坏；外观整洁且有个性。通过需求分析，学生可以初步建立“围绕问题展开设计”的工程思维意识。第二步，探究材料与方案设计。教师提供马克笔、吸管、硬卡纸、超轻黏土、胶带等多种材料，引导学生分析每种材料的特点和用途，如硬卡纸和吸管硬度较高，适合做加长器主体；胶带可固定短铅笔；马克笔、超轻黏土用于装饰。学生以小组为单位，根据材料的特点设计方案，画出草图，标注结构组成、固定方式和装饰想法。在此过程中，学生需综合考虑材料的实用性和加工难度，逐步培养系统规划能力。第三步，动手制作与优化改进。学生按设计方案动手制作，在实践中发现问题并及时解决。比如，有的小组一开始只用胶带固定铅笔，发现不够牢固，便尝试多缠绕几层胶带增加摩擦力；有的小组因材料裁剪不规整导致握感不舒服，就调整尺寸和形状，采用弧形设计贴合手部。教师在此过程中扮演引导者角色，鼓励学生大胆尝试，通过不断调整、优化作品体验工程制作的迭代过程。第四步，测试与评价。学生小组从牢固性、实用性、美观性、易操作性四个方面互相测试打分。同时，教师引导学生对比市面上售卖的铅笔加长器，分析小组作品的优点和不足，让工程思维与生活应用、环保意识相结合，使学生深化对工程价值的理解。通过以上实践活动，学生不仅解决了实际问题，还在需求分析、材料选择、方案设计、制作优化、测试评价的完整流程中锻炼了问题解决能力、动手实践能力和创新思维，切实提升了工程素养。 设计跨学科项目，提升综合工程实践能力 跨学科项目是培养工程思维的有效形式。融合多个学科的知识和技能，引导学生完成工程实践的完整流程，可以全面提升学生的综合实践能力[5]。苏教版科学四年级（上册）“发光手环的设计与制作”项目就是典型案例，该项目以四年级学生已学的电路知识为基础，结合夜间运动安全的生活需求，融合科学、数学、美术、劳动、信息科技等多学科内容，让工程思维全面渗透。1.项目核心驱动问题 教师提出核心驱动问题“如何设计制作一款发光稳定、佩戴舒适、外观有个性，且适合夜跑等场景的磁控开关发光手环？”。围绕核心问题，教师带领学生进行问题细化：哪种发光材料更持久稳定？怎样准确测量并确定手环尺寸？如何正确连接电路让LED灯发光？怎样在保证功能的同时兼顾美观？ 2.项目实施流程 环节一，探秘发光原理与材料选择。此环节结合了科学和信息科技学科的知识。学生通过实验探究荧光棒、夜光贴纸、小灯泡的发光原理，对比不同材料的亮度、发光时长和稳定性；通过电路连接实验，掌握用开关控制小灯泡发光的方法，理解电能转化为光能的原理。同时，学生可借助AI工具查询适合的材料，最终确定以LED灯、纽扣电池、导线作为核心电子元件制作发光手环。这个过程培养了学生的证据推理能力和材料筛选能力。 环节二，设计手环结构与美化方案。学生融合数学和美术学科知识学习正确测量手腕周长的方法，并通过组员互测3次取平均值以减少误差，然后设计可调节的手环开合结构。同时，学生围绕“稳定发光、舒适佩戴”的功能需求和美观需求，绘制手环设计草图，标注发光区域、材料选择、尺寸参数和创新点。小组之间分享设计方案，吸收合理建议完善设计，可以培养学生的数据处理能力、可视化设计能力和沟通表达能力。 环节三，动手制作与测试优化。结合科学和劳动学科技能，学生根据设计方案领取纸带、导线、LED灯、纽扣电池座、磁铁、剪刀等材料进行制作，核心任务是正确连接串联电路，确保LED灯正负极接法正确。学生在制作中需解决各类实际问题：纽扣电池和导线连接不牢固时，用铜箔纸粘贴加固；电路接触不良时，用万用表检测故障点；开合结构无法同时实现固定和导电功能时，利用磁铁异极相吸的特性设计磁控开关。在完成初代手环后，学生可以通过发光测试、结构测试、舒适度测试完成验收，记录问题并优化改进，体会工程实践的迭代思维。 环节四，成果展示与反思评价。整合美术、语文、信息科技学科知识，学生先对手环进行个性化美化，运用色彩搭配、主题图案设计等美术知识提升外观效果，再通过多种形式展示成果，如电子书、线上云展厅。小组之间可以分享设计理念、创新点和问题解决的过程。教学评价可采用自评和互评相结合的方式，从功能实现、结构稳固、材料选用、外观设计、团队合作五个维度打分，让学生学会辩证地看待作品。 四、结束语 
顾新芬
1
2
1
2
1
2
3
在核心素养导向的小学科学教学改革背景下，培养学生的工程思维已成为提升教学质量、落实育人任务的重要途径。精准筛选教学内容、创设真实实践情境、设计跨学科项目，能够有效实现工程思维与小学科学教学的深度融合。在此过程中，教师需转变角色定位，从知识传授者转变为学生学习的引导者、组织者和激励者，尊重学生的主体性，让学生实现“做中学、思中悟”，逐步形成工程思维和创新能力。
参考文献
[1]程婷.STEAM视域下小学《科学》混合式教学模式与应用[D].淮北:淮北师范大学,2020:55.
[2]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准(2022年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2022:112.
[3]占小红.工程实践融入基础科学教育:内涵、目标与路径[J].基础教育,2017,14(3):45-49.
[4]许家榕.小学科学教学中培养工程思维的路径[J].文理导航,2025(5):61-63.
[5]李语涵.项目化教学在小学科学工程教育中的应用[J].江西教育,2025(31):113-115.
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