【项目式学习】小学科学 | 指向工程思维培养的项目式学习设计研究——以小学四年级“小车撞击挑战赛”项目为例

【摘要】：《义务教育科学课程标准（2022年版）》强调“技术与工程”实践，旨在发展学生解决真实问题的工程思维与实践能力，项目化学习与工程实践逻辑高度契合。以“小车撞击挑战赛”为研究对象，基于项目化学习，从确立项目目标与限制、构建项目实施框架、搭建资源支架体系、完善评价反馈机制四个方面设计工程实践活动。通过创设“功能与经济”双重限制情境，引导学生经历“入项规划探究设计制作迭代展评拓展”的全过程，促使学生在系统规划、设计创造与优化迭代中实现思维进阶，将单纯的制作技能转化为工程核心素养。

【关键词】：工程思维；项目式学习；小学科学；运动的小车

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）明确将“技术、工程与社会”及“工程设计与物化”列为学科核心概念，并倡导以项目式学习的方式让学生体验、经历技术与工程实践过程。[1]然而审视当前小学科学工程类教学，仍存在“重制作技巧、轻设计思维”“重产品结果、轻迭代过程”的现象。学生往往沉浸于机械的拼搭或模仿，缺乏对限制条件的分析与方案的论证，导致工程实践流于形式，难以触及思维培养的核心。本研究以“小车撞击挑战赛”项目为例，尝试探索如何在落实新课标“技术与工程”领域要求的过程中，引导学生实现从“经验制作”向“工程思考”进阶。

工程思维是人们在解决真实工程问题的过程中逐渐形成的一种具有前瞻性、统筹性的思维习惯，指导人们共性地解决工程问题。[2]新课标明确指出，技术与工程实践能力体现在学生能“针对实际需要明确问题，提出有创意的方案，并根据科学原理或限制条件进行筛选”，以及“根据实际效果进行修改迭代”。这一要求深刻揭示了工程实践不仅仅是动手的过程，更是高阶思维运作的过程。小学阶段的工程思维核心要素可提炼为“系统规划”“设计创造”“优化迭代”三个递进维度。其中，“系统规划”指学生在面对真实任务时，能综合考虑材料、成本、环境等限制条件，进行全局性的统筹与决策；“设计创造”指学生运用科学知识与技术手段，将抽象的创意转化为具象的方案与模型的能力；“优化迭代”指学生在测试环节，能够依据数据证据发现问题，并经历“测试分析改进”的循环过程。[3]为进一步明确不同学段在这三个维度上的具体培养目标，本研究结合小学生认知发展特点，构建分学段目标框架（见表1），为后续项目设计提供依据。

项目式学习强调以“驱动性问题”为核心，其“明确任务制定方案践行制作反思改进”的学习历程，与工程实践中“需求分析方案设计模型建构测试迭代”的逻辑闭环高度同构。

项目式学习为学生创设了真实的工程情境，能有效促进隐性思维在显性实践活动中外化，是实现从“机械制作”向“高阶思维”进阶的最佳路径。

基于工程思维培养目标框架与项目式学习模式，本研究针对四年级学生的认知发展特点设计了“小车撞击挑战赛”项目。四年级学生正处于从具体运算阶段向形式运算阶段过渡的关键期，具备动手的热情，但往往缺乏将抽象想法转化为具象方案的逻辑规划能力。这一学情特征正对应了中学段（3～4年级）的培养目标，即从“感知结构”向“设计草图”进阶，从“简单调整”向“数据分析”过渡。因此，本项目融合动力结构、成本预算、车身稳固性等多维任务，通过设置预算限制倒逼学生开展系统规划，借助设计图等可视化支架辅助创作，结合撞击距离的数据反馈推动方案迭代优化，从而在真实问题解决中整体提升学生工程思维素养。

本项目以“设计制作一辆能准确撞到目标的小车”为核心驱动任务。为了使学生从单纯的“手工制作”转向深度的“工程思考”，项目设置了严格的双重工程限制：其一，功能限制，即小车必须依靠非电力驱动（如重力、弹力、反冲力等），且必须在规定赛道内沿直线行驶，撞击指定距离外的目标（空杯子）。这一规则要求学生必须将运动与力学（摩擦力、反冲力）的科学原理转化为具体的设计方案。其二，经济限制，即项目引入“小车币”作为虚拟预算货币。每组学生拥有固定的初始资金，车身、轮轴、动力装置（如气球、橡皮筋、马达）等所有材料均标有不同价格。

本项目采用项目式学习模式，将“制作小车”这一复杂工程任务拆解为四个循序渐进的学习阶段（见表2）。每一个阶段的活动都明确了对应的工程思维培养重点。目的在于让学生在动手完成任务的过程中，自然而然地经历从规划、设计到反思改进的思维锻炼。

为确保学生在复杂的工程实践中“有章可循、有据可依”，本项目依据“教学评”一致性原则，构建了“教与学”双轨并行的资源支架体系。教师提供结构化导引，学生生成实证性记录，精准支撑思维进阶。具体而言，教师借助“阶梯式任务单”与价格清单，引导学生制定“成本核算表”，在预算限制中落实系统规划；依托“基础车型选型表”与探究指南，支撑学生绘制设计论证草图，确保方案有理有据；利用标准化赛道与评价量表，驱动学生记录“性能测试数据”，实现基于证据的优化迭代。

同时，项目设计了开放式实物素材库作为物质支撑。资源库中既提供经典小车模型供拆解观察，以直观习得构造知识，又特意引入废旧瓶盖、牛奶盒、一次性筷子等“低结构化”材料，打破“标准件拼搭”的思维定式。这种“标准模型与生活创意”的组合，有效激发了学生利用日常材料解决复杂工程问题的创新潜能。