STEAM 教育理念下小学科学教学中的工程思维培养

李燕

（桐城师范高等专科学校，安徽 桐城 231400）

21 世纪初，在中国科协向国务院提交的《全民科学素质行动计划》中，倡议所有公民在中国成立100周年即2049 年时都应具备科学素养［1］，科学素养包涵了自然知识和人文知识的高度融合。STEAM 教育是在科学等五个领域的知识相互渗透与有机整合下的全新教育理念［2］，也是信息技术时代的一种典型教育范式。STEAM 教育鼓励学生将这五个大领域的课程与知识在课堂上进行整合，强调让学生自己动手完成与生活较为贴切的实际项目，通过项目制作过程培养创新型人才。

STEAM 教育是横跨五个领域的综合教育，“学科的交互融合”成为STEAM 教育最主要的特点，各学科并不是简单地组合在一起，围绕“解决问题”这个终极目标，学生运用已知的各学科知识，在不断探索新知中开启创新思维，培养创造能力。基于STEAM 教育理念下的小学科学教育［3］，从根本上改变传统“填鸭式”教学模式，代之以“围绕各种工程、项目的完成而去探索、设计”的全新教学模式，致力于每一位学生科学素质的提高，从小培养他们探究的理念、创新的意识和发散的思维方式，持续不断地激发他们强烈的求知欲望，让他们学会发现问题、提出问题和解决问题。

《义务教育小学科学课程标准（2017 年版）》（以下简称《课标》）中首次提出STEAM 教育，倡导“基于项目的跨学科”的学习方式，让学生既“动脑”又“动手”，激发科学潜能［4］。“脑手结合”的教学课堂，学生不仅拥有了想象的空间，还在动手做中学、在学中反思，用实践来检验自己的思考是否正确。这一活动过程更加激发孩子的想象力、创造力和求知欲，增强逻辑思维能力，从而培养学生的实践、创新与探究能力。《课标》中增加了“技术与工程”领域，包含三大核心——发现是科学的核心、发明是技术的核心、建造是工程的核心。［5］这部分内容是理论知识与实践操作的交叉应用，综合性较强，有利于激发学生对工程设计的兴趣，锻炼他们运用科学知识进行产品设计和初步制作，提高动脑和动手能力。

一、小学科学教学

小学《科学》是引领全体学生开展科学探究活动的一门实践课程，通过观察现象，在思考中探寻科学知识，小组合作完成学习任务，培养其学习能力、创造能力、沟通能力与合作能力，以及实事求是、开拓创新的科学精神。学生从科学探究中体会到实践探究的乐趣，获得了正确的思维方式，为个人未来的长远发展奠定了基础。课堂以学生为中心，学生是主动学习和实践的主体，教师的角色更接近于学生身心成长的教练。

小学《科学》教学从我们生活中的常见问题出发，围绕某个核心主题，以学习小组的方式开展各种探究活动，完成一系列诸如策划、作品创作以及展示交流等学习任务，获取科学知识，提高科学探究能力，发展科学思维。教师在活动过程中起主导作用，通过将知识结构模块化、学习过程活动化［6］，学生积极参与探究活动，彼此间相互交流合作，还可以延伸到课外活动，教学就变成了个性化鲜明的创造过程，具有很大的灵活性。

（一）课程设计以启发学生提出问题为核心

在生活和学习中，教师积极引导学生爱问“为什么”，凡事刨根问底，激发他们主动去寻找答案。学生在一次次的观察与实验中思考、对比、分析并验证自己的结论，最终解决问题。

（二）课程实施以活动设计为主线

课堂教学中以生活中的科学知识为切入点，创设学生熟悉的情境，共同商榷活动中要研究的问题，接着提出假设，利用准备的材料和知识储备（包括网络资源），逐步验证猜想，确认原型创作是否成功。

（三）课程追求创新能力的培养目标

在课堂教学中，围绕“创造能力的培养”这个核心目标，学生在教师的指引下探索式地开展实验研究。［7］学生在小组合作与交流中，运用所学知识与原理，通过设计方案、实验论证、分析数据、优化资源、评估、重新设计、进行实验、分析数据等一系列循环流程，发展了比较、归纳、概括等思维能力，一步一步朝着创新之路前进……

二、工程思维

工程思维是人们在工程设计过程中形成的一种独特思维方式，是以解决实际问题为目标的实践性与创新性思维。通过对各种资源进行统筹协调、合理权衡，具体问题具体分析，从多种角度思考问题，形成综合思维能力，在实践中寻求令人满意的工程解决方案。

STEAM 教育倡导各学科以适宜的方式和实践整合，以实际问题和设计产品为驱动，在工程实践中创造性地解决问题。在项目式学习活动中，学生运用多媒体技术搜寻各种信息，辅之以任务管理，从而走上问题探索之路，并不断修正和检测问题，直至找到理想的解决方案。

工程思维与STEAM 教育之间的内在联系可以用图1 来表示：

图1 STEAM教育中工程思维培养的教学模型

首先，在解决问题中培植实践性思维。工程是面向现实问题，以实现某种预期设想的人工系统的实践性活动。STEAM 教育是基于现实问题的学习，致力于思维的启迪。学生在解决问题中锻炼筹划性思维，在真实情境中辨析项目的可行性，因此STEAM教育是培植实践性思维的有效途径。其次，在具体工程项目设计中开发设计性思维。工程设计通过反复构思—建造—测试并循环往复，最终解决现实问题，具有创造性特点。如何设计工程项目则是STEAM 教育的主要内容，并由此开展各项思维训练。最后，在产品制造中培养构建性思维。STEAM 教育活动是利用已有的物质材料进行生产和加工，获得各种产品，实现自己的需求。工程的核心是创造，有利于培养构建性思维。

小学科学“技术与工程”领域的教学目标是让学生在课程的学习过程中，综合运用所学知识解决实践问题，达到创造性思维培养的目的。因此，课堂实践更强调学以致用，且教学活动以“设计与制作”为主线。课堂教学中更加真实而有现实意义的实践场景能够帮助学生从多种角度思考问题，形成发散性思维，让他们学会灵活运用多种知识，创造性地解决各种各样的问题。［8］

小学基础教育阶段开展的工程实践活动强调工程设计环节，在工程实践过程中，重点分析目标情境和限制性背景条件，系统性的权衡各项设计方案的利弊。重点培养学生在复杂工程情景下的问题解决能力与团队合作能力，强化他们的自主意识，让他们自己动手设计和体验，培养学生的设计能力和工程思维的应用能力。

三、STEAM 教育理念下面向小学生的工程思维培养活动模型

在工程决策阶段（见图2），教师精心设计有趣而新颖的问题情境［9］，如生活中忽略的科学现象或精彩视频，从而导入新课。有趣的现象或视频容易吸引学生的眼球，产生情感的共鸣，让枯燥无味的知识鲜活起来，符合小学生年龄阶段的学习心理，让学生在趣味性、生动性的学习中真正领悟科学知识，不断提高思维能力。

图2 STEAM教育理念下面向小学生的工程思维培养活动模型

真实的学习情境是培养学生工程思维的重要载体，有利于激发学生综合运用知识与技能去解决问题，获得知识技能和经验之间的关联体验，并进行有意义的建构，逐渐形成工程思维。课堂教学以问题为中心，把教学内容作问题化处理，引导学生通过问题的解决来学习知识，形成能力。整个教学过程中，学生积极地开展思维活动，学习效果明显，师生都获得了愉悦的情感体验，所谓教学相长是也。

工程设计阶段是课堂教学过程的核心，学生以“工程师”身份自居，首先明确是什么工程问题，然后整合资源寻求合理的解决方案，再进一步调整设计方案，最后进行模型制作和生产产品。结合基于科学课堂的教学设计模式［10］，调动学生的学习主动性，从提出问题开始，学生以小组为单位，准备相关器材，搜集相关信息，分析科学探究的步骤，开发逻辑思维能力。在接下来的设计实验、解决问题及评价过程中，通过小组合作和自己动手操作，获取科学知识。学生在扮演工程师角色的过程中，体验“做什么”“用什么做”“怎样做”，全面而整体思考面临的问题，了解做事的方法和行动准则，开展有计划的工程实践活动。

工程实施与调整阶段，学生将自己的作品向大家展示，由其他小组或者学生进行点评与交流。教师在学生分享成果的过程中，要适时提出针对性的修改建议，帮助学生及时积累经验。学生小组群体将要一次次调整作品，使之满足于工程设计的初衷，同时获得积极的成就感体验。［11］参与实践活动，学生认识到了生活中处处有科学，要在日常生活中观察科学现象，探寻科学的奥秘，逐渐增强善于发现与善于观察的能力。

小学科学中“技术与工程领域”的课程让学习者投入自己的时间和情感，产生自己的创作灵感，打造产品原型，收获满满的成就感。［12］问题是科学研究的起点，没有问题就难以激起学生的求知欲，就不会促进学生去深度思考。小学科学教学要用好奇更新目前的已知世界，激发学生丰富的想象力和旺盛的求知欲，点燃思维的火花，逐步引导他们提出问题、思考问题、找到答案，用科学连接未来生活，始终对这个多彩的世界保持一份探索的心情，善于观察事物、发现问题、动手实践，真正热爱科学，尝试做一个发现者、研究者和探索者，畅游在科学的海洋，体验科学的乐趣。