姜玲 1 李骏扬2 高琦3
13南京师范大学附属小学，江苏 南京 210018
2东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096
【摘要】随着新一轮课程标准的印发，随着工程与技术以独立的内容领域进入小学科学课程，使得小学生有了学习技术与工程的学习平台。新课标还明确指出工程是以科学和技术为基础的系统性工作。正是在这样的背景之下，笔者从教材层面出发，以新编苏教版小学科学为例，分析了工程项目在教材中的落实情况。从实践层面出发，认为小学科学课程中的儿童工程项目需要基于经验基础的设计与实施，需要针对问题解决的设计与实施，需要工程项目创新的设计与实施，更需要教师助力孩子们把创意变成产品。
【关键词】 小学科学课程，工程项目，设计与实施
0背景
2017年2月15日，新一轮的小学科学课程标准由教育部正式印发，并于2017年秋季开始执行。与2001年的课程标准相比，我们发现新一轮的课程标准，有了两个新增部分，第一，明确新增了技术与工程学。如果用现在的STEM体系来看，其实就是明确了T和E，即技术与工程的重要性。第二，明确新增了社会与环境的责任。这里不仅仅是科学技术在现实生活中的应用，更是新增了对科技伦理、环境以及对我们生活影响的一些思考[1]。
在新课标中，我们可以看到工程与技术领域的知识结构图[1]，首次将工程与技术以独立的学习内容进入了科学课程，这是一次标志性的跃升，使得小学生有了学习技术与工程的平台。
图1 工程与技术领域知识结构图
新课标明确指出技术的核心是发明，工程的关键是设计，指向的是解决实际问题和制作产品，而这些都是为了让人们的生产和生活更加便利、快捷、舒适[1]。我们走过了网络，走过了互联，直至今日的智能物流、智能家居等物联时代，让我们每个人都能够受益于科技带来的便捷，然而，在科技发展如此快速的今天，作为科学教师，在这个技术与工程领域我们该引领学生做些什么呢？
1工程是以科学和技术为基础的系统性工作
新课标指出：工程是以科学和技术为基础的系统性工作，工程的关键在于设计，工程设计需要考虑可利用的条件和制约因素并不断改进和完善[1]。
新课程标准8.1的内容里进一步明确了五到六年级的学生，他们需要了解工程是一项系统性工作，一项工程需要由多个系统组成[1]，比如住宅，需要考虑灯光、安防、供暖等多个系统的联动。依据新课标，我们尝试了智能住宅的课程设计。需要考虑它是一个完整的工程体系，可以从学生比较熟悉的一些简单的容易上手的系统来探究。如，我们研发的《智能住宅照明》，整个课程主要包括：智能住宅照明神奇在哪儿？你能做一个人体红外感应灯吗？你能给感应灯添加手机控制功能吗？最后是学生把科学带回家。这个课程不仅仅可以让城里的孩子可以经历工程系统的学习，即使是条件比较偏远地区的孩子也同样能够实现这个照明系统的探究学习。
2工程项目在教材中的落实
课标的理念需要在教材中落实，那么当工程内容落实到教材层面时，有哪些具体体现呢？我们以新编苏教版小学科学教材为例，在教材中工程与技术领域，主要体现在专项学习上。纵观教材的整体架构，在专项学习中，可以看到上册是6个像工程师那样的学习，下册除了像科学家那样的6个主题，同时还有介绍科学发展史的6个历程，到了高年级还安排了 STEM的专项学习。当然，这些课程体系都是呈螺旋逐步上升的过程，对于不同年级的学生，虽然都是像工程师那样，但对学生和老师的要求都是呈进阶式的。
在这样的专项体系里，我们进一步来看工程主题落实到课堂教学层面，可以看到苏教版教材里的每一个主题都有对应的教学活动环节：明确问题、前期研究、设计方案、制作模型、测试改进、展示和交流，这些教学环节也明确了小学生工程实践能力的基本要素。
3面向儿童的工程设计与实施
对于工程项目来说，最关键的是要让学生参与，并且让他们能够经历工程探究的过程，只有经历了这样的一个过程，学生才能真正地体会到我们的工程设计与实施中的基本步骤，也才能利用比如录像机、图片、文字、研究单等多种不同的方式来表达自己的创意，并把这些创意变成一个产品。
对于产品，是一件指向性非常明确的事。可是当工程设计面向儿童或青少年时，我们会发现儿童包括老师，可能都缺少工程经验，他们不能清晰地掌握这种系统的机理，设计也很难真正指导工程的实施。所以，在工程项目中，工程设计的指导对于实施非常重要。工程设计的指导是为了防止犯错误，能够让我们用有限的设计成本，获得最优化的落地方案。
3.1基于经验基础的设计与实施
学生的设计需要建立在多次经历相似的学习经验的基础上，这样的设计是学生有所思考的设计、有所依据的设计、有所指导的设计。如：新编苏教版“降落伞”的专项学习，我们不仅是让学生进行科学探究，而是真正地把它设计成了一个工程、一个大任务、一个系统的项目。对于工程来说，它首先有一个非常有趣的挑战任务，制作一架从3米高度落下的降落伞。
通过第一次挑战，学生会发现很多问题，如：有的降落伞下降很快，有的下降很慢，甚至还会打转，有的伞绳会脱落等。基于发现的问题，学生开始制作两架用于对比的降落伞，来探究伞面材料、形状、大小等这些科学因素对降落伞下降的影响，同时他们还需要解决如何剪伞面？如何平均分？如何让伞绳牢固？等一系列技术问题。
学生们在完成第一次任务后，将经历三次不同的分项研究，正是在多次研究相似的经验基础上，他们才会接到第二个大任务，制作一架能携带200克重物的降落伞，从教学楼4楼自动打开并释放。学生大任务的设计正是建立在前面多次探究的基础上，学生的设计稿也会尽可能与制作样机一致。当然这不是一蹴而就的，一定是经过了很长一段时间慢慢地训练、慢慢地积累和慢慢地提升的过程。在实践中，我们发现孩子们真得是一次课比一次课做地好。
3.2针对问题解决的设计与实施
当然在工程设计中学生很多设计还会具有一定的针对性，是孩子们为解决他们所遇到的问题而进行的设计。
如：四年级“养蚕”单元，在科学教材中的主要活动是学习怎么去饲养蚕，还有一个抽丝活动，关于抽丝学生一般都是手动抽丝。我们在做这个主题时，学生发现手动抽丝太慢了，而且每次只能抽一根丝，但我们想对蚕进行进一步深入的研究，让学生体验从蚕到丝织物的全过程。可是怎样才能把蚕丝又快又好地抽出来呢？有学生就想到做一个抽丝机器人，这就是他们为了解决学习中所遇到问题而有针对性的设计。当然，我们同时还追求设计方案的多样性，虽然原理是一样的，就是一个圆盘和一个简单的运行程序，可孩子们做圆盘以及整个架构的结构件都是不一样的，只要最终他们能够完成抽丝任务即可。
这不仅是有针对的设计，而且还是一个多方案的设计，让学生在完成任务的基础上更有自己的思考和想法去支持设计，虽然都是具有很强开放性的任务，但其指向的目标性却是完全一致的。
3.3工程项目创新的设计与实施
在设计中创新一定是有难度的，有时创新能够成功，有时创新的难度是极大的，所以我们还得权衡课时、任务以及对学生培养的方向，如果我们是为了培养学生的创新能力，那么创新的成分肯定更会重一些。
如，新编苏教版小学科学五年级下册第二单是仿生单元，就有两个极具创新的工程课例，它是典型的打通了自然世界和人工世界的主题单元。这个单元的第二课是“生物的仿生”，第三课是“蛋壳与拱形建筑”。
基于仿生一课，我们研发了“蜂窝的奥秘”。蜂窝的结构，它的空间体积最大，结构最稳定。但是对于小学生来说，要想理解蜂窝结构可能还是有很大的困难，为了支持学生能够理解这种结构的特点，知道它是一种最省材料的方式，我们直接关联5G网络基站的部署。从开始无条件的部署，到逐步减少成本，学生就会发现最后最优的方案就是蜂窝的结构，然后我们再通过一些用激光雕刻机雕刻的带有六边形的结构，让孩子们进一步理解蜂窝基站以及网络之间的部署关联性。其实这是一个非常庞大的工程问题，但我们可以通过用孩子们可以理解的或者能够参与的活动来支持他们的学习，教学教具创新了，教学活动也创新了。
基于“蛋壳与拱形建筑”一课，我们研发了“鸡蛋安全帽”和“探究蛋壳承受力”。我们设计并制作了简易的压力测试仪，帮助学生探究不同情况下蛋壳的承受力有所不同；通过鸡蛋安全帽的测试，帮助孩子们亲眼看到，没有保护或保护不到位时，模拟头颅的鸡蛋非常危险，而有了很好保护时，我们的头颅就相对安全很多。通过眼见为实，让孩子们亲身体会到安全帽的重要性，也让他们把课堂所学迁移到真实生活中去。
3.4助力孩子们把创意变成产品
当然，如果想把创意变成产品，还需要老师们引领着孩子不断地探究，不断地前行。需要养成把想法转换成产品的习惯，借助现有条件，帮助孩子们进行工程项目的设计、思考、制作和实施。
如，可以借助小洗床，来设计并制作“造房子”的结构件，通过剪力墙，测试它的上压力和侧压力，让孩子们发现不同的墙面它们之间的关系是不一样的，承受力也是不同的。再如，研究设计飞机模型，学生可以自己直接绘制图纸，然后用切割的方式来完成；可以用介铝机，进行铝型材的加工，支持学生的制作；可以借助3D打印机支持学生制作3D打印的产品；可以用激光切割机，切割各种零件，助力孩子们把创意变成产品。
所以，老师们要和孩子们一样要有一些想法，然后尽可能把自己和学生的想法，通过一定的手段或者技术手法去实施。
4结语
对于技术与工程领域的设计与实施，需要让孩子们经历工程探究的全过程，工程问题来源于生活，需要基于经验、基于问题解决的设计与实施，更需要一些创新，努力尝试把创意变成产品，服务于生活，提升能力的同时也提升生活质量。新课标中也明确指出科学探究是一定需要回归到学生生活中去的，才有它真正的价值[1]。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社.2017.
[2]叶茜茜.基于STEM的小学工程教育项目的设计与实施研究[D].南京师范大学,2018.
[3]郝灏.科学与工程整合视角下的小学科学教学设计与应用研究[D].福建师范大学,2019.
[4]李国卿.小学科学“技术与工程”领域课程的实施路径[J]. 基础教育参考,2019(10).