文献题目

小学STEM课程中工程思维培养的教学设计研究

研究时间

2024.3

研究教师

邵懿

文献来源

《“工程思维视域下小学科学学科实践的全域推进研究”文献汇编》

内容摘要：

本论文探究在小学STEM课程中如何培养学生的工程思维，为小学STEM课程设计提供一个参考视角。首先,对论文的研究背景、研究内容、研究意义与研究方法进行阐述，并对相关概念进行界定。梳理了国内外STEM教育及工程思维培养的研究现状，并对相关教学理论进行阐述。其次，对国内外STEM教育与工程设计的模型进行整理分析，并总结归纳出小学STEM教育中工程思维培养的模型。依据以上构建的教学模型，以上海师范大学附属小学3D打印课程为例，选择合适的主题、活动和项目进行实施，针对实施过程中的问题，将模型修改完善。最后，对全文研究进行总结，提供研究的不足及后续研究的展望。

读后感悟（对典型课教学或本课题研究的启发）：

工程思维视域下的小学科学学科实践可以借鉴国内外STEM常见的克罗多纳的科学探究模型、LBD教学模型等教育的教学模型，构建STEM课程下学生工程思维培养的教学模型，探索STEM培养的新模式。在基于教学模型的基础上，选择合适的内容进行教学设计，为学生数学、科学、工程、技术的融合学习提供了极大的便利，根据已经构建好的教学模型设计了3D打印课程的教学流程，通过实践论证，分析教学的实施效果，并做出适当的调整，最终得出可供参考的结论与建议，为后续的研究提供借鉴与参考。

具体方案如下：

工程思维视域下小学科学学科实践的内容开发与设计研究（不动）

部分教学环节中过程标注（提出问题——聚焦主题——系统设计——统筹资源——探究实践——反思诊断——探究实践/更新迭代）

《小小电路工程师——楼道篇》教学设计（仅供参照）

【教学目标】

1．通过设计楼梯间电路，在具体的情景中引导学生发现电路示意图存在缺陷，激发他们探索的欲望。

2．在观察、感知中知道工程师会对自己的设计不断思考改进，更符合实际使用。

3．能够利用简易材料自制单刀双掷开关，并制作出楼梯间电路模型，体会当一名工程师的喜悦和伟大。

【教学重难点】

重点：知道如何设计符合实际使用的楼梯间电路。

难点：在具体的情境中不 断发现问题，设计并修改、完善电路。

【教学准备】

教师材料：PPT

学生材料：1个灯泡、若干导线、木块、3个图钉、3根导线、1枚回形针

【教学过程设计】

一、情境导入

1．出示情境：生活中很多地方都运用到简单电路，比如，小明家正在建一栋两层小别墅，一楼是会客厅，二楼是卧室，学了简单电路后，他自己给一楼到二楼的楼道间设计了一个这样的简单电路。你觉得这个电路安装在这楼道间合适吗？

2．引导发现：晚上，小明想从一楼去二楼卧室休息，谁能结合这个情境说说这个电路如何操作使用？（小明回卧室休息后，楼道的灯还亮着）

3．揭示任务：看来这个电路安装在楼道间确实存在一定问题。那今天就请同学们来当小小电路工程师，来设计这楼道间的电路。

二、初步设计

1．过渡交流：学生说说自己的解决方法

2．初步设想：在二楼的地方再加一个开关。当小明在一楼时，拨动一楼的开关形成通路，小灯泡就亮了，小明就可以走到二楼，再拨动二楼的开关，形成断路，小灯泡就灭了。

3．引导发现：解决了无法在二楼关灯的问题，但出现了新问题。在同学们的帮助下小明终于关掉楼道的灯，回卧室休息了。此时两个开关分别处于什么状态？这时，小明的爸爸回来了，他下班比小明晚。你发现问题了吗？

4．交流讨论：爸爸开不了灯是因为二楼的开关处于断开状态，是断路。

5．更新任务需求：设计一个在楼下也能控制开关的楼梯电路。（聚焦主题、系统设计）

三、修改设计

1．过渡交流：出现这样的问题后，有怎样的解决方案？（反思诊断、迭代更新）

2．学生提出设想：重新设计一条电路，里面那条给小明用，外面那条给爸爸使用。

3．再次发现问题：如果还有其他人使用怎么办呢？总不能有几个人上楼就安装几条电路吧？

4．学生重新提出设想：在两个开关之间连接一根杠杆，闭合一楼开关，二楼开关也会被闭合，灯就亮了；到二楼时，将二楼开关断开，一楼开关也会相应被断开，灯就熄灭了。

5．师生讨论：组用的机械原理解决了前一组出现的只能使用一次性的问题。

6．提出新问题：不太美观，而且并不方便，考虑实际安装的情况，还有些困难。

7．继续完善设计：在两个开关之间连接一根导线，小明上楼时走的是①号电路，到二楼将二楼的开关切换到②号接触点，灯就熄灭了。

8．交流讨论：其他人继续上楼也能重复使用。

四、设计元件

1．提出问题：之前所认识的这个开关不太方便实现这个操作，需要重新设计一个开关。

2．出示材料：给你一块木块、3个图钉、3根导线、1枚回形针，你能把这个开关制作出来吗？（统筹资源、探究实践）

3．学生设计制作：单刀双掷开关

4．交流设计：讲解这个开关是如何操作使用的。

五、小结

1．借助自己设计的开关，完成设计好的楼梯电路。

2．总结全课：这节课，你学到了什么？

【板书设计】

小小电路工程师——楼道篇

简单电路

设计楼梯间电路

更新完善

设计元件

完成楼梯间电路

实践思考（教学实践后对典型课教学或本课题研究的启发）：（100-300字）

在教学中，以夜晚上下楼道开关灯的现实情境贯穿活动始终，主要基于这几点考虑。（1）在情境中，激发学生的探究欲望。电路知识对于小学生而言有些枯燥乏味，将其与实际生活相结合，才能使课题变得更有趣味性，学生参与度更高。（2）在情境中，缓解学生的恐惧心理。两地控制一盏灯的电路对于只学过简单电路的五年级学生而言难度还是挺大的，但是将这问题放到一个学生非常熟悉的背景下时，学生与知识之间的距离被拉近，此时学生联系实际需求去解决问题，难度也会有所降低。本节课以设计楼道间的电路为主线，由简单的电路开始：“二楼关不了灯怎么办？”到学生初步设计两个开关后：“小明断开二楼开关回卧室休息后，爸爸回来了也要开灯上楼怎么办？”再到学生完善电路设计图后：“以前认识的这种开关能满足今天这个电路中开关的需求吗？”随着情境发展，一个又一个现实问题在层层递进，将学生的思维一步一步推向更高处。在此过程中，学生习得了结果性知识，更重要的是获得了项目问题解决中的过程性知识。

因此，工程思维视域下的小学科学学科实践研究从初步设计到最后的成果展现，让学生体会到科学知识并不遥远，就在我们身边。两地控制一盏灯的电路是如何设计出来的？电路工程师的设计过程和同学们一节课所经历的活动过程是相似的，包括自制的单刀双掷开关，都在告诉同学们，科学知识并不高深，人类的好奇心和社会需求是科学技术发展的根本动力。