摘要：随着核心素养导向的教育改革推进，项目化学习（Project-Based Learning， PBL）逐渐成为小学科学课程改革的重要路径。然而，传统科学教学中验证性实验占主导、学生探究动力不足等问题，制约了工程思维等高阶能力的培养。本研究以真实情境为切入点，探索小学科学项目化学习的设计框架及工程思维培养策略。通过文献分析、问卷调查和行动研究，结合真实项目案例，构建了“情境驱动—问题聚焦—方案迭代—成果迁移”四阶段教学模式。实践表明，真实情境下的项目化学习能够显著提升学生的系统性思维、创新能力和协作意识，为小学科学教育中工程思维的培养提供了可操作的实践路径。

关键词：真实情境；项目化学习；工程思维；小学科学教育；创新能力

当前小学科学教学普遍面临“知识碎片化”与“实践脱节”的双重困境。尽管教材中的实验活动有助于巩固理论，但多以验证性操作为主，难以激发学生的深层探究兴趣。工程思维作为系统性、实践性和创新性兼具的思维方式，强调在真实问题解决中实现知识整合与迁移，与项目化学习的核心理念高度契合。本研究以真实情境为载体，通过设计融合科学与工程实践的项目化学习活动，探索小学科学课堂中工程思维的培养机制，旨在为科学教育改革提供理论与实践参考。

一、真实情境在项目化学习中的应用价值

1、真实情境的特征

真实情境是项目化学习的核心驱动力，其本质在于将现实问题转化为学习载体，实现知识应用与实践创新的深度融合。这类情境需具备三重关键特征：

1）问题根植现实需求。真实情境绝非虚构案例，而是直面“校园塑料污染”“社区垃圾分类”等社会痛点。学生需综合运用科学知识（如生态循环原理）、技术工具（材料测试）和工程思维（成本评估），在解决复杂问题的过程中自然突破学科壁垒。例如设计雨水收集系统时，既要分析气象数据，又要测试材料性能，更要权衡方案可行性，这种跨学科整合使学习从知识记忆转向深度理解。

2）任务设计开放创新。真实情境不提供标准答案，而是鼓励多元解决方案。面对“社区噪音治理”挑战，学生可能提出物理隔音、数字监测或社会公约等不同路径，教师需引导其通过实验验证、成本核算和方案比选培养工程思维。这种开放式探究不仅激发创新潜能，更在方案迭代中培育批判性反思能力，使试错成为有价值的学习过程。

3）成果产出可见可用。项目最终需产出可落地的实体作品，如社区试点的智能分类垃圾桶、持续供菜的校园微农场，将抽象知识转化为具象成果。这种可见性不仅强化学习成就感，更通过社会实施赋予教育以现实意义。多维评价体系（科学性、可行性、创新性、社会性）推动学生从“完成任务”向“创造价值”转变，在真实质询中深化质量意识与社会责任感。

这种“真实问题驱动-开放探究支撑-实践成果验证”的闭环设计，使项目化学习成为连接知识习得与社会应用的桥梁，有效培养学生在真实世界中解决复杂问题的能力。

2、真实情境与工程思维的关联性

真实情境与工程思维具有天然的内在关联，二者共同构建“问题驱动—资源整合—迭代优化”的完整闭环。真实情境为工程思维提供实践土壤，其复杂性和开放性促使学生在解决现实问题的过程中自然形成系统性思维框架。

真实情境催生精准的需求定义能力。学生需通过实地调研、数据量化（如测量校园用水量）和利益方访谈，将模糊问题转化为可操作的工程目标。例如雨水收集项目中，需平衡储水容量与建筑空间限制，这种需求边界的界定过程本质是工程思维的起点训练。情境复杂性推动跨学科资源整合。学生需突破学科界限，融合科学原理（如材料渗透性）、数学建模（计算水流速度）与技术工具（3D建模测试），在预算约束下寻找最优解。例如选择储水材料时，需权衡成本、耐用性和环保性，这种多因素决策训练强化工程实践中的系统优化意识。真实情境的试错空间孕育迭代优化能力。原型测试中的失败（如管道堵塞）成为改进契机，学生通过实验验证、参数调整和方案重构，形成"设计—测试—优化"的螺旋上升循环。这种迭代过程不仅培养技术韧性，更使工程思维中的质量意识和效益观念具象化。当校园雨水系统投入实际使用，或垃圾分类方案获得社区采纳时，真实成果的社会价值反馈进一步强化工程思维的实践指向。这种从需求洞察到价值创造的全流程训练，使工程思维真正成为连接知识学习与社会创新的桥梁。

二、真实情境下项目化学习的内涵与实践路径

基于工程思维的核心要素，本研究构建了“情境驱动—问题聚焦—方案迭代—成果迁移”四阶段教学模式。该框架以真实问题为起点，通过系统性设计与动态优化，实现知识应用与能力培养的双重目标。以下分阶段详述其内涵与实践路径：

1、情境驱动是项目化学习的起点，其核心在于通过真实问题激活学生的探究动能。以“校园生态园改造”项目为例：学生发现教学楼西侧存在300平方米裸露荒地，雨季易积水且缺乏植被覆盖。通过实地测绘发现该区域日均光照达6小时，但土壤pH值偏高（实测8.2），不适合普通植物生长。调研中，学生访谈后勤人员得知，传统草坪维护成本高且生态效益低。当看到卫星图像显示校园地表温度比周边公园高2℃时，学生联想到城市热岛效应，意识到生态改造不仅关乎美观，更影响局部气候调节。这种从真实场景观察（裸露土地）—数据量化（光照、土壤指标）—社会关联（维护成本、生态效益）的递进分析，使“优化生态空间”的需求自然浮现，为后续设计兼具科学性与可行性的方案奠定认知基础。

2、问题聚焦阶段要求将真实情境转化为可操作的探究任务，培养学生提炼核心矛盾的能力。以“社区垃圾分类优化”项目为例：学生通过问卷调查发现，62%的居民因“分类标准复杂”导致投放错误，41%的误投发生在早晚高峰时段。进一步观察发现，现有垃圾桶仅标注“可回收/不可回收”，缺乏细分类指引，且投放口设计不合理（如易破损的塑料瓶需挤压投放）。结合物业反馈的“二次分拣成本高”问题，学生将原始问题拆解为三个关键挑战：

Ø信息传达失效：分类标准未有效触达居民；

Ø设施设计缺陷：垃圾桶功能性与使用习惯冲突；

Ø行为转化断层：缺乏即时反馈机制。

通过专家咨询（环卫工程师）和文献查阅（行为心理学研究），学生确定优先解决“设施优化”与“反馈机制”：前者可通过改造投放口、增设分类图示降低操作门槛；后者计划引入智能监测装置，实时显示分类准确率并累计积分兑换奖品。这种从现象观察（误投数据）—归因分析（设计缺陷）—策略排序（技术可行性优先）的聚焦过程，使后续探究始终锚定真实需求，避免陷入次要问题的资源消耗。

3、方案迭代是工程思维的核心实践，以“校园雨水收集系统”项目为例，其动态优化过程凸显批判性思维的价值。学生团队初始设计采用PVC管道构建重力引流系统，经3D建模估算储水量后，用低成本材料制作初代模型。在人工降雨模拟测试中，发现集水槽在15分钟强降雨模拟中仅收集40%预期水量，且管道连接处出现渗漏。数据分析显示，问题源于坡度计算误差（实测3%小于设计5%）与材料热胀冷缩导致的密封失效。团队引入数学建模重新计算水流路径，将坡度修正至4.8%，并采用硅胶密封圈替代普通胶水粘接。二次测试中，集水效率提升至72%，但新发现落叶堵塞进水口的问题。此时发生认知冲突：增加过滤网会提高维护成本，但能保证系统稳定性。通过成本效益分析（预计每年减少绿化用水费用8000元），团队决定在进水口加装可拆卸滤网，并设计定期清理提醒机制。该决策过程展现了对“功能-成本-可持续性”三维平衡的深刻理解。经过三轮迭代，系统最终达成85%集水效率，实际安装后使校园绿化用水自给率提升40%。这种“设计-测试-失效-重构”的循环，不仅培养了学生从数据洞察到系统改进的能力，更形成"证据驱动决策"的工程思维范式，使批判性反思成为创新优化的内在动力。

成果迁移是工程思维社会价值的外显化过程，以“智能语音分类垃圾桶”项目为例，其从校园到社区的延伸路径清晰展现了知识应用的“涟漪效应”。团队发现初代校园版设备存在语音模块灵敏度不足（在嘈杂环境下识别率仅68%）和抗污损能力弱（金属表面易留指纹）的问题，遂针对社区场景进行三项关键适配：

Ø硬件升级：采用工业级防水麦克风阵列，识别准确率提升至92%；改用抗紫外线ABS材质外壳，降低维护成本30%；

Ø模式创新：与物业合作推出"绿色积分计划"，居民正确投放可累积兑换物业费减免，使日均投放量增长170%；

Ø网络拓展：在3个试点小区安装带物联网传输功能的设备，实时生成分类热力图供社区管理者决策。

迁移过程中，学生通过举办社区体验日收集126条反馈，发现老年群体对语音交互存在方言识别障碍。团队迅速迭代开发多语种包，使老年用户使用率从12%提升至41%。该设备最终被纳入街道智慧社区改造项目，覆盖8000余户家庭。这种“需求适配—模式创新—技术迭代”的迁移路径，不仅验证了工程成果的社会价值，更培养了学生将技术方案转化为公共服务的能力，实现了从“解题者”到“问题解决者”的思维跃迁。

三、工程思维的培养成效与反思

测评数据显示，实验班在工程思维的系统性、创新性与协作能力上呈现显著提升。系统性思维维度得分增长23%，源于真实项目对复杂问题的结构化要求。以“校园垃圾分类优化”为例，学生需将目标拆解为“标准制定-设施布局-宣传策略”三层次，并构建"目标分层→资源匹配→风险评估"的思维链条，后期普遍运用思维导图等工具展现全局规划能力。

创新意识维度呈现爆发式增长：87%实验班学生能提供多套方案，对照班仅45%。在“家庭节水装置”项目中，学生突破传统机械方案，创新提出“重力储水+物联网监测”混合方案，并通过实验对比节水效率与成本。教师引导的“头脑风暴→筛选→优化”流程，显著强化了批判性思考与创新实践的结合。

协作能力在真实情境倒逼下实现质的飞跃。以“社区噪音治理”项目为例，小组自发形成数据调研、技术设计、宣传策划的分工体系，通过“任务认领表”明确责任，“问题清单”理性协商分歧。实验班同学冲突解决更倾向于数据论证而非情绪对抗，如用模拟实验验证隔音方案，展现出角色分工明确化与决策科学化的双重提升。

四、结论与建议

真实情境下的项目化学习通过“需求驱动—实践优化—成果迁移”的闭环设计，有效弥合了小学科学教育中知识学习与能力培养的鸿沟，显著提升了学生的系统性思维、创新意识与协作能力。为深化实践成效，建议：一、整合区域资源，开发校际共享的真实情境案例库，降低教学实施门槛；二、强化教师工程思维培训，通过工作坊、案例研讨等形式提升项目设计与过程指导能力；三、构建“家校社”协同机制，借助家庭实践、社区合作拓展项目场域，增强学习的社会价值。未来，持续优化真实情境与工程思维的融合路径，将推动小学科学教育从“知识传递”转向“素养培育”，为培养适应复杂挑战的创新型人才提供坚实支撑。