一、明確問題：工程設(shè)計(jì)的邏輯起點(diǎn)演講人01.02.03.04.05.目錄明確問題：工程設(shè)計(jì)的邏輯起點(diǎn)設(shè)計(jì)方案：從創(chuàng)意到藍(lán)圖的轉(zhuǎn)化制作模型：將設(shè)計(jì)落地的實(shí)踐課測試優(yōu)化：用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)展示交流：工程設(shè)計(jì)的意義延伸2025小學(xué)六年級科學(xué)上冊工程設(shè)計(jì)的基本步驟課件引言：為何要學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)？作為一名深耕小學(xué)科學(xué)教育十余年的教師，我始終記得第一次帶六年級學(xué)生完成"校園雨水收集裝置"工程設(shè)計(jì)時(shí)的場景——孩子們從最初對著空白圖紙發(fā)愣，到爭論"漏斗口徑多大合適"，再到用卡紙和塑料瓶搭出歪歪扭扭的模型，最后通過測試調(diào)整出能穩(wěn)定接水的裝置。這個(gè)過程中，他們不僅掌握了科學(xué)知識，更重要的是學(xué)會了像工程師一樣思考?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，小學(xué)科學(xué)要"培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與實(shí)踐能力"，而工程設(shè)計(jì)正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心載體。對于六年級學(xué)生而言，系統(tǒng)學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的基本步驟，不僅能為初中階段的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)奠基，更能讓他們在"做中學(xué)"中理解科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境的關(guān)系（STSE），真正將課本知識轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力。接下來，我將結(jié)合多年教學(xué)實(shí)踐，系統(tǒng)梳理工程設(shè)計(jì)的五大核心步驟。01明確問題：工程設(shè)計(jì)的邏輯起點(diǎn)1從生活現(xiàn)象中提煉真實(shí)需求工程設(shè)計(jì)的第一步，是"發(fā)現(xiàn)并明確需要解決的問題"。這不是簡單的"老師布置任務(wù)"，而是要引導(dǎo)學(xué)生從真實(shí)情境中提煉需求。例如，在"設(shè)計(jì)班級植物角自動(dòng)澆花裝置"的項(xiàng)目中，我會先帶學(xué)生觀察："最近大家發(fā)現(xiàn)綠蘿葉子發(fā)黃，可能是什么原因？"學(xué)生通過記錄澆水時(shí)間、測量土壤濕度，逐漸意識到"人工澆水不規(guī)律"是核心問題。這一過程需要教師運(yùn)用"問題鏈"引導(dǎo)：初始觀察：你注意到了什么現(xiàn)象？（如"花盆邊緣有積水/土壤干裂"）因果追問：可能是什么原因?qū)е碌?？（?澆水過多/忘記澆水"）需求轉(zhuǎn)化：如果要解決這個(gè)問題，我們需要什么樣的裝置？（如"能定時(shí)、定量澆水"）2界定限制條件與目標(biāo)真實(shí)的工程問題從不存在"完美解"，必須在限制條件下尋找最優(yōu)方案。我常提醒學(xué)生："工程師的智慧，就在于在約束中創(chuàng)造可能。"以"設(shè)計(jì)簡易橋梁模型"為例，需要明確的限制條件包括：材料限制：只能使用10根吸管、50cm棉線、2張A4紙（模擬實(shí)際工程中的成本限制）空間限制：橋長需覆蓋30cm的"河流"（模擬地理?xiàng)l件限制）功能目標(biāo)：至少承重100g砝碼（量化性能指標(biāo)）3形成清晰的問題陳述經(jīng)過前兩步，需要將問題轉(zhuǎn)化為可操作的陳述。我會指導(dǎo)學(xué)生使用"我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)______，以解決______的問題，要求滿足______條件"的句式。例如："我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)能在30cm跨度上承重100g以上的橋梁模型，使用給定材料，解決班級'河流'場景中的通行問題。"教學(xué)提示：這一步容易出現(xiàn)的問題是學(xué)生問題過于寬泛（如"設(shè)計(jì)一個(gè)好的橋梁"），教師需通過"具體化訓(xùn)練"（如追問"多好？用什么標(biāo)準(zhǔn)衡量？"）幫助學(xué)生明確邊界。02設(shè)計(jì)方案：從創(chuàng)意到藍(lán)圖的轉(zhuǎn)化1頭腦風(fēng)暴：鼓勵(lì)發(fā)散性思維當(dāng)問題明確后，我會組織"無批評頭腦風(fēng)暴"。記得有次設(shè)計(jì)"防摔雞蛋保護(hù)器"，學(xué)生提出了"降落傘+泡沫""彈簧支架""充氣塑料袋"等20余種方案。這一環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是：規(guī)則先行：不否定任何想法（哪怕"用棉花糖包裹"），強(qiáng)調(diào)"數(shù)量比質(zhì)量重要"；工具輔助：用思維導(dǎo)圖記錄（中心是"保護(hù)雞蛋"，分支是"緩沖""減速""固定"等策略）；教師角色：適時(shí)追問"這個(gè)方案如何實(shí)現(xiàn)？"（如"降落傘用什么材料？如何連接雞蛋？"）2繪制設(shè)計(jì)草圖：將想法可視化六年級學(xué)生的空間想象能力有限，草圖是將抽象思維轉(zhuǎn)化為具體方案的關(guān)鍵工具。我會提供"設(shè)計(jì)草圖紙"（含尺寸標(biāo)注欄、材料清單欄、關(guān)鍵說明欄），并示范如何用簡單線條表達(dá)結(jié)構(gòu)：主視圖：展示裝置的正面結(jié)構(gòu)（如橋梁的支撐柱與橋面連接方式）；側(cè)視圖：補(bǔ)充高度、傾斜角度等信息（如自動(dòng)澆花裝置的儲水罐高度與滴水管角度）；標(biāo)注說明：用文字標(biāo)注關(guān)鍵尺寸（如"吸管支撐柱長15cm"）、材料（如"橋面用A4紙折疊成瓦楞狀"）、創(chuàng)新點(diǎn)（如"在橋梁兩側(cè)增加三角形加固結(jié)構(gòu)"）。3方案篩選與優(yōu)化面對多個(gè)方案，需要引導(dǎo)學(xué)生建立評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。我通常會發(fā)放"方案評估表"，包含"可行性""材料利用率""創(chuàng)新性""是否滿足目標(biāo)"四個(gè)維度（每項(xiàng)1-5分）。例如：|方案|可行性（材料是否易獲?。﹟材料利用率（是否節(jié)?。﹟創(chuàng)新性（是否有獨(dú)特設(shè)計(jì)）|是否滿足承重100g目標(biāo)|總分||------------|--------------------------|------------------------|--------------------------|----------------------|------||三角形支架|4|3|4|可能（需驗(yàn)證）|15|3方案篩選與優(yōu)化|拱形結(jié)構(gòu)|3（需彎曲吸管）|5（材料利用充分）|5（仿生設(shè)計(jì)）|可能|18|通過量化分析，學(xué)生能更理性地選擇最優(yōu)方案，同時(shí)學(xué)會"取其精華"——如將三角形支架的穩(wěn)定性與拱形結(jié)構(gòu)的承重優(yōu)勢結(jié)合。教學(xué)提示：這一步常出現(xiàn)"固執(zhí)己見"的情況，教師可組織"方案答辯會"，讓學(xué)生用草圖和數(shù)據(jù)說服他人，培養(yǎng)批判性思維。03制作模型：將設(shè)計(jì)落地的實(shí)踐課1材料準(zhǔn)備與工具使用"工欲善其事，必先利其器"。我會提前準(zhǔn)備"材料工具箱"（含安全剪刀、白膠、尺子、打孔器等），并進(jìn)行20分鐘的"工具使用培訓(xùn)"：安全規(guī)范：如剪刀"尖部朝地"、膠水"少量多次涂抹"；操作技巧：如吸管切割時(shí)用尺子對齊、A4紙折疊瓦楞狀的"三折法"；替代方案：若某材料不足（如棉線用完），引導(dǎo)學(xué)生思考"可用什么替代？"（如細(xì)鐵絲，但需注意安全性）。2分步驟制作與記錄制作不是"照圖施工"，而是需要根據(jù)實(shí)際調(diào)整。我要求學(xué)生填寫"制作日志"，記錄：01時(shí)間節(jié)點(diǎn)：如"10:00-10:20搭建支撐柱，發(fā)現(xiàn)吸管易彎折，改用兩根吸管并排"；02問題解決：如"橋面與支撐柱連接不牢固，嘗試用棉線纏繞+膠水加固"；03靈感閃現(xiàn)：如"看到同學(xué)用回形針固定，想到可以在接口處增加金屬片"。043團(tuán)隊(duì)分工與協(xié)作工程設(shè)計(jì)是團(tuán)隊(duì)活動(dòng)，我會根據(jù)學(xué)生特長分配角色：記錄員：負(fù)責(zé)填寫日志、拍攝制作過程；操作員：擅長使用工具的學(xué)生負(fù)責(zé)切割、粘貼；創(chuàng)意顧問：對設(shè)計(jì)有想法的學(xué)生負(fù)責(zé)監(jiān)督是否偏離方案；材料管理員：管理工具箱，避免材料浪費(fèi)。教學(xué)實(shí)例：在"校園氣象站百葉箱"制作中，小組成員因"是否留通風(fēng)孔"爭執(zhí)，記錄員調(diào)出設(shè)計(jì)階段的"防雨水"目標(biāo)，提醒"通風(fēng)孔需傾斜45度防止進(jìn)水"，最終通過調(diào)整設(shè)計(jì)解決了矛盾。04測試優(yōu)化：用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)1設(shè)計(jì)測試方案測試不是"隨便試試"，而是需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆桨?。?橋梁承重測試"為例，我會指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)：測試步驟：①放置橋梁模型；②緩慢添加砝碼（每次加50g）；③記錄橋梁斷裂時(shí)的重量；④測量橋面下彎的最大高度；測試工具：電子秤（測量砝碼重量）、量尺（測量橋梁變形量）；對照組：同時(shí)測試"原始設(shè)計(jì)"與"優(yōu)化設(shè)計(jì)"，對比數(shù)據(jù)。2記錄與分析數(shù)據(jù)我要求學(xué)生用"數(shù)據(jù)記錄表"（含"測試次數(shù)""承重值""變形量""問題描述"）記錄，并用折線圖呈現(xiàn)趨勢。例如某組數(shù)據(jù)：|測試次數(shù)|承重值（g）|變形量（cm）|問題描述||----------|--------------|--------------|--------------------------||1|80|2.5|支撐柱底部膠水脫落||2|120|1.8|橋面中間下彎明顯||優(yōu)化后|150|1.2|支撐柱底部增加底座，橋面加瓦楞結(jié)構(gòu)|通過分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)"支撐柱穩(wěn)定性"和"橋面強(qiáng)度"是關(guān)鍵問題，進(jìn)而針對性優(yōu)化。3迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化不是"推翻重來"，而是基于數(shù)據(jù)的局部調(diào)整。我常說："優(yōu)秀的工程師不是一次就成功，而是知道如何從失敗中學(xué)習(xí)。"例如：針對"支撐柱脫落"：在底部粘貼硬紙板作為底座，增加與桌面的接觸面積；針對"橋面下彎"：將單層A4紙改為雙層，并折疊成瓦楞狀增加抗彎曲能力；針對"材料浪費(fèi)"：回收未使用的吸管，用于加固薄弱環(huán)節(jié)。教學(xué)提示：這一步要允許學(xué)生"失敗"，我曾讓學(xué)生將第一次測試的"失敗模型"與最終模型并列展示，對比數(shù)據(jù)變化，讓他們直觀感受"優(yōu)化"的價(jià)值。05展示交流：工程設(shè)計(jì)的意義延伸1制作展示報(bào)告展示不是"走過場"，而是培養(yǎng)表達(dá)能力的重要環(huán)節(jié)。我會指導(dǎo)學(xué)生制作"工程設(shè)計(jì)報(bào)告"，包含：01問題背景：為什么要設(shè)計(jì)這個(gè)裝置？（如"班級植物角澆水不規(guī)律影響植物生長"）；設(shè)計(jì)過程：關(guān)鍵步驟的照片、草圖、數(shù)據(jù)（如"三次測試承重值從80g提升到150g"）；創(chuàng)新點(diǎn)：與初始方案相比，有哪些改進(jìn)？（如"瓦楞橋面設(shè)計(jì)比平橋面承重高40%"）；反思與展望：還有哪些不足？未來如何改進(jìn)？（如"裝置體積較大，下一步嘗試輕量化設(shè)計(jì)"）。020304052組織展示答辯我會模擬"工程發(fā)布會"場景，設(shè)置"設(shè)計(jì)師""評委""觀眾"角色：設(shè)計(jì)師：用5分鐘匯報(bào)，重點(diǎn)講解"問題-設(shè)計(jì)-測試-優(yōu)化"的邏輯鏈；評委（教師+學(xué)生）：從"科學(xué)性""實(shí)用性""創(chuàng)新性"三方面評分（各10分），并提問（如"為什么選擇瓦楞結(jié)構(gòu)？""如果遇到暴雨，裝置會怎樣？"）；觀眾：用"點(diǎn)贊貼"投票選出"最具創(chuàng)意獎(jiǎng)""最佳實(shí)用獎(jiǎng)"等。3推廣應(yīng)用與反思展示結(jié)束后，我會引導(dǎo)學(xué)生思考："這個(gè)設(shè)計(jì)能解決真實(shí)問題嗎？"例如，將優(yōu)秀的"自動(dòng)澆花裝置"在班級植物角實(shí)際使用，記錄兩周內(nèi)的土壤濕度數(shù)據(jù)；將"防摔雞蛋保護(hù)器"改進(jìn)后用于"雞蛋運(yùn)輸模擬實(shí)驗(yàn)"（從課桌高度掉落）。這種"從課堂到生活"的延伸，能讓學(xué)生真正體會工程設(shè)計(jì)的價(jià)值。結(jié)語：工程設(shè)計(jì)的核心是"解決問題的思維"回顧整個(gè)工程設(shè)計(jì)流程，從"明確問題"時(shí)的觀察與分析，到"設(shè)計(jì)方案"的創(chuàng)意與論證，從"制作模型"的實(shí)踐與調(diào)整，到"測試優(yōu)化"的嚴(yán)謹(jǐn)與迭代，再到"展示交流"的分享與反思，每一步都在培養(yǎng)學(xué)生"像工程師一樣思考"的能力。3推廣