周迎春

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在的世界，工程師則是建造一個過去從來沒有存在過的世界。英國教育哲學(xué)家赫斯特說：教育的中心目的是向?qū)W生傳授主要的思維形式，在思維核心之外包裹的諸多知識僅僅是載體。以編程教學(xué)為例，附加其外的Scratch、mBlok，抑或大學(xué)生所在學(xué)的C++、Python，其實(shí)以后都不重要，或許若干年后又有更新的編程語言刷新替代，但是編程所涉及的諸如遞歸思維、迭代思維。這些核心的內(nèi)容會始終保留。工程思維也是如此，它是人們在進(jìn)行工程活動和工程研究過程中所形成的獨(dú)特思維方式，是一種籌劃型的實(shí)體思維。工程思維是運(yùn)用各種知識解決工程技術(shù)問題的核心， 是人們物化創(chuàng)意、改造世界的一種重要素養(yǎng)，而這種素養(yǎng)的提升是需要在實(shí)踐中通過個體的親身體驗(yàn)來完成的。事實(shí)上，工程也正是目前STEM教育的重要組成部分，工程思維能力也是我國學(xué)生的一個短板，亟需引起重視。

工程思維的研究現(xiàn)狀

2012 年，美國發(fā)布了國家教育進(jìn)展評估的《2014 年國家教育進(jìn)展評估的技術(shù)和工程素養(yǎng)框架》報告，該報告是對科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的整合。我國教育部于 2011 年提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在培養(yǎng)一批兼具工程能力和創(chuàng)新能力的高質(zhì)量工程技術(shù)人才。這項(xiàng)計(jì)劃雖然是針對高校提出的，但是可以看出，工程教育的全球性、全面化已經(jīng)成為了必然，工程思維已成為當(dāng)前培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力必須具備的思維能力。而基于工程思維的教學(xué)，更應(yīng)該在K12階段就進(jìn)行規(guī)劃、實(shí)施和滲透。

STEM教育的幾個關(guān)鍵特征是基于真實(shí)生活情境、跨學(xué)科、非良構(gòu)等，而工程思維可以分為工程設(shè)計(jì)思維、工程實(shí)施思維及工程消費(fèi)思維。在基于項(xiàng)目的STEM課程實(shí)施過程中，我們嘗試構(gòu)建校本化STEM課程群，且在六年級段全面實(shí)施培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，取得了一定的成效。

引導(dǎo)問題的拆解及整合，培養(yǎng)學(xué)生工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維

當(dāng)工程目標(biāo)任務(wù)確定之后，物化之前需要個體利用固有的知識技能背景進(jìn)行整體的規(guī)劃設(shè)計(jì)，特別是對較為復(fù)雜的STEM項(xiàng)目來說更要如此。由于個體差異的存在，事實(shí)上工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維能力也不盡相同，但是從縱向維度來看，STEM項(xiàng)目提供的多次“演練”能有效地提升學(xué)生這方面的水平。

“智能化寵物玩球機(jī)”是筆者《面向STEM的mBlock智能機(jī)器人》一書中的創(chuàng)新案例，目標(biāo)任務(wù)是制作一個能與寵物玩起來的智能玩球機(jī)。它“見”到寵物后能夠連續(xù)發(fā)球給寵物，讓寵物主人可以暫得清閑。分組設(shè)計(jì)匯報時，關(guān)于動力裝置就有用牛筋彈射、敲擊勢能傳遞、高速電機(jī)摩擦等方案，由于學(xué)生們意識到動力系統(tǒng)是本裝置的核心，影響到整體的規(guī)劃設(shè)計(jì)。因此，就以上三種動力系統(tǒng)進(jìn)行了其他子系統(tǒng)的模擬策劃。最后發(fā)現(xiàn)，前面兩項(xiàng)均難以做到連續(xù)發(fā)射，而預(yù)估高速電機(jī)摩擦的動力方案風(fēng)險較小，易于最終達(dá)成工程目標(biāo)。

以上案例讓學(xué)生針對要物化的創(chuàng)意標(biāo)的進(jìn)行解析，然后對影響全局的核心模塊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行抉擇，進(jìn)而對其他子系統(tǒng)，如連續(xù)送球裝置、智能感應(yīng)模塊、發(fā)球控制閥門、高速電機(jī)轉(zhuǎn)速控制對接、控制程序編制等進(jìn)行策劃模擬。課堂上，組織進(jìn)行“可行性”方案論證，最終初步確定工程實(shí)施的整體方案。在此期間，學(xué)生還將通過搜索引擎查找文獻(xiàn)拓寬思路或者修補(bǔ)知識等。此時學(xué)生雖然身處教室，卻親身經(jīng)歷了工程師的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維旅程。

嘗試預(yù)設(shè)問題解決策略，提升工程實(shí)施運(yùn)行思維能力

如果說工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是紙上談兵，那么工程實(shí)施則將經(jīng)歷短兵相接的過程，STEM項(xiàng)目與工程問題往往都具備非線性的特征。因此，實(shí)施主體即使能將系統(tǒng)設(shè)計(jì)大致一步到位，也無法預(yù)見把控每個子系統(tǒng)細(xì)節(jié)問題的出現(xiàn)，而這些認(rèn)知沖突的出現(xiàn)反而是培養(yǎng)和提升工程實(shí)施思維能力的關(guān)鍵所在。

“集裝箱搬運(yùn)車”要求學(xué)生設(shè)計(jì)制作一個簡易的集裝箱搬運(yùn)模擬裝置。學(xué)生通過3DMAX構(gòu)建了模型，主要通過舵機(jī)的拉動來“起重”。鏟車模型在構(gòu)建中要考慮舵機(jī)的安裝、整體與機(jī)器人的對接、磁感應(yīng)傳感器的配置等，3D打印后還須進(jìn)行相關(guān)的調(diào)試。掌握了3D建模技術(shù)后可以將工程設(shè)計(jì)快速成型，突破了工程實(shí)施中的障礙。模型往往一開始未必是完美的，例如，舵機(jī)還需考慮其連接線的因素，鏟車感應(yīng)到集裝箱后勾住集裝箱，防止運(yùn)送過程中滑落，此時尚須繼續(xù)迭代優(yōu)化。但是僅需要對原有MAX模型文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷耐晟?，再次按下打印命令即可。工欲善其事必先利其器，工程?shí)施能力的提升需要掌握相應(yīng)的工具軟件的使用。

“智能端茶機(jī)器人”要求機(jī)器人小車巡跡在一橢圓形場地中循環(huán)。當(dāng)主人將杯子放置在指定區(qū)域時，機(jī)器人自動識別目標(biāo)位是否有杯子，并用機(jī)械手將茶杯端起送到指定位置。工程實(shí)施中，學(xué)生要將相關(guān)的超聲波傳感器、機(jī)械手等設(shè)備安裝到機(jī)器人小車。在安裝機(jī)械手時，還需要查閱雙直流電機(jī)驅(qū)動模塊的性能并進(jìn)行相應(yīng)的動力調(diào)試。由于機(jī)械手可抓取物體大小有限，還要3D建模打印杯子。最后最重要的是，進(jìn)行程序的編制，需要達(dá)到以下幾個小目標(biāo)：1.巡黑線自動運(yùn)行；2.感測到杯子存在轉(zhuǎn)向；3.在確認(rèn)杯子在正前方時停止轉(zhuǎn)向，抓取杯子；4.抓取杯子繼續(xù)巡跡，當(dāng)感測到目標(biāo)位后放置杯子，然后繼續(xù)循環(huán)往復(fù)。由于機(jī)器人小車“搖擺”巡跡前行遇到杯子時的角度是個變量，因此要設(shè)計(jì)一個程序反復(fù)感測前面障礙物（杯子）的距離，當(dāng)?shù)贸觥白罱钡慕Y(jié)論時再執(zhí)行抓取。這段程序體現(xiàn)了一定的人工智能的因素。從某種意義上講，計(jì)算思維也應(yīng)該是工程思維的一個不可分割的部分。

設(shè)計(jì)引領(lǐng)同理心發(fā)生，滲透工程消費(fèi)評價思維培養(yǎng)

所謂消費(fèi)評價思維似乎是后置的，其實(shí)也僅僅是分類的需要使人有這個錯覺。一項(xiàng)工程完成后，通常要進(jìn)行所謂的驗(yàn)收，驗(yàn)收的結(jié)論就是文字化的工程消費(fèi)評價。在STEM項(xiàng)目的實(shí)施過程中，除了讓孩子們撰寫創(chuàng)意物化后的反思評價外，也可以前置引領(lǐng)同理心的發(fā)生。

“智能花房管家”要求設(shè)計(jì)一個程序模板，實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)花房（封閉式）土壤濕度不夠時，自動給水；達(dá)到設(shè)定總流量、達(dá)到供水限定時間，或者出現(xiàn)水管破裂等故障時，停止給水。當(dāng)花房溫度過低時，開啟加熱裝置。二氧化碳?xì)怏w濃度偏小時，啟動二氧化碳發(fā)生器。同時，要求S4A控制動畫同步運(yùn)行。其實(shí)質(zhì)是采用一些連接在Arduino UNO板上的傳感器，通過S4A程序來控制一些設(shè)備終端。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施過程中，有的學(xué)生在原有的工程目標(biāo)上疊加了自己的思考。例如，有的學(xué)生考慮到節(jié)能，當(dāng)夏天太陽暴曬導(dǎo)致花房溫度高于室外時，可以驅(qū)動開窗器開窗通風(fēng)；冬天則反之。另外，二氧化碳濃度降低時，也可引入室外空氣置換。還有的學(xué)生想到各種植物的喜水程度有較大差異，可以采用同一個主管供水，各分支水管粗細(xì)不同，以進(jìn)行個性化的配置。以上案例中，學(xué)生都能為“用戶”著想，進(jìn)行換位思考，我們在課堂上可以采用頭腦風(fēng)暴等形式適時引領(lǐng)同理心的發(fā)生，有效突破思維定勢，進(jìn)而提升學(xué)生的工程消費(fèi)評價能力。

STEM項(xiàng)目助力工程思維培養(yǎng)的實(shí)施案例分析——以3D打印“機(jī)器蟲”為例

3D打印“機(jī)器蟲”要求利用3DMAX軟件設(shè)計(jì)打印一個能爬行的四足“機(jī)器蟲”，使其能完成趴下、起立、前進(jìn)等動作。筆者用到的主板是Auriga主板，另外要用到一些舵機(jī)作為動力系統(tǒng)。之后需要學(xué)生協(xié)助綜合主控板的功能特點(diǎn)，對整體工程的實(shí)施進(jìn)行預(yù)先的設(shè)計(jì)。復(fù)雜問題需要分解成若干子問題，再——解決，這是工程思維的一個重要特征。

3D打印“機(jī)器蟲”項(xiàng)目可以分解為以下內(nèi)容：1.機(jī)身主體及動力臂（四足）的設(shè)計(jì)建模打印。2.舵機(jī)主板的安裝連接。3.控制程序的編制、上傳和調(diào)試。在做出工程系統(tǒng)謀劃后，我們開始工程的實(shí)施過程，這其實(shí)也是對工程設(shè)計(jì)的一個驗(yàn)證過程，期間往往還會有一些負(fù)面的反饋，促使我們對整體的設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的修正。

在物化該創(chuàng)意的過程中就出現(xiàn)了以下問題：1.由于安裝位置、舵機(jī)本身一致性存在偏差，各舵機(jī)的角度需要逐個調(diào)整確認(rèn)。2.安裝在基板上的舵機(jī)電源線須先穿孔而出，再安裝舵機(jī)。部分舵機(jī)的電源線需要調(diào)整位置，必須先卸下舵機(jī)后面的四個細(xì)長螺絲，用小刀開好凹槽后再重新恢復(fù)。3.各舵機(jī)的位置確認(rèn)時，可以在線運(yùn)行調(diào)試。而需要其從趴下狀態(tài)起立時須連接鋰電池，否則動力不夠。

工程消費(fèi)評價思維的實(shí)質(zhì)是對工程的“驗(yàn)收”。此時，個體應(yīng)作為一個評價者或者消費(fèi)者，對照產(chǎn)品的目標(biāo)要求找差距，并在同理心的驅(qū)使下對“產(chǎn)品”提出進(jìn)一步的優(yōu)化迭代建議。此“機(jī)器蟲”在“驗(yàn)收”評價時，教師讓學(xué)生變身為工程驗(yàn)收組成員。有的學(xué)生提出，四大模塊調(diào)試時建議加入智能化模塊，例如，添加傳感設(shè)備，讓“機(jī)器蟲”能遇到障礙后退，并隨機(jī)選擇左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)避開障礙。也有“評委”建議給“機(jī)器蟲”打印海龜外殼和專用四爪，加上可以甩動的尾巴，超聲波傳感器藏在“頭部”，這樣的產(chǎn)品可能更受消費(fèi)者青睞。

完成一項(xiàng)工程是一個漫長而復(fù)雜的過程，在工程設(shè)計(jì)實(shí)施的過程中，不可避免會跨越多個學(xué)科。因此，工程思維其實(shí)也是一種破壁思維，可以突破學(xué)生長期應(yīng)試教育形成的單學(xué)科思維定勢。期間，發(fā)現(xiàn)知識技能點(diǎn)的空白區(qū)，需要運(yùn)用自身“學(xué)習(xí)力”修補(bǔ)完善以確保工程問題解決的順利推進(jìn)。這些知識技能在當(dāng)前因某個具體的工程而產(chǎn)生鏈接，以后亦會因具體的工程情境產(chǎn)生順應(yīng)性的遷移，又成為解決其他情境類似問題的參考，豐富個體的元認(rèn)知策略儲備。

作者單位：江蘇蘇州市吳江區(qū)鱸鄉(xiāng)實(shí)驗(yàn)小學(xué)