（華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 51063）

橋梁設(shè)計類項目作為一種典型的工程設(shè)計項目，有著豐富的教學(xué)實踐，不僅是創(chuàng)客教育也是STEM教育中的熱門選題之一，有較為重要的研究價值。然而，相關(guān)研究和實踐，不僅角度不同，而且良莠不齊，有必要進行全面梳理。

為此，本文對中小學(xué)橋梁設(shè)計類項目的研究與實踐現(xiàn)狀進行了全面的文獻調(diào)研。文獻主要來源于中國知網(wǎng)和EBSCO數(shù)據(jù)庫，以分別獲取有代表性的中英文文獻。在中國知網(wǎng)中分別使用“STEM”“橋梁競賽”和“紙橋”等關(guān)鍵詞進行主題檢索，獲得自1996年以來共90余篇論文，經(jīng)人工篩選，比照入選標準（一是必須包含有具體的橋梁設(shè)計與實踐活動，二是聚焦于中小學(xué)教育教學(xué)領(lǐng)域），最終保留了11篇有效文獻；在EBSCO數(shù)據(jù)庫中，分別使用“bridge & STEM”和“bridge & engineering”等關(guān)鍵詞進行主題檢索，共檢索到1996—2020年間相關(guān)論文160篇，采用上述相同的遴選標準，獲得有效文獻10篇。同時，為增加文獻的覆蓋面，本研究基于便利抽樣，選取了三本包含橋梁設(shè)計活動相關(guān)的中小學(xué)教材作為對照分析樣本。本文研究的文獻，時間跨度為1996年至2020年，共包含教材、期刊論文、學(xué)位論文三大類文獻，覆蓋了中英文文獻，具有較好的代表性。

依托上述文獻，本文主要做了三個方面的內(nèi)容分析：首先，闡述了不同學(xué)科領(lǐng)域中橋梁設(shè)計類項目的應(yīng)用案例及研究成果，確認其在教育教學(xué)中的重要地位；其次，分析了橋梁設(shè)計類項目在促進學(xué)生思維能力、科學(xué)探究能力、實踐能力以及跨學(xué)科整合等方面的獨特教育價值；最后，進一步分析了當前國內(nèi)中小學(xué)橋梁設(shè)計類項目存在的問題與不足，探討了未來研究的方向和需要注意的問題。

一、不同學(xué)科領(lǐng)域中的橋梁設(shè)計類項目

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，橋梁設(shè)計類項目廣泛存在于中小學(xué)的教育教學(xué)活動當中，尤其在科學(xué)教育、通用技術(shù)教育（含勞動技術(shù)教育）和STEM教育三個領(lǐng)域中有著豐富的應(yīng)用。

（一）科學(xué)教育中的橋梁設(shè)計項目

在中小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域，橋梁設(shè)計類項目主要有兩種取向和兩種活動類型。

從目標培養(yǎng)的角度可以將橋梁設(shè)計類項目分為工程設(shè)計制作取向和科學(xué)探究取向。工程設(shè)計制作取向要求學(xué)生依據(jù)科學(xué)原理設(shè)計和制作物品、利用技術(shù)解決真實問題；科學(xué)探究取向則要求學(xué)生基于所學(xué)的知識提出可探究的科學(xué)問題，結(jié)合問題提出有針對性的假設(shè)，并能設(shè)計單一變量的實驗方案，搜集證據(jù)驗證假設(shè)，從而解決問題[1]。以教科版小學(xué)六年級科學(xué)課程為例，在其“形狀與結(jié)構(gòu)”一節(jié)中，要求學(xué)生用紙“造”一座“橋”，以此探究橋的形狀和結(jié)構(gòu)[2]。在教材設(shè)計的學(xué)習活動中，學(xué)生需要剖析橋梁構(gòu)造中的問題，以選用同等數(shù)量的紙張折疊成不同的形狀，探究紙的形狀與抗彎曲能力的關(guān)系，由此經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，體驗科學(xué)探究的方法，獲得橋梁相關(guān)的科學(xué)知識。在探究學(xué)習完成后，教材還要求學(xué)生制作紙橋，在制作過程中進一步利用科學(xué)知識原理與技術(shù)解決橋梁搭建問題。例如，為了增強紙張承受力，可以利用膠水將多張紙粘在一起增加紙張的厚度。顯然，這個橋梁設(shè)計類項目既包含了橋梁設(shè)計制作（用紙“造橋”）的過程，也涉及了橋梁科學(xué)知識（橋的形狀和結(jié)構(gòu)）的探究。

從活動設(shè)計的角度可以將橋梁設(shè)計類教學(xué)活動細分為兩種活動類型：一種是項目式教學(xué)，另一種是模型設(shè)計與制作競賽教學(xué)。在項目式教學(xué)中，學(xué)生以完成項目為主要目標，教師負責全程管理和監(jiān)控項目的實施過程。例如，趙月提出采用項目式教學(xué)的方式開展橋梁設(shè)計類教學(xué)，不僅有利于教師從時間、成本和質(zhì)量三方面對學(xué)生的學(xué)習過程進行控制，而且也能使學(xué)生充分參與自主探究活動[3]。因此，其在借鑒項目管理流程及邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，選定小學(xué)科學(xué)課程“形狀與結(jié)構(gòu)”一節(jié)，開展了以“橋梁建筑師成長之路”為主題的項目式教學(xué)實踐，該教學(xué)項目活動流程包含了項目啟動、控制和實施三個部分。教學(xué)效果顯示，在項目活動開展的過程中，學(xué)生能快速地發(fā)現(xiàn)問題、完成探究實驗，并能熟練地使用剪刀、白乳膠等工具解決問題。

橋梁模型設(shè)計與制作競賽教學(xué)集挑戰(zhàn)性、創(chuàng)造性、趣味性于一體，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，在中小學(xué)科學(xué)教育中扮演著重要的角色。例如，Barris等（2016）[4]在采用競賽的方式開展木橋的設(shè)計與制造教學(xué)中提出，競賽活動教學(xué)不僅能實現(xiàn)學(xué)生對橋梁的桁架和框架結(jié)構(gòu)以及材料性能等具體學(xué)科知識的學(xué)習，也能夠促進學(xué)生跨學(xué)科能力的培養(yǎng)，例如，學(xué)生利用信息技術(shù)和通信技術(shù)將搜索的信息與預(yù)測的信息進行比較,通過口頭和書面的交流，為自己的作品做出更有說服力的解釋和說明，等等。而Hemming等也提出，橋梁挑戰(zhàn)賽教學(xué)可以幫助學(xué)生更好地完成技能的訓(xùn)練[5]。例如，在競賽活動中，學(xué)生通過合作的方式練習了頭腦風暴、溝通和設(shè)計的技巧；在橋梁模型優(yōu)化過程中，學(xué)生通過測試橋梁的性能和承重能力，并記錄其數(shù)據(jù)，鍛煉了觀察和數(shù)據(jù)記錄能力。此外，國內(nèi)學(xué)者曹玉新在“紙橋承重大賽”活動教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在競賽中更容易產(chǎn)生思維的碰撞，產(chǎn)生新的想法并創(chuàng)造出更好的成品[6]。例如，學(xué)生在拿到比賽通知開始，便與合作伙伴查閱資料、進行討論，討論的方案屢次制定屢次推翻，經(jīng)過多輪的爭論，最終形成了良好的設(shè)計方案。

（二）通用技術(shù)教育中的橋梁設(shè)計項目

在中小學(xué)通用技術(shù)教育領(lǐng)域，有關(guān)橋梁設(shè)計類項目不僅有豐富的理論研究，也有諸多的教材開發(fā)實踐。從理論研究的角度，學(xué)者普遍認為橋梁設(shè)計類項目應(yīng)該實現(xiàn)實踐經(jīng)驗與技術(shù)思想的融會貫通。例如，張國祥提出在通用技術(shù)課程中，橋梁設(shè)計教學(xué)應(yīng)將教育與技術(shù)相結(jié)合，既要注重技術(shù)思想與方法的形成，也要注重技術(shù)素養(yǎng)的提升和發(fā)展：在橋梁設(shè)計項目的實施過程中，讓學(xué)生通過親歷技術(shù)實踐與橋梁制作的過程，深刻體驗到制作過程的復(fù)雜性，從而學(xué)會充分考慮使用的工具、橋梁連接的方式以及橋梁自身重量等問題；同時，教學(xué)過程需要將設(shè)計分析、橋梁制作、優(yōu)化橋梁、增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、完善設(shè)計圖、總結(jié)制作方法等內(nèi)容串聯(lián)與整合，使學(xué)生在勞動實踐中形成對問題的綜合分析、理性判斷和決策能力[7]。

在教材開發(fā)實踐層面，橋梁設(shè)計類項目同樣注重理論知識與實踐運用的結(jié)合。以粵教版普通高中通用技術(shù)課程為例，在其必修2“結(jié)構(gòu)設(shè)計”一節(jié)中，要求學(xué)生按照橋梁設(shè)計與承重要求，完成橋梁的設(shè)計與制作[8]。在教材設(shè)計的學(xué)習活動中，學(xué)生需要收集信息、選定橋梁的結(jié)構(gòu)，并分析結(jié)構(gòu)受力的情況，繪制出橋梁草圖，從而形成初步的設(shè)計方案。在完成方案的設(shè)計后，教材還要求學(xué)生制作橋梁模型，以進一步應(yīng)用理論知識解決工程實踐中的問題。此外，學(xué)生需要對橋梁模型進行試驗檢測、做出評價并提出優(yōu)化改進的思路，以此形成迭代的過程。顯然，教材中強調(diào)學(xué)生在實踐中對理論知識的運用，并重視學(xué)生在制作過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。同時在教學(xué)實踐中，韋小陽提出，在紙橋設(shè)計過程中，學(xué)生經(jīng)歷了思考、設(shè)計、制作、試驗這一系列富有探究性、創(chuàng)造性、試驗性的活動過程，可以體驗到通用技術(shù)學(xué)科的科學(xué)奧秘、技術(shù)張力和探究樂趣[9]。同時，這一活動過程也使得學(xué)生能充分地理解實踐操作的重要性。例如，學(xué)生就如何提高紙張的抗壓性這一問題展開了激烈的討論，大膽提出疑問并依據(jù)自己的主張實施探究活動，最終在實踐中發(fā)現(xiàn)可以通過改變紙張的結(jié)構(gòu)以及紙張結(jié)構(gòu)的連接技巧來增強紙張抗壓能力。

（三）STEM教育中的橋梁設(shè)計項目

橋梁設(shè)計類項目在中小學(xué)STEM教育中也有著十分重要的地位，這是因為：從STEM教育理念的角度看，橋梁設(shè)計類項目充分體現(xiàn)了STEM教育理念，能夠引導(dǎo)學(xué)生綜合運用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程等各個領(lǐng)域的知識來解決橋梁設(shè)計中的真實問題。例如，朱鈺等提出在STEM教育理念指導(dǎo)下，開展“設(shè)計制作橋梁模型”項目實踐，可以在真實的生活情境中提高學(xué)生學(xué)習橋梁設(shè)計與制作的興趣；在工程設(shè)計中幫助學(xué)生完成從平面到立體、形狀到結(jié)構(gòu)的思維認知跨越，實現(xiàn)深層次學(xué)習的需要；在模型測試優(yōu)化環(huán)節(jié)中提升學(xué)生的情感體驗[10]。因此，該活動中設(shè)計了“引入問題和確定需求、調(diào)查研究和學(xué)習支持、分析觀點和建立模型、測試優(yōu)化和解決問題”四個教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過參與層層遞進的幾個小工程實現(xiàn)了多學(xué)科知識的學(xué)習與實踐操作能力的提升。

從STEM教學(xué)模式的角度看，橋梁設(shè)計類項目結(jié)合STEM教學(xué)模式，重視問題的情境性，并以小組合作的形式實現(xiàn)解決問題、掌握知識和鍛煉能力的目標，從而取得了良好的教學(xué)效果[11]。例如，楊艷構(gòu)建了小學(xué)綜合實踐STEM科學(xué)課程的QCE模式（Question-Cycle-Evaluation，問題—循環(huán)—評估），并開展了以“橋”為主題的教學(xué)活動[12]。該活動分為三個模塊，分別是：（Q）定義問題，教學(xué)活動要求學(xué)生建設(shè)一座性價比高且能承受至少2千克質(zhì)量的橋，讓學(xué)生以問題為導(dǎo)向開展學(xué)習；（C）循環(huán)，在這一過程中，學(xué)生需要完成對橋梁材料的估算，草圖的繪制，模型的搭建，以及優(yōu)化改進等任務(wù)；（E）評估，這一過程需要學(xué)生和團隊伙伴按照工程建議書的要求提交設(shè)計方案，由全班同學(xué)評選出哪座橋更好地解決了工程任務(wù)，此外，學(xué)生還需依據(jù)項目過程量表和過程評級單對整個單元過程的學(xué)習情況進行評估。研究結(jié)果表明，橋梁工程設(shè)計結(jié)合QCE教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計教學(xué)模式，讓學(xué)生成為課堂主體、知識的主動獲得者，有效地促進及實現(xiàn)了學(xué)生綜合能力的鍛煉與發(fā)展。

從STEM教學(xué)實踐的角度看，橋梁設(shè)計教學(xué)實踐培養(yǎng)了學(xué)生工程責任意識。以培生教育STEM課程為例，在其“設(shè)計橋梁”一節(jié)中，教學(xué)設(shè)計從STEM教學(xué)目標出發(fā)，采用職業(yè)聚焦的方式，讓學(xué)生扮演橋梁工程師的角色，承擔其職責，并要求學(xué)生進行橋梁的設(shè)計與制作[13]。顯然，在這一教學(xué)中，學(xué)生能更好地體驗工程設(shè)計與制作的過程，形成了良好的責任意識。此外，橋梁設(shè)計教學(xué)也能幫助學(xué)生更好地掌握和運用工程知識。例如，Lyn等探討工程設(shè)計在STEM教育中的作用時提出，橋梁設(shè)計活動可以幫助學(xué)生更好地了解材料的性能，如橋梁的張拉壓力、荷載分布、配筋、強度等，并讓學(xué)生在實踐操作中深刻體驗到這些性能在橋梁設(shè)計中的重要性[14]。同樣，楊薇薇在圍繞紙橋開展探究性實踐學(xué)習活動時也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通過親歷紙橋設(shè)計、制作、競技、反思等實踐環(huán)節(jié)，完成了實踐操作和知識的運用[15]。

綜上分析，中小學(xué)橋梁設(shè)計類項目在科學(xué)教育、通用技術(shù)教育以及STEM教育三大領(lǐng)域中的應(yīng)用既有相同點也有較大不同。首先，三者在流程設(shè)計、組織形式等方面存在著共同點，表現(xiàn)為：三大教育領(lǐng)域的橋梁設(shè)計類項目教學(xué)都注重團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)，如在教學(xué)活動中要求學(xué)生明確分工，由小組成員共同設(shè)計與制作橋梁模型；而且教學(xué)活動均由兩部分組成，即科學(xué)探究過程和工程制作過程，因此在教學(xué)中既要求學(xué)生完成實驗探究，掌握橋梁工程知識和原理，也要求學(xué)生通過解決工程問題，完成橋梁模型搭建的任務(wù)。然而，在教學(xué)理念、教學(xué)聚焦點、教學(xué)評價等方面，三個領(lǐng)域的橋梁設(shè)計類項目又各有其特點，突出表現(xiàn)為：科學(xué)教育領(lǐng)域中橋梁設(shè)計類項目的教學(xué)更加注重教學(xué)的科學(xué)性，強調(diào)學(xué)生對科學(xué)知識的掌握以及對科學(xué)實驗的探究；而通用技術(shù)教育則更側(cè)重學(xué)生勞動思想和技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)，以及在制作橋梁模型的過程中學(xué)生動手實踐操作能力和運用技術(shù)解決問題的能力是否得到有效的提升；STEM教育則要求在橋梁教學(xué)設(shè)計時注重真實情境的創(chuàng)設(shè)以及跨學(xué)科的整合。此外，在科學(xué)教育和通用技術(shù)教育領(lǐng)域中，橋梁設(shè)計類項目的教學(xué)更注重對學(xué)生制作的橋梁成品的評價；而STEM教育領(lǐng)域中則將評價分為過程性評價和總結(jié)性評價，不僅關(guān)注學(xué)生制作的成品，同時也關(guān)注學(xué)生在橋梁設(shè)計與制作過程中的表現(xiàn)。

二、橋梁設(shè)計類項目的獨特教育價值

縱觀相關(guān)研究結(jié)論，橋梁設(shè)計類項目的獨特教育價值主要表現(xiàn)在兩個維度、四大方面，包括實踐能力、科學(xué)探究能力和思維能力三個方面的學(xué)生能力培養(yǎng)維度，以及促進課程的跨學(xué)科整合維度。

（一）橋梁設(shè)計類項目可以提高學(xué)生動手實踐能力

傳統(tǒng)應(yīng)試教育側(cè)重書面知識的學(xué)習，而缺少實踐能力的培養(yǎng)。橋梁設(shè)計類項目以工程制作過程為核心開展教學(xué)，可以有效促進學(xué)生實踐操作能力的提高。例如，在橋梁模型設(shè)計與制作過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生分析橋梁結(jié)構(gòu)的類型以及各結(jié)構(gòu)受力的情況，并要求學(xué)生進行橋梁模型方案的設(shè)計，繪制出橋梁模型圖，完成橋梁模型的搭建任務(wù)；隨后，學(xué)生還需要對橋梁模型進行承重測試，檢測其性能并加以優(yōu)化和改進。顯然，在活動中學(xué)生的動手實踐機會較多，實踐能力能夠得到較好的培養(yǎng)。

（二）橋梁設(shè)計類項目可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

科學(xué)探究能力在中小學(xué)教育目標體系中有著非常重要的地位，例如，義務(wù)教育科學(xué)新課程標準將科學(xué)探究作為發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的核心，特別強調(diào)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)?？茖W(xué)探究能力有不同的評價指標，一般認為有六個核心要素，分別是提出問題、建立假設(shè)、設(shè)計實驗方案、收集事實與證據(jù)、得出結(jié)論、合作與交流[16]。學(xué)生在橋梁設(shè)計類項目教學(xué)過程中能夠形成較強的科學(xué)探究能力，這是因為：以“建造吸管橋”科學(xué)探究活動為例[17]，教師通過創(chuàng)設(shè)真實的橋梁探究情境，引發(fā)學(xué)生思考問題，培養(yǎng)了學(xué)生良好的問題意識；而學(xué)生通過扮演橋梁工程師的角色，親歷橋梁設(shè)計過程，運用知識解決問題的能力也得到了鍛煉和提升；最后，團隊成員需要對搭建的橋梁模型進行評估，交流自己學(xué)習到的知識并分享改進的思路，這不僅培養(yǎng)了團隊合作精神，也提高了學(xué)生溝通交流的能力。

（三）橋梁設(shè)計類項目可以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力

有關(guān)核心素養(yǎng)的研究表明，基礎(chǔ)知識和問題解決能力是核心素養(yǎng)的重要部分，然而，思維能力的培養(yǎng)才是核心素養(yǎng)中最為重要的維度[18][19]。橋梁設(shè)計類項目在實施過程中培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力，尤其體現(xiàn)在設(shè)計思維、統(tǒng)籌思維和創(chuàng)新思維三個方面。

1.培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維能力

工程的基本特征是滿足人與社會的需要，其實現(xiàn)過程主要通過工程活動創(chuàng)造新的人工制品來滿足這些需求[20]。而工程活動中“設(shè)計”環(huán)節(jié)至關(guān)重要，有利于培養(yǎng)人的設(shè)計思維。所謂設(shè)計思維就是一種以解決方案為導(dǎo)向的思維形式，它從工程目標或要達成的可視化成果著手，通過對當下現(xiàn)實可行性分析和未來需求的預(yù)測，探索工程問題中各項參數(shù)變量及可能的解決方案[21]。橋梁設(shè)計類項目包含了典型的工程設(shè)計活動，以橋梁模型設(shè)計競賽為例，通常要求學(xué)生設(shè)計出具有較大承重能力的橋梁模型，即要求該模型應(yīng)具有一定的抗壓和抗拉能力。因此，在設(shè)計過程中學(xué)生要充分考慮結(jié)構(gòu)選型的問題及可能的解決方案，如圓柱形紙桿可以承受一定的壓力和拉力，便可將其作為受彎結(jié)構(gòu)的梁；而為了保證模型有較大的整體抗彎剛度，可將橫梁布置成網(wǎng)格體系或三角形結(jié)構(gòu)等[22]。顯然，在此過程中，學(xué)生的設(shè)計思維可以得到較好的鍛煉和提升。

2.促進學(xué)生統(tǒng)籌思維和折中思維能力的提升

統(tǒng)籌思維是指如何運用各種工具、機器、設(shè)備、人力資源和其他手段等組成合理的工作流程來實現(xiàn)工程目的；而折中思維即妥協(xié)性思維，是指思維主體不得不對相互矛盾的觀點、資源和方案采取權(quán)衡利弊的妥協(xié)立場和態(tài)度，并根據(jù)工程總體目標要求，把沖突、矛盾的因素進行協(xié)調(diào)[23]。橋梁設(shè)計類項目對促進學(xué)生的統(tǒng)籌思維和折中思維能力的提升具有重要的作用。以“意面橋”比賽為例，比賽規(guī)則規(guī)定了參賽者使用的材料和工具，即用意大利面、膠水或硅來建造，并明確提出制作的橋梁成品總重量、橋梁跨度以及橋梁高度等要求[24]。因此，在比賽過程中，參賽者為了獲得好的成績，往往需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各種資源，制定出均衡的設(shè)計方案，不可執(zhí)于一端。同時，在制作過程中，小組成員各司其職，成員之間協(xié)調(diào)配合，借此學(xué)生也學(xué)會了如何與同齡人合作解決橋梁工程問題和實現(xiàn)活動目標。

3.培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力

在創(chuàng)客教育、STEM教育盛行的當下，如何有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力是實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。何克抗指出創(chuàng)新能力必須以創(chuàng)造性思維為基礎(chǔ)，并提出創(chuàng)造性思維的“結(jié)構(gòu)”由發(fā)散思維、邏輯思維、形象思維、直覺思維等要素組成[25]。橋梁設(shè)計類項目的教學(xué)能有效促進學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在以下方面：首先，學(xué)生在進行橋梁設(shè)計的過程中，通過查閱資料分析比對橋梁的結(jié)構(gòu)選型以及各種結(jié)構(gòu)橋梁的受力情況，“同中求異，正向求反，多向輻射”，其發(fā)散思維能力得到了鍛煉和提升；其次，學(xué)生要對其構(gòu)想的橋梁繪制出較為規(guī)范的設(shè)計圖，從而實現(xiàn)由形象思維向直覺思維的轉(zhuǎn)化；最后，學(xué)生依據(jù)繪制的橋梁模型圖制作出了具有創(chuàng)新性的橋梁成品，其創(chuàng)新思維能力也因此得到了較大的提升。

（四）橋梁設(shè)計類項目可以促進跨學(xué)科整合

長期以來，我國中小學(xué)課程結(jié)構(gòu)過于強調(diào)學(xué)科本位和缺乏整合的問題比較突出，淡化學(xué)科界線，使分科課程和整合課程有機聯(lián)系、合理并存，需要持續(xù)不懈的努力，STEM教育契合了這種需求。橋梁設(shè)計類項目作為開展STEM教育的載體之一，也必然有利于促進跨學(xué)科整合。例如，在STEM教育理念指導(dǎo)下的橋梁設(shè)計類項目研究中發(fā)現(xiàn)，教學(xué)設(shè)計采用分學(xué)科的方式進行教學(xué)目標的設(shè)定，并在教學(xué)活動中不斷地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習與橋梁有關(guān)的工程原理和科學(xué)知識，讓學(xué)生在橋梁設(shè)計過程中利用數(shù)學(xué)方法估算橋梁設(shè)計費用，并完成橋梁草圖的繪制。顯然，在橋梁設(shè)計類項目教學(xué)中，多學(xué)科知識融入其中，有助于學(xué)生實現(xiàn)跨學(xué)科和深層次學(xué)習。

三、問題與啟示

綜上所述，橋梁設(shè)計類項目在中小學(xué)教育中不僅有著廣泛的應(yīng)用，而且發(fā)揮著獨特的教育價值，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力、科學(xué)探究能力和思維能力，還可以促進跨學(xué)科整合。此外，梳理國內(nèi)外教學(xué)研究，對比國內(nèi)外橋梁設(shè)計類項目的教學(xué)活動設(shè)計，發(fā)現(xiàn)其中既有共同點，又有較大的差異。首先，國內(nèi)外橋梁設(shè)計類項目教學(xué)在教學(xué)方法和活動形式等方面是相同的，其中均有采用項目教學(xué)法和競賽的方式開展活動教學(xué)，并讓學(xué)生以團隊合作的方式完成挑戰(zhàn)；同時還要求學(xué)生在活動過程中完成多學(xué)科知識的學(xué)習。其次，國內(nèi)外橋梁設(shè)計類項目教學(xué)的差異之處表現(xiàn)在教育理念、教學(xué)重點等方面。國內(nèi)的橋梁設(shè)計教學(xué)強調(diào)學(xué)生在活動中對理論知識的運用以及實踐能力的提升，注重學(xué)生勞動素養(yǎng)的培養(yǎng)；而國外的教學(xué)則更強調(diào)學(xué)生對技術(shù)的掌握與使用，側(cè)重學(xué)生成果的展示過程和學(xué)生表達交流的技巧。

當前國內(nèi)橋梁設(shè)計類項目在教學(xué)實踐和研究層面還存在著諸多不足，主要體現(xiàn)在如下方面：

其一，教學(xué)方法不夠嚴謹。已有的橋梁設(shè)計類項目教學(xué)實踐均采用正向活動設(shè)計的方法，對學(xué)生的能力要求較高，而且在實際教學(xué)過程中，運用該方法容易忽視學(xué)生設(shè)計與制作的科學(xué)性。例如，在設(shè)計橋梁圖紙時，學(xué)生并沒有理解圖紙對于模型制作和工程設(shè)計的重要性，也不清楚如何把握設(shè)計圖紙繪制精確度等問題，最終導(dǎo)致學(xué)生在制作模型方面困難較大，花費時間也較長[26]。

其二，跨學(xué)科整合深度不夠。當前橋梁設(shè)計類項目課程僅僅關(guān)注項目中有沒有卷入多個學(xué)科的知識內(nèi)容，沒有做深入的分析和融合，導(dǎo)致不同學(xué)科內(nèi)容之間不具有內(nèi)在邏輯性和外在關(guān)聯(lián)性。此外，課程教學(xué)目標也只依據(jù)STEM教育內(nèi)涵劃分為科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個方面，缺少從學(xué)科層面以及思維層面的考量。

其三，側(cè)重技能的訓(xùn)練，缺少思維的啟迪與提升。在中小學(xué)橋梁設(shè)計類項目教學(xué)中，雖然設(shè)計了科學(xué)探究過程和工程設(shè)計與制作過程，但在實踐教學(xué)中對科學(xué)探究過程重視程度不高。相反，橋梁設(shè)計教學(xué)過于注重橋梁制作的成品，不僅忽視了科學(xué)探究過程的重要性，而且缺乏對學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

其四，項目活動較為傳統(tǒng)，缺少新技術(shù)的應(yīng)用。在橋梁的設(shè)計與制作過程中，活動的材料供給和應(yīng)用均采用簡單的紙張、木條和吸管等傳統(tǒng)的工具，缺乏新技術(shù)的使用；而且在已有的橋梁項目活動中，學(xué)生并沒有對預(yù)先設(shè)想的模型進行預(yù)荷載測試，而是在完成橋梁模型后才進行承重測試并加以改進，因此活動的效率大大降低。

針對存在的不足，后續(xù)研究可以從多個角度或方向進行完善和改進，主要建議包括：

其一，重視科學(xué)探究過程。教學(xué)中應(yīng)強化科學(xué)探究實驗的地位，并嚴格按照科學(xué)探究的流程進行操作，例如，在探究實驗中要求學(xué)生提出問題，控制單一變量，并針對問題作出合理假設(shè)，通過驗證假設(shè)得出結(jié)論，借此培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)?、科學(xué)規(guī)范的探究思維和方法。

其二，可以采用多維度交叉的方式描述教學(xué)目標。為了避免割裂學(xué)科間的聯(lián)系，不要局限于分學(xué)科的目標描述，而可以從知識與技能維度、過程與方法維度、學(xué)科和跨學(xué)科維度等多個維度和層面描述學(xué)習目標。以橋梁設(shè)計類項目為例，首先可以從學(xué)科知識的角度進行分析，將教學(xué)活動與具體學(xué)科目標一一對應(yīng)，如將測量橋梁的質(zhì)量對應(yīng)到物理學(xué)科的相關(guān)知識點；其次，可以從工程設(shè)計的角度，描述解決特定橋梁所需的學(xué)科知識及其相互關(guān)系，建立不同學(xué)科知識之間的聯(lián)系，并從工程思維的角度提煉項目活動需要培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成的統(tǒng)籌與折中、迭代等具體工程思維[27]。

其三，建立完善有效的評估體系。教學(xué)評價需從多方面和多角度考量，應(yīng)包含過程性評價和總結(jié)性評價。因此，教學(xué)中不僅要對學(xué)生制作的橋梁成品，從其性能、結(jié)構(gòu)、美觀、創(chuàng)新等方面做總結(jié)性評價；同時，教師可為學(xué)生提供多種學(xué)習活動支持文檔，例如，給予學(xué)生結(jié)構(gòu)式作業(yè)本，其中可以包含引起知識反思和知識支架的問題，且要向?qū)W生強調(diào)作業(yè)本填寫的重要性，并將其作為過程性評價的數(shù)據(jù)來源[28]。

其四，引入新的技術(shù)應(yīng)用。教學(xué)中應(yīng)該重視學(xué)生對新技術(shù)的掌握和使用，來更好地解決工程中的問題。例如，在工程制作過程中，學(xué)生可以采用3D打印技術(shù)和激光雕刻等快速成型技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)橋梁的模型搭建；在科學(xué)探究過程中，數(shù)據(jù)的獲取可以基于開源硬件的傳感與控制技術(shù)的運用來實現(xiàn)。此外，對于橋梁荷載的情況分析，可以利用有限元軟件進行預(yù)實驗，以確定它是否足以承受預(yù)計的載荷[29]。

其五，探索新的教學(xué)方法。隨著橋梁設(shè)計類項目在中小學(xué)教育中的廣泛應(yīng)用，還需要探尋一種新的教學(xué)方法來解決教學(xué)過程中的問題，其中，逆向工程方法值得關(guān)注。例如，康斯雅等對機器人教育中的逆向工程教學(xué)模式進行分類，提出逆向工程教學(xué)模式的“燈籠模型”。該模型主要包括四種教學(xué)模式，其主要的過程是試用感知產(chǎn)品，進行解構(gòu)和再設(shè)計，最后進行評價和總結(jié)[30]。研究表明，將這種教學(xué)模式應(yīng)用到中小學(xué)機器人課堂教學(xué)中，有利于提升學(xué)生的深度學(xué)習，對師生能力條件要求較低，同時需要的時間周期較短，也有利于減少經(jīng)費的投入。[31]在未來的研究中，如果將逆向工程方法遷移到橋梁設(shè)計類項目中，能否改善教學(xué)效果，能否降低學(xué)生在設(shè)計與制作過程中的難度，其適用性和有效性尚需進一步分析和論證研究。