柏毅 仇慧

本文從工程思維的內(nèi)涵出發(fā)，結(jié)合小學(xué)STEM課程案例《地球的脈動(dòng)》，分析如何在STEM課程中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，并基于課程的具體實(shí)施情況給出以下幾點(diǎn)教學(xué)建議：加強(qiáng)不同學(xué)科間的知識(shí)結(jié)合;注重小組項(xiàng)目式合作交流;構(gòu)建合理的工程思維評(píng)價(jià)方式。

《未來(lái)工作：第四次工業(yè)革命的就業(yè)、技能和勞動(dòng)力戰(zhàn)略》報(bào)告指出，至2020年，就業(yè)市場(chǎng)對(duì)擁有解決復(fù)雜問(wèn)題能力和社交技能人才的需要會(huì)遠(yuǎn)高于對(duì)體力和專業(yè)技能人才的需要。STEM教育培養(yǎng)的復(fù)合型人才將是就業(yè)市場(chǎng)的主要需求之一?，F(xiàn)如今在小學(xué)教育階段，科學(xué)思維抑或是批判性思維被頻頻提起，卻少有人提到工程思維的培養(yǎng)。筆者認(rèn)為，工程思維小到了解船是如何沉浮，大到探索飛船如何在宇宙航行，不管是處于哪個(gè)學(xué)習(xí)階段，都需要具備運(yùn)用綜合知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題的能力，而小學(xué)STEM課程作為承擔(dān)跨學(xué)科教育的主力軍，研究如何在STEM課程中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、基于工程思維的小學(xué)STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)方案

（一）構(gòu)建真實(shí)情境，提出核心目標(biāo)

工程思維培養(yǎng)的是學(xué)生解決問(wèn)題的能力，老師在此過(guò)程中應(yīng)當(dāng)承擔(dān)問(wèn)題引出者的角色，創(chuàng)設(shè)一定的教學(xué)環(huán)境有利于學(xué)生將所掌握的知識(shí)和技能運(yùn)用于問(wèn)題解決，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生將多學(xué)科知識(shí)相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行有意義的構(gòu)建。教學(xué)情境的設(shè)計(jì)必須具有真實(shí)性，讓學(xué)生真正融入解決問(wèn)題的角色，以工程師的身份去思考如何設(shè)計(jì)方案。

在《地球的脈動(dòng)》一課中，老師首先通過(guò)一段火山噴發(fā)的小視頻引起學(xué)生深入探究的興趣，繼而引出一個(gè)情境問(wèn)題：“為什么會(huì)發(fā)生火山噴發(fā)或地震呢？”繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的構(gòu)建。在學(xué)生了解地球是由地殼、地幔、地核三部分組成的基礎(chǔ)上，老師解釋火山噴發(fā)以及地震形成的原因，之后向?qū)W生展示地震帶來(lái)的危害，賦予學(xué)生工程師的角色，引出課程核心目標(biāo)：“如何設(shè)計(jì)一個(gè)地震預(yù)警器，從而減少地震損失？”

（二）展開調(diào)查研究，形成基本概念

工程思維的培養(yǎng)建立在多學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用的基礎(chǔ)上，學(xué)生在這一過(guò)程中開始構(gòu)建知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，通過(guò)組間討論或者詢問(wèn)老師，對(duì)問(wèn)題的研究逐漸深入。這需要大量的材料支撐，老師在這一過(guò)程中應(yīng)當(dāng)承擔(dān)資料提供者的角色，讓學(xué)生在腦海中形成基本設(shè)計(jì)框架，為后期模型搭建做準(zhǔn)備。

這一過(guò)程中，學(xué)生開始探索地震預(yù)警器是由哪些部分組成的。這期間，老師可以向?qū)W生展示已有的地震預(yù)警器的圖片作為參考。通過(guò)觀察總結(jié)，學(xué)生知道一個(gè)簡(jiǎn)易的地震預(yù)警器由兩部分組成：電路報(bào)警部分以及固定框架部分。電路報(bào)警部分由老師提供電池、蜂鳴器、發(fā)光二極管、細(xì)銅絲等材料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電路的搭建;固定框架部分，老師提供的材料有木條、PVC板、單擺、鐵絲等，此處可以引導(dǎo)學(xué)生探討哪種結(jié)構(gòu)會(huì)在地震過(guò)程中更加穩(wěn)定，從而完成學(xué)科間知識(shí)的靈活結(jié)合。

（三）繪制作品藍(lán)圖，搭建初始模型

科學(xué)的核心是發(fā)現(xiàn)，工程的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)。工程師解決工程問(wèn)題前，必須繪制精確設(shè)計(jì)圖，最終的產(chǎn)品也是嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖制作的。因此，在STEM課程中，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的繪圖習(xí)慣非常有利于工程思維的培養(yǎng)。設(shè)計(jì)圖繪制完成后，老師應(yīng)當(dāng)要求學(xué)生后期模型的搭建完全建立在設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上。

繪圖的過(guò)程是學(xué)生將思考落地的過(guò)程。本課程的地震檢測(cè)器設(shè)計(jì)圖包括電路報(bào)警部分以及固定框架部分。電路報(bào)警部分涉及串并聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)，因此可以先讓學(xué)生繪制該部分的電路圖。在繪制過(guò)程中，如果出現(xiàn)串并聯(lián)概念不清、正負(fù)極接反等問(wèn)題，老師應(yīng)該適時(shí)地給予建議。電路圖繪制完成后開始設(shè)計(jì)固定框架部分，在設(shè)計(jì)中需要對(duì)各種因素進(jìn)行反復(fù)選擇和權(quán)衡。此時(shí)不同小組可能會(huì)產(chǎn)生不同想法，老師應(yīng)該要求學(xué)生不僅僅要將設(shè)計(jì)圖簡(jiǎn)單地畫在紙上，更需要將框架的各個(gè)部分詳細(xì)注明使用材料以及長(zhǎng)度、寬度等，促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)與工程設(shè)計(jì)的融合。

（四）優(yōu)化成品結(jié)構(gòu)，展示匯報(bào)成果

工程思維的最大特點(diǎn)就是要做出實(shí)際可靠的解決問(wèn)題的產(chǎn)品。在這個(gè)過(guò)程中要考慮多種因素，不斷優(yōu)化，持續(xù)改進(jìn)。STEM課程的開展方式不同于傳統(tǒng)課程，評(píng)價(jià)方式自然也有所不同，小組匯報(bào)展示能夠讓學(xué)生和老師充分了解該組設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，更有利于對(duì)小組作品做出全面的評(píng)價(jià)。

地震檢測(cè)儀初始模型搭建結(jié)束后，老師可以組織學(xué)生進(jìn)行第一次測(cè)試。將每組成品放置在平整桌面，用不同的力搖晃桌子，模擬不同程度的地震場(chǎng)景，觀察每組報(bào)警裝置是否成功運(yùn)轉(zhuǎn)，并從電路連接、報(bào)警靈敏度等方面給出建議。所有小組測(cè)試完成后，請(qǐng)學(xué)生繼續(xù)改進(jìn)存在的不足。經(jīng)過(guò)幾輪改進(jìn)后，提醒學(xué)生組織匯報(bào)，每組限定在3～5分鐘，老師先介紹打分標(biāo)準(zhǔn)等，各小組依次上臺(tái)展示匯報(bào)，其余小組在臺(tái)上小組匯報(bào)完成后，可以提問(wèn)，老師則同時(shí)根據(jù)打分標(biāo)準(zhǔn)打分。

二、基于工程思維的小學(xué)STEM課程教學(xué)建議

（一）加強(qiáng)不同學(xué)科間的知識(shí)結(jié)合

隨著學(xué)科間的邊界逐漸模糊，越來(lái)越多的課程考慮到交叉學(xué)科的知識(shí)攝入。STEM課程作為多學(xué)科融合的課程，所承擔(dān)的教學(xué)責(zé)任尤為凸顯。教學(xué)工作者在STEM教育中，應(yīng)當(dāng)提醒學(xué)生利用多學(xué)科關(guān)聯(lián)的知識(shí)解決問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生從工程思維的角度，設(shè)計(jì)完善STEM作品，實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科界限、從多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力的教育目標(biāo)。

（二）注重小組項(xiàng)目式合作交流

STEM課程的實(shí)施多以項(xiàng)目式合作的方式展開，此過(guò)程需要小組內(nèi)學(xué)生合作完成作品并展示。筆者在《地球的脈動(dòng)》課程實(shí)施過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在“搭便車”情況，即一人在做，其他成員觀望。針對(duì)這一現(xiàn)象，一方面，教學(xué)工作者可提前了解學(xué)生學(xué)情，將不同水平的學(xué)生劃分到同一小組承擔(dān)不同角色;另一方面，對(duì)極個(gè)別表現(xiàn)突出的學(xué)生，采取鼓勵(lì)方式，引導(dǎo)其帶領(lǐng)同組學(xué)生分工合作，盡可能做到人人有其責(zé)。

（三）構(gòu)建合理的工程思維評(píng)價(jià)方式

工程思維評(píng)價(jià)方式，就是引導(dǎo)學(xué)生不單單從作品是否能夠完成目標(biāo)任務(wù)出發(fā)進(jìn)行評(píng)價(jià)，還應(yīng)該結(jié)合作品的不同方面，從不同的角度對(duì)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。工程思維除了最終達(dá)到解決問(wèn)題的目標(biāo)外，也需要考慮時(shí)間、成本等因素。功能性任務(wù)完成后，作品的美觀度等均需在考慮范圍之內(nèi)。因此，形成性評(píng)價(jià)和表現(xiàn)性評(píng)價(jià)在工程思維評(píng)價(jià)方式中尤為重要。

三、結(jié)語(yǔ)

如何在小學(xué)STEM課程中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，是一個(gè)值得深究的課題，作為教學(xué)研究者或者一線的教育工作者，不僅僅要從理論層面了解工程思維的內(nèi)涵，更應(yīng)該通過(guò)不斷的教學(xué)實(shí)踐，摸索、驗(yàn)證和優(yōu)化在STEM課程中培養(yǎng)學(xué)生工程思維的途徑。