中小學(xué)工程啟蒙教育的實(shí)施策略

*本文系浙江省教育科學(xué)規(guī)劃2023年度重點(diǎn)課題“中小學(xué)工程啟蒙教育的實(shí)踐探索”（課題編號(hào)：2023SB118）的階段性研究成果。

摘" " 要：在當(dāng)前加強(qiáng)科學(xué)教育的背景下，工程教育受到了極大關(guān)注。基礎(chǔ)教育階段是工程教育的啟蒙階段，中小學(xué)要積極開展工程啟蒙教育。學(xué)校要基于學(xué)校文化、結(jié)合學(xué)校課程體系規(guī)劃工程啟蒙教育并提供保障機(jī)制，要多路徑開發(fā)工程啟蒙教育課程、多角度開發(fā)工程啟蒙教育的工程項(xiàng)目，還要根據(jù)工程啟蒙教育中工程思維的過程模型（包括定義問題、調(diào)查研究、方案設(shè)計(jì)、原型制作、測(cè)試優(yōu)化五個(gè)步驟）指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：工程教育；中小學(xué)工程啟蒙教育；科學(xué)教育

2023年5月，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》，系統(tǒng)部署在教育“雙減”中做好科學(xué)教育加法，支撐服務(wù)一體化，推進(jìn)教育、科技、人才高質(zhì)量發(fā)展［1］。在當(dāng)前加強(qiáng)科學(xué)教育的背景下，工程教育受到了極大關(guān)注?；A(chǔ)教育階段是工程教育的啟蒙階段，開展工程啟蒙教育不僅可以激發(fā)中小學(xué)生對(duì)工程技術(shù)的興趣和熱情，幫助他們更好地了解工程的基本概念和原理，而且對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)合作和未來的職業(yè)規(guī)劃也有著重要作用［2］。本文基于浙江省工程啟蒙教育的實(shí)踐，對(duì)如何規(guī)劃工程啟蒙教育、如何開發(fā)工程啟蒙教育課程與項(xiàng)目、如何指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)等問題進(jìn)行闡述，以期為中小學(xué)開展工程啟蒙教育提供相應(yīng)的策略。

一、如何規(guī)劃工程啟蒙教育

（一）基于學(xué)校文化

工程啟蒙教育的深度實(shí)踐離不開學(xué)校文化建設(shè)，學(xué)校要結(jié)合自身的育人理念、制度文化等，設(shè)計(jì)具有自身特色的育人目標(biāo)，以便為工程啟蒙教育的開展奠定良好的人文基礎(chǔ)。同時(shí)，校園所營(yíng)造的工程啟蒙教育文化環(huán)境和精神內(nèi)涵，對(duì)全校師生也都具有潛移默化的影響。

明確“想要培養(yǎng)什么樣的人”這一問題，是創(chuàng)新人才培育的核心問題。工程啟蒙教育的人才培育導(dǎo)向與工程素養(yǎng)有關(guān)，包含系統(tǒng)思維、創(chuàng)造性思維、積極樂觀、團(tuán)隊(duì)合作、溝通與倫理道德等要素。這些要素可以在校園的文化建設(shè)中充分實(shí)現(xiàn)。例如，“親力親為，實(shí)踐出真知”是杭州綠城育華親親學(xué)校的育人文化，學(xué)校的一切育人活動(dòng)都致力于讓學(xué)生通過親歷實(shí)踐，培養(yǎng)其創(chuàng)造性解決問題的能力，所以學(xué)生的工程素養(yǎng)具有深刻的學(xué)校文化烙印。例如，學(xué)校的工程項(xiàng)目“家長(zhǎng)休息室”，通過構(gòu)建真實(shí)的項(xiàng)目環(huán)境，歷經(jīng)“調(diào)研—測(cè)量—設(shè)計(jì)—制作—迭代”一系列環(huán)節(jié)，讓學(xué)生充分參與校園建設(shè)，并從中提升解決問題的能力。

（二）結(jié)合學(xué)校課程體系

《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“《課程方案》”）提出“優(yōu)化綜合實(shí)踐活動(dòng)實(shí)施方式與路徑，推進(jìn)工程與技術(shù)實(shí)踐。積極探索新技術(shù)背景下學(xué)習(xí)環(huán)境與方式的變革”［3］。在學(xué)校課程體系建設(shè)中，工程啟蒙教育應(yīng)從國(guó)家課程、拓展性課程和學(xué)校科技實(shí)踐活動(dòng)等方面進(jìn)行系統(tǒng)思考，并圍繞學(xué)校特定的育人目標(biāo)進(jìn)行系列建構(gòu)。浙江省中小學(xué)工程啟蒙教育根據(jù)育人目標(biāo)，依托科學(xué)、信息科技、通用技術(shù)等國(guó)家課程，探索工程思維的有效教學(xué)。由于工程教育和技術(shù)教育存在緊密聯(lián)系，技術(shù)是工程學(xué)習(xí)的重要工具和手段，在學(xué)科中探尋工程啟蒙教育的落腳點(diǎn)，形成依托學(xué)科的系列工程項(xiàng)目課程體系，是培育工程思維的有效載體。

新時(shí)期的勞動(dòng)教育秉持“發(fā)揮主體作用，激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)造……鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)和借鑒他人豐富經(jīng)驗(yàn)、技藝的基礎(chǔ)上，嘗試新方法、探索新技術(shù)，打破僵化思維方式，推陳出新”［4］這一理念，學(xué)校要在勞動(dòng)教育實(shí)施中嵌入工程啟蒙教育，啟發(fā)創(chuàng)造性勞動(dòng)。勞動(dòng)教育中的工業(yè)類、傳統(tǒng)工藝類、創(chuàng)新設(shè)計(jì)類等勞動(dòng)，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐特征。學(xué)校要開展研究設(shè)計(jì)思維的啟蒙實(shí)踐，在學(xué)生親力親為解決問題的過程中，既關(guān)注其動(dòng)手實(shí)踐，也關(guān)注其社會(huì)性和創(chuàng)造性實(shí)踐。

技術(shù)與工程研究是跨學(xué)科的，學(xué)校要在跨學(xué)科教育中強(qiáng)化技術(shù)與工程實(shí)踐?？鐚W(xué)科工程項(xiàng)目基于真實(shí)問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用各學(xué)科技能，以數(shù)字建模、工程建模等多樣化的方法，創(chuàng)新解決開放性的劣構(gòu)問題。項(xiàng)目涉及許多領(lǐng)域，有交通與運(yùn)輸、能源與動(dòng)力、建筑與安裝、機(jī)械與信息、運(yùn)輸與物流等。

（三）提供保障機(jī)制

教育行政部門要轉(zhuǎn)變單純以學(xué)科成績(jī)作為學(xué)生升學(xué)唯一依據(jù)的評(píng)估制度，將學(xué)生參與工程與技術(shù)項(xiàng)目的次數(shù)、作品的質(zhì)量、創(chuàng)造力的發(fā)展等納入學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)范疇。同時(shí)，為特長(zhǎng)生打通升學(xué)通道，解決畢業(yè)生出口問題，緩解家長(zhǎng)的后顧之憂。對(duì)教師的評(píng)估要加強(qiáng)工程啟蒙教育的績(jī)效衡量，給予工程啟蒙教育專/兼職教師更多的肯定與鼓勵(lì)，以促進(jìn)學(xué)校工程啟蒙教育的良性發(fā)展。

中小學(xué)工程啟蒙教育的實(shí)施，需要有一支能持續(xù)學(xué)習(xí)和拓展知識(shí)領(lǐng)域的跨學(xué)科教師隊(duì)伍。同時(shí)，教師隊(duì)伍也要互相合作，促進(jìn)教育創(chuàng)新。學(xué)校在打造團(tuán)隊(duì)文化的過程中，可圍繞“價(jià)值觀與愿景”“核心優(yōu)勢(shì)”“團(tuán)隊(duì)合作”“信任感和透明度”“學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”等五個(gè)方面，使跨學(xué)科教研形成規(guī)范與常態(tài)，有計(jì)劃地開展各項(xiàng)研究與學(xué)習(xí)，以促進(jìn)每位教師在實(shí)踐中產(chǎn)生多維思考、共同進(jìn)步。

現(xiàn)有學(xué)科教師基本是分科培養(yǎng)的。針對(duì)已入職教師，學(xué)?？梢詮目茖W(xué)、信息科技、通用技術(shù)和美術(shù)等學(xué)科教師中選擇有工程技術(shù)背景或興趣的教師進(jìn)行在職培養(yǎng)，形成一批能擔(dān)當(dāng)綜合類工程課程教學(xué)的師資團(tuán)隊(duì)。同時(shí)，可建立課程輔助人員進(jìn)校園機(jī)制，如工程師、家長(zhǎng)進(jìn)校園指導(dǎo)參觀，大學(xué)生、研究生志愿者進(jìn)校園開展社會(huì)服務(wù)，專門的課程服務(wù)機(jī)構(gòu)人員進(jìn)校園指導(dǎo)等，以補(bǔ)充學(xué)校教師在專業(yè)上的欠缺。

二、如何開發(fā)工程啟蒙教育課程與項(xiàng)目

（一）多路徑開發(fā)工程啟蒙教育課程

課程架構(gòu)需要確定課程目標(biāo)，課程內(nèi)容與邏輯編排，教學(xué)方法與策略，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等要素。浙江省中小學(xué)工程啟蒙教育注重多路徑開發(fā)工程啟蒙教育課程，呈現(xiàn)出以下課程架構(gòu)思路。

1.領(lǐng)域?qū)虻恼n程架構(gòu)

工程核心知識(shí)（概念）是對(duì)已有工程本質(zhì)的認(rèn)知與理解。其領(lǐng)域包含能源動(dòng)力，建筑環(huán)境，材料與化學(xué)，信息通信和人工智能等。領(lǐng)域?qū)虻恼n程架構(gòu)是目前較為廣泛的課程建構(gòu)模式，既有融合在單學(xué)科（科學(xué)、信息科技等）課程中的跨學(xué)科概念整合，也有單一某種工程概念的聚合課程。例如，諸暨市海亮小學(xué)的少兒工程院課程是由機(jī)械、能源、交通和建筑等領(lǐng)域聚合而成的課程體系；杭州市保俶塔實(shí)驗(yàn)學(xué)校的技術(shù)與工程課程群，包含了工程與建模、電子與遙感、信息與智能等領(lǐng)域。領(lǐng)域?qū)虻恼n程架構(gòu)，使學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域工程知識(shí)的學(xué)習(xí)更加完整和深刻。

2.目標(biāo)（能力）導(dǎo)向的課程架構(gòu)

學(xué)?？梢砸怨こ趟仞B(yǎng)能力培養(yǎng)為目標(biāo)，架構(gòu)有共性、有關(guān)聯(lián)的課程。工程素養(yǎng)能力包括系統(tǒng)思考、創(chuàng)造力、批判性思考、樂觀合作溝通等。學(xué)?？蛇x擇某類能力作為學(xué)校育人目標(biāo)，構(gòu)建有層次、有梯度的課程，以幫助學(xué)生培養(yǎng)工程素養(yǎng)的關(guān)鍵能力。例如，杭州綠城育華親親學(xué)校聚焦設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)的課程架構(gòu)，將3～9年級(jí)劃分為四個(gè)不同階段，在不同階段融入不同的設(shè)計(jì)思維學(xué)習(xí)內(nèi)容與目標(biāo)，以此逐步培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新品質(zhì)的設(shè)計(jì)思維能力。此類課程所包含的領(lǐng)域廣泛，但每個(gè)年級(jí)課程實(shí)施的底層邏輯和目標(biāo)是明確不變的。

3.主題（問題）導(dǎo)向的課程架構(gòu)

學(xué)?？蓢@工程的某類主題或問題架構(gòu)課程。主題導(dǎo)向的課程架構(gòu)是指學(xué)校提煉多學(xué)科或工程多領(lǐng)域的核心議題，將其整合為課程的中心主題，并確定課程主線和統(tǒng)籌設(shè)計(jì)課程內(nèi)容。問題導(dǎo)向的課程架構(gòu)也是常見的課程架構(gòu)方式。中小學(xué)工程啟蒙教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生能創(chuàng)造性地解決問題。因此，問題導(dǎo)向的課程架構(gòu)主要依托于對(duì)問題的創(chuàng)造性解決。例如，舟山市南海實(shí)驗(yàn)學(xué)校的項(xiàng)目課程“打造一艘能載人的帆船”，針對(duì)學(xué)校周邊特有的海域環(huán)境，提出載人帆船的打造問題，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)出新穎觀點(diǎn)，創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)和解決問題。

（二）多角度開發(fā)工程啟蒙教育的工程項(xiàng)目

這里，“工程項(xiàng)目”中的“工程”，可以理解為系統(tǒng)學(xué)習(xí)并運(yùn)用知識(shí)解決工程問題的一種造物活動(dòng)［5］。我們可以從尋找項(xiàng)目來源與關(guān)聯(lián)課程兩個(gè)角度來開發(fā)工程項(xiàng)目。

1.多視角尋找項(xiàng)目來源

（1）基于傳統(tǒng)項(xiàng)目的改造。工程項(xiàng)目可分為制造工程項(xiàng)目、工藝工程項(xiàng)目、機(jī)電工程項(xiàng)目等，雖然其流程繁復(fù)、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、專業(yè)性過強(qiáng)，但制造技術(shù)與工程知識(shí)的提升將更有利于學(xué)生成為技術(shù)的使用者與創(chuàng)造者。結(jié)合中小學(xué)綜合素養(yǎng)要求以及學(xué)情，學(xué)?？梢詫⒅攸c(diǎn)落于制造類和工藝類的傳統(tǒng)項(xiàng)目上，如木工、金工、泥塑等。如杭州綠城育華親親學(xué)校的“校園木工進(jìn)行時(shí)”項(xiàng)目，教師降低了傳統(tǒng)木工的復(fù)雜性與專業(yè)性，保留了其實(shí)踐性與真實(shí)性，并結(jié)合項(xiàng)目管理理論實(shí)施教學(xué)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生高水平的木工實(shí)踐能力，而且使學(xué)生能夠有意識(shí)地對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、時(shí)刻監(jiān)督。

（2）針對(duì)現(xiàn)實(shí)問題的解決。工程項(xiàng)目的目標(biāo)性、創(chuàng)造性和價(jià)值性皆基于解決真實(shí)的工程問題。在現(xiàn)實(shí)生活中尋找問題，更有利于創(chuàng)設(shè)真實(shí)的項(xiàng)目背景與問題解決場(chǎng)景，幫助學(xué)生更好地投入觀察、深度思考和發(fā)散創(chuàng)意，尤其是項(xiàng)目主題的緊迫性和相關(guān)性，能給予學(xué)生更高的吸引力與成就感。如要開展“立體停車場(chǎng)”項(xiàng)目，就可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)相關(guān)原理對(duì)“停車難”這一問題展開探究。在這樣的探究中，學(xué)生可以結(jié)合親身體驗(yàn)，通過相關(guān)信息的獲取和處理，運(yùn)用工程與信息技術(shù)知識(shí)制作產(chǎn)品，并對(duì)產(chǎn)品的合理性和實(shí)用性進(jìn)行評(píng)估。

（3）面向前沿領(lǐng)域的嘗試性探究。前沿科學(xué)研究與技術(shù)研發(fā)能力是未來經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的必要條件，也是培養(yǎng)全球化綜合型人才的重要目標(biāo)。對(duì)前沿領(lǐng)域進(jìn)行嘗試性探究，有利于鼓勵(lì)學(xué)生在了解專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、學(xué)習(xí)基本技藝的基礎(chǔ)上，嘗試新方法、探索新技術(shù)，打破僵化的思維方式。前沿科技領(lǐng)域多由學(xué)科頂尖工程組成，如機(jī)械與運(yùn)載工程包括“協(xié)同式無人駕駛與運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)”“飛行器船舶甲板自主著陸技術(shù)”等子工程。因此，浙江省積極推動(dòng)前沿領(lǐng)域的中小學(xué)探究模式，以期讓學(xué)生了解最前沿的知識(shí)和技術(shù)本質(zhì)，認(rèn)識(shí)最前沿現(xiàn)象。如在航天航空領(lǐng)域，“‘烷’轉(zhuǎn)‘星’空”項(xiàng)目為火星設(shè)計(jì)了一套安全運(yùn)輸并儲(chǔ)存甲烷的工程方案，以現(xiàn)有學(xué)科知識(shí)解決未來火星家園的資源運(yùn)輸與存儲(chǔ)問題；在建筑工程領(lǐng)域，“未來城市規(guī)劃設(shè)計(jì)”項(xiàng)目就城市化進(jìn)程中出現(xiàn)的交通擁堵、熱島效應(yīng)及各種環(huán)境污染等問題展開規(guī)劃與設(shè)計(jì)，運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)和多種思維工具，建構(gòu)多維度城市區(qū)域設(shè)計(jì)模型。

2.充分關(guān)聯(lián)相關(guān)課程

《課程方案》重視課程的綜合性和實(shí)踐性，明確提出設(shè)立跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)科聯(lián)系，堅(jiān)持創(chuàng)新導(dǎo)向，著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。因此，學(xué)?？梢猿浞株P(guān)聯(lián)學(xué)科課程開發(fā)工程項(xiàng)目。

（1）科學(xué)：基于學(xué)科單元重構(gòu)的項(xiàng)目實(shí)踐探索?？茖W(xué)探究與工程實(shí)踐是學(xué)以致用的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在科學(xué)教學(xué)中，教師要倡導(dǎo)以探究和實(shí)踐為主的多樣化學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生主動(dòng)參與、應(yīng)用遷移、合作學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)與價(jià)值體驗(yàn)。如《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》所提到的四個(gè)跨學(xué)科概念中，物質(zhì)與能量概念可以與材料工程、綠色建筑、電子工程等領(lǐng)域結(jié)合立項(xiàng)，系統(tǒng)與模型概念可以和生物工程、環(huán)境保護(hù)工程、航空工程等領(lǐng)域結(jié)合立項(xiàng)。將科學(xué)學(xué)科概念及知識(shí)技能作為達(dá)成項(xiàng)目目標(biāo)的工具與途徑，有助于實(shí)現(xiàn)基于科學(xué)學(xué)科的項(xiàng)目實(shí)踐探索。如在“光與建筑”項(xiàng)目中，教師可引導(dǎo)學(xué)生反思與推理學(xué)校體育館存在的能源浪費(fèi)問題，并結(jié)合光的反射、折射等原理引光入室，以提高照明能力。在科學(xué)學(xué)科知識(shí)參與的工程項(xiàng)目中，學(xué)生可以學(xué)會(huì)嚴(yán)謹(jǐn)分析，合理思辨，培養(yǎng)批判性思維，形成學(xué)科知識(shí)體系。

（2）信息科技：基于計(jì)算思維的信息技能系統(tǒng)建構(gòu)。信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，其包含的核心素養(yǎng)及高階思維是學(xué)生應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的必備技能。工程項(xiàng)目作為一個(gè)復(fù)雜的集成性系統(tǒng)，集成了各類方法與技術(shù)，信息科技無疑是其中一個(gè)強(qiáng)有力的推手。在與之關(guān)聯(lián)的工程項(xiàng)目中，教師可以從信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四大核心素養(yǎng)提取學(xué)段具體目標(biāo)，明確不同學(xué)段的素養(yǎng)水平，進(jìn)行分層教學(xué)。如“獨(dú)行月球：玉兔號(hào)月球車”項(xiàng)目，可以設(shè)計(jì)有趣且緊迫的情境，要求學(xué)生救出被困在月球上的航天員獨(dú)孤月。學(xué)生可根據(jù)計(jì)算思維模型，對(duì)已有信息進(jìn)行抽象、分解和建模，從而形成解決問題的可行性方案，還可根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制作月球車模型，并在過程中不斷嘗試、模擬和驗(yàn)證，以使計(jì)算思維與信息素養(yǎng)得到不斷訓(xùn)練，最終內(nèi)化為綜合的工程素養(yǎng)。

（3）技術(shù)課程：基于問題解決的實(shí)踐技能優(yōu)化。技術(shù)是指從人類需求出發(fā)，秉持一定的價(jià)值理念，運(yùn)用各種物質(zhì)及裝置、工藝方法、知識(shí)技能與經(jīng)驗(yàn)等，實(shí)現(xiàn)一定使用價(jià)值的創(chuàng)造性實(shí)踐活動(dòng)。技術(shù)教育在義務(wù)教育階段以勞動(dòng)課程為載體，在高中階段以通用技術(shù)課程為載體。

勞動(dòng)是人類為了認(rèn)識(shí)和改造世界而輸出勞動(dòng)價(jià)值的實(shí)踐活動(dòng)。勞動(dòng)是一種生產(chǎn)性運(yùn)動(dòng)，從造物性、目的性、籌劃性、實(shí)踐性等維度而言，勞動(dòng)與工程有著十分相似的特性，工程也屬于一種勞動(dòng)。由此，我們可以參考勞動(dòng)教材中的主題內(nèi)容構(gòu)建以實(shí)踐為主線的工程項(xiàng)目，并注重加強(qiáng)與學(xué)生生活和社會(huì)實(shí)際的聯(lián)系，提供豐富多樣的實(shí)踐方式。如杭州綠城育華親親學(xué)校的“親親游樂園設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，源自浙江省義務(wù)教育教科書《勞動(dòng)》中的項(xiàng)目，意在引導(dǎo)學(xué)生既要關(guān)注勞動(dòng)創(chuàng)新，又要努力開展勞動(dòng)實(shí)踐，掌握并提高基本的勞動(dòng)技能。學(xué)生通過分析、頭腦風(fēng)暴、設(shè)計(jì)等流程來回答如何創(chuàng)新勞動(dòng)方式，通過采購、制作、評(píng)價(jià)、優(yōu)化等流程形成高質(zhì)量的勞動(dòng)成果，設(shè)身處地地思考校園游樂園的改造需求與方向，在關(guān)注工程設(shè)計(jì)的過程中感悟勞動(dòng)價(jià)值。

通用技術(shù)是運(yùn)用較為廣泛且區(qū)別于專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)，也是學(xué)生適應(yīng)社會(huì)生活、高等教育和職業(yè)發(fā)展所必需的技術(shù)。普通高中通用技術(shù)課程立足實(shí)踐，注重創(chuàng)造，工程項(xiàng)目的開發(fā)也可以基于通用技術(shù)教材。如杭州外國(guó)語學(xué)校的“設(shè)計(jì)火星上的風(fēng)力發(fā)電裝置”項(xiàng)目，綜合考慮人、物、環(huán)境等現(xiàn)實(shí)因素的約束，運(yùn)用通用技術(shù)教材中結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、技術(shù)交流與評(píng)價(jià)等理論，完成風(fēng)力發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目通過開展切身的技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)，幫助學(xué)生具備技術(shù)意識(shí)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、圖樣表達(dá)與物化能力，形成良好的技術(shù)理性與個(gè)性品質(zhì)。

三、如何指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)

工程項(xiàng)目的實(shí)施過程不僅是迭代的，而且要經(jīng)歷多輪循環(huán)才能得出結(jié)論。但工程設(shè)計(jì)過程并不意味著要遵循非常嚴(yán)格的線性方式，工程師也經(jīng)常根據(jù)存在的問題或想要達(dá)成的目標(biāo)，在每次迭代中重復(fù)或跳過某個(gè)步驟。

在工程啟蒙教育的實(shí)施過程中，為提升工程思維品質(zhì)，幫助學(xué)生創(chuàng)新思考和解決問題，浙江省的很多學(xué)校構(gòu)建了具有學(xué)校特色的思維模型，它們基本包含定義問題、調(diào)查研究、方案設(shè)計(jì)、原型制作、測(cè)試優(yōu)化五個(gè)步驟。據(jù)此，我們可以提煉出工程啟蒙教育中工程思維的過程模型（如圖1所示）。

工程項(xiàng)目實(shí)施要以工科為基石，同時(shí)又要打破學(xué)科界限，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生多視角、創(chuàng)造性解決問題的能力。其中，項(xiàng)目的復(fù)雜性、長(zhǎng)周期性、多方參與性等都給實(shí)施過程帶來了一定的困難。經(jīng)過多年實(shí)踐，浙江省的很多學(xué)?？偨Y(jié)了一些行之有效的策略以支持學(xué)生的項(xiàng)目學(xué)習(xí)。當(dāng)然，這些方法在運(yùn)用中并不是一成不變的，而是可以結(jié)合項(xiàng)目主題和學(xué)生情況進(jìn)行不斷更新與完善。下面結(jié)合具體項(xiàng)目進(jìn)行闡述。

（一）定義問題

工程設(shè)計(jì)通常始于急需解決的問題。因此，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)的第一步，就要讓學(xué)生產(chǎn)生興趣，并清楚項(xiàng)目學(xué)習(xí)中自身需要解決的問題是什么，又有哪些約束條件和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.設(shè)計(jì)能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣且指向目標(biāo)的情境

好的工程項(xiàng)目情境既要能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又要依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)來創(chuàng)設(shè)。如“工程：我們的童話”項(xiàng)目，結(jié)合低段學(xué)生感興趣的童話故事，一方面引人入勝，另一方面將文學(xué)閱讀和工程設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合。項(xiàng)目中的“找到另一種方法幫助長(zhǎng)發(fā)公主逃離高塔”，可鏈接滑輪、斜面、杠桿等簡(jiǎn)單機(jī)械知識(shí)。不同的故事指向不同的工程品質(zhì)，跟隨主人公在試誤中學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生在一次次的嘗試中培養(yǎng)批判性思維和樂觀的品質(zhì)。

2.運(yùn)用思維工具明確約束條件

在定義工程問題時(shí)，學(xué)生需要明確自己要做什么、成功的標(biāo)準(zhǔn)是什么、存在哪些現(xiàn)實(shí)約束，比如時(shí)間、成本、環(huán)境等。在這一環(huán)節(jié)，教師可以用5W2H（What、Why、When、Where、Who、How、How much）分析法、問題樹分析法等思維工具，幫助學(xué)生更好地理解和分析項(xiàng)目背景。

（二）調(diào)查研究

在調(diào)查研究階段，學(xué)生需要收集與主題相關(guān)、盡可能多的信息，思考想要向相關(guān)專家學(xué)者詢問的問題，設(shè)想問題得到解決后會(huì)產(chǎn)生哪些社會(huì)效益，從而完成初步的知識(shí)與技能準(zhǔn)備。

1.了解問題解決的已有經(jīng)驗(yàn)

研究在工程實(shí)踐中非常重要，學(xué)生只有基于一定的知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)，站在巨人的肩膀上看世界，所提出的方案才會(huì)更有價(jià)值。因此，學(xué)生要先了解問題解決的已有經(jīng)驗(yàn)，如“光與建筑”項(xiàng)目，就是利用“偉大作品分析表”研究?jī)?yōu)秀的采光建筑案例，學(xué)生在嘗試?yán)斫鈩e人設(shè)計(jì)的過程中學(xué)習(xí)有用的知識(shí)和技能，反思存在的困難。

2.給予解決策略示范以突破難點(diǎn)

當(dāng)學(xué)生經(jīng)過自身探究，對(duì)一些難題不知如何入手或者思考維度、實(shí)踐能力受限時(shí)，教師可在綜合學(xué)生已知的基礎(chǔ)上給出一些解決策略示范。如“休閑樹亭建造”項(xiàng)目，教師在前期設(shè)計(jì)了搭建板凳和飛機(jī)模型的活動(dòng)，讓學(xué)生體會(huì)工程實(shí)施中的時(shí)間、成本和質(zhì)量約束。又如“兒童玩具收納設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，教師引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)用性、有效性、安全性、功能多樣性、功能實(shí)現(xiàn)等多方面，分析已有玩具收納設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

（三）方案設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)階段，教師要引導(dǎo)學(xué)生盡可能多地形成并記錄想法，運(yùn)用搜集到的信息提出創(chuàng)意解決方案，進(jìn)行可視化地表達(dá)。

1.開放性解決問題

在方案設(shè)計(jì)中，教師要激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意，引導(dǎo)學(xué)生在思維的發(fā)散和聚焦中，找到獨(dú)特的解決方式：在思維發(fā)散階段，學(xué)生可通過多種形式的頭腦風(fēng)暴，如635法、奔馳法等，發(fā)散思維；在思維收斂階段，學(xué)生可以通過“減少和分類”“排序與選擇”等方式，確定最合適的方案。

2.重視繪制工程設(shè)計(jì)草圖的訓(xùn)練

繪制工程設(shè)計(jì)草圖是一個(gè)很好的頭腦風(fēng)暴方法，也為學(xué)生后期使用建模程序打下了基礎(chǔ)。繪制工程設(shè)計(jì)草圖最重要的，是讓其他人理解設(shè)計(jì)意圖，可不在意細(xì)節(jié)。教師在課堂中要強(qiáng)調(diào)一些操作技巧，如利用基礎(chǔ)形狀進(jìn)行組合，利用其他對(duì)象說明設(shè)計(jì)意圖，利用關(guān)鍵元素還原動(dòng)態(tài)過程等。同時(shí)，教師還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生不斷畫草圖，一方面迭代完善設(shè)計(jì)理念，另一方面通過充分探索避免盲目實(shí)施，從而導(dǎo)致材料浪費(fèi)。

（四）原型制作

在原型制作階段，學(xué)生要根據(jù)設(shè)計(jì)圖確定所使用的材料，完成成本預(yù)算，并通過動(dòng)手制作進(jìn)一步優(yōu)化解決方案。

1.快速試錯(cuò)完善設(shè)計(jì)想法

工程項(xiàng)目中的制作是以創(chuàng)造力為導(dǎo)向的。一方面，學(xué)生要“用手思考”，進(jìn)一步優(yōu)化解決方案；另一方面，學(xué)生要?jiǎng)?chuàng)造性地使用材料和制作技術(shù)。在初步方案形成后，教師可引導(dǎo)學(xué)生用簡(jiǎn)單的材料進(jìn)行草模制作，以加速驗(yàn)證設(shè)計(jì)概念，完善想法。

2.短時(shí)間、低成本、高質(zhì)量地完成制作

教師可以結(jié)合工程項(xiàng)目管理思維的核心三要素——時(shí)間、成本和質(zhì)量，幫助學(xué)生高效完成產(chǎn)品制作：在動(dòng)手制作前，用WBS（Work Breakdown Structure，即工作分解結(jié)構(gòu)）進(jìn)行任務(wù)分解，如“休閑樹亭建造”項(xiàng)目，任務(wù)包括制訂計(jì)劃、準(zhǔn)備材料、拼裝模型、美化等。學(xué)生還應(yīng)將其細(xì)分為子任務(wù)，并對(duì)應(yīng)到個(gè)人；然后用甘特圖對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行排序，規(guī)劃好每項(xiàng)任務(wù)的時(shí)間；同時(shí)，通過預(yù)算清單將成本計(jì)入總評(píng)價(jià)，并通過多次計(jì)算選擇成本最低的購買方案；最后，將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化，形成產(chǎn)品零件與質(zhì)量評(píng)價(jià)維度之間的關(guān)系矩陣，關(guān)注各零件的完成質(zhì)量。

3.提供黑箱策略降低技術(shù)難度

在模型制作時(shí)，真正用代碼訓(xùn)練學(xué)生有一定的難度，所以教師要提供黑箱策略。如“AI稻草人”項(xiàng)目，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)訓(xùn)練模型平臺(tái)中的輸入和輸出關(guān)系，得到問題解決的規(guī)律，從而導(dǎo)入收集到的規(guī)范動(dòng)作和不規(guī)范動(dòng)作素材，生成模型，實(shí)現(xiàn)AI行為規(guī)范的自動(dòng)鑒別。在這一過程中，學(xué)生不需要了解內(nèi)部的代碼邏輯，從而可以更好地關(guān)注問題解決本身，融通學(xué)習(xí)與真實(shí)應(yīng)用的邊界。

（五）測(cè)試優(yōu)化

在測(cè)試優(yōu)化階段，學(xué)生要能應(yīng)用相應(yīng)的學(xué)科概念獲得測(cè)試方式，并通過測(cè)試收集數(shù)據(jù)，將結(jié)果與設(shè)計(jì)的原始標(biāo)準(zhǔn)和約束條件進(jìn)行對(duì)比，從而得到改進(jìn)方法。

1.自主進(jìn)行測(cè)試方案的設(shè)計(jì)

學(xué)生要能夠根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)自主設(shè)計(jì)合適的測(cè)試方案。如“捕捉海膽計(jì)劃”項(xiàng)目，學(xué)生很難在真正的海洋中進(jìn)行，因此可以用模擬實(shí)驗(yàn)的方法獲取數(shù)據(jù)，再通過具體數(shù)據(jù)進(jìn)一步改進(jìn)方案。

2.采用多樣化的測(cè)試方式

為了讓自己的產(chǎn)品更好地達(dá)標(biāo)，學(xué)生可以采用多樣化的測(cè)試方式，如功能測(cè)試、性能測(cè)試、與市場(chǎng)同類產(chǎn)品的比較測(cè)試、用新技術(shù)和材料的改進(jìn)測(cè)試等，反復(fù)嘗試與調(diào)整，以不斷優(yōu)化產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

［1］為夢(mèng)想插上科學(xué)的翅膀：大力推進(jìn)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育發(fā)展綜述［EB/OL］.（2023-11-15）［2024-02-26］.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/202311/t20231115_1090671.html.

［2］BEEMT A V D， MACLEOD M， VEEN J V D， et al. Interdisciplinary engineering education： A review of vision， teaching， and support ［J］. Journal of Engineering Education， 2020（1）： 508-555.

［3］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育課程方案（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：5.

［4］教育部關(guān)于印發(fā)《大中小學(xué)勞動(dòng)教育指導(dǎo)綱要（試行）》的通知［EB/OL］.（2020-07-07）［2024-03-26］.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2020/content_5535329.htm.

［5］MOYE J J， REED P A. Standards for technological and engineering literacy： Addressing trends and issues facing technology and engineering education［J］. Technology and Engineering Teacher， 2020（3）： 80.