基于工程思維的綜合實踐活動課程：設計、開發與目標

許麗美

（福州市茶園山中心小學，福建 福州 350001）

STEAM教育源于美國，是科學、技術、數學、藝術、工程五門學科英文首字母的簡稱，體現了跨學科融合的理念［1］。工程思維是STEAM教育理念的核心［2］，而融合STEAM教育理念的綜合實踐活動最重要的一點是要在活動中培養學生的工程思維，要求學生在解決實際問題時要學會像工程師那樣思考問題，在考慮耗材、時效等多個方面的成本的基礎上，學會在每一次的活動中不斷地總結、反思、改進，讓每一次的實踐都能成為下一次的“迭代”，最終創造性地解決問題。2018年教育部頒布的《綜合實踐活動課程指導綱要》中的設計制作與STEAM教育不謀而合，二者有許多相似之處：同樣都是基于項目式的主題研究，同樣強調學生動手設計的重要性，同樣重視學生創新能力的培養。但是綜合實踐活動的設計制作并沒有強調以問題導向為出發點進行研究，學生的制作內容相對零散，缺乏整體性。如果能以問題導向為源頭，以項目設計為主線，在活動中著力培養學生的工程思維，則有利于學生創新能力的形成。

一、以問題導向為源頭的課程設計

工程思維是根據現實問題而產生的實踐性思維，而任何創新的源頭也均源于問題意識的培養，如何培養學生具有發現問題的能力，這就需要教師在生活和學習中對學生進行有意識的引導，從而激發學生的問題意識。也只有帶著問題參與活動，學生才能利用工程思維讓設想和創意物化，并能較為長久地保持研究熱情。比如，裝洗手液的瓶子，在扔掉之前總會有部分洗手液殘留在瓶身底部，造成不必要的浪費。這一生活現象學生不一定會留意到。但是在教師的引導下，學生們就會去思考：是吸管的原因導致沒有辦法把洗手液吸干凈嗎？還是瓶身的設計有問題呢？于是針對這些問題，他們去積極探究原因。通過實踐，發現瓶底是中間高外圈低，受吸管長度限制自然沒有辦法吸到外圍略低部分的洗手液。于是學生們通過動手合作，把單根吸管改成三通吸管，就解決了這個問題。也有一些學生重新改造瓶底，把瓶底外圈略低部分加上蠟油之類的填充物，使瓶底變成外圈高中間低，這樣就能讓洗手液往中間聚攏，吸管自然就能把洗手液吸干凈。

通過以解決問題為導向，學生親歷一次又一次的實驗、對比、再實驗，尋找解決問題的最優策略，形成解決問題的能力。在認真比對各個方案的耗材和效率的過程中，他們發現改造吸管比改變瓶底所需的費用低，在改造吸管時，又發現利用軟管和塑料吸管做三通吸管時，依托軟管上下錯位放置塑料吸管比同一個出口的三通塑料吸管能更快把液體吸干凈，正是通過層層迭代，學生們的工程思維才會日趨成熟，解決問題也會更務實更高效。

二、以項目設計為主線的課程開發

項目設計是工程思維的主線。擁有清晰的研究目標，明確的研究方向，圍繞目標制定的設計會更有針對性，也更方便團隊合作，把這個理念應用到綜合實踐活動的研究中，不會讓綜合實踐活動流于形式，學生的團隊合作能力會得到突顯，同時也更有利于教師對活動進行跟蹤和驗收。比如，學生設計的《自動書畫桌》就充分體現以項目設計為主線的思路。學生在畫畫或寫書法作品時，由于宣紙太長，宣紙總是會著地，經常被他們的腳踩到，而且，每寫一個字就要把毛筆放下，把宣紙往上移，這樣費時費力，嚴重影響書畫創作的流暢和靈感。針對這個問題，學生們提出要設計一個“自動書畫桌”，通過正反轉方式將宣紙卷入桌面下，避免宣紙被腳踩到，需要時撥動正反轉開關便可自動輸送宣紙，免去手動移宣紙的麻煩。學生通過前期大量的考查和實驗，發現同學之間的身高差異比較大，于是把書畫桌的四個桌腳設計成可自動調節高度，借鑒工廠傳輸零件的傳輸帶原理在桌面增加傳輸帶，在不影響創作的情況下把正反轉開關以及電源開關安裝在書桌的角落。在產品用于實踐時學生又發現傳輸帶太滑，不好固定宣紙，于是改進裝置，在傳輸帶上加裝了一層書畫毛氈，并且每隔20厘米鑲上一塊薄鐵皮，創作書畫時，用磁鐵吸住毛氈和宣紙以便更好固定宣紙。同時考慮到沒有地方放置繪畫工具，又在電機盒上安裝一個置硯盤，方便盛放物品。通過團隊合作，大家終于設計出一款比較滿意的自動書畫桌，交由工廠加工后，一投入使用，就受到用戶的一致好評。

可見，以項目設計為主線的綜合實踐活動更能培養學生的工程思維中的構建思維，為了更好地完成目標，他們要根據前期的調研把書畫桌改成可自動升降高度，并選擇環保的材料做桌面，在書畫桌寬度的設定上參考常見書法和繪畫作品的尺寸，毛氈的使用解決桌面會滑的問題，實現科學性和藝術性相融合，給學生帶來的成就感強，而且教師針對同一個項目進行評價時對比直觀，有據可依，所以以項目設計為主線很適合作為綜合實踐活動的主要課程來開展。

三、以創新能力為追求的課程目標

培養學生的創造能力是教育追求的重要目標。教師有責任也有義務要把培養學生的創新思維作為綜合實踐活動課程的最高追求去踐行。

筆者所在學校四年級的趙同學在暑假逛三坊七巷時，發現交警叔叔冒著酷暑在維持交通秩序，是一件非常辛苦的事。熱衷于電腦編程的他就想設計交通指揮機器人來取代叔叔辛苦的工作。他用LEGO EV3主機、超聲波傳感器、顏色傳感器、觸動傳感器、陀螺儀傳感器、大型電機、中型電機等配件，搭建起了一個由頭部、身軀、雙臂、雙腿、底座構成的可以站立行走的交通指揮人形機器人——“小交”。經過幾十次的調試、測試、重組和美化，身穿交警制服的“小交”在人行道路口指揮交通時會執行這樣幾個功能：（1）實現與實際路口的紅綠燈信號同步；（2）配合紅綠燈信號做指揮手勢動作；（3）發出與紅綠燈信號同步的語音提示；（4）用人臉識別系統檢測行人闖紅燈，并對闖紅燈行為發出威懾警告；（5）在紅燈等待期間沒有人闖紅燈時，跳一段獎勵性的舞蹈。趙同學的大膽嘗試得到回報，在教師的指導和修正下他的作品獲得福建省科技創新大賽一等獎，組委會對他的作品給予高度評價，一致認為“小交”的創新點體現在能自動識別紅綠燈功能以及對于行人闖紅燈行為的威懾警告，能夠有效降低行人闖紅燈的比例。

從上述“小交”的案例中我們看到的是創新的萌芽不僅根植在學生幼小的心靈，而且在蓬勃生長，更為可貴的是學生具有一顆善良的心，懂得如何應用科技創新的技術為人類服務，從而減輕某些崗位勞動者的辛苦工作，真正實現讓科技源于生活又服務生活。