STEM教育理念下培養學生工程思維的課程研究

李松林

摘要：根據李伯聰提出的科學—技術—工程三元論，人類的社會活動方式包括科學活動、技術活動和工程活動三類，與上述三種活動相對應，我們需要科學思維、技術思維與工程思維是三種相互聯系、相互區別又相互滲透的思維——即工程思維。STEM教育是學科融合的教育，強調給學生創設實際情境，是發現問題、思考問題、解決問題的一種教育模式。在現實情境中，工程思維與STEM項目化學習融合，有助于STEM項目化課程的開展。

關鍵詞：STEM教育;工程思維;榫卯結構

一、工程思維的重要意義

在STEM教育中，“科學”“數學”以科學思維為主，強調理論;“技術”以技術思維為主，強調解決實際問題的能力。從思維方法來看，這兩種思維都是偏向理性，重點關注在思維的邏輯性和客觀性;工程思維離不開親身實踐，可以被認為包括邏輯思維、形象思維和頓悟思維，做到了思維的整體性、人文性和實踐性的統一。三種思維在STEM教育中的共同存在才有利于學生作為全人的思維全面提升，缺一不可。因此，在STEM教育中，工程思維具有重要而獨特的意義，它與STEM教育理念高度契合，互相促進。

首先，工程思維來源于生活實際，是對實際生活問題的解決，因此具有實踐性。工程思維首先強調可行，對潛在問題進行深度挖掘，尋找現實可行性的方法，解決理想和現實之間的矛盾，幫助我們跨越理想與現實的鴻溝。它能將潛在的待解決問題轉變成符合我們需要的結果，工程思維所具有的實踐性，可以幫助我們面對實際問題做到有條不紊，工程思維的實踐性特征表明他對于人的成長實實在在的積極作用。

其次，工程思維強調改變、改進。正因為如此，工程思維具有創新性，這種創新更是具有方向性、目標性，因為有特定的標準對其進行約束，工程思維活躍靈動卻又緊扣實際，讓我們有所抓手。它和創新思維并不相同，因為創新思維天馬行空，更具有跳躍性、更加關注想象力的發展，靈動有余卻不容易把握。

再次，工程思維具有綜合性。我們容易把工程思維與理性思維等同，實際上，工程思維是一種更為復雜的思維方式。理性思維注重事實，強調證據，工程思維在此基礎上，更是考慮到所要建造或建構的對象和目標，同時與周邊實際緊密結合，是基于充分實踐基礎上的理性認識，是一種實用性思維。工程思維不光具備科學思維和技術思維的特點，更需要具備綜合判斷和選擇的能力，這恰恰是工程思維的魅力所在，他的綜合性讓他基于理性、基于實際，卻又能夠幫助解決問題，高于生活實際。

二、榫卯結構——中國傳統建筑文化的瑰寶

中國有著五千年的悠久歷史，傳統文化歷久彌新，充滿著生命力。以紅木家具為代表的中國傳統家具藝術世界聞名，流傳至今，更是已經成為世界文化遺產的一部分，是中國傳統文化的代表和驕傲。中國的傳統建筑文化不同于西方，它講究自然。靈動、和諧，而榫卯結構更是中國傳統建筑方法的智慧體現。利用榫卯結構，我們的家具甚至房屋不使用鐵釘固定，卻又結構堅固，在人類建筑史上堪稱奇跡。這是西方現代建筑技藝所無法取代和模仿的，體現的是我們古老東方文化所獨有的工匠精神。

榫卯是在兩個木構件上所采用的一種凹凸結合的連接方式。榫卯結構是榫和卯的結合，可有效地限制木件向各個方向的扭動。用最少的材料，做出最精細的建筑，這便是榫卯結構的魅力所在。

榫卯結構應用于房屋建筑后，雖然每個構件都比較單薄，但是它整體上卻能承受巨大的壓力。這種結構不在于個體的強大，而是互相結合，互相支撐，體現了中華文化中的和諧統一。

筆者工作所在的白蒲鎮保留著眾多古巷以及古建筑，榫卯結構隨處可見，讓我們感受到了古代木工技藝的高超。白蒲的紅木家具作為特色產業和支柱產業，有著悠久的歷史。筆者工作所在的學校設置了多個實踐基地，開展了多個項目，有效的依托地方特色培養師生的工程思維。師生能夠更好的進行實地考察和學習，找準了培養工程思維的切入點。在日常實踐中，學生利用現代電腦技術，對一些房屋和家具進行榫卯結構的設計，切實提高了學生的實踐操作能力，讓師生感受到了STEM課程的魅力，更是有助于工程思維的培養。

三、找準了STEM課程開發的關鍵——依托古鎮文化

如何進一步挖掘工程思維？筆者認為，可以通過具體的地方課程，讓學生在實際問題的解決中，養成良好的思維習慣，切實培養工程思維。白蒲鎮作為千年古鎮，它的文化底蘊毋庸置疑，深刻挖掘古鎮文化內涵，是我們開發STEM課程的關鍵之處。這里傳承著眾多的文物古跡、傳統工藝，地方課程資源極具開發潛力。筆者就白蒲鎮古建筑的榫卯結構作為課程開發的關鍵點，走訪老工匠，結合現代紅木廠家，就榫卯結構與現代建筑的聯系做了深入探究。

STEM是一種綜合性課程，有很多老師總是簡單地把STEM看成學科的融合，這是片面的。STEM課程需要結合工程項目，結合實際問題，形成項目化的研究，才可以成為STEM課程。我們把STEM課程與古鎮傳統文化進行有機結合，挖掘傳統文化中的工程思維，使之輔助與STEM課程的學習，加強了師生對于STEM課程的認識，更能夠培養師生的綜合思維和創新能力。

STEM課程和古鎮文化相輔相成。古鎮文化給了STEM課程新的研究思路，STEM課程給古鎮文化帶來了現代化的活力。我們可利用社團、課后延時服務、綜合實踐課程等時間實施。其中課程的開發是關鍵，只有在古鎮文化中找到能夠開發為工程項目的關鍵點，再進行融合、編排，STEM課程才能真正具有生命力，被我們所接受。正因為如此，我們應該設立穩定的目標，不應該在項目推進的過程中不斷的追加或者完善。在每一個目標階段，對學生提出不同的要求。在項目推進的過程中，重視對學生的評價，以此促進學生激發STEM課程學習的熱情。

筆者就白蒲古鎮傳統的建筑文化——榫卯結構來進行闡述。STEM特色課程開發研究具有圍繞明確的終極目標各自確定階段任務的特點，這一特點要求學生具有高階思維技能、問題解決能力，以及更廣泛的學習。階段任務的不一致，不是教學放任，而是對學生差異性的充分尊重;階段任務的不一致，正是對學生主體性的充分體現。

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，知識沒有經過實際的檢驗，則不能令我們信服，在STEM課程的學習中，培養學生的質疑能力非常重要?！爸R”可以簡單記誦，可以依托書本，講解傳授，但是“經驗”不行，“經驗”來自于親身經歷，鼓勵學生去做事情，去完成活動，這才能形成豐富的經驗。STEM所需的知識僅靠教師的傳授已經遠遠不能滿足項目活動開展的需求，因此，我們的教師需要傳授的不僅僅是知識，更重要的是交給學生獲取知識、甄別篩選知識、整理提煉知識以及運用知識解決問題的能力。我們把現代的STEM課程理念與傳統文化結合，這種結合不能是簡單的知識點整合，STEM課程與古鎮文化的聯系必須通過實際研究來確定，而“榫卯結構”則是一個很好的研究重點。

作為工程和技術的核心過程，設計成為教授STEM內容的有效手段。在設計過程中，學會辨別問題或需求，思考各種選擇及其約束條件，經歷制定計劃、建模型、用迭代方法解決問題，基于設計的學習促使學生成為批判性的思考者和問題的解決者。制作是設計方案的具體落實，這一過程中有我們熟悉動手能力、團隊合作能力、組織規劃能力等，當然在制作的過程中，我們還得關注 “修補能力”。筆者學校的學生通過實地考察，通過電腦設計房屋造型，對榫卯結構的研究和復制，體現了我校學生的工程思維和對STEM理念的深刻理解。

四、總結

STEM教育理念對學生工程思維培養可以體現在培養學生解決問題的能力、突破創新的能力、溝通協作的能力。因此，重視小學生課程的設置，增加工程思維培養的活動課程顯得意義非凡。作為科技工作者，我們更應該挖掘本地的教學資源，依托本地優秀的文化，吸引更多的師生加入到特色STEM課程的研究中來。以榫卯結構為代表的地方特色建筑文化恰恰符合筆者的研究要求，在未來，筆者更會依托于古鎮文化，繼續研究能和STEM工程思維結合的傳統文化，最終的目的都指向課程的編寫，讓學生工程思維的培養能夠真正有抓手。

參考文獻：

[1]丁婧.STEM教育中的工程思維培養[J].物理之友，2018，34（9）：4-6.

[2]李伯聰.努力向工程哲學領域開拓[J].自然辯證法研究，2002，（7）：36-39.