在STEM課程中培養(yǎng)學生的工程思維

柏毅 仇慧

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

《未來工作：第四次工業(yè)革命的就業(yè)、技能和勞動力戰(zhàn)略》報告指出，至2020年，就業(yè)市場對擁有解決復(fù)雜問題能力和社交技能人才的需要會遠高于對體力和專業(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)市場的主要需求之一。現(xiàn)如今在小學教育階段，科學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，不管是處于哪個學習階段，都需要具備運用綜合知識去解決實際問題的能力，而小學STEM課程作為承擔跨學科教育的主力軍，研究如何在STEM課程中培養(yǎng)學生的工程思維具有重要的現(xiàn)實意義。

一、基于工程思維的小學STEM課程教學設(shè)計方案

（一）構(gòu)建真實情境，提出核心目標

工程思維培養(yǎng)的是學生解決問題的能力，老師在此過程中應(yīng)當承擔問題引出者的角色，創(chuàng)設(shè)一定的教學環(huán)境有利于學生將所掌握的知識和技能運用于問題解決，同時促進學生將多學科知識相關(guān)聯(lián)，進行有意義的構(gòu)建。教學情境的設(shè)計必須具有真實性，讓學生真正融入解決問題的角色，以工程師的身份去思考如何設(shè)計方案。

在《地球的脈動》一課中，老師首先通過一段火山噴發(fā)的小視頻引起學生深入探究的興趣，繼而引出一個情境問題：“為什么會發(fā)生火山噴發(fā)或地震呢？”繼續(xù)引導(dǎo)學生了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幫助學生進行知識的構(gòu)建。在學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生展示地震帶來的危害，賦予學生工程師的角色，引出課程核心目標：“如何設(shè)計一個地震預(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)建立在多學科知識綜合運用的基礎(chǔ)上，學生在這一過程中開始構(gòu)建知識之間的關(guān)聯(lián)，通過組間討論或者詢問老師，對問題的研究逐漸深入。這需要大量的材料支撐，老師在這一過程中應(yīng)當承擔資料提供者的角色，讓學生在腦海中形成基本設(shè)計框架，為后期模型搭建做準備。

這一過程中，學生開始探索地震預(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。通過觀察總結(jié)，學生知道一個簡易的地震預(yù)警器由兩部分組成：電路報警部分以及固定框架部分。電路報警部分由老師提供電池、蜂鳴器、發(fā)光二極管、細銅絲等材料，引導(dǎo)學生進行電路的搭建;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)學生探討哪種結(jié)構(gòu)會在地震過程中更加穩(wěn)定，從而完成學科間知識的靈活結(jié)合。

（三）繪制作品藍圖，搭建初始模型

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

繪圖的過程是學生將思考落地的過程。本課程的地震檢測器設(shè)計圖包括電路報警部分以及固定框架部分。電路報警部分涉及串并聯(lián)的知識點，因此可以先讓學生繪制該部分的電路圖。在繪制過程中，如果出現(xiàn)串并聯(lián)概念不清、正負極接反等問題，老師應(yīng)該適時地給予建議。電路圖繪制完成后開始設(shè)計固定框架部分，在設(shè)計中需要對各種因素進行反復(fù)選擇和權(quán)衡。此時不同小組可能會產(chǎn)生不同想法，老師應(yīng)該要求學生不僅僅要將設(shè)計圖簡單地畫在紙上，更需要將框架的各個部分詳細注明使用材料以及長度、寬度等，促進學生數(shù)學知識與工程設(shè)計的融合。

（四）優(yōu)化成品結(jié)構(gòu)，展示匯報成果

工程思維的最大特點就是要做出實際可靠的解決問題的產(chǎn)品。在這個過程中要考慮多種因素，不斷優(yōu)化，持續(xù)改進。STEM課程的開展方式不同于傳統(tǒng)課程，評價方式自然也有所不同，小組匯報展示能夠讓學生和老師充分了解該組設(shè)計思路以及設(shè)計過程中遇到的問題，更有利于對小組作品做出全面的評價。

地震檢測儀初始模型搭建結(jié)束后，老師可以組織學生進行第一次測試。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景，觀察每組報警裝置是否成功運轉(zhuǎn)，并從電路連接、報警靈敏度等方面給出建議。所有小組測試完成后，請學生繼續(xù)改進存在的不足。經(jīng)過幾輪改進后，提醒學生組織匯報，每組限定在3～5分鐘，老師先介紹打分標準等，各小組依次上臺展示匯報，其余小組在臺上小組匯報完成后，可以提問，老師則同時根據(jù)打分標準打分。

二、基于工程思維的小學STEM課程教學建議

（一）加強不同學科間的知識結(jié)合

隨著學科間的邊界逐漸模糊，越來越多的課程考慮到交叉學科的知識攝入。STEM課程作為多學科融合的課程，所承擔的教學責任尤為凸顯。教學工作者在STEM教育中，應(yīng)當提醒學生利用多學科關(guān)聯(lián)的知識解決問題，引導(dǎo)學生從工程思維的角度，設(shè)計完善STEM作品，實現(xiàn)跨越學科界限、從多學科知識綜合應(yīng)用的角度提高學生解決實際問題能力的教育目標。

（二）注重小組項目式合作交流

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

（三）構(gòu)建合理的工程思維評價方式

工程思維評價方式，就是引導(dǎo)學生不單單從作品是否能夠完成目標任務(wù)出發(fā)進行評價，還應(yīng)該結(jié)合作品的不同方面，從不同的角度對作品進行評價。工程思維除了最終達到解決問題的目標外，也需要考慮時間、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，形成性評價和表現(xiàn)性評價在工程思維評價方式中尤為重要。

三、結(jié)語

如何在小學STEM課程中培養(yǎng)學生的工程思維，是一個值得深究的課題，作為教學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)該通過不斷的教學實踐，摸索、驗證和優(yōu)化在STEM課程中培養(yǎng)學生工程思維的途徑。