構(gòu)建培養(yǎng)工程思維的項目學習平臺

馮穎

摘要：《普通高中通用技術(shù)課程標準（2017年版）》對工程思維的培養(yǎng)提出了明確的要求，但當前教學中橋梁實踐項目還存在學生行動盲目、設(shè)計思維含量不足等問題。越秀區(qū)以自主創(chuàng)新的信息技術(shù)平臺全面優(yōu)化項目實施，啟發(fā)學生運用工程思維方法解決實際問題，進行深度學習，有力地落實了項目式教學的目標。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)平臺；工程思維；項目教學；橋梁模型設(shè)計；高中通用技術(shù)

《普通高中通用技術(shù)課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）從現(xiàn)代社會對創(chuàng)新型人才的要求出發(fā)，提出技術(shù)意識、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達、物化能力五大核心素養(yǎng)^[1]。其中，發(fā)展學生“工程思維”這一新要求，是一線教師關(guān)注的焦點。通用技術(shù)教師普遍從高校畢業(yè)就到學校工作，缺乏工程實踐經(jīng)驗，沒有工程技術(shù)背景，如何將課堂教學與工程思維對接成為新的挑戰(zhàn)。

一、準確把握工程思維的內(nèi)涵和要求

（一）工程思維的內(nèi)涵

工程是以科學和技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性工作，關(guān)鍵是建造，核心是設(shè)計。工程設(shè)計是在約束條件下的設(shè)計。最基本的約束條件是自然規(guī)律，其他限制因素包括時間、資金、可用材料、環(huán)境法規(guī)等。工程設(shè)計是一個決策過程，也是一個不斷優(yōu)化的過程，在此過程中需要使用科學、數(shù)學、技術(shù)、人文等知識來優(yōu)化轉(zhuǎn)換組合資源以實現(xiàn)特定目標^[2]。

工程思維則是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維，要求學生能認識系統(tǒng)與工程的多樣性和復(fù)雜性；能運用系統(tǒng)分析的方法，針對某一技術(shù)領(lǐng)域的問題進行要素分析、整體規(guī)劃，并運用模擬和簡易建模等方法進行設(shè)計；能領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)、控制等基本思想和方法并加以運用；能進行簡單的風險評估和綜合決策^[3]。

（二）以大項目嵌入式滲透工程思維

工程思維的習得與養(yǎng)成是一個積累、漸進的過程。《課標》建議在教學中以“大項目”對課程內(nèi)容進行嵌入式滲透，將工程思維整合嵌入學習內(nèi)容要求中。

面向工程思維培養(yǎng)的大項目，是基于完整情境和任務(wù)的整合學習。項目主題契合真實世界的某一需求情境，如校園小農(nóng)田自動澆灌、橋梁建設(shè)等。教師創(chuàng)造條件讓學生經(jīng)歷典型的、微縮的工程設(shè)計，對目標、知識、學生基礎(chǔ)、學習環(huán)境進行組織，搭建學習支架，鋪設(shè)學習路徑，形成連續(xù)完整、螺旋上升、培養(yǎng)目標鮮明的學習活動。項目力求將原理概念、實踐能力、創(chuàng)新想象三者結(jié)合，引導學生運用技術(shù)設(shè)計方法解決問題，應(yīng)用科學與技術(shù)原理，建構(gòu)知識，體驗過程，形成構(gòu)思、繪圖、操作、試驗、測量、評價等技術(shù)學習經(jīng)驗，以及權(quán)衡決策、迭代改進、工程建模等思想方法，以適應(yīng)未來工作生活可能遇到的多變、陌生和疑難情況。

二、目前橋梁實踐項目的不足和常見問題

通過調(diào)研觀課，以及翻查歷屆“設(shè)計與制作展評活動”材料，筆者發(fā)現(xiàn)當前橋梁實踐項目的典型樣態(tài)是這樣的：教師給出跨度要求，提供木條、熱熔膠等材料，在指定時間段，各小組畫草圖并搭建，成型后開展極限承重比賽，即不斷加載負荷，直至橋梁斷裂，承重與自重比最高者為冠軍。現(xiàn)場氣氛熱烈，學生激動喝彩。在熱鬧的活動結(jié)束之后，詢問學生“你從中學到了什么”，他們的回答往往無外乎以下三點：一是我們努力搭建一個橋梁；二是測試橋梁，不斷加重物至其斷裂；三是追求“承重與自重比”最大化目標。

此類活動在不同學段、不同學科，如小學科學課等經(jīng)常開展，頗受學生歡迎。但如果學生在高中通用技術(shù)課堂的收獲仍然局限于此，則反映出學生還不清楚技術(shù)設(shè)計的學習目的，有些教師對工程思維的內(nèi)涵認識不足。

工程的本質(zhì)是設(shè)計，工程設(shè)計需要綜合應(yīng)用跨學科知識來創(chuàng)造出符合人類需要的事物。工程設(shè)計過程具有系統(tǒng)性、創(chuàng)造性和迭代性。工程師必須探索多種不同的替代方案，才有希望得到最佳解決方案。然而，此類建橋比賽并沒有將工程的基本特點清晰地傳達給學生，存在的問題包括以下四個方面。第一，學生并沒有真正設(shè)計橋梁。有的小組沒有經(jīng)過多少思考，僅僅出自對一座橋應(yīng)該是什么樣子的模糊感覺，將木條粘合起來，行動帶有盲目性。第二，學生對于承重測試的認知基礎(chǔ)不足，出于直覺加固某些部位，并沒有恰當應(yīng)用數(shù)學、科學和技術(shù)知識；教師在教學中沒有展示“運用數(shù)學和科學更有效地設(shè)計橋梁”的證據(jù)。第三，學生的體驗止步于制作一個作品，然后極限破壞測試，他們鮮有經(jīng)歷設(shè)計改進和迭代，并測試這些改進的有效性。第四，教師為學生設(shè)定了一個并不現(xiàn)實的成功標準——不斷加載直至垮塌，得到最大承重與自重比。現(xiàn)實中的工程師是要求設(shè)計可以矗立而非垮塌的橋梁，實現(xiàn)以滿意的成本安全通過規(guī)定荷載，而非為了“最大承重與橋重比”而設(shè)計。如果是為了最大承重與橋重比而設(shè)計，那么一座10噸、能承載10噸貨物的橋梁，就和一座能承載50噸貨物的50噸橋梁一樣了。但事實上，這兩座橋并不會同等安全。

由此可見，通用技術(shù)課堂的橋梁項目不應(yīng)滿足于熱鬧的氣氛，不能止步于缺乏設(shè)計思維含量的淺表學習水平，更為重要的是上升到工程設(shè)計思維高度，對項目設(shè)計、教學目標、教學內(nèi)容和學習方式進行有針對性的設(shè)計，加強綜合分析、籌劃型思維的培養(yǎng)。

三、面向工程思維培養(yǎng)的“橋梁模型設(shè)計”項目簡介

（一）學習目標

全面改進后的“橋梁模型設(shè)計”項目，模擬真實生活場景，代入工程師角色，提出頗具挑戰(zhàn)性的工作任務(wù)。項目由多個獨立但環(huán)環(huán)相扣、步步提升的學習活動組成，學生經(jīng)歷一個完整的、嚴謹?shù)摹⒌募夹g(shù)設(shè)計過程，體驗從傳統(tǒng)工匠到現(xiàn)代橋梁工程師的工作，了解現(xiàn)代橋梁工程師如何綜合應(yīng)用數(shù)學、科學、技術(shù)、人文、美學等知識解決問題；將計算機作為提高工作效率和質(zhì)量的工具；理解桁架橋的技術(shù)原理。本項目實現(xiàn)了工程思維培養(yǎng)與技術(shù)實踐活動的融合對接，可落實通用技術(shù)學科核心素養(yǎng)相關(guān)水平要求。

（二）教學概要說明

學情分析：高二學生通過前面兩節(jié)課，已經(jīng)了解了結(jié)構(gòu)的一般分類和簡單的受力分析方法，體驗了利用截面邊長為6 mm的方木條快速搭建自承式木拱橋的活動。

在此基礎(chǔ)上，為了發(fā)展學生的高階思維，教師創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，讓學生以工程師的角色投入工作：紅山村荔河上游的老木拱橋無法滿足村民日益繁忙的生活交通需求，村委會計劃集資在中游新建一座跨距為24 m、橋面寬度≥3.5 m的鋼桁架橋，要求成本可控、通行安全、優(yōu)美纖巧。你所在的工程團隊準備競標，面臨首個挑戰(zhàn)——制作比例為1/40的紙質(zhì)橋梁模型，即跨距為60 cm，要求能安全承載5 kg的物體（荷載為5×9.8 N）；你將利用該模型，在村委會議上向紅山村干部群眾演示和論證工程的可行性，包括外觀、成本、安全性等。

這個挑戰(zhàn)性問題牽引著學習活動：①團隊批量制作規(guī)格化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；②測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度；③分析桁架結(jié)構(gòu)的科學原理；④對桁架橋的計算機建模；⑤設(shè)計并制作桁架橋；⑥桁架橋的測試、交流與評價，召開工程論證會（如圖1）。

（三）所需資源說明

考慮到各校課程實施條件參差不齊，有的學校開展技術(shù)實踐的資金、設(shè)備、耗材比較匱乏等實際情況，越秀區(qū)通用技術(shù)教研組本著因地制宜、自主創(chuàng)新、挖潛增效的原則全面優(yōu)化“橋梁模型設(shè)計”項目。學校開展本項目所需材料全部源自身邊資源再利用，成本基本為零，是一個低成本、低門檻、高價值、高收獲的教學項目。

（1）從結(jié)構(gòu)學習的可操作性、實踐性、理論性并重出發(fā)，推薦各校選取100 g/m²以上的答題卡紙或牛皮紙作為構(gòu)件材料，制作矩形構(gòu)件代表方鋼（壓桿），條狀材料代表角鋼（拉桿），以分析橋梁構(gòu)件抗壓、抗拉蘊含的科學原理。

（2）使用越秀區(qū)自主研發(fā)的構(gòu)件強度測試裝置（如圖2）。教師課前用邊角木料自制裝置；課堂上啟發(fā)學生理解其工作原理（牛頓第一定律和杠桿原理），接下來在課堂內(nèi)外學生開展技術(shù)試驗，測量構(gòu)件的抗壓、抗拉強度。

（3）使用越秀區(qū)橋梁設(shè)計學習平臺，積極探索利用信息技術(shù)實現(xiàn)教學評一致性；平臺系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，師生在家校均可使用，對客戶端電腦配置要求很低，利用學校舊學生機亦可。

（4）其他材料：白乳膠、尺子、游標卡尺、細木片、細木條、木工銼等；各小組在批量制作規(guī)格化的橋梁構(gòu)件時，利用模具可以提高效率和工藝質(zhì)量，模具由學生思考自制。

四、搭建信息技術(shù)學習平臺，突破項目關(guān)鍵環(huán)節(jié)難題

（一）信息技術(shù)平臺為項目目標落實提供有力支撐

我區(qū)根據(jù)系統(tǒng)科學原理自主創(chuàng)新研發(fā)越秀區(qū)橋梁設(shè)計學習平臺，助力學生了解現(xiàn)代橋梁設(shè)計區(qū)別于中國傳統(tǒng)橋梁的特征。學生代入橋梁工程師角色，迎接真實工作挑戰(zhàn)，沉浸于設(shè)計制作一個需求明確、成本可控、安全有效、優(yōu)美矯健的桁架橋的全過程，自始至終結(jié)合工程設(shè)計要素（包括需求分析、概念建模、優(yōu)化方案、技術(shù)試驗、工藝制作和安全測試等）仔細考慮，最終完成符合用戶需求的作品。學生完成挑戰(zhàn)，獲得欣喜和成就感的同時，加深對工程設(shè)計典型過程的認識，感悟工程思維的可遷移性。

橋梁設(shè)計的學習目標、問題情境、資源設(shè)計、活動序列和多元評價的實施，始終圍繞《課標》展開，為“教學評一致性”賦能。平臺主要有四大模塊（如圖3），各模塊鏈接多個子功能，為學習全過程提供有力支撐。

“資源與課件”模塊以視頻和PPT生動展示紅山村真實問題情境，有鮮明的目標指向，使學生有身臨其境感，激活其解決問題的內(nèi)驅(qū)力；提供結(jié)構(gòu)化的學習輔助材料，為各層次學生提供發(fā)展空間，體現(xiàn)差異性。學生根據(jù)學習需求，欣賞中國古橋和現(xiàn)代橋梁，自主查閱文獻、桁架橋解析和課件。

“試驗與分析”和“建模與仿真”模塊支持學生像工程師一樣工作，理論與實踐并重，記錄學生桁架橋建模過程、構(gòu)件力學試驗過程、優(yōu)化設(shè)計過程，突出成果性、可操作、可視化、可測評的學習實現(xiàn)指標。

“交流與評價”模塊既有促進學生分享交流和自我反思的成果展示，又有遷移應(yīng)用、素養(yǎng)導向的過關(guān)練習題，面向全體學生，為學業(yè)考評打好基礎(chǔ)。

（二）工程思維方法外顯化，學生運用跨學科知識解決實際問題

1.在問題解決中綜合運用跨學科知識

通過技術(shù)平臺支持下的橋梁設(shè)計與制作，學生感悟到，真實情境中的問題解決需要綜合運用跨學科知識設(shè)計方案，而遵循科學規(guī)律是保證工程順利實施的重要前提。學生從初中到高中學習數(shù)學、物理知識，如三角函數(shù)、矢量、力的分解、牛頓運動定律、杠桿原理等。以前，他們感覺學習這些知識是為了應(yīng)付作業(yè)和考試，而在這個項目中，這些知識不僅全都用上了，而且成了可理解、可視化、可檢驗的活化知識。教學中，教師可以先介紹平面桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點分析法（涉及牛頓第一定律、力的分解與合成，與高中學生的知識背景相一致），再讓學生紙筆演算3～5個桿件的受力大小和方向，判斷構(gòu)件中的壓桿與拉桿，體會理論與實踐之間的緊密聯(lián)結(jié)，進而感受計算機可以大大提高工作效率和質(zhì)量，在無形中達成跨學科知識的融會貫通，實現(xiàn)學以致用。

2.在探究實踐中體會工程建模的重要價值

建模是技術(shù)、設(shè)計與工程活動的重要思想方法。工程建模是解決工程實際問題的橋梁，旨在更好地理解即將實施的工程，快速解決工程中的實際問題，以獲得更高的經(jīng)濟效益和社會效益。工程建模在概念設(shè)計階段、實體設(shè)計階段、詳細設(shè)計階段，有著不同類型的建模方法，發(fā)揮著不同的作用。在概念設(shè)計階段，系統(tǒng)建模和數(shù)學建模使用得比較普遍。計算機是現(xiàn)代工程必不可少的建模工具，即利用計算機建立數(shù)學模型、數(shù)值求解、定量研究某些現(xiàn)象或過程的研究方法。基于平臺的“建模與仿真”模塊（如圖4），學生能便捷地編輯橋梁主體跨度、結(jié)構(gòu)和荷載，支持批量坐標數(shù)據(jù)導入，實現(xiàn)即時計算和交互，反饋結(jié)點、桿件、荷載的所有量化信息，方便各組研究、討論、驗證設(shè)計的可行性。由于課堂時間有限，學有余力的學生可以在課余時間利用學習平臺上的教學視頻，嘗試更多的建模方法。

3. 在比較分析中感悟研究建模遵循的原則

學生在概念設(shè)計階段使用本平臺的“建模與仿真”模塊，在工程論證會上使用小組制作的紙質(zhì)橋梁模型實物，感悟?qū)τ谕粋€實際系統(tǒng)，人們可以根據(jù)不同的用途和目的建立不同的模型。教師啟發(fā)關(guān)鍵點：建立模型只是實際系統(tǒng)原型的簡化，既不可能也沒有必要呈現(xiàn)實際系統(tǒng)的所有細節(jié)。如果在簡化模型中能保留系統(tǒng)原型的一些本質(zhì)特征，就可認為模型與系統(tǒng)原型是相似的，是可以用來描述原系統(tǒng)的。在實際建模時，必須在模型的簡化與分析結(jié)果的準確性之間做出恰當?shù)娜∩幔@是建模常遵循的原則。

（三）融合方法指導和解決問題的路徑，引導學生從技術(shù)試驗中汲取精華

技術(shù)試驗是重要的技術(shù)思想方法。要想成功生產(chǎn)出安全實用的產(chǎn)品，如果僅憑動手、試錯和碰運氣，有可能耗費大量資源和時間。在實際工作中，工程師必須進行科學合理的設(shè)計分析，權(quán)衡研判。如果屬于工程界現(xiàn)成的技術(shù)試驗數(shù)據(jù)，則查閱手冊 ；如果沒有數(shù)據(jù)，就要進行全新的技術(shù)試驗。對于高中通用技術(shù)教學，教師創(chuàng)設(shè)微縮而典型的問題情境，讓學生體驗技術(shù)試驗的設(shè)計和實施，明白試驗數(shù)據(jù)是如何積累的，明白運用試驗結(jié)果的意義。學生從試驗現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)其包含的原理性問題，有利于洞察事物的本質(zhì)，少走彎路，提高思維效率。

本項目的技術(shù)試驗環(huán)節(jié)，學生既有動手做，也有動腦做，將實踐經(jīng)驗與科學理論結(jié)合起來。學生對學習活動中制作的規(guī)格化的構(gòu)件，利用測試裝置，開展一系列技術(shù)試驗，測試不同長度和規(guī)格桿件的抗拉、抗壓強度，并記錄數(shù)據(jù)。通過試驗，學生發(fā)現(xiàn)相同規(guī)格構(gòu)件的測試數(shù)據(jù)或多或少存在偏差，這主要是由于每個構(gòu)件的制作質(zhì)量差異導致的。利用平臺“試驗與分析”模塊（如圖5），各組測試數(shù)據(jù)自動匯聚和豐富，提供給所有學生研判和選用。當數(shù)據(jù)足夠多時，擬合的受力分析曲線就比較接近該規(guī)格構(gòu)件的力學屬性。學生進而利用圖表分析結(jié)果，觀察各種物理性質(zhì)如何影響構(gòu)件強度。結(jié)合在“建模與仿真”中的設(shè)計，學生從安全系數(shù)、桿件需求、建造成本等多個角度，迭代優(yōu)化設(shè)計。正因為有了可靠的數(shù)據(jù)，學生能研判本小組的桁架橋設(shè)計是否合理、是否需要改變結(jié)構(gòu)、哪些部位選用何種構(gòu)件、哪些構(gòu)件需要強化等，大大減少了下一步制作的盲目性，從而實現(xiàn)產(chǎn)品成本可控、安全達標的目標。同時，學生切實感受到工匠精神，在構(gòu)件制作階段要精益求精，提高工藝質(zhì)量水平，才能使最終裝配的產(chǎn)品更加可靠和安全。

五、結(jié)語

任何學習方式的落地，都需要學習支架的支持，廣州市越秀區(qū)橋梁設(shè)計學習平臺以信息技術(shù)為支撐搭建優(yōu)質(zhì)學習支架，將書本知識與實踐活動創(chuàng)造性結(jié)合，有效促進學生的學習和項目的開展。學生在潛移默化中感悟?qū)W習和生活是息息相關(guān)的，每個社會公民都擁有工程思維將有助于全社會形成更科學合理的決策，從而增強了造福人類的主觀能動性和創(chuàng)造美好世界的社會責任感。

參考文獻

[1][3]中華人民共和國教育部.普通高中通用技術(shù)課程標準：2017年版[S]．北京：人民教育出版社，2017.

[2] 王濱.工程改變世界[M].上海：華東師范大學出版社，2020.

（作者系廣東省廣州市越秀區(qū)教育發(fā)展研究院教研員、中學高級教師）

責任編輯：牟艷娜