面向工程設計思維培養的STEM教學模式構建與案例分析

嚴大虎，姚 靜

（1.江南大學 江蘇“互聯網+教育”研究基地；2.江南大學 人文學院，江蘇 無錫 214122）

0 引言

新一輪科技革命與產業創新正在悄然進行，隨著大數據、人工智能、虛擬現實等新興技術在各行各業的迅速滲透，科技變革持續對工程教育發出新的吶喊。工程設計思維作為工程教育培養的關鍵能力也受到廣泛關注，并逐漸被引入K-12 學段的STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）課程中。工程設計思維是工程設計與設計思維融合的產物［1］，指在工程設計過程中使用設計思維發現問題、分析問題、解決問題和反思問題的一項綜合能力［2］，旨在培養學生從多角度發散性看待問題［3］，進而設計出更好的問題解決方案。目前，依托STEM 教育跨學科的優勢培養學生的工程設計思維已逐漸形成共識［4］。在新工科建設的影響下，已有不少研究嘗試將工程設計與科學探究整合起來以豐富K-12STEM 課程模式［5］，但如何將工程設計流程與STEM 教學進行融合創新，以深度探索工程設計思維的培養仍比較欠缺。因此，探索針對性教學模式，以充分發揮工程設計與跨學科教學的優勢，落實基礎教育學段工程設計思維的培養尚需努力。

1 相關研究

1.1 工程設計思維

工程是人類社會為滿足自身需要進行的有意識的造物活動，而設計作為工程的核心［6］，是對這些活動進行頂層規劃與細節布局的有目的的創造過程。工程設計作為工程與設計的結合，是指以工程問題為驅動，滿足特定約束條件，依據設計概念和規范化流程實現用戶需求、目標的系統化過程［1］。從這個意義上講，其符合人工科學與自然科學的內在轉換機制。同時，由于其具有強烈的工程特征，是設計者在工程制造過程進行知識分析與應用的復雜認知過程，因此Dym 等［1］將其細化為工程設計思維，屬于設計思維的子范疇。不同學者對于工程設計思維的理解不同。例如，Atman 等［7］認為工程設計思維是指通過提供恰當的思維支架與問題約束幫助學習者界定問題范圍、考慮替代方案、靈活控制時間及把握方案質量的一系列關鍵能力，是培養學生專家型設計行為與意識的新方法；Chang等［8］認為工程設計思維是通過分解工程設計挑戰，嘗試以分類步驟的方式系統解決具有現實意義工程問題的能力。綜合各方觀點，本文認為工程設計思維是對工程問題產生的原因進行理性觀察與評估，并采用一套系統完整的流程，即問題界定、方案設計、建模測試與優化作為策略支撐解決工程問題的方法論。該思維啟發學生從多角度看待問題，并運用系統、辯證及審視的態度促進問題解決過程中設計認知的發展與融合，以及設計概念有目的的轉化。

當前工程設計思維研究主要集中在其培養和評價兩方面。工程設計思維培養研究重視課程模式的設計、開發與應用。例如，Lin 等［3］為培養學生的工程設計思維，將STEM 項目式學習與工程設計相結合，提出基于工程設計的STEM 項目式教學模式（EDP-STEM-PBL），研究表明該模式在澄清問題、產生想法、建模和可行性分析方面更能鍛煉學生的工程設計思維；周安然等［4］以美國NASA 宇宙飛船安全課程案例為參考，主張圍繞工程設計挑戰開發螺旋上升式的STEM 活動，以真實任務情境驅動學生探索工程問題，進而實現工程設計思維培養；李宏偉等［9］基于設計思維與工程教育的特性，從課程內容建構、教學過程組織和教學方式設定3 個層面總結出以設計思維為主線的工程設計能力培養課程框架。工程設計思維評價的研究重點關注新手與專家工程的設計思維差異以及工程設計思維評價的操作化。例如，Atman 等［7］分析比較了工程專業學生與專家設計游樂場所時表現出的行為差異，結果表明專家在界定設計問題上花費的時間更多，他們通常在廣泛收集信息后再深入挖掘設計問題，以保證問題的科學性；Safoutin 等［10］基于大量設計模型和參與者話語分析發現，工程設計思維可被分解為問題定義、信息收集、想法生成等能力，為工程設計思維的測評提供了新思路；Lin 等［3］和Ninger 等［11］和分別嘗試對學生的設計原型、設計過程和認知流程圖進行編碼分析，結果表明這些過程性產出能夠清晰揭示設計者設計思想到設計實踐的具體轉變，有助于提升工程設計思維評價的準確性。

總體而言，現有工程設計思維培養主要依托于工程設計流程實現，其評價不僅揭示了新手與專家工程設計思維的差異，也逐漸由會話分析向認知評價靠攏。值得注意的是，上述研究雖然將工程設計與設計挑戰或項目學習融入到STEM 教學中，但其本質仍立足于正向工程的視角，即從零開始構建一項工程制品。然而，單一視角所產生的禁錮現象是直接導致其教學模式刻板且缺乏深度的主要原因［12］。因此，如何跳出固定限制，豐富STEM 教學中的工程設計應用仍有待深入研究。

1.2 STEM 教育與工程設計思維培養的內在聯系

STEM 教育以整合創新為宗旨，是一種融合多學科知識來解決現實問題的創新教學法，其引導學生在問題解決過程中利用工程控制流程、技術實現功能、科學與數學原理完成概念解釋，以此實現問題解決能力與創新思維的培養［13］。然而，以往的STEM 教育注重科學與數學學科的融合發展，對技術與工程的整合關注較少［14］。隨著國際化進程的加快，技術變革與工業競爭讓越來越多的國家意識到工程與技術教育是國家創新發展的必由之路。2018 年，美國國家科學院與工程院聯合發布《以調查和設計為中心的6-12 年級科學與工程》報告，明確指出STEM 教育要注重工程設計與科學探究活動相結合，以有趣的現象或工程設計項目開展教學是促進學生積極參與跨學科學習的關鍵。其于2020 年發布的《技術與工程素養標準：STEM 教育中技術與工程的作用》更是直接利用工程設計將技術教育與工程教育兩者進行整合。可見，以工程設計的形式將工程與技術融入到STEM 教育中受到眾多研究者的青睞，這不單是STEM 教育整合發展的一劑良方，也為工程設計思維的培養奠定了基礎。

1.3 工程設計與逆向工程

1.3.1 工程設計的特點

工程設計作為探究工程問題的主流方式，受到眾多機構與學者的普遍認同。表1 為不同研究者或機構對工程設計流程的理解。通過比較各流程的共性，Berland 等［15］總結出工程設計的四大特點：①問題定義。該特點指從廣泛、冗余的需求中挖掘出用戶的真實想法，并將其陳述為清晰、明確的工程問題；②設計解決方案。該特點指工程師依據所需條件，將工程問題與科學概念建立連接，并調動已有知識與經驗不斷權衡、審視，以尋找方案最優解；③建模與分析。該特點指利用數學模型模擬真實應用場景對方案進行全面審查、剖析與調整；④迭代優化。該特點指工程師重新回顧先前步驟，依據建模與分析結果不斷改進和完善。上述四大特點是對傳統工程設計流程的高度凝練，其核心是利用工程設計流程引導學生明確問題并構建解決方案，進而實現工程設計思維的培養。然而，如何維持學生參與過程中的積極性尚未有很多研究，這也是導致教師刻板遵循流程、學生缺乏深度探索的主要原因。

Table 1 Understanding of engineering design processes by different researchers or institutions表1 不同研究者或機構對工程設計流程的理解

1.3.2 逆向工程的內涵與優勢

逆向工程是以先進產品的實物、樣件作為研究對象，利用現代設計理論與方法對其進行解剖、測量與分析，以確定產品內部組件及其相互關系與再創造的過程［22］。與正向工程相比，逆向工程的思想更符合人類認知規律，其所具有的強操作性可以更好地繼承原有產品優勢，從而實現理論與實踐的融合創新。從認知角度看，逆向工程的本質是在前人成果的基礎上進行局部創新，無需設計者經歷從無到有的構想，而是緊緊圍繞當前產品的缺陷與不足進行再創造。從實踐角度看，逆向工程以生活中常見的工程實物展開設計，因此其能快速帶領學生進入使用者和設計者身份意識，換位思考和揣摩先前設計者的創作意圖，啟發學生運用發散思維追尋真問題［23］。不僅如此，可擴展性也是逆向工程的另一顯著優勢。在高等教育中，Otto 等［24］將逆向工程與再設計進行整合，將其實施過程擴展為逆向工程、建模與分析、再設計3 個階段，以此呼吁通過逆向拆解的方法挖掘用戶需求并創新出更好的產品。該模式在德克薩斯大學、麻省理工學院和美國空軍學院中被廣泛應用［25］。在基礎教育中，康斯雅等［12］將逆向工程思想融入小學機器人設計中，提出解構復原、解構糾錯、要素增減和結構創新4 類逆向工程拓展模式，以層層遞進的方式引導學生體驗感知、分解、設計、實施、評價全過程，幫助其實現知識建構與創新應用。可見，逆向工程并非徹底顛覆工程設計，而是以真實、多樣的工程問題情境激發學習興趣、豐富參與體驗，推動學生在感知與實踐的基礎上實現微創新。

2 面向工程設計思維培養的STEM 教學模式

2.1 逆向工程與工程設計的融合

工程設計是嚴謹、規范的設計流程，是探索工程問題的不二之選。逆向工程作為創設問題情境與拓展工程模式的新方法，是豐富傳統工程設計的有效途徑。將兩者融合不僅能批判性地繼承彼此優點，而且凸顯了STEM 教育實施的多樣性。具體而言，兩者整合的價值主要體現在以下3個方面：

（1）以真實工程問題為起點，調動學生學習主動性。有效的問題情境是教學效果的關鍵保障，而有效的問題情境強調真實、有趣并富有意義。逆向工程與工程設計的整合是從真實工程問題出發，通過建立生活需求與設計創新之間的有機聯系增強工程設計活動的吸引力，從而激發學生探索、挑戰的本能，使其主動參與到工程問題解決過程中，有助于深度探索行為的發生。

（2）以豐富的工程模式為指導，滿足各類教學需求。逆向工程獨特的擴展性為彌補工程設計的單一現象提供了天然契機，其分別從橫向與縱向兩個維度對傳統工程設計流程進行創新應用。從橫向上看，逆向工程的參與改變了傳統工程設計被正向工程壟斷的現狀，拓寬了工程設計的應用范圍；從縱向上看，豐富的工程模式涵蓋了從基本概念理解到物品復原再到創新設計的全方位教學需求，為適配不同深度的教學目標提供了更多選擇。

（3）以動手設計為主線，保障工程設計實踐落實。設計作為貫穿整個工程問題解決過程的主線，是解決問題的關鍵所在。然而在K-12 學段，追求完全的創新設計是難以實現的，而彌補和完善已有產品的不足，聚焦于局部創新是有效降低設計者認知與操作負擔、體驗設計樂趣的關鍵。因此，以逆向思想驅動的微創新是保障設計者積極參與與落實實踐的核心，是推動深度探索的重要途徑。

2.2 模式構建

基于對工程設計思維培養底層邏輯的梳理，以傳統工程設計流程為基礎，將逆向工程選擇與拆解的核心環節整合到該流程中，經歷“選擇目標產品→明確需求和問題→剖析產品部件與結構→提出解決方案→建模與測試→迭代優化→評價”的漸進設計過程，形成設計與探索并重的STEM 教學模式，具體如圖1 所示。該模式由STEM 學科知識、逆向工程教學法與工程設計思維三者整合的內循環和新工程設計的外循環組成。其中，內循環是基于教學目標與學習者當前工程設計思維現狀，通過逆向工程教學法為STEM 教學選取合適的工程產品、創設真實問題情境，并利用工程學自身的系統流程優勢將科學、技術、數學學科知識與具體問題情境進行有機整合的循環過程，是推動STEM 課程實施的核心；外循環則是內循環驅動下展開的具體工程設計流程，即學生解決問題的操作步驟。兩個循環圈之間不是簡單的疊加，而是彼此交融、相互滲透，以內循環的“需要知道”觸發外循環的“需要做”，共同實現基于STEM 教學的工程設計思維培養。

Fig.1 STEM teaching mode for the cultivation of engineering design thinking圖1 面向工程設計思維培養的STEM 教學模式

工程設計思維蘊含在STEM 工程設計活動的各個環節：①選擇目標產品。教師作為教學的設計者和執行者，選擇與教學目標相統一的工程制品，是激發學生學習興趣和創設真實問題情境的關鍵。教師在該環節引導學生觀察和體驗目標產品，鼓勵他們從多元角度發散性看待問題，并在感知與共情的基礎上完成信息收集與標準制定；②明確需求和問題。該環節需對識別的需求和問題進行優先級排序，以目標情境和現實約束共同確定產品的核心改進點，幫助落實后續設計需解決的具體工程問題；③剖析產品部件與結構。該環節給學生提供了知識建構的契機，是推動工程問題與科學概念映射的核心環節。教師作為探究學習的促進者，帶領學生在明確目標、理論與實踐的循環映射中領悟新知，完成信息加工與知識遷移；④提出解決方案。該環節是在經驗與新知的相互作用下對工程問題探索的具體外顯，包括產出設計草圖、闡釋與分享解決方案及評估方案可行性。新的解決方案是檢驗知識習得與創新意識的直接證據，教師作為學習的促進者，不僅要鼓勵學生積極表達想法，還應提供相應的教學支持激發學生的創新意識，給予設計認同，使其在融洽的氛圍中實現知識意義遷移并提升問題解決能力；⑤建模與測試。該環節旨在培養學生的實踐能力，引導學生通過CAD 或3D 建模工具完成產品三維模型設計，并模擬真實使用情境對其進行多輪測試，以檢驗解決方案存在的不足；⑥迭代優化。該環節是對產品設計進行持續改進。合理的迭代不僅可以更大范圍地覆蓋設計不足，為最終產品質量保駕護航，也能使學生領會權衡與反思在設計中的重要性；⑦評價。在該環節中，學生要向老師和同學展示優化后的最終方案，評價者可以從問題界定、流程完整性、概念映射及創新意識等方面給予反饋。同時，教師也要善于從學生的評價與反饋中總結活動不足，不斷修正，為培養工程設計思維指明方向。

3 STEM 教學案例設計與實施

3.1 案例設計

本研究以華東地區某中學為實驗基地，應用前文構建的STEM 教學模式，以“手持小風扇改造”為案例展開教學。在改造過程中，學生一方面可以將日常經驗與實驗感受相結合，討論風力變化，領會電流、磁力等物理概念，探究電能與風能轉化的關鍵因素；另一方面可通過對解決方案的迭代優化進一步感知設計與制造之間的智慧轉化，并在總結與反思中加深對工程設計系統性、規范性的理解，有助于學生工程設計思維的持續提升。基于此，案例教學目標圍繞學科核心知識、跨學科整合知識及工程設計思維層層遞進，具體如表2所示。

Table 2 Teaching objectives for handheld small fan transformation case表2 手持小風扇改造案例教學目標

3.2 案例實施

邀請該中學47 名九年級學生進行課程學習，共8 個課時，持續4 周。在課程開始前一周實施前測，課程結束后一周實施后測，具體教學實施流程如圖2 所示。在整個教學活動中，首先由教師選擇好恰當的產品——傳統手持小風扇，并基于該產品為學生創設真實的情境，帶領學生觀察風扇外形、構造，體驗風扇風力大小、噪音強弱，收集風扇相關信息，在廣泛收集信息的基礎上明確核心問題；然后指導學生逐步完成風扇拆解，深入剖析風扇組件的工作原理、學習電生磁的概念，并為學生提供相應實驗工具，包括螺絲刀、電子秤、尺子、萬能表等，引導其開展分組實驗。需要注意的是，在學生拆解風扇和提出方案的過程中，教師要進行適當指導，記錄拆解步驟和操作易錯點，檢查問題與概念映射關系是否正確；最后從創新性和價值性等方面對學生的實踐成果進行評價，幫助學生優化解決方案、反思問題，樹立開放、辯證的設計態度。

Fig.2 Teaching implementation process of handheld small fan transformation case圖2 手持小風扇改造案例教學實施流程

學生活動與教師活動是一一對應的關系，在明確小風扇改進問題后采用小組合作的形式完成風扇拆解、概念映射和3D 建模。在該過程中，學生根據所學知識與自身經驗提出解決方案，利用3D 建模探究不同扇葉材料、數量對風力、噪音的影響，并在測試—觀察—記錄—優化的循環過程中完成自我建構，獲得最佳方案。在完成方案設計后進行評價與反思，每組學生依次進行成果分享交流。

3.3 效果分析

3.3.1 數據收集

研究采用問卷調查法和訪談法對學生工程設計思維發展水平進行評估，以驗證新教學模式的有效性。其中，問題解決能力問卷改編自Byun 等［26］制定的問題解決能力評價量表，包括問題感知和定義、提出方案和考慮結果、選擇方案和邏輯推理、反思方案和方案評估5 個方面；創新能力問卷改編自Besemer 等［27］制定的創新能力評價量表，包括新穎性、有效性、精密性和綜合性4 個方面；協作能力問卷改編自胡小勇等［28］提出的協作能力評價量表，包括學習態度和小組協作兩方面。整份問卷共有28 道題目，均采用李克特五點量表的形式呈現。經檢驗，問卷3 個維度的Cronbach′s Alpha 系數均高于0.80，表明該問卷信度良好。同時，訪談借鑒了Ninger 等［11］提出的工程設計理解問題示例用于評價系統思維，包括原型制作、目標設計、設計推理、結構設計、材料選擇及流程規范6個方面。

3.3.2 數據分析

（1）問題解決能力。本研究對學生問題解決能力前后測數據進行了配對樣本t檢驗，結果表明，通過手持小風扇改造案例實踐，學生的問題解決能力各維度后測成績均高于前測，具體如表3 所示。可見，面向工程設計思維培養的STEM 教學模式具有明顯的問題導向特征，有助于提升其解決問題的能力。

Table 3 Pre and post-test data for problem solving ability表3 問題解決能力前后測數據

（2）創新能力。如表4 所示，聚焦微創新后，學生的創新能力各維度后測成績均高于前測，其中新穎性增幅最突出，原因是聚焦后的問題十分明確，同時彰顯出極強的生活特征，學生們更容易將自身生活經驗與科學知識聯系起來，以生活為靈感實現微創新。

Table 4 Pre and post-test data of innovation ability表4 創新能力前后測數據

（3）協作能力。如表5 所示，通過手持小風扇改造案例實踐，學生的協作能力各維度后測成績均高于前測。可見在新教學模式的驅動下，學生作為小組成員會以更強烈的學習熱情投入其中，積極參與計劃制定與分工合作，并在討論中有意識地修正方向，規避討論偏離問題主體，共同實現問題解決與知識建構。

Table 5 Pre and post-test data for collaboration capabilities表5 協作能力前后測數據

（4）系統思維。如圖3 所示，通過手持小風扇改造案例實踐，學生在原型制作、設計目標、設計推理和材料選取方面的能力明顯提升。同時，學生能在原型制作中正確運用概念、原理和公式對每個步驟作出清晰闡釋，實現了知識的遷移與應用。

Fig.3 Comparison of pre and post-test data for systematic thinking圖3 系統思維前后測數據比較

4 結語

工程教育是建設新時代的重要命題，工程人才培養是壯大新經濟的首要途徑。本研究面向工程設計思維培養實際需求，以手持小風扇改造案例為例進行實踐檢驗，論證了融合逆向工程與工程設計的新型教學模式的有效性。然而，本文研究尚存在局限之處：由于條件限制僅針對九年級學生開展實驗，缺乏大規模實踐應用，后續還需將其應用于不同課堂情境中不斷完善，為推進K-12 工程教育的實施提供教學操作層面的參考。