指向?qū)W生工程思維培養(yǎng)的智能澆花項(xiàng)目設(shè)計(jì)

〔摘" "要〕" 工程思維作為一種重要思維方式，強(qiáng)調(diào)問題分析與解決、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃以及創(chuàng)新與實(shí)踐能力。智能澆花項(xiàng)目為小學(xué)生提供了實(shí)踐平臺(tái)，引導(dǎo)他們通過識(shí)別植物生長(zhǎng)中土壤濕度管理等實(shí)際問題進(jìn)行分析并提出解決方案，鍛煉問題分析與解決能力。項(xiàng)目實(shí)施過程要求學(xué)生設(shè)計(jì)包含多個(gè)組件的完整系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃與組件選擇，培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃能力，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)或算法，通過動(dòng)手實(shí)踐將理論轉(zhuǎn)化為應(yīng)用，提升創(chuàng)新與實(shí)踐能力。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；工程思維；智能澆花項(xiàng)目

〔中圖分類號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " 〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）17" " 0058-03

工程思維是理論聯(lián)系實(shí)際的一種重要思考方式，2016年國家頒布的《中國學(xué)生發(fā)展素養(yǎng)》中提到實(shí)踐創(chuàng)新是中學(xué)生應(yīng)發(fā)展的核心素養(yǎng)之一。在小學(xué)教育階段，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維對(duì)于提升他們的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有重要意義。智能澆花項(xiàng)目作為跨學(xué)科教育主題，為小學(xué)生提供了將理論知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)問題的平臺(tái)。參與智能澆花項(xiàng)目時(shí)，學(xué)生需要識(shí)別植物生長(zhǎng)中的實(shí)際問題，設(shè)計(jì)含有傳感器、控制器和執(zhí)行器的智能系統(tǒng)，在實(shí)踐過程中不斷優(yōu)化創(chuàng)新，整個(gè)過程培養(yǎng)了學(xué)生問題分析與解決能力，鍛煉了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃能力及創(chuàng)新實(shí)踐能力，為他們未來的學(xué)習(xí)生活奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、工程思維的定義

工程思維代表著一套系統(tǒng)化思考模式，它將理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用緊密結(jié)合，通過分析解決真實(shí)問題來促進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展。工程思維視問題為需要克服的挑戰(zhàn)而非難以超越的障礙，它需要人們培養(yǎng)敏銳的問題意識(shí)并精確識(shí)別界定問題的核心與邊界。工程思維重視系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃，根據(jù)具體需求和約束條件設(shè)計(jì)高效可行的解決方案，整個(gè)過程要求對(duì)多種技術(shù)資源有深入的理解，同時(shí)具備創(chuàng)新思維能力去探索全新解決路徑。

二、智能澆花項(xiàng)目對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程思維的重要性

（一）問題分析與解決能力

智能澆花項(xiàng)目對(duì)小學(xué)生問題分析與解決能力培養(yǎng)具有顯著重要性，小學(xué)生通過觀察植物生長(zhǎng)過程識(shí)別土壤濕度不足或澆水過量等實(shí)際問題，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題成因、影響及可能解決方案。學(xué)生設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)時(shí)配置濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度，設(shè)定合理澆水算法控制澆水量，把理論知識(shí)與實(shí)踐操作結(jié)合起來提出并實(shí)施解決方案。整個(gè)過程鍛煉了學(xué)生問題分析能力的同時(shí)培養(yǎng)了解決問題能力，學(xué)生從實(shí)際問題出發(fā)用工程思維方法系統(tǒng)分析問題并提出創(chuàng)新性解決方案，為未來學(xué)習(xí)和生活奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃能力

在智能澆花項(xiàng)目中，學(xué)生被要求設(shè)計(jì)一個(gè)包含傳感器、控制器和執(zhí)行器的完整系統(tǒng)，該過程對(duì)培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃能力非常重要。學(xué)生需全面考慮系統(tǒng)功能需求，精確監(jiān)測(cè)土壤濕度并據(jù)數(shù)據(jù)控制澆水量等，要求他們具備全局視野和系統(tǒng)性思維，同時(shí)選擇合適組件如高靈敏度傳感器和穩(wěn)定可靠的控制器，優(yōu)化組件布局確保系統(tǒng)整體性能和穩(wěn)定性。通過實(shí)踐，學(xué)生學(xué)會(huì)了規(guī)劃系統(tǒng)功能、選擇組件和優(yōu)化布局，深刻體會(huì)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃在工程思維中占據(jù)核心地位。

（三）創(chuàng)新與實(shí)踐能力

智能澆花項(xiàng)目對(duì)培養(yǎng)小學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力極為重要，該項(xiàng)目鼓勵(lì)學(xué)生突破常規(guī)思維框架，大膽嘗試改進(jìn)傳感器設(shè)計(jì)或優(yōu)化澆水算法等創(chuàng)新活動(dòng)，通過親自動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)生把課堂理論知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際問題中，深化了對(duì)知識(shí)的理解，激發(fā)了創(chuàng)新思維，在反復(fù)嘗試、調(diào)整和優(yōu)化的過程中，鍛煉了應(yīng)對(duì)復(fù)雜問題的能力，培養(yǎng)了將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的實(shí)踐能力，智能澆花項(xiàng)目作為科技實(shí)踐活動(dòng)，已成為培養(yǎng)小學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和工程思維的重要途徑。

三、指向?qū)W生工程思維培養(yǎng)的智能澆花項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（一）問題導(dǎo)向的任務(wù)設(shè)計(jì)

問題導(dǎo)向的任務(wù)設(shè)計(jì)培養(yǎng)小學(xué)生工程思維方法在智能澆花項(xiàng)目中體現(xiàn)得非常突出，通過設(shè)置真實(shí)問題情境，教師能有效引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際需求出發(fā)主動(dòng)思考解決問題。以“如何讓植物在無人照料時(shí)也能獲得適量水分”作為任務(wù)目標(biāo)，學(xué)生需深入分析植物生長(zhǎng)基本需求，識(shí)別關(guān)鍵問題，如土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和澆水頻率精準(zhǔn)控制。任務(wù)設(shè)計(jì)過程中學(xué)生需明確問題核心，植物生長(zhǎng)對(duì)水分需求具有動(dòng)態(tài)性，過多或過少水分都會(huì)影響植物健康，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)土壤濕度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化澆水成為關(guān)鍵；引入物聯(lián)網(wǎng)土壤濕度傳感器，學(xué)生可實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)將其作為系統(tǒng)輸入；學(xué)生設(shè)計(jì)控制模塊處理傳感器采集數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)閾值判斷是否啟動(dòng)澆水裝置，執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)完成具體澆水動(dòng)作，控制水泵或電磁閥開關(guān)，將問題分解為多個(gè)子任務(wù)，學(xué)生逐步構(gòu)建完整的智能澆花系統(tǒng)。問題導(dǎo)向任務(wù)設(shè)計(jì)幫助學(xué)生掌握技術(shù)工具使用方法，培養(yǎng)系統(tǒng)性思維能力，分析植物生長(zhǎng)需求時(shí)學(xué)生綜合考慮環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、植物種類等因素，共同決定土壤濕度變化規(guī)律影響澆水策略制定。任務(wù)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與理論結(jié)合，學(xué)生設(shè)計(jì)智能澆花系統(tǒng)過程中將課堂所學(xué)科學(xué)原理與工程技術(shù)結(jié)合，濕度傳感器工作原理控制模塊邏輯判斷，執(zhí)行模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及多學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用。學(xué)生在問題導(dǎo)向任務(wù)設(shè)計(jì)中擁有創(chuàng)新與優(yōu)化空間，實(shí)際操作中可能發(fā)現(xiàn)初始設(shè)計(jì)不足、傳感器數(shù)據(jù)誤差大或澆水效率低下，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化傳感器安裝位置，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，改進(jìn)澆水算法，減少水資源浪費(fèi)，整個(gè)過程鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力，激發(fā)創(chuàng)新思維，在解決問題過程中突破自我。

（二）系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與模塊化實(shí)踐

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與模塊化實(shí)踐是培養(yǎng)小學(xué)生工程思維的重要方法之一，在智能澆花項(xiàng)目中具有顯著教育意義，通過將復(fù)雜任務(wù)分解為多個(gè)功能模塊，學(xué)生能逐步理解系統(tǒng)整體架構(gòu)，掌握各模塊間邏輯關(guān)系，有效提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃能力。以智能澆花項(xiàng)目為例，教師可引導(dǎo)學(xué)生將任務(wù)分解為傳感器模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊，依次完成每個(gè)模塊設(shè)計(jì)與搭建。在系統(tǒng)化設(shè)計(jì)過程中，傳感器模塊是智能澆花系統(tǒng)的基礎(chǔ)，學(xué)生需選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，如土壤濕度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分含量，傳感器安裝位置、數(shù)據(jù)采集頻率以及信號(hào)傳輸方式都需經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性。通過設(shè)計(jì)傳感器模塊，學(xué)生能初步了解數(shù)據(jù)采集基本原理，掌握傳感器與系統(tǒng)其他部分連接方式。控制模塊設(shè)計(jì)是智能澆花系統(tǒng)核心環(huán)節(jié)，學(xué)生需根據(jù)傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)控制邏輯，當(dāng)土壤濕度低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制模塊應(yīng)發(fā)出澆水指令，當(dāng)濕度達(dá)到適宜范圍時(shí)，停止?jié)菜？刂颇K設(shè)計(jì)涉及編程與邏輯思維運(yùn)用，學(xué)生需編寫簡(jiǎn)單代碼或使用圖形化編程工具，將傳感器數(shù)據(jù)與執(zhí)行模塊動(dòng)作關(guān)聯(lián)起來。執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)是智能澆花系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生需選擇合適執(zhí)行器，如水泵或電磁閥，用于完成澆水動(dòng)作。執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)需考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、水資源利用率以及操作便捷性，水泵功率應(yīng)與澆水需求相匹配，避免水資源浪費(fèi)或設(shè)備過載。系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與模塊化實(shí)踐為學(xué)生提供發(fā)現(xiàn)問題與優(yōu)化系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，在實(shí)際操作中，學(xué)生可能遇到傳感器數(shù)據(jù)誤差、控制邏輯失效或執(zhí)行器動(dòng)作不準(zhǔn)確等問題，他們需通過實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，逐步排查問題并優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整傳感器安裝位置提高數(shù)據(jù)精度，修改控制邏輯提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，或更換執(zhí)行器提高動(dòng)作的穩(wěn)定性，該過程鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)了他們的系統(tǒng)優(yōu)化意識(shí)。

（三）創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的迭代優(yōu)化

創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的迭代優(yōu)化是培養(yǎng)小學(xué)生工程思維的重要方法之一，在智能澆花項(xiàng)目中具有顯著教育意義。鼓勵(lì)學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)問題并不斷優(yōu)化系統(tǒng)，教師能夠有效引導(dǎo)他們將理論與實(shí)踐相結(jié)合，深化對(duì)工程思維的理解。以智能澆花項(xiàng)目為例，學(xué)生可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)初始設(shè)計(jì)不足，嘗試改進(jìn)算法或調(diào)整物聯(lián)網(wǎng)傳感器靈敏度。項(xiàng)目實(shí)施初期，學(xué)生設(shè)計(jì)的智能澆花系統(tǒng)可能存在多種問題：初始澆水算法可能效率低下導(dǎo)致水資源浪費(fèi)或植物生長(zhǎng)不良，物聯(lián)網(wǎng)傳感器靈敏度可能不足導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確，執(zhí)行器的動(dòng)作可能不夠穩(wěn)定影響系統(tǒng)整體性能。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試能夠發(fā)現(xiàn)問題并分析背后原因：澆水算法效率低下可能是閾值設(shè)置不合理或控制邏輯過于簡(jiǎn)單，傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確可能是安裝位置不當(dāng)或環(huán)境干擾，執(zhí)行器動(dòng)作不穩(wěn)定可能是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷。在優(yōu)化過程中，學(xué)生需要綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐。改進(jìn)澆水算法時(shí)學(xué)生需要結(jié)合植物生長(zhǎng)科學(xué)原理重新設(shè)定濕度閾值或引入動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)傳感器時(shí)學(xué)生需要了解傳感器工作原理，調(diào)整安裝位置或增加數(shù)據(jù)濾波功能，改進(jìn)執(zhí)行器時(shí)學(xué)生需要掌握機(jī)械設(shè)計(jì)基本知識(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局或更換合適設(shè)備。創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的迭代優(yōu)化強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試的重要性，在優(yōu)化過程中學(xué)生通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，調(diào)整澆水算法后學(xué)生觀察植物生長(zhǎng)狀況評(píng)估算法實(shí)際效果，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)傳感器后學(xué)生測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性評(píng)估傳感器的性能，改進(jìn)執(zhí)行器后學(xué)生觀察動(dòng)作穩(wěn)定性評(píng)估機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果。迭代優(yōu)化過程為學(xué)生提供創(chuàng)新思維發(fā)展空間，解決復(fù)雜問題過程中學(xué)生跳出固有思維模式嘗試多種解決方案，面對(duì)傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，學(xué)生可嘗試增加多個(gè)傳感器提高數(shù)據(jù)可靠性，或引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法提高數(shù)據(jù)處理能力，面對(duì)執(zhí)行器動(dòng)作不穩(wěn)定問題，學(xué)生可嘗試設(shè)計(jì)新機(jī)械結(jié)構(gòu)提高動(dòng)作精度，或引入反饋控制機(jī)制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過不斷嘗試與創(chuàng)新，學(xué)生能逐步提高解決復(fù)雜問題的能力，形成工程思維中的創(chuàng)新意識(shí)。

四、結(jié)論與建議

通過智能澆花項(xiàng)目實(shí)施，小學(xué)生工程思維得到顯著提升。他們掌握了識(shí)別分析植物生長(zhǎng)實(shí)際問題的方法，成功設(shè)計(jì)出含傳感器、控制器和執(zhí)行器的智能系統(tǒng)，在實(shí)踐中持續(xù)優(yōu)化創(chuàng)新。整個(gè)過程有效培養(yǎng)了學(xué)生問題分析解決能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃能力及創(chuàng)新實(shí)踐能力。建議將來在小學(xué)教育領(lǐng)域廣泛推廣智能澆花項(xiàng)目，把它作為培養(yǎng)學(xué)生工程思維的重要途徑，教師應(yīng)該重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生把理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，鼓勵(lì)他們?cè)趧?dòng)手實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，持續(xù)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。學(xué)校方面需要提供充足資源和全面支持，比如各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備、專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)和豐富的合作機(jī)會(huì)，為學(xué)生工程思維的培養(yǎng)創(chuàng)造更加有利的環(huán)境和條件，讓他們?cè)谥悄軡不?xiàng)目中真正體驗(yàn)到工程設(shè)計(jì)的魅力和成就感，從小培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新精神，為將來適應(yīng)科技社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

【本文系無錫市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃工程教育專項(xiàng)課題“工程教育視角下小學(xué)水域課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”的階段性研究成果，課題編號(hào)：GGZX/2023/11】

參考文獻(xiàn)

[1]唐浩，楊毅剛，安利強(qiáng).工程思維能力的培養(yǎng)：內(nèi)涵，邏輯與路徑[J].高等工程教育研究，2024（2）：71-78.

[2]葛麗霞.如何培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力：基于農(nóng)村小學(xué)科學(xué)活動(dòng)課程的教學(xué)[J].江西教育，2023（23）：86-87.

[3]林雙英，李偉明.立足項(xiàng)目化活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生工程思維：以“模擬飛船對(duì)接”項(xiàng)目為例[J].湖北教育，2024（13）：33-35.