基于工程思維的小學人工智能教學實踐探究

中圖分類號：G434文獻標識碼：A論文編號：1674—2117（2025）17-0058-03

工程思維是一種面向真實問題的高階思維方式，強調以系統的視角分析問題、設計方案、實施過程并進行評估與反饋，旨在解決復雜的現實情境中的綜合性任務。它重視整體規劃與資源整合，強調在不斷試驗與優化中提出創新且可行的解決方案。具體而言，工程思維包含四個相互關聯的維度——工程決策思維、工程設計思維、工程實施思維和工程評價思維，它們構成了完整的工程實踐路徑。

在小學信息科技教學中，工程思維的培養不僅契合《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對實踐能力和核心素養的要求，更為學生提供了一個融合知識、技能與思維的學習平臺。本文以“智能掃地機器人”為例（如右表），通過人工智能項目的設計與開發，引導學生在探究過程中逐步領會工程思維的內涵，提升系統思考與創造性解決問題的能力，為其后續核心素養與創新能力的培養打下堅實基礎。

工程決策思維：立足真實問題，確定最佳方案

在工程實踐初期，學生缺乏內在動力，導致學生對實踐目標缺乏理解。為此，教學中應引導學生運用工程決策思維，采用問題導向教學策略，結合真實生活情境設置工程任務，從而激發學生興趣和主動性，幫助他們深入理解工程問題，掌握解決路徑，實現工程思維的培養和全面發展。

1.問題導向：錨定決策場景

在工程實踐前，教師應基于學生經驗，提出有吸引力且具挑戰性的工程問題，激發他們的主動性和解決問題的動機，提高他們在決策中參與和投入的積極性。例如，在“智能掃地機器人”項目中，為提升任務的現實意義和驅動力，教師可將校園清潔中的人力依賴和效率問題轉化為更具挑戰性的任務引導，如“針對學校傳統掃地方式費時費力的情況，能否設計一款高效清潔且能自主避障的掃地機器人？”這樣的問題情境，不僅明確了學習目標，還增強了學生的參與熱情和設計動力。

2.角色代入：激發內在動力

教師可展示工程項目對社會的影響或介紹工程師的成長，以增強學生對工程實踐的認同感。例如，組織學生觀看智能掃地機器人研發視頻，讓他們直觀感受科技改變生活的力量，激發他們對智能產品設計的興趣。同時，引導學生以未來工程師身份參與項目，通過角色分工模擬體驗工程實踐流程。這種參與方式拓寬了學生的認知，使其增強了責任感和工程意識。

3.規則設定：厘清邊界條件

教師在活動前應設定明確的評估標準，其中包括功能、效率、操作便捷性和外觀等，以指導學生的設計與制作。將評價要求前置，確保學生圍繞目標思考和行動，提高設計的目的性和條理性。例如，“智能掃地機器人”項目的評估標準可細化為清掃效果、避障能力、結構穩定、操控方便和外觀設計等，并適當引導學生關注散熱等實際問題。這些貼近實際的評價維度有助于學生明確設計重點，并逐步建立系統的工程思維。

工程設計思維：聚焦發散思維，細化創新路徑

1.創意生成：喚醒設計靈感

教師應引導學生運用創新方法，如頭腦風暴、列舉法、逆向設計等，拓展思維，尋找問題的多種解法。其中，逆向設計尤為有效，它通過分析產品結構與功能，幫助學生理解設計邏輯，發現潛在問題，啟發改進思路。在本項目中，教師引導學生從外殼到傳感器、從運動路徑到控制方式逐步拆解智能掃地機器人，學生通過觀察、記錄分析，深入理解設計原理，在模仿與創新的結合中探索新的思路。

2.方案打磨：精雕構想藍圖

創意構想需通過反復推敲和細化，才能轉化為完整的設計方案。教師應引導學生通過可視化手段，如繪制設計圖和建立模型，將抽象想法具體化，幫助他們理解功能構成和實現路徑。在設計時，學生初期的清掃邏輯往往效率低下，清掃邏輯仍停留在“隨機行走”或“沿邊行走”等直覺層面，教師通過模擬演示和路徑對比，引導他們嘗試更有效的“回字形”“弓形”等清掃方式。

工程實施思維：注重多維協作，持續迭代優化

工程實施思維強調細節把握、步驟規劃和操作精確，確保設計方案達到預期功能和質量標準。在項目推進中，學生需要應對材料、結構和技術挑戰，實施過程成為調整方案、優化結構和解決問題的關鍵。通過“邊做邊改”，學生深入理解設計邏輯，建立設計與實現的動態聯系，體驗工程思維中“計劃一執行—反饋一再改進”的螺旋式提升過程。

1.精準選材：提升資源效能

材料的選擇影響結構穩定性和功能實現，也反映學生對工程資源的理解和運用。教師應引導學生了解材料性能，并進行有目的的篩選與組合。通過材料清單，學生可自主選擇設計所需的材料，理解材料選擇與工程效果的關系。例如，在設計智能掃地機器人時，學生嘗試使用輕質泡沫，后來因結構不穩定改用紙板和積木拼接，增強了承重性和協調性。這一過程讓學生認識到材料性能存在差異，并在資源有限的情況下學會權衡、比較與優化，發展工程判斷和系統設計意識。

2.因材施教：滿足多樣需求

在工程教學中，學生認知和技能水平不一，教師需因材施教，提供個性化指導。對思路不清晰的學生，提供模型，降低入門難度；對遇到技術難題的學生，引導其分析問題并調整方案；對已掌握基礎的學生，提出更高要求，促進技能提升。例如，指導學生通過調整傳感器、改變底盤結構和增加萬向輪等方式，提高機器人的靈活性和穩定性。在外觀設計上，指導學生通過顏色、材料和結構的創新，使作品更具個性化。通過分層教學，讓學生在各自起點上得到成長，培養了解決問題的能力，體現了差異化教學的價值。

3.協同推進：強化團隊合力

教師通過角色分工引導學生合作完成任務，增強他們的協作意識和責任感。在項目實施時，教師設定關鍵角色，如設計者、搭建者等，讓學生各司其職，共同推進項目。在這種模式下，學生在協作中既獨立又依賴，形成任務責任鏈。例如，學生在搭建機器人時發現問題，測試者提出問題，改進者解決問題，在這一任務鏈中，學生提升了溝通和合作能力，體驗到集體智慧的成就感。

工程評價思維：融合多元視角，推進精準評估

工程評價思維要求在工程實踐各階段進行持續反思和多元化評估，以優化設計方案。學生通過階段性檢驗發現并解決問題，提升作品完整性。展示環節讓學生介紹作品、學習他人經驗，增強成就感。在項目結束后，學生從全局審視設計過程，反思決策，思考改進路徑。這種學習有助于鞏固知識，積累經驗，深化工程思維。

1.成果檢驗：揭示改進方向

在項目完成后，成果檢驗能促使學生反思和優化設計。教師組織學生在模擬場景中測試掃地機器人，從多個維度進行現場測評。學生通過測試，發現理想與實際的差距，探究原因并調整結構或程序以提升性能，如發現機器人在角落卡頓，分析后調整傳感器位置，問題得到解決。教師提供評估標準，學生根據標準評價設計，并在“改進建議”欄中提出下一步優化設想。

2.交流互鑒：汲取多元智慧

教師組織項目成果展示活動，讓各小組展示掃地機器人作品，并通過介紹、演示和答辯等方式，加深學生對自己作品的理解，同時從他人作品中獲得新設計靈感。教師還可以設計觀察記錄表，要求學生記錄設計亮點和改進建議，以提高他們的觀察和評價能力。在活動最后設置學生票選獎項，依據機器人的功能表現和創新程度評選出“最美設計獎”“最佳功能獎”“最佳創意獎”等，增強了展示的參與感和儀式感，提升了學生的自我認同感和成就感。互動性強、反饋充分的展示環境能激發學生的創造欲望和改進方向，真正實現從“我做了什么”向“我還能怎么做”的思維躍遷，推動工程思維的發展。

3.過程回溯：沉淀優化經驗

在項目完成后，教師指導學生回顧設計和實施過程，包括決策、問題解決和作品與設想的差異。學生通過填寫工程學習日志，從“我做了什么”轉向“我學到了什么”與“我下次可以做得更好”，提高元認知能力。這種經驗積累有助于學生提煉工程知識，并建立持續優化的工程實踐意識。

結語

實踐證明，工程思維不僅可以作為一種能力目標嵌入課程，還可以作為一種思維方法和學習方式滲透于人工智能項目教學的各個環節。它促使學生不斷地提出更優的設想，嘗試更精巧的結構，追求更完善的方案，在失敗中汲取經驗，在優化中積累智慧。

參考文獻：

[1]丁婧.信息技術課程建設應關注工程思維的融入[J].基礎教育課程，2020（18）：71-75.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.e

本文系2023年福建省電化教育館教育信息技術研究立項課題“小學人工智能逆向教學提升工程思維實踐研究”（立項批準號：閩教電館KT23021）部分研究成果。