讓學生體驗工程師的思維方式

周迎春

科學家發現已經存在的世界，工程師則是建造一個過去從來沒有存在過的世界。英國教育哲學家赫斯特說：教育的中心目的是向學生傳授主要的思維形式，在思維核心之外包裹的諸多知識僅僅是載體。以編程教學為例，附加其外的Scratch、mBlok，抑或大學生所在學的C++、Python，其實以后都不重要，或許若干年后又有更新的編程語言刷新替代，但是編程所涉及的諸如遞歸思維、迭代思維。這些核心的內容會始終保留。工程思維也是如此，它是人們在進行工程活動和工程研究過程中所形成的獨特思維方式，是一種籌劃型的實體思維。工程思維是運用各種知識解決工程技術問題的核心， 是人們物化創意、改造世界的一種重要素養，而這種素養的提升是需要在實踐中通過個體的親身體驗來完成的。事實上，工程也正是目前STEM教育的重要組成部分，工程思維能力也是我國學生的一個短板，亟需引起重視。

工程思維的研究現狀

2012 年，美國發布了國家教育進展評估的《2014 年國家教育進展評估的技術和工程素養框架》報告，該報告是對科學、技術、工程與數學的整合。我國教育部于 2011 年提出了“卓越工程師教育培養計劃”，旨在培養一批兼具工程能力和創新能力的高質量工程技術人才。這項計劃雖然是針對高校提出的，但是可以看出，工程教育的全球性、全面化已經成為了必然，工程思維已成為當前培養學生創新精神和實踐能力必須具備的思維能力。而基于工程思維的教學，更應該在K12階段就進行規劃、實施和滲透。

STEM教育的幾個關鍵特征是基于真實生活情境、跨學科、非良構等，而工程思維可以分為工程設計思維、工程實施思維及工程消費思維。在基于項目的STEM課程實施過程中，我們嘗試構建校本化STEM課程群，且在六年級段全面實施培養學生的工程思維，取得了一定的成效。

引導問題的拆解及整合，培養學生工程系統設計思維

當工程目標任務確定之后，物化之前需要個體利用固有的知識技能背景進行整體的規劃設計，特別是對較為復雜的STEM項目來說更要如此。由于個體差異的存在，事實上工程系統設計思維能力也不盡相同，但是從縱向維度來看，STEM項目提供的多次“演練”能有效地提升學生這方面的水平。

“智能化寵物玩球機”是筆者《面向STEM的mBlock智能機器人》一書中的創新案例，目標任務是制作一個能與寵物玩起來的智能玩球機。它“見”到寵物后能夠連續發球給寵物，讓寵物主人可以暫得清閑。分組設計匯報時，關于動力裝置就有用牛筋彈射、敲擊勢能傳遞、高速電機摩擦等方案，由于學生們意識到動力系統是本裝置的核心，影響到整體的規劃設計。因此，就以上三種動力系統進行了其他子系統的模擬策劃。最后發現，前面兩項均難以做到連續發射，而預估高速電機摩擦的動力方案風險較小，易于最終達成工程目標。

以上案例讓學生針對要物化的創意標的進行解析，然后對影響全局的核心模塊的設計方案進行抉擇，進而對其他子系統，如連續送球裝置、智能感應模塊、發球控制閥門、高速電機轉速控制對接、控制程序編制等進行策劃模擬。課堂上，組織進行“可行性”方案論證，最終初步確定工程實施的整體方案。在此期間，學生還將通過搜索引擎查找文獻拓寬思路或者修補知識等。此時學生雖然身處教室，卻親身經歷了工程師的系統設計思維旅程。

嘗試預設問題解決策略，提升工程實施運行思維能力

如果說工程系統設計還是紙上談兵，那么工程實施則將經歷短兵相接的過程，STEM項目與工程問題往往都具備非線性的特征。因此，實施主體即使能將系統設計大致一步到位，也無法預見把控每個子系統細節問題的出現，而這些認知沖突的出現反而是培養和提升工程實施思維能力的關鍵所在。

“集裝箱搬運車”要求學生設計制作一個簡易的集裝箱搬運模擬裝置。學生通過3DMAX構建了模型，主要通過舵機的拉動來“起重”。鏟車模型在構建中要考慮舵機的安裝、整體與機器人的對接、磁感應傳感器的配置等，3D打印后還須進行相關的調試。掌握了3D建模技術后可以將工程設計快速成型，突破了工程實施中的障礙。模型往往一開始未必是完美的，例如，舵機還需考慮其連接線的因素，鏟車感應到集裝箱后勾住集裝箱，防止運送過程中滑落，此時尚須繼續迭代優化。但是僅需要對原有MAX模型文件進行適當的修改完善，再次按下打印命令即可。工欲善其事必先利其器，工程實施能力的提升需要掌握相應的工具軟件的使用。

“智能端茶機器人”要求機器人小車巡跡在一橢圓形場地中循環。當主人將杯子放置在指定區域時，機器人自動識別目標位是否有杯子，并用機械手將茶杯端起送到指定位置。工程實施中，學生要將相關的超聲波傳感器、機械手等設備安裝到機器人小車。在安裝機械手時，還需要查閱雙直流電機驅動模塊的性能并進行相應的動力調試。由于機械手可抓取物體大小有限，還要3D建模打印杯子。最后最重要的是，進行程序的編制，需要達到以下幾個小目標：1.巡黑線自動運行；2.感測到杯子存在轉向；3.在確認杯子在正前方時停止轉向，抓取杯子；4.抓取杯子繼續巡跡，當感測到目標位后放置杯子，然后繼續循環往復。由于機器人小車“搖擺”巡跡前行遇到杯子時的角度是個變量，因此要設計一個程序反復感測前面障礙物（杯子）的距離，當得出“最近”的結論時再執行抓取。這段程序體現了一定的人工智能的因素。從某種意義上講，計算思維也應該是工程思維的一個不可分割的部分。

設計引領同理心發生，滲透工程消費評價思維培養

所謂消費評價思維似乎是后置的，其實也僅僅是分類的需要使人有這個錯覺。一項工程完成后，通常要進行所謂的驗收，驗收的結論就是文字化的工程消費評價。在STEM項目的實施過程中，除了讓孩子們撰寫創意物化后的反思評價外，也可以前置引領同理心的發生。

“智能花房管家”要求設計一個程序模板，實現以下功能：當花房（封閉式）土壤濕度不夠時，自動給水；達到設定總流量、達到供水限定時間，或者出現水管破裂等故障時，停止給水。當花房溫度過低時，開啟加熱裝置。二氧化碳氣體濃度偏小時，啟動二氧化碳發生器。同時，要求S4A控制動畫同步運行。其實質是采用一些連接在Arduino UNO板上的傳感器，通過S4A程序來控制一些設備終端。在系統設計及實施過程中，有的學生在原有的工程目標上疊加了自己的思考。例如，有的學生考慮到節能，當夏天太陽暴曬導致花房溫度高于室外時，可以驅動開窗器開窗通風；冬天則反之。另外，二氧化碳濃度降低時，也可引入室外空氣置換。還有的學生想到各種植物的喜水程度有較大差異，可以采用同一個主管供水，各分支水管粗細不同，以進行個性化的配置。以上案例中，學生都能為“用戶”著想，進行換位思考，我們在課堂上可以采用頭腦風暴等形式適時引領同理心的發生，有效突破思維定勢，進而提升學生的工程消費評價能力。

STEM項目助力工程思維培養的實施案例分析——以3D打印“機器蟲”為例

3D打印“機器蟲”要求利用3DMAX軟件設計打印一個能爬行的四足“機器蟲”，使其能完成趴下、起立、前進等動作。筆者用到的主板是Auriga主板，另外要用到一些舵機作為動力系統。之后需要學生協助綜合主控板的功能特點，對整體工程的實施進行預先的設計。復雜問題需要分解成若干子問題，再——解決，這是工程思維的一個重要特征。

3D打印“機器蟲”項目可以分解為以下內容：1.機身主體及動力臂（四足）的設計建模打印。2.舵機主板的安裝連接。3.控制程序的編制、上傳和調試。在做出工程系統謀劃后，我們開始工程的實施過程，這其實也是對工程設計的一個驗證過程，期間往往還會有一些負面的反饋，促使我們對整體的設計進行一定的修正。

在物化該創意的過程中就出現了以下問題：1.由于安裝位置、舵機本身一致性存在偏差，各舵機的角度需要逐個調整確認。2.安裝在基板上的舵機電源線須先穿孔而出，再安裝舵機。部分舵機的電源線需要調整位置，必須先卸下舵機后面的四個細長螺絲，用小刀開好凹槽后再重新恢復。3.各舵機的位置確認時，可以在線運行調試。而需要其從趴下狀態起立時須連接鋰電池，否則動力不夠。

工程消費評價思維的實質是對工程的“驗收”。此時，個體應作為一個評價者或者消費者，對照產品的目標要求找差距，并在同理心的驅使下對“產品”提出進一步的優化迭代建議。此“機器蟲”在“驗收”評價時，教師讓學生變身為工程驗收組成員。有的學生提出，四大模塊調試時建議加入智能化模塊，例如，添加傳感設備，讓“機器蟲”能遇到障礙后退，并隨機選擇左轉或右轉避開障礙。也有“評委”建議給“機器蟲”打印海龜外殼和專用四爪，加上可以甩動的尾巴，超聲波傳感器藏在“頭部”，這樣的產品可能更受消費者青睞。

完成一項工程是一個漫長而復雜的過程，在工程設計實施的過程中，不可避免會跨越多個學科。因此，工程思維其實也是一種破壁思維，可以突破學生長期應試教育形成的單學科思維定勢。期間，發現知識技能點的空白區，需要運用自身“學習力”修補完善以確保工程問題解決的順利推進。這些知識技能在當前因某個具體的工程而產生鏈接，以后亦會因具體的工程情境產生順應性的遷移，又成為解決其他情境類似問題的參考，豐富個體的元認知策略儲備。

作者單位：江蘇蘇州市吳江區鱸鄉實驗小學