基于工程思維的綜合實(shí)踐活動(dòng)課程：設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與目標(biāo)

許麗美

（福州市茶園山中心小學(xué)，福建 福州 350001）

STEAM教育源于美國(guó)，是科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、工程五門(mén)學(xué)科英文首字母的簡(jiǎn)稱(chēng)，體現(xiàn)了跨學(xué)科融合的理念［1］。工程思維是STEAM教育理念的核心［2］，而融合STEAM教育理念的綜合實(shí)踐活動(dòng)最重要的一點(diǎn)是要在活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，要求學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)要學(xué)會(huì)像工程師那樣思考問(wèn)題，在考慮耗材、時(shí)效等多個(gè)方面的成本的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)在每一次的活動(dòng)中不斷地總結(jié)、反思、改進(jìn)，讓每一次的實(shí)踐都能成為下一次的“迭代”，最終創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。2018年教育部頒布的《綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》中的設(shè)計(jì)制作與STEAM教育不謀而合，二者有許多相似之處：同樣都是基于項(xiàng)目式的主題研究，同樣強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)的重要性，同樣重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。但是綜合實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)制作并沒(méi)有強(qiáng)調(diào)以問(wèn)題導(dǎo)向?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)進(jìn)行研究，學(xué)生的制作內(nèi)容相對(duì)零散，缺乏整體性。如果能以問(wèn)題導(dǎo)向?yàn)樵搭^，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線，在活動(dòng)中著力培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，則有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的形成。

一、以問(wèn)題導(dǎo)向?yàn)樵搭^的課程設(shè)計(jì)

工程思維是根據(jù)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題而產(chǎn)生的實(shí)踐性思維，而任何創(chuàng)新的源頭也均源于問(wèn)題意識(shí)的培養(yǎng)，如何培養(yǎng)學(xué)生具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，這就需要教師在生活和學(xué)習(xí)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行有意識(shí)的引導(dǎo)，從而激發(fā)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)。也只有帶著問(wèn)題參與活動(dòng)，學(xué)生才能利用工程思維讓設(shè)想和創(chuàng)意物化，并能較為長(zhǎng)久地保持研究熱情。比如，裝洗手液的瓶子，在扔掉之前總會(huì)有部分洗手液殘留在瓶身底部，造成不必要的浪費(fèi)。這一生活現(xiàn)象學(xué)生不一定會(huì)留意到。但是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生們就會(huì)去思考：是吸管的原因?qū)е聸](méi)有辦法把洗手液吸干凈嗎？還是瓶身的設(shè)計(jì)有問(wèn)題呢？于是針對(duì)這些問(wèn)題，他們?nèi)シe極探究原因。通過(guò)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)瓶底是中間高外圈低，受吸管長(zhǎng)度限制自然沒(méi)有辦法吸到外圍略低部分的洗手液。于是學(xué)生們通過(guò)動(dòng)手合作，把單根吸管改成三通吸管，就解決了這個(gè)問(wèn)題。也有一些學(xué)生重新改造瓶底，把瓶底外圈略低部分加上蠟油之類(lèi)的填充物，使瓶底變成外圈高中間低，這樣就能讓洗手液往中間聚攏，吸管自然就能把洗手液吸干凈。

通過(guò)以解決問(wèn)題為導(dǎo)向，學(xué)生親歷一次又一次的實(shí)驗(yàn)、對(duì)比、再實(shí)驗(yàn)，尋找解決問(wèn)題的最優(yōu)策略，形成解決問(wèn)題的能力。在認(rèn)真比對(duì)各個(gè)方案的耗材和效率的過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)改造吸管比改變瓶底所需的費(fèi)用低，在改造吸管時(shí)，又發(fā)現(xiàn)利用軟管和塑料吸管做三通吸管時(shí)，依托軟管上下錯(cuò)位放置塑料吸管比同一個(gè)出口的三通塑料吸管能更快把液體吸干凈，正是通過(guò)層層迭代，學(xué)生們的工程思維才會(huì)日趨成熟，解決問(wèn)題也會(huì)更務(wù)實(shí)更高效。

二、以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線的課程開(kāi)發(fā)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)是工程思維的主線。擁有清晰的研究目標(biāo)，明確的研究方向，圍繞目標(biāo)制定的設(shè)計(jì)會(huì)更有針對(duì)性，也更方便團(tuán)隊(duì)合作，把這個(gè)理念應(yīng)用到綜合實(shí)踐活動(dòng)的研究中，不會(huì)讓綜合實(shí)踐活動(dòng)流于形式，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力會(huì)得到突顯，同時(shí)也更有利于教師對(duì)活動(dòng)進(jìn)行跟蹤和驗(yàn)收。比如，學(xué)生設(shè)計(jì)的《自動(dòng)書(shū)畫(huà)桌》就充分體現(xiàn)以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線的思路。學(xué)生在畫(huà)畫(huà)或?qū)憰?shū)法作品時(shí)，由于宣紙?zhí)L(zhǎng)，宣紙總是會(huì)著地，經(jīng)常被他們的腳踩到，而且，每寫(xiě)一個(gè)字就要把毛筆放下，把宣紙往上移，這樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響書(shū)畫(huà)創(chuàng)作的流暢和靈感。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生們提出要設(shè)計(jì)一個(gè)“自動(dòng)書(shū)畫(huà)桌”，通過(guò)正反轉(zhuǎn)方式將宣紙卷入桌面下，避免宣紙被腳踩到，需要時(shí)撥動(dòng)正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)便可自動(dòng)輸送宣紙，免去手動(dòng)移宣紙的麻煩。學(xué)生通過(guò)前期大量的考查和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同學(xué)之間的身高差異比較大，于是把書(shū)畫(huà)桌的四個(gè)桌腳設(shè)計(jì)成可自動(dòng)調(diào)節(jié)高度，借鑒工廠傳輸零件的傳輸帶原理在桌面增加傳輸帶，在不影響創(chuàng)作的情況下把正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)以及電源開(kāi)關(guān)安裝在書(shū)桌的角落。在產(chǎn)品用于實(shí)踐時(shí)學(xué)生又發(fā)現(xiàn)傳輸帶太滑，不好固定宣紙，于是改進(jìn)裝置，在傳輸帶上加裝了一層書(shū)畫(huà)毛氈，并且每隔20厘米鑲上一塊薄鐵皮，創(chuàng)作書(shū)畫(huà)時(shí)，用磁鐵吸住毛氈和宣紙以便更好固定宣紙。同時(shí)考慮到?jīng)]有地方放置繪畫(huà)工具，又在電機(jī)盒上安裝一個(gè)置硯盤(pán)，方便盛放物品。通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作，大家終于設(shè)計(jì)出一款比較滿(mǎn)意的自動(dòng)書(shū)畫(huà)桌，交由工廠加工后，一投入使用，就受到用戶(hù)的一致好評(píng)。

可見(jiàn)，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線的綜合實(shí)踐活動(dòng)更能培養(yǎng)學(xué)生的工程思維中的構(gòu)建思維，為了更好地完成目標(biāo)，他們要根據(jù)前期的調(diào)研把書(shū)畫(huà)桌改成可自動(dòng)升降高度，并選擇環(huán)保的材料做桌面，在書(shū)畫(huà)桌寬度的設(shè)定上參考常見(jiàn)書(shū)法和繪畫(huà)作品的尺寸，毛氈的使用解決桌面會(huì)滑的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)科學(xué)性和藝術(shù)性相融合，給學(xué)生帶來(lái)的成就感強(qiáng)，而且教師針對(duì)同一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)比直觀，有據(jù)可依，所以以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線很適合作為綜合實(shí)踐活動(dòng)的主要課程來(lái)開(kāi)展。

三、以創(chuàng)新能力為追求的課程目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力是教育追求的重要目標(biāo)。教師有責(zé)任也有義務(wù)要把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維作為綜合實(shí)踐活動(dòng)課程的最高追求去踐行。

筆者所在學(xué)校四年級(jí)的趙同學(xué)在暑假逛三坊七巷時(shí)，發(fā)現(xiàn)交警叔叔冒著酷暑在維持交通秩序，是一件非常辛苦的事。熱衷于電腦編程的他就想設(shè)計(jì)交通指揮機(jī)器人來(lái)取代叔叔辛苦的工作。他用LEGO EV3主機(jī)、超聲波傳感器、顏色傳感器、觸動(dòng)傳感器、陀螺儀傳感器、大型電機(jī)、中型電機(jī)等配件，搭建起了一個(gè)由頭部、身軀、雙臂、雙腿、底座構(gòu)成的可以站立行走的交通指揮人形機(jī)器人——“小交”。經(jīng)過(guò)幾十次的調(diào)試、測(cè)試、重組和美化，身穿交警制服的“小交”在人行道路口指揮交通時(shí)會(huì)執(zhí)行這樣幾個(gè)功能：（1）實(shí)現(xiàn)與實(shí)際路口的紅綠燈信號(hào)同步；（2）配合紅綠燈信號(hào)做指揮手勢(shì)動(dòng)作；（3）發(fā)出與紅綠燈信號(hào)同步的語(yǔ)音提示；（4）用人臉識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)行人闖紅燈，并對(duì)闖紅燈行為發(fā)出威懾警告；（5）在紅燈等待期間沒(méi)有人闖紅燈時(shí)，跳一段獎(jiǎng)勵(lì)性的舞蹈。趙同學(xué)的大膽嘗試得到回報(bào)，在教師的指導(dǎo)和修正下他的作品獲得福建省科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)，組委會(huì)對(duì)他的作品給予高度評(píng)價(jià)，一致認(rèn)為“小交”的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在能自動(dòng)識(shí)別紅綠燈功能以及對(duì)于行人闖紅燈行為的威懾警告，能夠有效降低行人闖紅燈的比例。

從上述“小交”的案例中我們看到的是創(chuàng)新的萌芽不僅根植在學(xué)生幼小的心靈，而且在蓬勃生長(zhǎng)，更為可貴的是學(xué)生具有一顆善良的心，懂得如何應(yīng)用科技創(chuàng)新的技術(shù)為人類(lèi)服務(wù)，從而減輕某些崗位勞動(dòng)者的辛苦工作，真正實(shí)現(xiàn)讓科技源于生活又服務(wù)生活。