在STEM課程中培養學生的工程思維

柏毅 仇慧

本文從工程思維的內涵出發，結合小學STEM課程案例《地球的脈動》，分析如何在STEM課程中培養學生的工程思維，并基于課程的具體實施情況給出以下幾點教學建議：加強不同學科間的知識結合;注重小組項目式合作交流;構建合理的工程思維評價方式。

《未來工作：第四次工業革命的就業、技能和勞動力戰略》報告指出，至2020年，就業市場對擁有解決復雜問題能力和社交技能人才的需要會遠高于對體力和專業技能人才的需要。STEM教育培養的復合型人才將是就業市場的主要需求之一。現如今在小學教育階段，科學思維抑或是批判性思維被頻頻提起，卻少有人提到工程思維的培養。筆者認為，工程思維小到了解船是如何沉浮，大到探索飛船如何在宇宙航行，不管是處于哪個學習階段，都需要具備運用綜合知識去解決實際問題的能力，而小學STEM課程作為承擔跨學科教育的主力軍，研究如何在STEM課程中培養學生的工程思維具有重要的現實意義。

一、基于工程思維的小學STEM課程教學設計方案

（一）構建真實情境，提出核心目標

工程思維培養的是學生解決問題的能力，老師在此過程中應當承擔問題引出者的角色，創設一定的教學環境有利于學生將所掌握的知識和技能運用于問題解決，同時促進學生將多學科知識相關聯，進行有意義的構建。教學情境的設計必須具有真實性，讓學生真正融入解決問題的角色，以工程師的身份去思考如何設計方案。

在《地球的脈動》一課中，老師首先通過一段火山噴發的小視頻引起學生深入探究的興趣，繼而引出一個情境問題：“為什么會發生火山噴發或地震呢？”繼續引導學生了解地球內部結構，幫助學生進行知識的構建。在學生了解地球是由地殼、地幔、地核三部分組成的基礎上，老師解釋火山噴發以及地震形成的原因，之后向學生展示地震帶來的危害，賦予學生工程師的角色，引出課程核心目標：“如何設計一個地震預警器，從而減少地震損失？”

（二）展開調查研究，形成基本概念

工程思維的培養建立在多學科知識綜合運用的基礎上，學生在這一過程中開始構建知識之間的關聯，通過組間討論或者詢問老師，對問題的研究逐漸深入。這需要大量的材料支撐，老師在這一過程中應當承擔資料提供者的角色，讓學生在腦海中形成基本設計框架，為后期模型搭建做準備。

這一過程中，學生開始探索地震預警器是由哪些部分組成的。這期間，老師可以向學生展示已有的地震預警器的圖片作為參考。通過觀察總結，學生知道一個簡易的地震預警器由兩部分組成：電路報警部分以及固定框架部分。電路報警部分由老師提供電池、蜂鳴器、發光二極管、細銅絲等材料，引導學生進行電路的搭建;固定框架部分，老師提供的材料有木條、PVC板、單擺、鐵絲等，此處可以引導學生探討哪種結構會在地震過程中更加穩定，從而完成學科間知識的靈活結合。

（三）繪制作品藍圖，搭建初始模型

科學的核心是發現，工程的本質是實現。工程師解決工程問題前，必須繪制精確設計圖，最終的產品也是嚴格按照設計圖制作的。因此，在STEM課程中，培養學生養成良好的繪圖習慣非常有利于工程思維的培養。設計圖繪制完成后，老師應當要求學生后期模型的搭建完全建立在設計圖的基礎上。

繪圖的過程是學生將思考落地的過程。本課程的地震檢測器設計圖包括電路報警部分以及固定框架部分。電路報警部分涉及串并聯的知識點，因此可以先讓學生繪制該部分的電路圖。在繪制過程中，如果出現串并聯概念不清、正負極接反等問題，老師應該適時地給予建議。電路圖繪制完成后開始設計固定框架部分，在設計中需要對各種因素進行反復選擇和權衡。此時不同小組可能會產生不同想法，老師應該要求學生不僅僅要將設計圖簡單地畫在紙上，更需要將框架的各個部分詳細注明使用材料以及長度、寬度等，促進學生數學知識與工程設計的融合。

（四）優化成品結構，展示匯報成果

工程思維的最大特點就是要做出實際可靠的解決問題的產品。在這個過程中要考慮多種因素，不斷優化，持續改進。STEM課程的開展方式不同于傳統課程，評價方式自然也有所不同，小組匯報展示能夠讓學生和老師充分了解該組設計思路以及設計過程中遇到的問題，更有利于對小組作品做出全面的評價。

地震檢測儀初始模型搭建結束后，老師可以組織學生進行第一次測試。將每組成品放置在平整桌面，用不同的力搖晃桌子，模擬不同程度的地震場景，觀察每組報警裝置是否成功運轉，并從電路連接、報警靈敏度等方面給出建議。所有小組測試完成后，請學生繼續改進存在的不足。經過幾輪改進后，提醒學生組織匯報，每組限定在3～5分鐘，老師先介紹打分標準等，各小組依次上臺展示匯報，其余小組在臺上小組匯報完成后，可以提問，老師則同時根據打分標準打分。

二、基于工程思維的小學STEM課程教學建議

（一）加強不同學科間的知識結合

隨著學科間的邊界逐漸模糊，越來越多的課程考慮到交叉學科的知識攝入。STEM課程作為多學科融合的課程，所承擔的教學責任尤為凸顯。教學工作者在STEM教育中，應當提醒學生利用多學科關聯的知識解決問題，引導學生從工程思維的角度，設計完善STEM作品，實現跨越學科界限、從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決實際問題能力的教育目標。

（二）注重小組項目式合作交流

STEM課程的實施多以項目式合作的方式展開，此過程需要小組內學生合作完成作品并展示。筆者在《地球的脈動》課程實施過程中，發現存在“搭便車”情況，即一人在做，其他成員觀望。針對這一現象，一方面，教學工作者可提前了解學生學情，將不同水平的學生劃分到同一小組承擔不同角色;另一方面，對極個別表現突出的學生，采取鼓勵方式，引導其帶領同組學生分工合作，盡可能做到人人有其責。

（三）構建合理的工程思維評價方式

工程思維評價方式，就是引導學生不單單從作品是否能夠完成目標任務出發進行評價，還應該結合作品的不同方面，從不同的角度對作品進行評價。工程思維除了最終達到解決問題的目標外，也需要考慮時間、成本等因素。功能性任務完成后，作品的美觀度等均需在考慮范圍之內。因此，形成性評價和表現性評價在工程思維評價方式中尤為重要。

三、結語

如何在小學STEM課程中培養學生的工程思維，是一個值得深究的課題，作為教學研究者或者一線的教育工作者，不僅僅要從理論層面了解工程思維的內涵，更應該通過不斷的教學實踐，摸索、驗證和優化在STEM課程中培養學生工程思維的途徑。