STEM課程對學生工程思維的培養

◇武 婷（吉林：長春東師中信實驗學校）

一、STEM課程與小學科學課程

（一）國內關于STEM 課程的研究

國內關于STEM 課程的研究，最早可以追溯到2008年陳超發表在《中國高教研究》上的《美國的世界一流大學戰略與啟示》。雖然文章中沒有對STEM 教育進行深入剖析，但開啟了我國對STEM 教育的理論研究。

近些年STEM 教育的快速發展，引起了全社會的廣泛關注。隨著對STEM 教育的不斷研究與實踐，我們發現，它并不是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四門學科的簡單相加，而是強調多學科的交叉融合，綜合運用多學科知識和思維解決實際問題。

（二）我國的義務教育科學課程

2022 版的《義務教育科學課程標準》指出：科學課程要培養的學生核心素養，主要指學生在學習科學課程的過程中，逐步形成適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，是科學課程育人價值的集中體現，主要包括科學概念、科學思維、探究實踐、態度責任等方面。

與舊版課標相比，2022 版課標最明顯的變化是，取消了生命科學、技術與工程、地球與宇宙、物質科學四個知識領域的界限，更加強調多領域綜合能力的培養。原有的四個領域不再孤立存在，而是打通了它們之間的界限并各有側重。

關于核心概念也有了相應的變化，跨學科概念的理解成為本次課程改革的難點，但也給了一線教師對原有課程進行創新設計的機會，我們可以將已有的STEM 教育的很多理念和做法與之結合。

（三）小學科學課程與STEM 課程

新版課標不但給教師課程設計指出了新的方向，也給出了很多具有實操性的建議和指導。

我國對于STEM 課程的校本化研究已經起步，但主要研究集中在高校，基礎教育階段的研究和實施還不夠成熟，相關研究大多是立足于國外研究成果的理論研究，基于STEM 教育理念的能力培養、課程活動模式設計的研究并不充分。

目前與新課標配套的教科版小學科學教材，幾乎每個年級都會出現至少一個項目式的學習任務。如下表：

一年級二年級三年級四年級上冊做一個測量紙帶做一頂帽子我們來做“熱氣球”制作我的小樂器設計制作小車五年級制作一個潛望鏡制作鐘擺制訂健康生活計劃六年級我們的地球模型調查家中使用的能量下冊給動物建個“家”做一個指南針我們的“過山車”模擬安裝照明電器制作巖石和礦物標本設計和制作生態瓶制作與測試我們的小船分析一個實際的環境問題做一個保溫杯建造塔臺制作校園生物分布圖

在以往的STEM 課程中，我們往往是對國外已有的成功課例進行復刻，或進行加工完善，授課群體主要是社團或校外機構，而在學校內常規課堂教學的實踐少之又少。現在我們可以以這樣的課程（表1）為藍本，基于新課程標準和STEM 教育的理論指導，更好地進行STEM 課程校本化研究和實施，立足學生核心素養的發展。

二、STEM課程與工程思維

（一）知識與思維

在以往的課程設計過程中，我們會對學生知識、能力或思維的某一方面著重培養。經過多年的實踐教學和理論研究，我發現，知識、能力和思維三者之間是緊密連接、相互促進的。不斷積累知識和不斷經歷獲得知識的過程都能夠幫助學生形成相應的思維方式，而一定的思維方式又能夠幫助學生在之后類似的學習中更好地獲得新的知識，讓學生獲得知識的過程更加有序、有效。在這樣反復的過程中，學生獲得新知和探索世界的能力會不斷增強，主動性和自信心也會不斷建立。在三者之中，思維方式的形成是至關重要的，也是由具象到抽象的過程，雖然看起來不容易把控，但思維卻是可以通過訓練培養的。

借助STEM 課程的開展，我們可以對學生的思維進行訓練，從思維層面上幫助學生構建在未來學習生活中解決實際問題的思維方式，并在不斷地應用過程中，將其內化。那么我們要培養學生怎樣的思維方式呢？

（二）工程思維

思維的方式有很多，通過上表我們可以看出，在小學階段的學習中，項目式學習的內容以工程技術為主，那么工程思維的培養就顯得尤為重要且實用。

思維是主體在進行思維活動時所采取的模式或樣式。工程思維就是工程從業者進行工程實踐時的主導性思維方式。工程是將一個原本不存在的事物從零開始，逐步構建，是一項具有主動性和創造性的活動。

著名的工程科學家、教育家西奧多·馮·卡門說：“科學家發現已經存在的世界；工程師創造一個過去從來沒有存在過的世界。”

但在現實活動中，我們在完成工程類項目時，往往處于“日用而不知”的“不自覺”狀態。

最原始的工程思維其實就是在一次次實踐中試錯，對以往的錯誤不斷改進，直至工程實踐得到完成。這一行為可能出現在每一個人的身上，而且工程實施者的年齡越小可能出現的概率越大、次數越多。隨著年齡和經驗的增長，我們可能會從之前的試錯或成功案例中總結出有效的“實踐流程”，也就是工程思維的模式。同樣，學生在工程類的項目式學習過程中，如果具備了一定的工程思維，會讓他們在學習的過程中更加得心應手。

三、STEM課程對學生工程思維的培養

基于對以往成功案例的學習與研究，我們將小學生工程思維培養活動劃分為工程設計、工程實施、工程測試、工程成果展示和應用四個階段，并在本校多個年級進行了6 個內容的課程開發，下面以三年級的項目式學習《觀測風》為例，該課程每輪為三課時。

（一）工程設計階段

本階段是整個項目式學習的第一課時。在該階段，我通過“5W”分析，幫助學生像工程師一樣思考問題。

研究的工程主題是什么（What）——制作一個能夠正確測量風向的風向標。

思考為什么要研究這個問題（Why）——測量學校秋季風向。

考慮實施工程的環境如何（How）——明確教師將要提供的基礎材料和工具，清楚工程實施的場地。

如何分配工程角色（Who）——整個工程的實施過程需要小組合作完成，每個人的分工對于工程完成的質量有很大影響。在此環節中，如果學生年齡較小，教師可以進行合理干預。

預想如何實現工程（How）——提前思考在工程活動中可能會遇見的問題與挑戰，以便在設計環節解決或者直接避免。

在《觀測風》的工程設計階段，我們在完成“5W”的過程中，主要把注意力放在解決“分配工程角色”和“預想如何實現工程”上。

小組合作學習的培養是一個長期的過程。因為在以往的教學中，我們一直采取小組合作學習的方式，所以在本次活動中，我大膽嘗試了自由分組。要求每組最多四人，學生自由、自愿組成工程合作小組。小組選定后，要為自己的小組取名，選出工程組長，根據自己的特長和意愿明確分工，最后每個組員要在教師發的工牌上寫明組名、工程角色、姓名等信息。

“預想如何實現工程”其實就是以往STEM課程中的“頭腦風暴”，教師提出可能會遇到的問題或困難，學生通過討論或探究活動等進行解決。在本次課程中，學生將要遇到的主要困難有以下幾個。

如何讓風向標自由轉動？（摩擦力的相關知識）

如何讓風向標指出正確的風向？（風向標整體設計是否合理）

如何讓風向標更耐用？（選材問題）

在哪里安放風向標更合適？（工程環境的考慮、外界影響因素如何排除）

完成“5W”后，學生根據小組意見設計并繪制設計圖，并標明各部分選用的材料名稱及尺寸。因為三年級的學生沒有學過比例尺這部分數學知識，所以在設計圖上我們要求學生進行1:1 繪圖，并在圖中標明哪些屬于教師提供的基礎材料，哪些屬于自己要準備的拓展材料。

（二）工程實施階段與工程測試階段

在第二課時，學生將連續完成工程實施和工程測試兩個階段。當然，我們也會在不同的項目式學習中，根據內容的難易程度對這兩個階段的課時進行調整。

在工程的實施階段，學生需要根據設計圖領取所需的基礎材料，并結合自己準備的拓展材料，按照設計圖完成風向標的制作。因為在工程設計環節中的設計圖是1:1 完成，所以在工程實施階段各個工程小組完成得較為順利。這樣的設計圖能夠有效幫助低學段的學生完成工程的實施。

完成工程實施的小組可以到測試區對風向標進行測試。測試區內設有一臺電風扇，受測者需要手持風向標站在距風扇1 米處，測試人員將從風向標的轉動靈活度、指向是否正確等方面進行測評。測試后的工程小組可以根據測試結果，對風向標進行合理優化或做最后的美化等。

（三）工程成果展示和應用階段

在第三課時中，學生將迎來最后的階段——工程成果展示與應用。每個小組對最終的風向標進行展示，并利用自制風向標在選取的校園內某一地點測量當天風向。

每個工程小組要設計并制作一塊簡單的工程展示海報，上面要附有工程設計圖、工程成員、工程亮點、風向測量地點及結果。

最后在班級內全員投票，進入工程評選環節。設立相應獎項，獎項的設立要與項目式學習的核心內容相關，能夠激勵學生的創造性，讓學生對后續學習充滿期待和向往。

工程思維的培養是一個漫長的過程。值得注意的是，我們要幫助學生培養的是良好的思維方式，絕不是呆板的思維定式。