中小學工程啟蒙教育的實施策略*
——基于浙江省的實踐

陳燕燕 楊瀟笑|浙江省杭州綠城育華親親學校

管光海|浙江省教育廳教研室

2023年5月，教育部等十八部門聯合印發《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》，系統部署在教育“雙減”中做好科學教育加法，支撐服務一體化，推進教育、科技、人才高質量發展［1］。在當前加強科學教育的背景下，工程教育受到了極大關注。基礎教育階段是工程教育的啟蒙階段，開展工程啟蒙教育不僅可以激發中小學生對工程技術的興趣和熱情，幫助他們更好地了解工程的基本概念和原理，而且對學生的創新思維、團隊合作和未來的職業規劃也有著重要作用［2］。本文基于浙江省工程啟蒙教育的實踐，對如何規劃工程啟蒙教育、如何開發工程啟蒙教育課程與項目、如何指導學生進行項目學習等問題進行闡述，以期為中小學開展工程啟蒙教育提供相應的策略。

一、如何規劃工程啟蒙教育

（一）基于學校文化

工程啟蒙教育的深度實踐離不開學校文化建設，學校要結合自身的育人理念、制度文化等，設計具有自身特色的育人目標，以便為工程啟蒙教育的開展奠定良好的人文基礎。同時，校園所營造的工程啟蒙教育文化環境和精神內涵，對全校師生也都具有潛移默化的影響。

明確“想要培養什么樣的人”這一問題，是創新人才培育的核心問題。工程啟蒙教育的人才培育導向與工程素養有關，包含系統思維、創造性思維、積極樂觀、團隊合作、溝通與倫理道德等要素。這些要素可以在校園的文化建設中充分實現。例如，“親力親為，實踐出真知”是杭州綠城育華親親學校的育人文化，學校的一切育人活動都致力于讓學生通過親歷實踐，培養其創造性解決問題的能力，所以學生的工程素養具有深刻的學校文化烙印。例如，學校的工程項目“家長休息室”，通過構建真實的項目環境，歷經“調研—測量—設計—制作—迭代”一系列環節，讓學生充分參與校園建設，并從中提升解決問題的能力。

（二）結合學校課程體系

《義務教育課程方案（2022年版）》（以下簡稱“《課程方案》”）提出“優化綜合實踐活動實施方式與路徑，推進工程與技術實踐。積極探索新技術背景下學習環境與方式的變革”［3］。在學校課程體系建設中，工程啟蒙教育應從國家課程、拓展性課程和學校科技實踐活動等方面進行系統思考，并圍繞學校特定的育人目標進行系列建構。浙江省中小學工程啟蒙教育根據育人目標，依托科學、信息科技、通用技術等國家課程，探索工程思維的有效教學。由于工程教育和技術教育存在緊密聯系，技術是工程學習的重要工具和手段，在學科中探尋工程啟蒙教育的落腳點，形成依托學科的系列工程項目課程體系，是培育工程思維的有效載體。

新時期的勞動教育秉持“發揮主體作用，激發創新創造……鼓勵學生在學習和借鑒他人豐富經驗、技藝的基礎上，嘗試新方法、探索新技術，打破僵化思維方式，推陳出新”［4］這一理念，學校要在勞動教育實施中嵌入工程啟蒙教育，啟發創造性勞動。勞動教育中的工業類、傳統工藝類、創新設計類等勞動，具有較強的工程實踐特征。學校要開展研究設計思維的啟蒙實踐，在學生親力親為解決問題的過程中，既關注其動手實踐，也關注其社會性和創造性實踐。

技術與工程研究是跨學科的，學校要在跨學科教育中強化技術與工程實踐。跨學科工程項目基于真實問題，引導學生綜合應用各學科技能，以數字建模、工程建模等多樣化的方法，創新解決開放性的劣構問題。項目涉及許多領域，有交通與運輸、能源與動力、建筑與安裝、機械與信息、運輸與物流等。

（三）提供保障機制

教育行政部門要轉變單純以學科成績作為學生升學唯一依據的評估制度，將學生參與工程與技術項目的次數、作品的質量、創造力的發展等納入學生綜合素質評價范疇。同時，為特長生打通升學通道，解決畢業生出口問題，緩解家長的后顧之憂。對教師的評估要加強工程啟蒙教育的績效衡量，給予工程啟蒙教育專/兼職教師更多的肯定與鼓勵，以促進學校工程啟蒙教育的良性發展。

中小學工程啟蒙教育的實施，需要有一支能持續學習和拓展知識領域的跨學科教師隊伍。同時，教師隊伍也要互相合作，促進教育創新。學校在打造團隊文化的過程中，可圍繞“價值觀與愿景”“核心優勢”“團隊合作”“信任感和透明度”“學習與創新”等五個方面，使跨學科教研形成規范與常態，有計劃地開展各項研究與學習，以促進每位教師在實踐中產生多維思考、共同進步。

現有學科教師基本是分科培養的。針對已入職教師，學校可以從科學、信息科技、通用技術和美術等學科教師中選擇有工程技術背景或興趣的教師進行在職培養，形成一批能擔當綜合類工程課程教學的師資團隊。同時，可建立課程輔助人員進校園機制，如工程師、家長進校園指導參觀，大學生、研究生志愿者進校園開展社會服務，專門的課程服務機構人員進校園指導等，以補充學校教師在專業上的欠缺。

二、如何開發工程啟蒙教育課程與項目

（一）多路徑開發工程啟蒙教育課程

課程架構需要確定課程目標，課程內容與邏輯編排，教學方法與策略，評價標準等要素。浙江省中小學工程啟蒙教育注重多路徑開發工程啟蒙教育課程，呈現出以下課程架構思路。

1.領域導向的課程架構

工程核心知識（概念）是對已有工程本質的認知與理解。其領域包含能源動力，建筑環境，材料與化學，信息通信和人工智能等。領域導向的課程架構是目前較為廣泛的課程建構模式，既有融合在單學科（科學、信息科技等）課程中的跨學科概念整合，也有單一某種工程概念的聚合課程。例如，諸暨市海亮小學的少兒工程院課程是由機械、能源、交通和建筑等領域聚合而成的課程體系；杭州市保俶塔實驗學校的技術與工程課程群，包含了工程與建模、電子與遙感、信息與智能等領域。領域導向的課程架構，使學生對相關領域工程知識的學習更加完整和深刻。

2.目標（能力）導向的課程架構

學校可以以工程素養能力培養為目標，架構有共性、有關聯的課程。工程素養能力包括系統思考、創造力、批判性思考、樂觀合作溝通等。學校可選擇某類能力作為學校育人目標，構建有層次、有梯度的課程，以幫助學生培養工程素養的關鍵能力。例如，杭州綠城育華親親學校聚焦設計思維培養的課程架構，將3～9年級劃分為四個不同階段，在不同階段融入不同的設計思維學習內容與目標，以此逐步培養學生具有創新品質的設計思維能力。此類課程所包含的領域廣泛，但每個年級課程實施的底層邏輯和目標是明確不變的。

3.主題（問題）導向的課程架構

學校可圍繞工程的某類主題或問題架構課程。主題導向的課程架構是指學校提煉多學科或工程多領域的核心議題，將其整合為課程的中心主題，并確定課程主線和統籌設計課程內容。問題導向的課程架構也是常見的課程架構方式。中小學工程啟蒙教育強調學生能創造性地解決問題。因此，問題導向的課程架構主要依托于對問題的創造性解決。例如，舟山市南海實驗學校的項目課程“打造一艘能載人的帆船”，針對學校周邊特有的海域環境，提出載人帆船的打造問題，引導學生產出新穎觀點，創造性地發現和解決問題。

（二）多角度開發工程啟蒙教育的工程項目

這里，“工程項目”中的“工程”，可以理解為系統學習并運用知識解決工程問題的一種造物活動［5］。我們可以從尋找項目來源與關聯課程兩個角度來開發工程項目。

1.多視角尋找項目來源

（1）基于傳統項目的改造。工程項目可分為制造工程項目、工藝工程項目、機電工程項目等，雖然其流程繁復、耗時長、成本高、專業性過強，但制造技術與工程知識的提升將更有利于學生成為技術的使用者與創造者。結合中小學綜合素養要求以及學情，學校可以將重點落于制造類和工藝類的傳統項目上，如木工、金工、泥塑等。如杭州綠城育華親親學校的“校園木工進行時”項目，教師降低了傳統木工的復雜性與專業性，保留了其實踐性與真實性，并結合項目管理理論實施教學，不僅培養了學生高水平的木工實踐能力，而且使學生能夠有意識地對整個流程進行統籌規劃、時刻監督。

（2）針對現實問題的解決。工程項目的目標性、創造性和價值性皆基于解決真實的工程問題。在現實生活中尋找問題，更有利于創設真實的項目背景與問題解決場景，幫助學生更好地投入觀察、深度思考和發散創意，尤其是項目主題的緊迫性和相關性，能給予學生更高的吸引力與成就感。如要開展“立體停車場”項目，就可以運用計算機技術相關原理對“停車難”這一問題展開探究。在這樣的探究中，學生可以結合親身體驗，通過相關信息的獲取和處理，運用工程與信息技術知識制作產品，并對產品的合理性和實用性進行評估。

（3）面向前沿領域的嘗試性探究。前沿科學研究與技術研發能力是未來經濟增長的必要條件，也是培養全球化綜合型人才的重要目標。對前沿領域進行嘗試性探究，有利于鼓勵學生在了解專業領域知識、學習基本技藝的基礎上，嘗試新方法、探索新技術，打破僵化的思維方式。前沿科技領域多由學科頂尖工程組成，如機械與運載工程包括“協同式無人駕駛與運行優化技術”“飛行器船舶甲板自主著陸技術”等子工程。因此，浙江省積極推動前沿領域的中小學探究模式，以期讓學生了解最前沿的知識和技術本質，認識最前沿現象。如在航天航空領域，“‘烷’轉‘星’空”項目為火星設計了一套安全運輸并儲存甲烷的工程方案，以現有學科知識解決未來火星家園的資源運輸與存儲問題；在建筑工程領域，“未來城市規劃設計”項目就城市化進程中出現的交通擁堵、熱島效應及各種環境污染等問題展開規劃與設計，運用跨學科知識和多種思維工具，建構多維度城市區域設計模型。

2.充分關聯相關課程

《課程方案》重視課程的綜合性和實踐性，明確提出設立跨學科主題學習活動，強調學科聯系，堅持創新導向，著力發展學生的核心素養。因此，學校可以充分關聯學科課程開發工程項目。

（1）科學：基于學科單元重構的項目實踐探索。科學探究與工程實踐是學以致用的兩個關鍵環節。在科學教學中，教師要倡導以探究和實踐為主的多樣化學習方式，讓學生主動參與、應用遷移、合作學習，激發學習科學的內在動機與價值體驗。如《義務教育科學課程標準（2022 年版）》所提到的四個跨學科概念中，物質與能量概念可以與材料工程、綠色建筑、電子工程等領域結合立項，系統與模型概念可以和生物工程、環境保護工程、航空工程等領域結合立項。將科學學科概念及知識技能作為達成項目目標的工具與途徑，有助于實現基于科學學科的項目實踐探索。如在“光與建筑”項目中，教師可引導學生反思與推理學校體育館存在的能源浪費問題，并結合光的反射、折射等原理引光入室，以提高照明能力。在科學學科知識參與的工程項目中，學生可以學會嚴謹分析，合理思辨，培養批判性思維，形成學科知識體系。

（2）信息科技：基于計算思維的信息技能系統建構。信息科技是現代科學技術領域的重要部分，其包含的核心素養及高階思維是學生應對大數據時代的必備技能。工程項目作為一個復雜的集成性系統，集成了各類方法與技術，信息科技無疑是其中一個強有力的推手。在與之關聯的工程項目中，教師可以從信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四大核心素養提取學段具體目標，明確不同學段的素養水平，進行分層教學。如“獨行月球：玉兔號月球車”項目，可以設計有趣且緊迫的情境，要求學生救出被困在月球上的航天員獨孤月。學生可根據計算思維模型，對已有信息進行抽象、分解和建模，從而形成解決問題的可行性方案，還可根據設計圖紙制作月球車模型，并在過程中不斷嘗試、模擬和驗證，以使計算思維與信息素養得到不斷訓練，最終內化為綜合的工程素養。

（3）技術課程：基于問題解決的實踐技能優化。技術是指從人類需求出發，秉持一定的價值理念，運用各種物質及裝置、工藝方法、知識技能與經驗等，實現一定使用價值的創造性實踐活動。技術教育在義務教育階段以勞動課程為載體，在高中階段以通用技術課程為載體。

勞動是人類為了認識和改造世界而輸出勞動價值的實踐活動。勞動是一種生產性運動，從造物性、目的性、籌劃性、實踐性等維度而言，勞動與工程有著十分相似的特性，工程也屬于一種勞動。由此，我們可以參考勞動教材中的主題內容構建以實踐為主線的工程項目，并注重加強與學生生活和社會實際的聯系，提供豐富多樣的實踐方式。如杭州綠城育華親親學校的“親親游樂園設計”項目，源自浙江省義務教育教科書《勞動》中的項目，意在引導學生既要關注勞動創新，又要努力開展勞動實踐，掌握并提高基本的勞動技能。學生通過分析、頭腦風暴、設計等流程來回答如何創新勞動方式，通過采購、制作、評價、優化等流程形成高質量的勞動成果，設身處地地思考校園游樂園的改造需求與方向，在關注工程設計的過程中感悟勞動價值。

通用技術是運用較為廣泛且區別于專業技術的基礎技術，也是學生適應社會生活、高等教育和職業發展所必需的技術。普通高中通用技術課程立足實踐，注重創造，工程項目的開發也可以基于通用技術教材。如杭州外國語學校的“設計火星上的風力發電裝置”項目，綜合考慮人、物、環境等現實因素的約束，運用通用技術教材中結構與設計、技術交流與評價等理論，完成風力發電裝置的設計。該項目通過開展切身的技術實踐活動，幫助學生具備技術意識、創新設計方法、圖樣表達與物化能力，形成良好的技術理性與個性品質。

三、如何指導學生進行項目學習

工程項目的實施過程不僅是迭代的，而且要經歷多輪循環才能得出結論。但工程設計過程并不意味著要遵循非常嚴格的線性方式，工程師也經常根據存在的問題或想要達成的目標，在每次迭代中重復或跳過某個步驟。

在工程啟蒙教育的實施過程中，為提升工程思維品質，幫助學生創新思考和解決問題，浙江省的很多學校構建了具有學校特色的思維模型，它們基本包含定義問題、調查研究、方案設計、原型制作、測試優化五個步驟。據此，我們可以提煉出工程啟蒙教育中工程思維的過程模型（如圖1所示）。

圖1 工程啟蒙教育中工程思維的過程模型

工程項目實施要以工科為基石，同時又要打破學科界限，強調知識的綜合運用，培養學生多視角、創造性解決問題的能力。其中，項目的復雜性、長周期性、多方參與性等都給實施過程帶來了一定的困難。經過多年實踐，浙江省的很多學校總結了一些行之有效的策略以支持學生的項目學習。當然，這些方法在運用中并不是一成不變的，而是可以結合項目主題和學生情況進行不斷更新與完善。下面結合具體項目進行闡述。

（一）定義問題

工程設計通常始于急需解決的問題。因此，指導學生進行項目學習的第一步，就要讓學生產生興趣，并清楚項目學習中自身需要解決的問題是什么，又有哪些約束條件和設計標準。

1.設計能激發學習興趣且指向目標的情境

好的工程項目情境既要能激發學生的學習興趣，又要依據學習目標來創設。如“工程：我們的童話”項目，結合低段學生感興趣的童話故事，一方面引人入勝，另一方面將文學閱讀和工程設計進行結合。項目中的“找到另一種方法幫助長發公主逃離高塔”，可鏈接滑輪、斜面、杠桿等簡單機械知識。不同的故事指向不同的工程品質，跟隨主人公在試誤中學習，可以使學生在一次次的嘗試中培養批判性思維和樂觀的品質。

2.運用思維工具明確約束條件

在定義工程問題時，學生需要明確自己要做什么、成功的標準是什么、存在哪些現實約束，比如時間、成本、環境等。在這一環節，教師可以用5W2H（What、Why、When、Where、Who、How、How much）分析法、問題樹分析法等思維工具，幫助學生更好地理解和分析項目背景。

（二）調查研究

在調查研究階段，學生需要收集與主題相關、盡可能多的信息，思考想要向相關專家學者詢問的問題，設想問題得到解決后會產生哪些社會效益，從而完成初步的知識與技能準備。

1.了解問題解決的已有經驗

研究在工程實踐中非常重要，學生只有基于一定的知識和技能的學習，站在巨人的肩膀上看世界，所提出的方案才會更有價值。因此，學生要先了解問題解決的已有經驗，如“光與建筑”項目，就是利用“偉大作品分析表”研究優秀的采光建筑案例，學生在嘗試理解別人設計的過程中學習有用的知識和技能，反思存在的困難。

2.給予解決策略示范以突破難點

當學生經過自身探究，對一些難題不知如何入手或者思考維度、實踐能力受限時，教師可在綜合學生已知的基礎上給出一些解決策略示范。如“休閑樹亭建造”項目，教師在前期設計了搭建板凳和飛機模型的活動，讓學生體會工程實施中的時間、成本和質量約束。又如“兒童玩具收納設計”項目，教師引導學生從實用性、有效性、安全性、功能多樣性、功能實現等多方面，分析已有玩具收納設計的優劣。

（三）方案設計

在方案設計階段，教師要引導學生盡可能多地形成并記錄想法，運用搜集到的信息提出創意解決方案，進行可視化地表達。

1.開放性解決問題

在方案設計中，教師要激發學生的創意，引導學生在思維的發散和聚焦中，找到獨特的解決方式：在思維發散階段，學生可通過多種形式的頭腦風暴，如635法、奔馳法等，發散思維；在思維收斂階段，學生可以通過“減少和分類”“排序與選擇”等方式，確定最合適的方案。

2.重視繪制工程設計草圖的訓練

繪制工程設計草圖是一個很好的頭腦風暴方法，也為學生后期使用建模程序打下了基礎。繪制工程設計草圖最重要的，是讓其他人理解設計意圖，可不在意細節。教師在課堂中要強調一些操作技巧，如利用基礎形狀進行組合，利用其他對象說明設計意圖，利用關鍵元素還原動態過程等。同時，教師還應鼓勵學生不斷畫草圖，一方面迭代完善設計理念，另一方面通過充分探索避免盲目實施，從而導致材料浪費。

（四）原型制作

在原型制作階段，學生要根據設計圖確定所使用的材料，完成成本預算，并通過動手制作進一步優化解決方案。

1.快速試錯完善設計想法

工程項目中的制作是以創造力為導向的。一方面，學生要“用手思考”，進一步優化解決方案；另一方面，學生要創造性地使用材料和制作技術。在初步方案形成后，教師可引導學生用簡單的材料進行草模制作，以加速驗證設計概念，完善想法。

2.短時間、低成本、高質量地完成制作

教師可以結合工程項目管理思維的核心三要素——時間、成本和質量，幫助學生高效完成產品制作：在動手制作前，用WBS（Work Breakdown Structure，即工作分解結構）進行任務分解，如“休閑樹亭建造”項目，任務包括制訂計劃、準備材料、拼裝模型、美化等。學生還應將其細分為子任務，并對應到個人；然后用甘特圖對這些任務進行排序，規劃好每項任務的時間；同時，通過預算清單將成本計入總評價，并通過多次計算選擇成本最低的購買方案；最后，將設計標準進行細化，形成產品零件與質量評價維度之間的關系矩陣，關注各零件的完成質量。

3.提供黑箱策略降低技術難度

在模型制作時，真正用代碼訓練學生有一定的難度，所以教師要提供黑箱策略。如“AI稻草人”項目，教師引導學生根據訓練模型平臺中的輸入和輸出關系，得到問題解決的規律，從而導入收集到的規范動作和不規范動作素材，生成模型，實現AI行為規范的自動鑒別。在這一過程中，學生不需要了解內部的代碼邏輯，從而可以更好地關注問題解決本身，融通學習與真實應用的邊界。

（五）測試優化

在測試優化階段，學生要能應用相應的學科概念獲得測試方式，并通過測試收集數據，將結果與設計的原始標準和約束條件進行對比，從而得到改進方法。

1.自主進行測試方案的設計

學生要能夠根據項目特點自主設計合適的測試方案。如“捕捉海膽計劃”項目，學生很難在真正的海洋中進行，因此可以用模擬實驗的方法獲取數據，再通過具體數據進一步改進方案。

2.采用多樣化的測試方式

為了讓自己的產品更好地達標，學生可以采用多樣化的測試方式，如功能測試、性能測試、與市場同類產品的比較測試、用新技術和材料的改進測試等，反復嘗試與調整，以不斷優化產品。□◢