指向工程思維培養的通用技術課程建模教學探討

0 引言

2016年9月發布的《中國學生發展核心素養》總體框架將實踐創新列為六大核心素養之一[]。具有工程思維，能將創意和方案轉化為有形物品或對已有物品進行改進與優化等被認為是實踐創新素養的重要內容。在《普通高中通用技術課程標準（2017年版2020年修訂）》中，工程思維被列為五大學科核心素養之一，該標準強調了通用技術課程在提升學生思維能力方面的重要使命。然而，通用技術課程長期以來以簡單的實踐活動為主，如畫草圖、鋸材料、制作小工藝品，缺乏深厚的思維內涵。因此，如何在通用技術課堂中有效培養學生的思維能力，成為亟待解決的關鍵問題。

本文以通用技術課程控制系統的設計為例，探討如何通過模型建構設計有效的教學路徑，以提升學生的工程思維能力和實踐能力。

1建模教學的內涵與方法

1.1建模教學的內涵

建模教學可分為認知和建構兩方面。本文所涉及的模型主要指思維模型，它揭示和解釋原型的內部運行機制，使人對其本質有更精準的理解[2]。左開俊[3]指出，模型建構是通過模型幫助學生形成科學推理的基本方式；吳星等4認為這是運用模型思想認識事物和解決問題的思維方法；劉路路 [5]則認為模型建構是先建立對一般系統的認識，再遷移加深，最終形成思維建模。

綜上所述，在培育工程思維的過程中，模型的認知與建構是運用概括、歸納、抽象等思維方式對實踐中獲取的信息進行加工，形成對客體屬性、特征的理解和認識。

1.2基于工程思維的模型認知與建構方法

工程思維是以系統分析和比較權衡為核心的籌劃性思維，模型認知與建構是評價工程思維素養的指標之一。基于工程思維的模型認知與建構首先需要明確學習目標，強調培養學生的工程思維能力，包括批判性思維、創造性思維和系統思維。其次，選擇適合的思維模型和實際案例，設計分步建構活動，鼓勵小組合作，同時考量初步模型中的各量化元素的適用性，對心智模型進行修正[6]。最后，通過情境模擬讓學生應用所建構的模型，并反思、評估形成閉環（圖1）。

2基于建模教學的案例分析

如圖1所示，原型構建、模型效化、解模用模是發展工程思維素養的三個遞進環節。如何基于這三個遞進環節實施發展工程思維素養的教學？筆者以控制系統的設計新授課為例進行剖析。

2.1 原型構建環節

任務一：原型呈現

通過教材情境和案例，引入學生熟悉的抽水控制系統模型技術活動，引導學生從案例理解最簡單的系統的基本結構框架。

任務二：原型剖析

1）實物模型展示：水位控制抽水模型。2）引導學生分析水位控制抽水模型的工作原理（在實物模型中標注出各個部分的名稱），思考在抽水模型觸發抽水后各個部分的作用，在腦海中映射模型。

任務三：原型變式

引導學生分析問題：根據以下功能修改系統，

評估與反思

單一 復雜

情境 情境 原型構建 模型效化 解模用模 簡化、抽象、相 直覺、假定、驗 修正心智模型 似（科學方法） 證、證實模型需要進行哪些調整？

圖1模型認知與建構的過程

1）同型變式：實現水位到達后定時控制水泵抽水——開環；2）同型變式：實現水位高度在一定范圍內閉環；3）異型變式：水位到達后進行聲光報警開環；4）異型變式：控制水池內的溫度在一定的范圍內——閉環。

任務四：模型構建

1）引導學生基于控制系統的工作原理構建雨水收集控制系統開環和閉環控制應用模型，如圖2所示。

2）案例分析：通過本節課的模型建構，從單一、簡單的開環控制系統原型呈現開始，利用生活中和教材中常見或者經典的事實作為對象，對呈現的模型原型進行推理和分析，從而揭示控制系統設計的本質或規律；再利用變式對設計主體進行變換，反向推理，實現觸類旁通、舉一反三；最后，在學生現有的認知基礎上概括一般原理，形成心智模型，即構建模型，如圖3所示。

2.2 模型效化環節

模型效化是指對映射的心智模型進行優化和改進，使其更有效地反映現實系統或現象的過程。這一過程通常涉及對模型的分析、驗證和調整，以提高模型的準確性、可靠性和實用性。

圖2雨水收集控制系統應用模型

任務一：強化模型理解

1）情境剖析：在校園雨水收集與利用系統中，需要對雨水進行收集、凈化處理，滿足校園綠化、公共衛生方面的用水需求。從系統的設計要求來看，該系統的輸入和輸出對應關系是什么？

2）系統分解：校園雨水收集與利用系統從設計到多功能實現，需要根據實際需求劃分子系統。例如，輸入為雨水，系統可劃分為屋面雨水收集子系統、地面雨水收集子系統和中水處理、溢水處理等子系統；輸出為供水，可劃分為樓房供水子系統、綠地供水子系統等。

任務二：破解模型認知誤區

1）解惑：如何理解系統設計中，不是簡單地把各方案集中在一起，這樣做往往會適得其反。系統設計不是單一的開環或者閉環控制過程，需要根據實際情況合理運用不同控制方式，構建系統模型的意義就是將各個獨立的子系統有機結合起來，實現共同的系統目標。

2）案例分析：面對復雜模型的構建，學生初期往往只能采用單一的設計方式，缺乏整體思路。因此，需要將模型構建分解，將初步的構建思路應用到更復雜的情境中，以提高對模型的認知和理解。以設計簡單的自動化控制系統（如溫度控制器）為例，學生可以首先建立初步模型并進行實驗，收集反饋數據（如溫度波動、響應時間），識別不足并迭代改進。這種反饋機制可以幫助學生理解模型在工程思維中的重要性和如何通過調整優化設計。通過實踐，學生逐步掌握復雜模型構建的思維過程，培養工程思維和實踐能力，同時增強批判性思維和問題解決能力，為應對未來復雜工程問題做好準備。

2.3解模用模環節

在確認問題后，經過直覺的假定、聯系等思維過程去嘗試解決問題，應用原型模型概括出一個解決問題的初步模型。初步模型構建后，再用分析、比較、權衡等工程思維去求解這個模型，進而應用于實踐，并證實、修改和檢驗模型。

任務一：模仿性應用

1）情境剖析：分析活動手冊中的“校園太陽能發電系統”設計，提出需要解決的具體問題和普遍方法，列出每一種方法可能會受到的限制。

2）案例分析：建模教學是一種漸進式的教學路徑，將前期遇到的類似工程問題通過類比、思考、實踐等方法將問題的表征作進一步的創造和轉換；通過前期的學習，學生已經形成一種解決相關控制設計問題的心智模型，從模型建構的規律來看，學生通常會借助前期的案例分析、解決現有問題，繼而得出合理的初步形態，獲取設計對象的獨特屬性和性質，為下一步的模型構建奠定基礎。

任務二：創造性應用

1）任務分解，假定模型：根據情境分析，識別出實現各功能的技術細節，明確制約條件和各種影響因素，列出解決具體問題的方案，如蓄電池電源管理、追光控制系統、充電指示和低電壓報警等控制系統模型。

2）模型求解，驗證假定：運用前期所學知識，整合科學、技術、數學、工程等方面的知識，進行方案設計與制作。

3）案例分析：建模的目的是將模型應用于實踐，以驗證和解決技術問題，并建立解決復雜技術問題的思維框架。只有將模型應用于實踐，才能彰顯其價值，且學生只有經歷模型應用環節，才能深化和鞏固對模型本質的理解，實現知識向能力的轉化。

在創造性應用模型的環節中，通過任務分解、假定模型和模型求解、驗證假定這兩個步驟，學生能夠對修正后的心智模型進行實踐，利用該模型求得問題的解答，并對相似情境進行詮釋。這樣，學生能夠實現以點帶面的思維建構效果，從而形成模型建構教學的閉環設計。通過這種方式，學生不僅能應用模型解決具體問題，還能在更廣泛的情境中運用所學知識，促進工程思維的培養，如圖4所示。

圖4解模用模

3指向工程思維培養的通用技術課程建模教學路徑

根據從上述案例分析中得到的啟示，反思在通用技術課程建模教學中值得深入思考的三個方面。

3.1基于真實情境，提出問題與假設

問題與假設的形成是通過顯性控制現象，將學生已有知識與新現象連接，激發其對問題的思考。1）選擇與學生生活相關的情境。2）進行觀察與分析，關注細節和變化，思考影響因素的關系。3）提出探索性問題，例如：“下雨天能否收集校園雨水用于廁所沖洗和綠化澆灌？”并基于觀察形成假設，如構建雨水輸入輸出模型。4）通過技術設計與實驗驗證假設的正確性。5）鼓勵學生反思結果與假設的關系，并引導他們提出新問題與假設，繼續探索。通過這一過程，學生不僅能提出問題與假設，還能提升批判性思維能力和科學探究能力。

3.2建構思維模型，貫通理論與實踐

在指向工程思維培養的建模教學路徑中，建模是手段，而認知與運用是目的。因此，教學應重視培養學生揭示本質規律并運用模型解決問題的思維能力。建模與通用技術課程教學相輔相成：1）建模整合科學、數學和工程等學科知識，促進跨學科理解，契合通用技術課程的綜合性特點；2）建模強調動手操作和實際項目，增強學生解決實際問題的能力，符合通用技術課程的實踐導向；3）建模鼓勵創新思維，學生可以在設計和優化模型的過程中探索新解決方案，提升設計能力。

在上述課例中，通過逐步構建控制系統模型，學生全程參與了原型模型的論證、推理和歸納，揭示了控制系統的本質與規律，使認知過程簡單明了。這種模型不僅與理論緊密結合，還兼顧實踐，通過實踐反饋幫助學生深入理解控制系統的內涵，為發展工程思維素養提供了新路徑。

3.3依據教學設計，創建學習支架

建模和用模是培養工程思維的重要教學環節，應關注兩個方面：1）運用模型解釋技術問題，揭示其本質；2）運用模型自主制定整體解決方案，明確限制并提出針對性策略，從而形成解決復雜技術問題的思維框架。

在教學設計中，有兩個關鍵問題值得思考：1）選擇何種學習支架幫助學生揭示問題本質；2）搭建多少支架。

支架的類型應根據具體問題而定，可以搭建資源型支架，提供有用信息；或策略型支架，通過實驗、實例和技巧等提供多樣化的策略指導；或建議型支架，教師進行適當引導。支架的數量需考慮情境和任務難度，以確保心智模型的使用頻率達到一定程度，從而有效形成解決問題的思維能力。

4結束語

模型認知與構建包含原型建構、模型效化和解模用模三個遞進環節。建模教學旨在引導學生理解原理和認識本質，內化核心能力，遵循由易到難、由低到高的應用程序，即從構建原型到構建心智模型，再通過模型效化不斷破解困惑、優化認知。最終，通過對模型的反復運用，學生對模型形成新的理解，從而使工程思維的培養通過建模教學融入學生的問題思考過程，形成一個不斷建立和修正的動態過程。

5 參考文獻

[1]一帆.《中國學生發展核心素養》總體框架正式發布［J].教育測量與評價，2016（9）：34.

[2]程俊，蘭建祥．“模型認知”素養：內涵與教學進路：以“電解原理的應用\"為例[J].化學教學，2024（3）：29-32，61.

[3]左開俊.基于模型構建的探究式教學研究：以“細胞大小與物質運輸關系”實驗教學為例［J].教育與裝備研究，2021，37（10）：35-37.

[4]吳星，呂琳，景崤壁.化學學科核心素養中“模型認知”的解讀[J].化學教學，2020（6）：3-8.

[5]劉路路.“生態系統的結構”一節的建模式教學設計[J].生物學教學，2018，43（3）：37-38.

[6]左開俊．基于學科核心素養培育的建模式教學實踐路徑[J].中學生物教學，2021（19）：34-37.