馬瑞雪

摘 ?要 工程思維作為創(chuàng)新創(chuàng)造重要的邏輯思維在STEM教育和創(chuàng)客教育中具有獨(dú)特的意義。以創(chuàng)客教育為載體，構(gòu)建出適用于小學(xué)生工程思維培養(yǎng)的創(chuàng)客教育設(shè)計(jì)型教學(xué)模型，最后將該教學(xué)模型應(yīng)用于“巡線小車”的教學(xué)設(shè)計(jì)案例中，以期向相關(guān)學(xué)者展示設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)法下小學(xué)生工程思維培養(yǎng)的模型，并為創(chuàng)客教育的實(shí)踐提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 工程思維;創(chuàng)客教育;設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí);教學(xué)模型

中圖分類號(hào)：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）18-0073-03

Research on Teaching Model of Maker Education in Primary School for Engineering Thinking Training//MA Ruixue

Abstract As an important logical thinking of innovation and crea-tion， engineering thinking has unique significance in stem education and maker education. Based on maker education， this study con-structs a design teaching model for the cultivation of engineering thinking of primary school students. Finally， this teaching model is

applied to the teaching design case of “l(fā)ine patrol car”， in order to

show the model of the cultivation of engineering thinking of primary

school students under the design learning method to relevant scholars

and provide guidance for the practice of maker education.

Key words engineering thinking; maker education; design learning; teaching model

1 引言

創(chuàng)客教育作為新時(shí)代培養(yǎng)人才以及應(yīng)試教育轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路，受到國(guó)際與國(guó)內(nèi)眾多學(xué)校和機(jī)構(gòu)的重視。之所以要加強(qiáng)創(chuàng)客教育中工程思維的培養(yǎng)，這是由創(chuàng)客教育發(fā)展中存在的問(wèn)題和本質(zhì)決定的。創(chuàng)客教育關(guān)注的是學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐、解決問(wèn)題能力的發(fā)展，主要是通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)開(kāi)展造物活動(dòng)，它的本質(zhì)其實(shí)是一種培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐能力的工程教育?！禟12教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來(lái)》指出，K12工程教育應(yīng)加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維習(xí)慣，提出“工程思維習(xí)慣是21世紀(jì)公民必備的技能之一”。但是，工程思維作為STEM教育的四種理念之一，在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有受到應(yīng)有的重視，很大原因是沒(méi)有合適的培養(yǎng)載體。本研究以創(chuàng)客教育為載體，構(gòu)建面向工程思維培養(yǎng)的小學(xué)創(chuàng)客教育教學(xué)模式，并且進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，以此為創(chuàng)客教育的發(fā)展和工程思維的培養(yǎng)提供借鑒。

2 創(chuàng)客教育和工程思維的內(nèi)涵解讀和概念界定

創(chuàng)客教育 ?對(duì)于創(chuàng)客教育的概念，不同的政策文件和專家學(xué)者有不同的界定?？偨Y(jié)下來(lái)，對(duì)于創(chuàng)客教育的界定有四種，包括模式論、課程論、理念論和類型論。本研究中創(chuàng)客教育作為培養(yǎng)工程思維的載體，以一種課程形式存在。

工程思維 ?工程思維在普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中的定義是：“工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維。幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)工程和系統(tǒng)的復(fù)雜性和非結(jié)構(gòu)性，運(yùn)用系統(tǒng)方法，針對(duì)某一具體問(wèn)題進(jìn)行整體規(guī)劃和要素分析，領(lǐng)悟并且運(yùn)用系統(tǒng)、控制、結(jié)構(gòu)、流程等系統(tǒng)方法，通過(guò)模擬或者建模進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，最后能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和綜合決策?！?/p>

3 理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論 ?建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)生在特定情境中通過(guò)交流合作，在原來(lái)的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上主動(dòng)加工新的知識(shí)，通過(guò)同化和順應(yīng)主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)表征的過(guò)程。工程思維要求的本來(lái)就不是單純理論的掌握，而是在真實(shí)情境中通過(guò)實(shí)踐加工知識(shí)，形成屬于自己的知識(shí)表征。

工程設(shè)計(jì)過(guò)程 ?工程設(shè)計(jì)的基本流程具體包括確定需要和設(shè)定目標(biāo)、市場(chǎng)分析、設(shè)計(jì)規(guī)范和約束、功能分析、概念產(chǎn)生、方案評(píng)估、分析、實(shí)驗(yàn)和市場(chǎng)運(yùn)作。同時(shí)，工程思維還包括逆向工程思維，它與一般工程設(shè)計(jì)思維的區(qū)別是從已有的模型或產(chǎn)品出發(fā)，通過(guò)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)造性模仿設(shè)計(jì)，從而達(dá)到再生產(chǎn)和創(chuàng)新的目的。

設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí) ?Wijnen教授將設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)作為一種教學(xué)模式，目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)是基于項(xiàng)目展開(kāi)的，教師基于現(xiàn)實(shí)提出有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題和任務(wù)，并且?guī)椭鷮W(xué)生理解，從而接受挑戰(zhàn)。學(xué)生在原有認(rèn)知基礎(chǔ)上通過(guò)豐富的資源整合相關(guān)信息，建構(gòu)新的知識(shí)表征，通過(guò)交流合作對(duì)挑戰(zhàn)和任務(wù)進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，完成作品和項(xiàng)目，然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)測(cè)試評(píng)估，最終形成作品。尼爾森的“逆向思維模型”和克洛德納的“基于設(shè)計(jì)的科學(xué)探究循環(huán)模型”是國(guó)內(nèi)外比較知名的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模型。

4 面向工程思維的創(chuàng)客教育教學(xué)模型設(shè)計(jì)及實(shí)施

設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模型與工程思維培養(yǎng)的契合性分析 ?設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)主張?jiān)谡鎸?shí)復(fù)雜的環(huán)境中研究有意義且真實(shí)的問(wèn)題，理論與實(shí)踐是通過(guò)迭代的設(shè)計(jì)過(guò)程連接的，是一種典型的理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)方法。工程思維具有真實(shí)性、迭代性、系統(tǒng)性、開(kāi)放性等特點(diǎn)，特別適合采取基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)方式。因此，筆者設(shè)計(jì)了面向工程思維的創(chuàng)客教育設(shè)計(jì)型模型。

面向工程思維的創(chuàng)客教育教學(xué)模型構(gòu)建 ?建構(gòu)主義理論、工程設(shè)計(jì)過(guò)程以及設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)為本研究面向工程思維培養(yǎng)的創(chuàng)客教育教學(xué)模型的建構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的兩種模型也為本研究模型的構(gòu)建提供了思路和借鑒，但是直接作為本研究的模型來(lái)指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐未必適合。因此，筆者以創(chuàng)客教育為載體，結(jié)合兩種模型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出面向工程思維的小學(xué)創(chuàng)客教育教學(xué)模型。面向工程思維的創(chuàng)客教育教學(xué)模型包括六個(gè)部分，分別為“分析問(wèn)題情境，確定目標(biāo)”“師生共同設(shè)置評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)”“綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇解決方案”“制作原型，建模測(cè)試”“交流指導(dǎo)，迭代修改”與“分享評(píng)價(jià)，完成實(shí)踐”，如圖1所示。

1）分析問(wèn)題情境，確定目標(biāo)。教師通過(guò)設(shè)計(jì)貼近生活的情境，從而拋出問(wèn)題，這樣既能引起學(xué)生的興趣，又能與學(xué)生的已有知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生共鳴，激發(fā)學(xué)生的探索欲望，從而進(jìn)一步界定工程問(wèn)題，對(duì)提出的問(wèn)題進(jìn)行假設(shè)，從而確立解決問(wèn)題的總目標(biāo)。

2）師生共同設(shè)置評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。師生共同設(shè)置評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，這是建立在學(xué)生已經(jīng)界定了工程的問(wèn)題和總體目標(biāo)的前提下，通過(guò)調(diào)查研究，將大的問(wèn)題和總目標(biāo)進(jìn)一步分解，確定學(xué)生為了完成工程項(xiàng)目需要做到的具體要求，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)有明確的方向。這些內(nèi)容不僅可以作為指導(dǎo)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)活動(dòng)的參照，而且作為師生共同確定的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，也可以幫助學(xué)生自評(píng)和互評(píng)。

3）綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇解決方案。成功的設(shè)計(jì)是項(xiàng)目順利完成的基礎(chǔ)，同時(shí)，設(shè)計(jì)階段也是工程思維的核心。工程設(shè)計(jì)階段，學(xué)生首先要對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估，把握目標(biāo)，根據(jù)已有的認(rèn)知和其他資料檢索手段，利用數(shù)學(xué)、機(jī)械、物理等領(lǐng)域的知識(shí)，驗(yàn)證假設(shè)的合理性，從而得到最終的設(shè)計(jì)方案思路，將思路轉(zhuǎn)化為可操作的、明確的實(shí)施方案，進(jìn)行草圖繪制和原型設(shè)計(jì)。

4）制作原型，建模測(cè)試。此過(guò)程是將工程設(shè)計(jì)得以貫徹和落實(shí)，在此過(guò)程中應(yīng)更加注意穩(wěn)定性、可控性和安全性。學(xué)生通過(guò)交流合作，按照設(shè)計(jì)好的最佳方案進(jìn)行建模和測(cè)試，在搭建模型和編程過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)方案不能完全實(shí)現(xiàn)的情況，這時(shí)就需要修改設(shè)計(jì)或改進(jìn)實(shí)踐，教師在此過(guò)程中要提供相應(yīng)的資源和指導(dǎo)。

5）交流指導(dǎo)，迭代修改。經(jīng)過(guò)前四步的學(xué)習(xí)探索，學(xué)生在設(shè)計(jì)或測(cè)試過(guò)程中會(huì)有一些困難和問(wèn)題，此時(shí)需要教師指導(dǎo)和師生間的交流合作，新的知識(shí)由于在之前的設(shè)計(jì)制作情境中被反復(fù)利用而變得更加容易被接受。在交流指導(dǎo)過(guò)程中，可能會(huì)伴隨計(jì)算、畫(huà)圖、比較等學(xué)習(xí)能力的鍛煉。接著，學(xué)生綜合建模中的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)改進(jìn)自己的設(shè)計(jì)，綜合分析獲得最佳的設(shè)計(jì)思路和問(wèn)題解決方法。

6）分享評(píng)價(jià)，完成實(shí)踐。通過(guò)分享交流，一方面鍛煉了學(xué)生的溝通和表達(dá)能力，另一方面通過(guò)交流可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)技能的理解掌握。通過(guò)形成性與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式與多元化的評(píng)價(jià)機(jī)制，可以讓各小組之間取長(zhǎng)補(bǔ)短、互相學(xué)習(xí)，使學(xué)生形成對(duì)自己和他人的恰當(dāng)認(rèn)知，反思整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)，反思問(wèn)題的解決程度和目標(biāo)的達(dá)成情況，從而引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)工程思維的理解，在以后的實(shí)踐中繼續(xù)遷移使用這種思維方式。

“巡線小車”教學(xué)案例 ?“巡線小車”教學(xué)案例是在學(xué)習(xí)了機(jī)器人搭建以及傳感器的基礎(chǔ)內(nèi)容上，為了培養(yǎng)小學(xué)生的工程思維，面向小學(xué)高年級(jí)階段的學(xué)生設(shè)計(jì)的教學(xué)案例，需要的教學(xué)資源包括芝麻豆機(jī)器人等級(jí)考試一二級(jí)套件、三四級(jí)套件、安裝有zBlockly編程軟件的電腦、多媒體設(shè)備等。每個(gè)階段的師生活動(dòng)情況如下。

1）分析問(wèn)題情境，確定目標(biāo)。教師創(chuàng)設(shè)情境：“大家都知道，火車可以按照鋪好的軌道行進(jìn)，但是鋪軌道需要大量的時(shí)間和成本。如果我們想讓機(jī)器人小車像在軌道上一樣按照黑線行駛，應(yīng)該怎么做呢？今天我們就要親自做一個(gè)可以自動(dòng)巡線的機(jī)器小車?！睂W(xué)生積極思考：機(jī)器人小車是怎樣做到像長(zhǎng)了眼睛一樣沿著黑線行駛的？通過(guò)查閱資料，交流分享，得出結(jié)論：巡線行駛最重要的智能硬件——灰度傳感器。

2）師生共同設(shè)置評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。教師引導(dǎo)學(xué)生一起確定制作可以自動(dòng)巡線的小車需要有什么功能，需要怎樣設(shè)計(jì)才能達(dá)到巡線的目標(biāo)。學(xué)生整理得到：①小車要足夠穩(wěn)固，整潔美觀;②小車要能夠轉(zhuǎn)彎;③小車上要安裝灰度傳感器，并且與地面高度合適;④灰度傳感器能準(zhǔn)確識(shí)別黑白，要找到黑白界限值;⑤通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)小車自動(dòng)巡線功能。

3）綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇解決方案。教師引導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)習(xí)共同體，學(xué)習(xí)共同體內(nèi)通過(guò)合作討論，確定實(shí)現(xiàn)巡線小車設(shè)計(jì)功能的方法。例如：需要搭建的小車外形是什么樣的？灰度傳感器安裝在哪？需要什么樣的程序流程？調(diào)試程序過(guò)程中可能會(huì)遇到哪些問(wèn)題？學(xué)生最終確定設(shè)計(jì)方案，繪制程序流程草圖。

4）制作原型，建模測(cè)試。教師引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手搭建并且進(jìn)行編程，鼓勵(lì)學(xué)生自行探索，在時(shí)間有限的情況下，完成制作任務(wù)。學(xué)生通過(guò)小組合作，按照草圖進(jìn)行小車搭建，安裝灰度傳感器，在圖形化編程軟件zBlockly上進(jìn)行調(diào)試，尋找黑白界限值，嘗試進(jìn)行邏輯編程，實(shí)現(xiàn)小車巡線功能。

5）交流指導(dǎo)，迭代修改。在巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍存在的問(wèn)題和困難，集中講解，幫助學(xué)生修改設(shè)計(jì)，完成制作。鼓勵(lì)學(xué)生迭代修改設(shè)計(jì)制作，完善自己的作品。學(xué)生認(rèn)真聽(tīng)取教師的講解，解決自己在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)制作，完善自己的作品。

6）分享評(píng)價(jià)，完成實(shí)踐。組織學(xué)生進(jìn)行分享，分享自己作品設(shè)計(jì)的初衷、特點(diǎn)以及在制作中遇到的困難等。同時(shí)組織學(xué)生對(duì)自己和別人的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。最后進(jìn)行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)工程思維的理解以及在之后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)運(yùn)用這種思維。學(xué)生進(jìn)行分享和評(píng)價(jià)，熟悉工程思維的流程，以便以后解決同類問(wèn)題。

5 總結(jié)與分析

將工程思維培養(yǎng)融入創(chuàng)客教育中，既有利于創(chuàng)客教育的良性發(fā)展，也為工程思維的培養(yǎng)提供了很好的載體和途徑。實(shí)踐表明，筆者構(gòu)建的面向工程思維的小學(xué)創(chuàng)客教育教學(xué)模型能有效促進(jìn)小學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，本次研究的成果也為創(chuàng)客教育的發(fā)展和工程思維的培養(yǎng)提供了很好的借鑒。

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