【摘 要】為落實中小學(xué)工程教育，提升學(xué)生技術(shù)與工程素養(yǎng)，依托大單元任務(wù)情境，采用項目化學(xué)習(xí)方式，開展實踐探索。文章以“電子寵物”工程項目為例，基于大單元，跨學(xué)科、跨領(lǐng)域重構(gòu)知識內(nèi)容，立足學(xué)生生活實際，開發(fā)工程教育項目。通過引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷調(diào)查分析、活動體驗、設(shè)計智造、測試優(yōu)化、多元評價的項目實施過程，有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)和工程思維，在自主探究中，幫助學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)化意義。

【關(guān)鍵詞】大單元；工程教育；項目學(xué)習(xí)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）09-067-03

2023年5月29日，習(xí)近平總書記在二十屆中央政治局第五次集體學(xué)習(xí)時指出：“要進(jìn)一步加強科學(xué)教育、工程教育，加強拔尖創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)，為解決我國關(guān)鍵核心技術(shù)‘卡脖子’問題提供人才支撐”。為推動我國從工程教育大國向工程教育強國邁進(jìn)，踐行“卓越工程師培養(yǎng)計劃”，高中工程教育這一環(huán)節(jié)必不可少。但是高中階段的工程教育課程體系存在諸多空白，需要不斷地探索，而向大單元設(shè)計尋求答案，不失為一種有效的嘗試。

大單元之“大”，一是內(nèi)容上突破了傳統(tǒng)自然單元的教學(xué)內(nèi)容組織；二是消解了傳統(tǒng)單元知識組成的壁壘；三是重構(gòu)了單元教學(xué)組織的關(guān)聯(lián)性，提升了育人的整體化和系統(tǒng)化功能；四是統(tǒng)整了篇章知識，實現(xiàn)了育人的一體化；五是可進(jìn)行跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容建構(gòu)，從而形成結(jié)構(gòu)化組織大單元[1]。真實的工程問題不是單一學(xué)科問題，會涉及諸如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、地理、技術(shù)等多學(xué)科的知識與技能，應(yīng)在解決問題過程中，讓學(xué)生體會學(xué)科間的關(guān)聯(lián)，促成學(xué)科間的拓展和運用。工程教育本身就是以跨學(xué)科和真實問題解決為特點的，因此，基于大單元，建構(gòu)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容，以大單元任務(wù)情境為依托、以項目化學(xué)習(xí)為驅(qū)動，將是落實中小學(xué)工程教育，契合提升技術(shù)與工程素養(yǎng)，達(dá)成核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的重要路徑。本文嘗試結(jié)合“電子寵物”工程項目的具體內(nèi)容，就大單元教學(xué)背景下的項目開發(fā)與實踐加以說明。

鏈接生活，發(fā)現(xiàn)工程項目問題

生活中蘊藏著豐富的工程問題，包括校園生活、家庭生活和社區(qū)生活等，要激發(fā)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)、去探究，充分開發(fā)和利用生活中的學(xué)習(xí)資源，這是工程教育順利實施的重要保證。通過來自真實生活的情境化工程主題設(shè)計，學(xué)生學(xué)會從紛繁復(fù)雜的現(xiàn)實世界中發(fā)現(xiàn)需要解決的工程問題，在發(fā)現(xiàn)與解決工程問題的過程中，打通生活與所學(xué)知識、技能的關(guān)系，學(xué)以致用，增強學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，有助于提升學(xué)科核心素養(yǎng)與工程思維。如“電子寵物”項目就來源于真實生活需求——學(xué)生想養(yǎng)寵物，需要寵物提供陪伴等情緒價值，但是繁重的學(xué)業(yè)壓力和家庭實際居住條件等現(xiàn)實原因，造成他們沒有能力和精力來飼養(yǎng)寵物，于是就萌生了做一個電子寵物的想法，做一個既不需要喂養(yǎng)，又能提供陪伴，還很有趣的現(xiàn)代寵物。

跨界融合，構(gòu)建工程項目內(nèi)容

大單元教學(xué)設(shè)計強調(diào)知識點之間的聯(lián)系、組織和整合，實現(xiàn)知識的統(tǒng)整化、結(jié)構(gòu)化，使知識真正轉(zhuǎn)變成素養(yǎng)。本項目屬于BEAM機器人的一種，它是一種十分有趣、制作又極為簡單的機器人，主要使用模擬電路來實現(xiàn)異常簡單的設(shè)計。雖然不如基于微處理器的機器人技術(shù)靈活，但BEAM機器人在執(zhí)行設(shè)計任務(wù)時強大而高效，它專注于“基于反應(yīng)的”行為，試圖復(fù)制生物有機體的特征和行為。本項目是用電路來模擬動物趨光性（或避光性）和碰撞退縮反應(yīng)的一種BEAM機器人，基于此，我們有機整合了高中通用技術(shù)課程中的必修模塊《技術(shù)與設(shè)計1》《技術(shù)與設(shè)計2》，選擇性必修《技術(shù)與創(chuàng)造》《技術(shù)與工程》系列模塊，選修課程《傳統(tǒng)工藝及其實踐》，高中信息技術(shù)的選擇性必修模塊《三維設(shè)計與創(chuàng)意》以及高中物理的必修3的有關(guān)內(nèi)容。學(xué)生在項目探究的過程中，學(xué)習(xí)構(gòu)建相關(guān)知識要點和技能要素，理論與實踐互相促進(jìn)，螺旋式上升，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

梳理流程，完善工程項目實施

1.調(diào)查分析

為更好地完成“電子寵物”項目，學(xué)生應(yīng)先明確自己的設(shè)計需求，如“你在什么場合使用？除基本的趨光跟隨、撞擊躲避功能外，還有什么功能嗎？外觀風(fēng)格怎么樣？要用什么樣的工藝？”等問題，進(jìn)行有針對性的調(diào)查分析，最終形成設(shè)計要求。

2.活動體驗

教師將“電子寵物”工程項目分成功能實現(xiàn)和外觀設(shè)計兩大部分，分別為學(xué)生提供項目實施前所需要學(xué)習(xí)的背景知識，并設(shè)計相關(guān)的準(zhǔn)備活動讓學(xué)生進(jìn)行熱身體驗。電路部分提供焊接練習(xí)套件，讓學(xué)生學(xué)會焊接技術(shù)，認(rèn)識印制電路板、電阻、二極管、電容等元器件。外殼部分依托如“雞蛋盒的再設(shè)計”等微項目，學(xué)生學(xué)習(xí)簡單的紙張、木工、金工等工具的使用方法；通過球、花瓶、米老鼠鉛筆套等微項目學(xué)習(xí)三維設(shè)計軟件的使用。

3.設(shè)計與智造

在明確電路板、開關(guān)、電池盒、電機、輪胎等標(biāo)準(zhǔn)件尺寸的基礎(chǔ)上，基于使能方法論，教師采用頭腦風(fēng)暴法、同理心地圖、Scamper法、九宮格法等多種方法幫助學(xué)生拓展設(shè)計思維，進(jìn)行電子寵物整體設(shè)計的創(chuàng)意構(gòu)想，完成設(shè)計圖樣（圖1為某同學(xué)的設(shè)計圖樣），在此過程中，還要不斷地對照設(shè)計要求和評價原則進(jìn)行方案的比較和權(quán)衡，完善設(shè)計方案。

在制作環(huán)節(jié)中，首先，學(xué)生根據(jù)電子寵物的電路圖完成實物焊接工作，圖2為能實現(xiàn)趨光跟隨和撞擊倒退功能的電路圖。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可合作探究具備其他功能的電路，對其進(jìn)行改造。然后，學(xué)生再根據(jù)前述設(shè)計圖樣，選擇合適的工具和材料進(jìn)行電子寵物外殼的制作，在此過程中需要明確所選材料的特點、加工的難點、3D設(shè)計與打印等新技術(shù)如何使用、所選工具的操作要點、常見材料的連接工藝等。最后，學(xué)生進(jìn)行組裝和表面加工處理，形成成品。

4.測試與優(yōu)化

此環(huán)節(jié)實際貫穿于整個設(shè)計與制作過程，對于電子寵物焊接部分，學(xué)生要分別測試電機是否正常轉(zhuǎn)動，撞擊后是否電機反轉(zhuǎn)，開關(guān)與電池盒是否安裝正確，LM386有無正常工作；對于外殼部分，要測試評價外殼各部分是否按照設(shè)計圖樣制作，各連接部分是否穩(wěn)固，有無安全隱患等；對于整個電子寵物，要測試裝配是否存在問題，是否滿足設(shè)計要求與原則，是否需要表面加工處理等。在此基礎(chǔ)上學(xué)生再對方案進(jìn)行優(yōu)化迭代，只有不斷地測試、評估及優(yōu)化才能保證最終成品的質(zhì)量。

5.多元評價

合理的評價標(biāo)準(zhǔn)是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和學(xué)科核心素養(yǎng)的制度保障，深度剖析工程項目模塊，重構(gòu)學(xué)業(yè)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。強調(diào)過程性與總結(jié)性評價相結(jié)合、他人評價與個人自評相結(jié)合，具體內(nèi)容包括最終作品展示、項目的學(xué)習(xí)手冊、日常課堂表現(xiàn)、作品的階段性成果、評價量規(guī)與自我反思等，實現(xiàn)全面性、全方位的評價理念，以促進(jìn)學(xué)生能力的全面提升。

（1）評價內(nèi)容

針對個人的學(xué)習(xí)過程評價維度：課堂上能積極思考，完成體驗活動的測試；認(rèn)真完成電子寵物的設(shè)計與物化全過程；能仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)問題，提出解決方案；能對自己的作品進(jìn)行展示交流，大膽表達(dá)自己的設(shè)計意圖；能客觀評價自己和他人的作品；認(rèn)真完成學(xué)習(xí)手冊，該手冊反映項目學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)與明確的待設(shè)計問題、每個環(huán)節(jié)的階段性成果記錄、方案的呈現(xiàn)、作品照片、作品評價、學(xué)生反思等，形成生成性報告。

針對個人最終成品的評價維度：實用性、創(chuàng)新性、安全性、穩(wěn)固性、美觀、經(jīng)濟、環(huán)保、環(huán)境適應(yīng)性（高度可調(diào)節(jié)、多環(huán)境使用）、加工難易程度。

（2）評價主體

評價主體分為：個人自評、學(xué)生互評和教師評價。其中個人自評中除對電子寵物的實物評價外，還包括個人反思，如“是否可以改進(jìn)？怎么改進(jìn)？哪些是痛點？哪些是重點？改進(jìn)之后能達(dá)到設(shè)計要求了嗎？還有沒有其他不確定因素會影響你的設(shè)計？”等。而學(xué)生互評和教師評價都應(yīng)包括過程性和總結(jié)性評價兩方面，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生課堂表現(xiàn)、項目制作環(huán)節(jié)、學(xué)習(xí)手冊、最終作品等給予客觀評價。

總結(jié)反思，實現(xiàn)工程項目修正

1.基于大單元統(tǒng)整教學(xué)內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

基于大單元的工程項目實現(xiàn)了統(tǒng)整、理論與實踐的平衡，學(xué)生在充分學(xué)習(xí)與項目有關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，設(shè)計與智造項目作品，在實踐中體會學(xué)科之間的關(guān)系，全面提升各學(xué)科的核心素養(yǎng)，發(fā)展工程思維。如“電子寵物”工程項目統(tǒng)整了通用技術(shù)、信息技術(shù)、高中物理的學(xué)科內(nèi)容，在工程實踐的過程中，讓學(xué)生體驗科學(xué)與技術(shù)在社會生產(chǎn)和生活中的作用，把握技術(shù)的本質(zhì)，形成正確的技術(shù)意識，塑造工程倫理[2]；經(jīng)歷項目產(chǎn)品設(shè)計與智造的全過程，面向真實世界，主動發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實問題，運用科學(xué)思維、計算思維和工程思維來明確問題、抽象特征；利用新技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計，通過實驗探究形成解決問題的方案[3]；通過可視化方式（繪制草圖、三維軟件等）對產(chǎn)品進(jìn)行圖樣表達(dá)，并根據(jù)圖樣最終形成工程產(chǎn)品，在此過程中培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、精益求精的工作態(tài)度和工匠精神，形成正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感，全面提升學(xué)生的工程素養(yǎng)[4]。

2.基于大單元梳理實施流程，有助于學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)化意義

大單元教學(xué)設(shè)計是一個由知識而素養(yǎng)，由傳輸?shù)揭龑?dǎo)的結(jié)構(gòu)化意義建構(gòu)過程[5]?；诖髥卧ナ崂眄椖繉嵤┑牧鞒蹋鞔_以工程思維、學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)為根本目標(biāo)，在生活中發(fā)現(xiàn)與明確工程問題，生成工程項目主題，基于大情境、大任務(wù)來重構(gòu)知識與技能體系，在解決這個工程問題的過程中，學(xué)生將零散的信息進(jìn)行組合，形成結(jié)構(gòu)化的意義，學(xué)以致用，融會貫通，才能深度把握各學(xué)科間的內(nèi)在聯(lián)系，明確知識的底層邏輯。通過項目的“做中學(xué)、學(xué)中悟”，將學(xué)生從大量重復(fù)的練習(xí)中解放出來，實際做一次電路設(shè)計與物化，也許對相關(guān)知識的理解會更深入。由此，基于大單元中蘊含的知識結(jié)構(gòu)本質(zhì)，將有助于學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)化意義，提升學(xué)習(xí)效果與理解深度。

注：本文系江蘇省普通高中課程基地項目“像工程師一樣實踐——普通高中工程整合課程基地”和無錫市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度一般課題“超學(xué)科融合理念下普通高中工程教育的路徑探索與樣本建構(gòu)”階段成果

參考文獻(xiàn)

[5]于澤元，邊偉，楊士連. 從松散聯(lián)結(jié)到意義建構(gòu)：大單元教學(xué)設(shè)計的理想圖景[J]. 現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2023，35（4）.

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中華人民共和國教育部. 普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：人民教育出版社，2020.

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