中小学桥梁设计类项目研究综述

（华南师范大学 教育信息技术学院，广东 广州 51063）

桥梁设计类项目作为一种典型的工程设计项目，有着丰富的教学实践，不仅是创客教育也是STEM教育中的热门选题之一，有较为重要的研究价值。然而，相关研究和实践，不仅角度不同，而且良莠不齐，有必要进行全面梳理。

为此，本文对中小学桥梁设计类项目的研究与实践现状进行了全面的文献调研。文献主要来源于中国知网和EBSCO数据库，以分别获取有代表性的中英文文献。在中国知网中分别使用“STEM”“桥梁竞赛”和“纸桥”等关键词进行主题检索，获得自1996年以来共90余篇论文，经人工筛选，比照入选标准（一是必须包含有具体的桥梁设计与实践活动，二是聚焦于中小学教育教学领域），最终保留了11篇有效文献；在EBSCO数据库中，分别使用“bridge & STEM”和“bridge & engineering”等关键词进行主题检索，共检索到1996—2020年间相关论文160篇，采用上述相同的遴选标准，获得有效文献10篇。同时，为增加文献的覆盖面，本研究基于便利抽样，选取了三本包含桥梁设计活动相关的中小学教材作为对照分析样本。本文研究的文献，时间跨度为1996年至2020年，共包含教材、期刊论文、学位论文三大类文献，覆盖了中英文文献，具有较好的代表性。

依托上述文献，本文主要做了三个方面的内容分析：首先，阐述了不同学科领域中桥梁设计类项目的应用案例及研究成果，确认其在教育教学中的重要地位；其次，分析了桥梁设计类项目在促进学生思维能力、科学探究能力、实践能力以及跨学科整合等方面的独特教育价值；最后，进一步分析了当前国内中小学桥梁设计类项目存在的问题与不足，探讨了未来研究的方向和需要注意的问题。

一、不同学科领域中的桥梁设计类项目

调研发现，桥梁设计类项目广泛存在于中小学的教育教学活动当中，尤其在科学教育、通用技术教育（含劳动技术教育）和STEM教育三个领域中有着丰富的应用。

（一）科学教育中的桥梁设计项目

在中小学科学教育领域，桥梁设计类项目主要有两种取向和两种活动类型。

从目标培养的角度可以将桥梁设计类项目分为工程设计制作取向和科学探究取向。工程设计制作取向要求学生依据科学原理设计和制作物品、利用技术解决真实问题；科学探究取向则要求学生基于所学的知识提出可探究的科学问题，结合问题提出有针对性的假设，并能设计单一变量的实验方案，搜集证据验证假设，从而解决问题[1]。以教科版小学六年级科学课程为例，在其“形状与结构”一节中，要求学生用纸“造”一座“桥”，以此探究桥的形状和结构[2]。在教材设计的学习活动中，学生需要剖析桥梁构造中的问题，以选用同等数量的纸张折叠成不同的形状，探究纸的形状与抗弯曲能力的关系，由此经历科学探究的过程，体验科学探究的方法，获得桥梁相关的科学知识。在探究学习完成后，教材还要求学生制作纸桥，在制作过程中进一步利用科学知识原理与技术解决桥梁搭建问题。例如，为了增强纸张承受力，可以利用胶水将多张纸粘在一起增加纸张的厚度。显然，这个桥梁设计类项目既包含了桥梁设计制作（用纸“造桥”）的过程，也涉及了桥梁科学知识（桥的形状和结构）的探究。

从活动设计的角度可以将桥梁设计类教学活动细分为两种活动类型：一种是项目式教学，另一种是模型设计与制作竞赛教学。在项目式教学中，学生以完成项目为主要目标，教师负责全程管理和监控项目的实施过程。例如，赵月提出采用项目式教学的方式开展桥梁设计类教学，不仅有利于教师从时间、成本和质量三方面对学生的学习过程进行控制，而且也能使学生充分参与自主探究活动[3]。因此，其在借鉴项目管理流程及逻辑关系的基础上，选定小学科学课程“形状与结构”一节，开展了以“桥梁建筑师成长之路”为主题的项目式教学实践，该教学项目活动流程包含了项目启动、控制和实施三个部分。教学效果显示，在项目活动开展的过程中，学生能快速地发现问题、完成探究实验，并能熟练地使用剪刀、白乳胶等工具解决问题。

桥梁模型设计与制作竞赛教学集挑战性、创造性、趣味性于一体，有利于提高学生的综合素质，在中小学科学教育中扮演着重要的角色。例如，Barris等（2016）[4]在采用竞赛的方式开展木桥的设计与制造教学中提出，竞赛活动教学不仅能实现学生对桥梁的桁架和框架结构以及材料性能等具体学科知识的学习，也能够促进学生跨学科能力的培养，例如，学生利用信息技术和通信技术将搜索的信息与预测的信息进行比较,通过口头和书面的交流，为自己的作品做出更有说服力的解释和说明，等等。而Hemming等也提出，桥梁挑战赛教学可以帮助学生更好地完成技能的训练[5]。例如，在竞赛活动中，学生通过合作的方式练习了头脑风暴、沟通和设计的技巧；在桥梁模型优化过程中，学生通过测试桥梁的性能和承重能力，并记录其数据，锻炼了观察和数据记录能力。此外，国内学者曹玉新在“纸桥承重大赛”活动教学中也发现，学生在竞赛中更容易产生思维的碰撞，产生新的想法并创造出更好的成品[6]。例如，学生在拿到比赛通知开始，便与合作伙伴查阅资料、进行讨论，讨论的方案屡次制定屡次推翻，经过多轮的争论，最终形成了良好的设计方案。

（二）通用技术教育中的桥梁设计项目

在中小学通用技术教育领域，有关桥梁设计类项目不仅有丰富的理论研究，也有诸多的教材开发实践。从理论研究的角度，学者普遍认为桥梁设计类项目应该实现实践经验与技术思想的融会贯通。例如，张国祥提出在通用技术课程中，桥梁设计教学应将教育与技术相结合，既要注重技术思想与方法的形成，也要注重技术素养的提升和发展：在桥梁设计项目的实施过程中，让学生通过亲历技术实践与桥梁制作的过程，深刻体验到制作过程的复杂性，从而学会充分考虑使用的工具、桥梁连接的方式以及桥梁自身重量等问题；同时，教学过程需要将设计分析、桥梁制作、优化桥梁、增强结构稳定性、完善设计图、总结制作方法等内容串联与整合，使学生在劳动实践中形成对问题的综合分析、理性判断和决策能力[7]。

在教材开发实践层面，桥梁设计类项目同样注重理论知识与实践运用的结合。以粤教版普通高中通用技术课程为例，在其必修2“结构设计”一节中，要求学生按照桥梁设计与承重要求，完成桥梁的设计与制作[8]。在教材设计的学习活动中，学生需要收集信息、选定桥梁的结构，并分析结构受力的情况，绘制出桥梁草图，从而形成初步的设计方案。在完成方案的设计后，教材还要求学生制作桥梁模型，以进一步应用理论知识解决工程实践中的问题。此外，学生需要对桥梁模型进行试验检测、做出评价并提出优化改进的思路，以此形成迭代的过程。显然，教材中强调学生在实践中对理论知识的运用，并重视学生在制作过程中不断发现问题和解决问题的能力。同时在教学实践中，韦小阳提出，在纸桥设计过程中，学生经历了思考、设计、制作、试验这一系列富有探究性、创造性、试验性的活动过程，可以体验到通用技术学科的科学奥秘、技术张力和探究乐趣[9]。同时，这一活动过程也使得学生能充分地理解实践操作的重要性。例如，学生就如何提高纸张的抗压性这一问题展开了激烈的讨论，大胆提出疑问并依据自己的主张实施探究活动，最终在实践中发现可以通过改变纸张的结构以及纸张结构的连接技巧来增强纸张抗压能力。

（三）STEM教育中的桥梁设计项目

桥梁设计类项目在中小学STEM教育中也有着十分重要的地位，这是因为：从STEM教育理念的角度看，桥梁设计类项目充分体现了STEM教育理念，能够引导学生综合运用科学、技术、数学、工程等各个领域的知识来解决桥梁设计中的真实问题。例如，朱钰等提出在STEM教育理念指导下，开展“设计制作桥梁模型”项目实践，可以在真实的生活情境中提高学生学习桥梁设计与制作的兴趣；在工程设计中帮助学生完成从平面到立体、形状到结构的思维认知跨越，实现深层次学习的需要；在模型测试优化环节中提升学生的情感体验[10]。因此，该活动中设计了“引入问题和确定需求、调查研究和学习支持、分析观点和建立模型、测试优化和解决问题”四个教学环节，学生通过参与层层递进的几个小工程实现了多学科知识的学习与实践操作能力的提升。

从STEM教学模式的角度看，桥梁设计类项目结合STEM教学模式，重视问题的情境性，并以小组合作的形式实现解决问题、掌握知识和锻炼能力的目标，从而取得了良好的教学效果[11]。例如，杨艳构建了小学综合实践STEM科学课程的QCE模式（Question-Cycle-Evaluation，问题—循环—评估），并开展了以“桥”为主题的教学活动[12]。该活动分为三个模块，分别是：（Q）定义问题，教学活动要求学生建设一座性价比高且能承受至少2千克质量的桥，让学生以问题为导向开展学习；（C）循环，在这一过程中，学生需要完成对桥梁材料的估算，草图的绘制，模型的搭建，以及优化改进等任务；（E）评估，这一过程需要学生和团队伙伴按照工程建议书的要求提交设计方案，由全班同学评选出哪座桥更好地解决了工程任务，此外，学生还需依据项目过程量表和过程评级单对整个单元过程的学习情况进行评估。研究结果表明，桥梁工程设计结合QCE教学模式，改变了传统的桥梁设计教学模式，让学生成为课堂主体、知识的主动获得者，有效地促进及实现了学生综合能力的锻炼与发展。

从STEM教学实践的角度看，桥梁设计教学实践培养了学生工程责任意识。以培生教育STEM课程为例，在其“设计桥梁”一节中，教学设计从STEM教学目标出发，采用职业聚焦的方式，让学生扮演桥梁工程师的角色，承担其职责，并要求学生进行桥梁的设计与制作[13]。显然，在这一教学中，学生能更好地体验工程设计与制作的过程，形成了良好的责任意识。此外，桥梁设计教学也能帮助学生更好地掌握和运用工程知识。例如，Lyn等探讨工程设计在STEM教育中的作用时提出，桥梁设计活动可以帮助学生更好地了解材料的性能，如桥梁的张拉压力、荷载分布、配筋、强度等，并让学生在实践操作中深刻体验到这些性能在桥梁设计中的重要性[14]。同样，杨薇薇在围绕纸桥开展探究性实践学习活动时也发现，学生通过亲历纸桥设计、制作、竞技、反思等实践环节，完成了实践操作和知识的运用[15]。

综上分析，中小学桥梁设计类项目在科学教育、通用技术教育以及STEM教育三大领域中的应用既有相同点也有较大不同。首先，三者在流程设计、组织形式等方面存在着共同点，表现为：三大教育领域的桥梁设计类项目教学都注重团队协作能力的培养，如在教学活动中要求学生明确分工，由小组成员共同设计与制作桥梁模型；而且教学活动均由两部分组成，即科学探究过程和工程制作过程，因此在教学中既要求学生完成实验探究，掌握桥梁工程知识和原理，也要求学生通过解决工程问题，完成桥梁模型搭建的任务。然而，在教学理念、教学聚焦点、教学评价等方面，三个领域的桥梁设计类项目又各有其特点，突出表现为：科学教育领域中桥梁设计类项目的教学更加注重教学的科学性，强调学生对科学知识的掌握以及对科学实验的探究；而通用技术教育则更侧重学生劳动思想和技术素养的培养，以及在制作桥梁模型的过程中学生动手实践操作能力和运用技术解决问题的能力是否得到有效的提升；STEM教育则要求在桥梁教学设计时注重真实情境的创设以及跨学科的整合。此外，在科学教育和通用技术教育领域中，桥梁设计类项目的教学更注重对学生制作的桥梁成品的评价；而STEM教育领域中则将评价分为过程性评价和总结性评价，不仅关注学生制作的成品，同时也关注学生在桥梁设计与制作过程中的表现。

二、桥梁设计类项目的独特教育价值

纵观相关研究结论，桥梁设计类项目的独特教育价值主要表现在两个维度、四大方面，包括实践能力、科学探究能力和思维能力三个方面的学生能力培养维度，以及促进课程的跨学科整合维度。

（一）桥梁设计类项目可以提高学生动手实践能力

传统应试教育侧重书面知识的学习，而缺少实践能力的培养。桥梁设计类项目以工程制作过程为核心开展教学，可以有效促进学生实践操作能力的提高。例如，在桥梁模型设计与制作过程中，教师引导学生分析桥梁结构的类型以及各结构受力的情况，并要求学生进行桥梁模型方案的设计，绘制出桥梁模型图，完成桥梁模型的搭建任务；随后，学生还需要对桥梁模型进行承重测试，检测其性能并加以优化和改进。显然，在活动中学生的动手实践机会较多，实践能力能够得到较好的培养。

（二）桥梁设计类项目可以培养学生的科学探究能力

科学探究能力在中小学教育目标体系中有着非常重要的地位，例如，义务教育科学新课程标准将科学探究作为发展学生科学素养的核心，特别强调学生科学探究能力的培养。科学探究能力有不同的评价指标，一般认为有六个核心要素，分别是提出问题、建立假设、设计实验方案、收集事实与证据、得出结论、合作与交流[16]。学生在桥梁设计类项目教学过程中能够形成较强的科学探究能力，这是因为：以“建造吸管桥”科学探究活动为例[17]，教师通过创设真实的桥梁探究情境，引发学生思考问题，培养了学生良好的问题意识；而学生通过扮演桥梁工程师的角色，亲历桥梁设计过程，运用知识解决问题的能力也得到了锻炼和提升；最后，团队成员需要对搭建的桥梁模型进行评估，交流自己学习到的知识并分享改进的思路，这不仅培养了团队合作精神，也提高了学生沟通交流的能力。

（三）桥梁设计类项目可以培养学生的思维能力

有关核心素养的研究表明，基础知识和问题解决能力是核心素养的重要部分，然而，思维能力的培养才是核心素养中最为重要的维度[18][19]。桥梁设计类项目在实施过程中培养了学生的思维能力，尤其体现在设计思维、统筹思维和创新思维三个方面。

1.培养学生的设计思维能力

工程的基本特征是满足人与社会的需要，其实现过程主要通过工程活动创造新的人工制品来满足这些需求[20]。而工程活动中“设计”环节至关重要，有利于培养人的设计思维。所谓设计思维就是一种以解决方案为导向的思维形式，它从工程目标或要达成的可视化成果着手，通过对当下现实可行性分析和未来需求的预测，探索工程问题中各项参数变量及可能的解决方案[21]。桥梁设计类项目包含了典型的工程设计活动，以桥梁模型设计竞赛为例，通常要求学生设计出具有较大承重能力的桥梁模型，即要求该模型应具有一定的抗压和抗拉能力。因此，在设计过程中学生要充分考虑结构选型的问题及可能的解决方案，如圆柱形纸杆可以承受一定的压力和拉力，便可将其作为受弯结构的梁；而为了保证模型有较大的整体抗弯刚度，可将横梁布置成网格体系或三角形结构等[22]。显然，在此过程中，学生的设计思维可以得到较好的锻炼和提升。

2.促进学生统筹思维和折中思维能力的提升

统筹思维是指如何运用各种工具、机器、设备、人力资源和其他手段等组成合理的工作流程来实现工程目的；而折中思维即妥协性思维，是指思维主体不得不对相互矛盾的观点、资源和方案采取权衡利弊的妥协立场和态度，并根据工程总体目标要求，把冲突、矛盾的因素进行协调[23]。桥梁设计类项目对促进学生的统筹思维和折中思维能力的提升具有重要的作用。以“意面桥”比赛为例，比赛规则规定了参赛者使用的材料和工具，即用意大利面、胶水或硅来建造，并明确提出制作的桥梁成品总重量、桥梁跨度以及桥梁高度等要求[24]。因此，在比赛过程中，参赛者为了获得好的成绩，往往需要统筹协调各种资源，制定出均衡的设计方案，不可执于一端。同时，在制作过程中，小组成员各司其职，成员之间协调配合，借此学生也学会了如何与同龄人合作解决桥梁工程问题和实现活动目标。

3.培养学生创新思维能力

在创客教育、STEM教育盛行的当下，如何有效地培养学生的创新思维能力是实现其可持续发展的关键问题。何克抗指出创新能力必须以创造性思维为基础，并提出创造性思维的“结构”由发散思维、逻辑思维、形象思维、直觉思维等要素组成[25]。桥梁设计类项目的教学能有效促进学生的创新思维和创新能力的培养，主要体现在以下方面：首先，学生在进行桥梁设计的过程中，通过查阅资料分析比对桥梁的结构选型以及各种结构桥梁的受力情况，“同中求异，正向求反，多向辐射”，其发散思维能力得到了锻炼和提升；其次，学生要对其构想的桥梁绘制出较为规范的设计图，从而实现由形象思维向直觉思维的转化；最后，学生依据绘制的桥梁模型图制作出了具有创新性的桥梁成品，其创新思维能力也因此得到了较大的提升。

（四）桥梁设计类项目可以促进跨学科整合

长期以来，我国中小学课程结构过于强调学科本位和缺乏整合的问题比较突出，淡化学科界线，使分科课程和整合课程有机联系、合理并存，需要持续不懈的努力，STEM教育契合了这种需求。桥梁设计类项目作为开展STEM教育的载体之一，也必然有利于促进跨学科整合。例如，在STEM教育理念指导下的桥梁设计类项目研究中发现，教学设计采用分学科的方式进行教学目标的设定，并在教学活动中不断地引导学生学习与桥梁有关的工程原理和科学知识，让学生在桥梁设计过程中利用数学方法估算桥梁设计费用，并完成桥梁草图的绘制。显然，在桥梁设计类项目教学中，多学科知识融入其中，有助于学生实现跨学科和深层次学习。

三、问题与启示

综上所述，桥梁设计类项目在中小学教育中不仅有着广泛的应用，而且发挥着独特的教育价值，有利于培养学生的动手实践能力、科学探究能力和思维能力，还可以促进跨学科整合。此外，梳理国内外教学研究，对比国内外桥梁设计类项目的教学活动设计，发现其中既有共同点，又有较大的差异。首先，国内外桥梁设计类项目教学在教学方法和活动形式等方面是相同的，其中均有采用项目教学法和竞赛的方式开展活动教学，并让学生以团队合作的方式完成挑战；同时还要求学生在活动过程中完成多学科知识的学习。其次，国内外桥梁设计类项目教学的差异之处表现在教育理念、教学重点等方面。国内的桥梁设计教学强调学生在活动中对理论知识的运用以及实践能力的提升，注重学生劳动素养的培养；而国外的教学则更强调学生对技术的掌握与使用，侧重学生成果的展示过程和学生表达交流的技巧。

当前国内桥梁设计类项目在教学实践和研究层面还存在着诸多不足，主要体现在如下方面：

其一，教学方法不够严谨。已有的桥梁设计类项目教学实践均采用正向活动设计的方法，对学生的能力要求较高，而且在实际教学过程中，运用该方法容易忽视学生设计与制作的科学性。例如，在设计桥梁图纸时，学生并没有理解图纸对于模型制作和工程设计的重要性，也不清楚如何把握设计图纸绘制精确度等问题，最终导致学生在制作模型方面困难较大，花费时间也较长[26]。

其二，跨学科整合深度不够。当前桥梁设计类项目课程仅仅关注项目中有没有卷入多个学科的知识内容，没有做深入的分析和融合，导致不同学科内容之间不具有内在逻辑性和外在关联性。此外，课程教学目标也只依据STEM教育内涵划分为科学、技术、工程、数学四个方面，缺少从学科层面以及思维层面的考量。

其三，侧重技能的训练，缺少思维的启迪与提升。在中小学桥梁设计类项目教学中，虽然设计了科学探究过程和工程设计与制作过程，但在实践教学中对科学探究过程重视程度不高。相反，桥梁设计教学过于注重桥梁制作的成品，不仅忽视了科学探究过程的重要性，而且缺乏对学生科学思维能力的培养。

其四，项目活动较为传统，缺少新技术的应用。在桥梁的设计与制作过程中，活动的材料供给和应用均采用简单的纸张、木条和吸管等传统的工具，缺乏新技术的使用；而且在已有的桥梁项目活动中，学生并没有对预先设想的模型进行预荷载测试，而是在完成桥梁模型后才进行承重测试并加以改进，因此活动的效率大大降低。

针对存在的不足，后续研究可以从多个角度或方向进行完善和改进，主要建议包括：

其一，重视科学探究过程。教学中应强化科学探究实验的地位，并严格按照科学探究的流程进行操作，例如，在探究实验中要求学生提出问题，控制单一变量，并针对问题作出合理假设，通过验证假设得出结论，借此培养学生严谨的、科学规范的探究思维和方法。

其二，可以采用多维度交叉的方式描述教学目标。为了避免割裂学科间的联系，不要局限于分学科的目标描述，而可以从知识与技能维度、过程与方法维度、学科和跨学科维度等多个维度和层面描述学习目标。以桥梁设计类项目为例，首先可以从学科知识的角度进行分析，将教学活动与具体学科目标一一对应，如将测量桥梁的质量对应到物理学科的相关知识点；其次，可以从工程设计的角度，描述解决特定桥梁所需的学科知识及其相互关系，建立不同学科知识之间的联系，并从工程思维的角度提炼项目活动需要培养学生养成的统筹与折中、迭代等具体工程思维[27]。

其三，建立完善有效的评估体系。教学评价需从多方面和多角度考量，应包含过程性评价和总结性评价。因此，教学中不仅要对学生制作的桥梁成品，从其性能、结构、美观、创新等方面做总结性评价；同时，教师可为学生提供多种学习活动支持文档，例如，给予学生结构式作业本，其中可以包含引起知识反思和知识支架的问题，且要向学生强调作业本填写的重要性，并将其作为过程性评价的数据来源[28]。

其四，引入新的技术应用。教学中应该重视学生对新技术的掌握和使用，来更好地解决工程中的问题。例如，在工程制作过程中，学生可以采用3D打印技术和激光雕刻等快速成型技术的结合，实现桥梁的模型搭建；在科学探究过程中，数据的获取可以基于开源硬件的传感与控制技术的运用来实现。此外，对于桥梁荷载的情况分析，可以利用有限元软件进行预实验，以确定它是否足以承受预计的载荷[29]。

其五，探索新的教学方法。随着桥梁设计类项目在中小学教育中的广泛应用，还需要探寻一种新的教学方法来解决教学过程中的问题，其中，逆向工程方法值得关注。例如，康斯雅等对机器人教育中的逆向工程教学模式进行分类，提出逆向工程教学模式的“灯笼模型”。该模型主要包括四种教学模式，其主要的过程是试用感知产品，进行解构和再设计，最后进行评价和总结[30]。研究表明，将这种教学模式应用到中小学机器人课堂教学中，有利于提升学生的深度学习，对师生能力条件要求较低，同时需要的时间周期较短，也有利于减少经费的投入。[31]在未来的研究中，如果将逆向工程方法迁移到桥梁设计类项目中，能否改善教学效果，能否降低学生在设计与制作过程中的难度，其适用性和有效性尚需进一步分析和论证研究。