在STEM课程中培养学生的工程思维

柏毅 仇慧

本文从工程思维的内涵出发，结合小学STEM课程案例《地球的脉动》，分析如何在STEM课程中培养学生的工程思维，并基于课程的具体实施情况给出以下几点教学建议：加强不同学科间的知识结合;注重小组项目式合作交流;构建合理的工程思维评价方式。

《未来工作：第四次工业革命的就业、技能和劳动力战略》报告指出，至2020年，就业市场对拥有解决复杂问题能力和社交技能人才的需要会远高于对体力和专业技能人才的需要。STEM教育培养的复合型人才将是就业市场的主要需求之一。现如今在小学教育阶段，科学思维抑或是批判性思维被频频提起，却少有人提到工程思维的培养。笔者认为，工程思维小到了解船是如何沉浮，大到探索飞船如何在宇宙航行，不管是处于哪个学习阶段，都需要具备运用综合知识去解决实际问题的能力，而小学STEM课程作为承担跨学科教育的主力军，研究如何在STEM课程中培养学生的工程思维具有重要的现实意义。

一、基于工程思维的小学STEM课程教学设计方案

（一）构建真实情境，提出核心目標

工程思维培养的是学生解决问题的能力，老师在此过程中应当承担问题引出者的角色，创设一定的教学环境有利于学生将所掌握的知识和技能运用于问题解决，同时促进学生将多学科知识相关联，进行有意义的构建。教学情境的设计必须具有真实性，让学生真正融入解决问题的角色，以工程师的身份去思考如何设计方案。

在《地球的脉动》一课中，老师首先通过一段火山喷发的小视频引起学生深入探究的兴趣，继而引出一个情境问题：“为什么会发生火山喷发或地震呢？”继续引导学生了解地球内部结构，帮助学生进行知识的构建。在学生了解地球是由地壳、地幔、地核三部分组成的基础上，老师解释火山喷发以及地震形成的原因，之后向学生展示地震带来的危害，赋予学生工程师的角色，引出课程核心目标：“如何设计一个地震预警器，从而减少地震损失？”

（二）展开调查研究，形成基本概念

工程思维的培养建立在多学科知识综合运用的基础上，学生在这一过程中开始构建知识之间的关联，通过组间讨论或者询问老师，对问题的研究逐渐深入。这需要大量的材料支撑，老师在这一过程中应当承担资料提供者的角色，让学生在脑海中形成基本设计框架，为后期模型搭建做准备。

这一过程中，学生开始探索地震预警器是由哪些部分组成的。这期间，老师可以向学生展示已有的地震预警器的图片作为参考。通过观察总结，学生知道一个简易的地震预警器由两部分组成：电路报警部分以及固定框架部分。电路报警部分由老师提供电池、蜂鸣器、发光二极管、细铜丝等材料，引导学生进行电路的搭建;固定框架部分，老师提供的材料有木条、PVC板、单摆、铁丝等，此处可以引导学生探讨哪种结构会在地震过程中更加稳定，从而完成学科间知识的灵活结合。

（三）绘制作品蓝图，搭建初始模型

科学的核心是发现，工程的本质是实现。工程师解决工程问题前，必须绘制精确设计图，最终的产品也是严格按照设计图制作的。因此，在STEM课程中，培养学生养成良好的绘图习惯非常有利于工程思维的培养。设计图绘制完成后，老师应当要求学生后期模型的搭建完全建立在设计图的基础上。

绘图的过程是学生将思考落地的过程。本课程的地震检测器设计图包括电路报警部分以及固定框架部分。电路报警部分涉及串并联的知识点，因此可以先让学生绘制该部分的电路图。在绘制过程中，如果出现串并联概念不清、正负极接反等问题，老师应该适时地给予建议。电路图绘制完成后开始设计固定框架部分，在设计中需要对各种因素进行反复选择和权衡。此时不同小组可能会产生不同想法，老师应该要求学生不仅仅要将设计图简单地画在纸上，更需要将框架的各个部分详细注明使用材料以及长度、宽度等，促进学生数学知识与工程设计的融合。

（四）优化成品结构，展示汇报成果

工程思维的最大特点就是要做出实际可靠的解决问题的产品。在这个过程中要考虑多种因素，不断优化，持续改进。STEM课程的开展方式不同于传统课程，评价方式自然也有所不同，小组汇报展示能够让学生和老师充分了解该组设计思路以及设计过程中遇到的问题，更有利于对小组作品做出全面的评价。

地震检测仪初始模型搭建结束后，老师可以组织学生进行第一次测试。将每组成品放置在平整桌面，用不同的力摇晃桌子，模拟不同程度的地震场景，观察每组报警装置是否成功运转，并从电路连接、报警灵敏度等方面给出建议。所有小组测试完成后，请学生继续改进存在的不足。经过几轮改进后，提醒学生组织汇报，每组限定在3～5分钟，老师先介绍打分标准等，各小组依次上台展示汇报，其余小组在台上小组汇报完成后，可以提问，老师则同时根据打分标准打分。

二、基于工程思维的小学STEM课程教学建议

（一）加强不同学科间的知识结合

随着学科间的边界逐渐模糊，越来越多的课程考虑到交叉学科的知识摄入。STEM课程作为多学科融合的课程，所承担的教学责任尤为凸显。教学工作者在STEM教育中，应当提醒学生利用多学科关联的知识解决问题，引导学生从工程思维的角度，设计完善STEM作品，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题能力的教育目标。

（二）注重小组项目式合作交流

STEM课程的实施多以项目式合作的方式展开，此过程需要小组内学生合作完成作品并展示。笔者在《地球的脉动》课程实施过程中，发现存在“搭便车”情况，即一人在做，其他成员观望。针对这一现象，一方面，教学工作者可提前了解学生学情，将不同水平的学生划分到同一小组承担不同角色;另一方面，对极个别表现突出的学生，采取鼓励方式，引导其带领同组学生分工合作，尽可能做到人人有其责。

（三）构建合理的工程思维评价方式

工程思维评价方式，就是引导学生不单单从作品是否能够完成目标任务出发进行评价，还应该结合作品的不同方面，从不同的角度对作品进行评价。工程思维除了最终达到解决问题的目标外，也需要考虑时间、成本等因素。功能性任务完成后，作品的美观度等均需在考虑范围之内。因此，形成性评价和表现性评价在工程思维评价方式中尤为重要。

三、结语

如何在小学STEM课程中培养学生的工程思维，是一个值得深究的课题，作为教学研究者或者一线的教育工作者，不仅仅要从理论层面了解工程思维的内涵，更应该通过不断的教学实践，摸索、验证和优化在STEM课程中培养学生工程思维的途径。