构建培养工程思维的项目学习平台

冯颖

摘要：《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》对工程思维的培养提出了明确的要求，但当前教学中桥梁实践项目还存在学生行动盲目、设计思维含量不足等问题。越秀区以自主创新的信息技术平台全面优化项目实施，启发学生运用工程思维方法解决实际问题，进行深度学习，有力地落实了项目式教学的目标。

关键词：信息技术平台；工程思维；项目教学；桥梁模型设计；高中通用技术

《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）从现代社会对创新型人才的要求出发，提出技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力五大核心素养^[1]。其中，发展学生“工程思维”这一新要求，是一线教师关注的焦点。通用技术教师普遍从高校毕业就到学校工作，缺乏工程实践经验，没有工程技术背景，如何将课堂教学与工程思维对接成为新的挑战。

一、准确把握工程思维的内涵和要求

（一）工程思维的内涵

工程是以科学和技术为基础的系统性工作，关键是建造，核心是设计。工程设计是在约束条件下的设计。最基本的约束条件是自然规律，其他限制因素包括时间、资金、可用材料、环境法规等。工程设计是一个决策过程，也是一个不断优化的过程，在此过程中需要使用科学、数学、技术、人文等知识来优化转换组合资源以实现特定目标^[2]。

工程思维则是以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维，要求学生能认识系统与工程的多样性和复杂性；能运用系统分析的方法，针对某一技术领域的问题进行要素分析、整体规划，并运用模拟和简易建模等方法进行设计；能领悟结构、流程、系统、控制等基本思想和方法并加以运用；能进行简单的风险评估和综合决策^[3]。

（二）以大项目嵌入式渗透工程思维

工程思维的习得与养成是一个积累、渐进的过程。《课标》建议在教学中以“大项目”对课程内容进行嵌入式渗透，将工程思维整合嵌入学习内容要求中。

面向工程思维培养的大项目，是基于完整情境和任务的整合学习。项目主题契合真实世界的某一需求情境，如校园小农田自动浇灌、桥梁建设等。教师创造条件让学生经历典型的、微缩的工程设计，对目标、知识、学生基础、学习环境进行组织，搭建学习支架，铺设学习路径，形成连续完整、螺旋上升、培养目标鲜明的学习活动。项目力求将原理概念、实践能力、创新想象三者结合，引导学生运用技术设计方法解决问题，应用科学与技术原理，建构知识，体验过程，形成构思、绘图、操作、试验、测量、评价等技术学习经验，以及权衡决策、迭代改进、工程建模等思想方法，以适应未来工作生活可能遇到的多变、陌生和疑难情况。

二、目前桥梁实践项目的不足和常见问题

通过调研观课，以及翻查历届“设计与制作展评活动”材料，笔者发现当前桥梁实践项目的典型样态是这样的：教师给出跨度要求，提供木条、热熔胶等材料，在指定时间段，各小组画草图并搭建，成型后开展极限承重比赛，即不断加载负荷，直至桥梁断裂，承重与自重比最高者为冠军。现场气氛热烈，学生激动喝彩。在热闹的活动结束之后，询问学生“你从中学到了什么”，他们的回答往往无外乎以下三点：一是我们努力搭建一个桥梁；二是测试桥梁，不断加重物至其断裂；三是追求“承重与自重比”最大化目标。

此类活动在不同学段、不同学科，如小学科学课等经常开展，颇受学生欢迎。但如果学生在高中通用技术课堂的收获仍然局限于此，则反映出学生还不清楚技术设计的学习目的，有些教师对工程思维的内涵认识不足。

工程的本质是设计，工程设计需要综合应用跨学科知识来创造出符合人类需要的事物。工程设计过程具有系统性、创造性和迭代性。工程师必须探索多种不同的替代方案，才有希望得到最佳解决方案。然而，此类建桥比赛并没有将工程的基本特点清晰地传达给学生，存在的问题包括以下四个方面。第一，学生并没有真正设计桥梁。有的小组没有经过多少思考，仅仅出自对一座桥应该是什么样子的模糊感觉，将木条粘合起来，行动带有盲目性。第二，学生对于承重测试的认知基础不足，出于直觉加固某些部位，并没有恰当应用数学、科学和技术知识；教师在教学中没有展示“运用数学和科学更有效地设计桥梁”的证据。第三，学生的体验止步于制作一个作品，然后极限破坏测试，他们鲜有经历设计改进和迭代，并测试这些改进的有效性。第四，教师为学生设定了一个并不现实的成功标准——不断加载直至垮塌，得到最大承重与自重比。现实中的工程师是要求设计可以矗立而非垮塌的桥梁，实现以满意的成本安全通过规定荷载，而非为了“最大承重与桥重比”而设计。如果是为了最大承重与桥重比而设计，那么一座10吨、能承载10吨货物的桥梁，就和一座能承载50吨货物的50吨桥梁一样了。但事实上，这两座桥并不会同等安全。

由此可见，通用技术课堂的桥梁项目不应满足于热闹的气氛，不能止步于缺乏设计思维含量的浅表学习水平，更为重要的是上升到工程设计思维高度，对项目设计、教学目标、教学内容和学习方式进行有针对性的设计，加强综合分析、筹划型思维的培养。

三、面向工程思维培养的“桥梁模型设计”项目简介

（一）学习目标

全面改进后的“桥梁模型设计”项目，模拟真实生活场景，代入工程师角色，提出颇具挑战性的工作任务。项目由多个独立但环环相扣、步步提升的学习活动组成，学生经历一个完整的、严谨的、迭代的技术设计过程，体验从传统工匠到现代桥梁工程师的工作，了解现代桥梁工程师如何综合应用数学、科学、技术、人文、美学等知识解决问题；将计算机作为提高工作效率和质量的工具；理解桁架桥的技术原理。本项目实现了工程思维培养与技术实践活动的融合对接，可落实通用技术学科核心素养相关水平要求。

（二）教学概要说明

学情分析：高二学生通过前面两节课，已经了解了结构的一般分类和简单的受力分析方法，体验了利用截面边长为6 mm的方木条快速搭建自承式木拱桥的活动。

在此基础上，为了发展学生的高阶思维，教师创设真实的问题情境，让学生以工程师的角色投入工作：红山村荔河上游的老木拱桥无法满足村民日益繁忙的生活交通需求，村委会计划集资在中游新建一座跨距为24 m、桥面宽度≥3.5 m的钢桁架桥，要求成本可控、通行安全、优美纤巧。你所在的工程团队准备竞标，面临首个挑战——制作比例为1/40的纸质桥梁模型，即跨距为60 cm，要求能安全承载5 kg的物体（荷载为5×9.8 N）；你将利用该模型，在村委会议上向红山村干部群众演示和论证工程的可行性，包括外观、成本、安全性等。

这个挑战性问题牵引着学习活动：①团队批量制作规格化的结构构件；②测量结构构件的强度；③分析桁架结构的科学原理；④对桁架桥的计算机建模；⑤设计并制作桁架桥；⑥桁架桥的测试、交流与评价，召开工程论证会（如图1）。

（三）所需资源说明

考虑到各校课程实施条件参差不齐，有的学校开展技术实践的资金、设备、耗材比较匮乏等实际情况，越秀区通用技术教研组本着因地制宜、自主创新、挖潜增效的原则全面优化“桥梁模型设计”项目。学校开展本项目所需材料全部源自身边资源再利用，成本基本为零，是一个低成本、低门槛、高价值、高收获的教学项目。

（1）从结构学习的可操作性、实践性、理论性并重出发，推荐各校选取100 g/m²以上的答题卡纸或牛皮纸作为构件材料，制作矩形构件代表方钢（压杆），条状材料代表角钢（拉杆），以分析桥梁构件抗压、抗拉蕴含的科学原理。

（2）使用越秀区自主研发的构件强度测试装置（如图2）。教师课前用边角木料自制装置；课堂上启发学生理解其工作原理（牛顿第一定律和杠杆原理），接下来在课堂内外学生开展技术试验，测量构件的抗压、抗拉强度。

（3）使用越秀区桥梁设计学习平台，积极探索利用信息技术实现教学评一致性；平台系统为B/S架构，师生在家校均可使用，对客户端电脑配置要求很低，利用学校旧学生机亦可。

（4）其他材料：白乳胶、尺子、游标卡尺、细木片、细木条、木工锉等；各小组在批量制作规格化的桥梁构件时，利用模具可以提高效率和工艺质量，模具由学生思考自制。

四、搭建信息技术学习平台，突破项目关键环节难题

（一）信息技术平台为项目目标落实提供有力支撑

我区根据系统科学原理自主创新研发越秀区桥梁设计学习平台，助力学生了解现代桥梁设计区别于中国传统桥梁的特征。学生代入桥梁工程师角色，迎接真实工作挑战，沉浸于设计制作一个需求明确、成本可控、安全有效、优美矫健的桁架桥的全过程，自始至终结合工程设计要素（包括需求分析、概念建模、优化方案、技术试验、工艺制作和安全测试等）仔细考虑，最终完成符合用户需求的作品。学生完成挑战，获得欣喜和成就感的同时，加深对工程设计典型过程的认识，感悟工程思维的可迁移性。

桥梁设计的学习目标、问题情境、资源设计、活动序列和多元评价的实施，始终围绕《课标》展开，为“教学评一致性”赋能。平台主要有四大模块（如图3），各模块链接多个子功能，为学习全过程提供有力支撑。

“资源与课件”模块以视频和PPT生动展示红山村真实问题情境，有鲜明的目标指向，使学生有身临其境感，激活其解决问题的内驱力；提供结构化的学习辅助材料，为各层次学生提供发展空间，体现差异性。学生根据学习需求，欣赏中国古桥和现代桥梁，自主查阅文献、桁架桥解析和课件。

“试验与分析”和“建模与仿真”模块支持学生像工程师一样工作，理论与实践并重，记录学生桁架桥建模过程、构件力学试验过程、优化设计过程，突出成果性、可操作、可视化、可测评的学习实现指标。

“交流与评价”模块既有促进学生分享交流和自我反思的成果展示，又有迁移应用、素养导向的过关练习题，面向全体学生，为学业考评打好基础。

（二）工程思维方法外显化，学生运用跨学科知识解决实际问题

1.在问题解决中综合运用跨学科知识

通过技术平台支持下的桥梁设计与制作，学生感悟到，真实情境中的问题解决需要综合运用跨学科知识设计方案，而遵循科学规律是保证工程顺利实施的重要前提。学生从初中到高中学习数学、物理知识，如三角函数、矢量、力的分解、牛顿运动定律、杠杆原理等。以前，他们感觉学习这些知识是为了应付作业和考试，而在这个项目中，这些知识不仅全都用上了，而且成了可理解、可视化、可检验的活化知识。教学中，教师可以先介绍平面桁架结构的节点分析法（涉及牛顿第一定律、力的分解与合成，与高中学生的知识背景相一致），再让学生纸笔演算3～5个杆件的受力大小和方向，判断构件中的压杆与拉杆，体会理论与实践之间的紧密联结，进而感受计算机可以大大提高工作效率和质量，在无形中达成跨学科知识的融会贯通，实现学以致用。

2.在探究实践中体会工程建模的重要价值

建模是技术、设计与工程活动的重要思想方法。工程建模是解决工程实际问题的桥梁，旨在更好地理解即将实施的工程，快速解决工程中的实际问题，以获得更高的经济效益和社会效益。工程建模在概念设计阶段、实体设计阶段、详细设计阶段，有着不同类型的建模方法，发挥着不同的作用。在概念设计阶段，系统建模和数学建模使用得比较普遍。计算机是现代工程必不可少的建模工具，即利用计算机建立数学模型、数值求解、定量研究某些现象或过程的研究方法。基于平台的“建模与仿真”模块（如图4），学生能便捷地编辑桥梁主体跨度、结构和荷载，支持批量坐标数据导入，实现即时计算和交互，反馈结点、杆件、荷载的所有量化信息，方便各组研究、讨论、验证设计的可行性。由于课堂时间有限，学有余力的学生可以在课余时间利用学习平台上的教学视频，尝试更多的建模方法。

3. 在比较分析中感悟研究建模遵循的原则

学生在概念设计阶段使用本平台的“建模与仿真”模块，在工程论证会上使用小组制作的纸质桥梁模型实物，感悟对于同一个实际系统，人们可以根据不同的用途和目的建立不同的模型。教师启发关键点：建立模型只是实际系统原型的简化，既不可能也没有必要呈现实际系统的所有细节。如果在简化模型中能保留系统原型的一些本质特征，就可认为模型与系统原型是相似的，是可以用来描述原系统的。在实际建模时，必须在模型的简化与分析结果的准确性之间做出恰当的取舍，这是建模常遵循的原则。

（三）融合方法指导和解决问题的路径，引导学生从技术试验中汲取精华

技术试验是重要的技术思想方法。要想成功生产出安全实用的产品，如果仅凭动手、试错和碰运气，有可能耗费大量资源和时间。在实际工作中，工程师必须进行科学合理的设计分析，权衡研判。如果属于工程界现成的技术试验数据，则查阅手册 ；如果没有数据，就要进行全新的技术试验。对于高中通用技术教学，教师创设微缩而典型的问题情境，让学生体验技术试验的设计和实施，明白试验数据是如何积累的，明白运用试验结果的意义。学生从试验现象中发现其包含的原理性问题，有利于洞察事物的本质，少走弯路，提高思维效率。

本项目的技术试验环节，学生既有动手做，也有动脑做，将实践经验与科学理论结合起来。学生对学习活动中制作的规格化的构件，利用测试装置，开展一系列技术试验，测试不同长度和规格杆件的抗拉、抗压强度，并记录数据。通过试验，学生发现相同规格构件的测试数据或多或少存在偏差，这主要是由于每个构件的制作质量差异导致的。利用平台“试验与分析”模块（如图5），各组测试数据自动汇聚和丰富，提供给所有学生研判和选用。当数据足够多时，拟合的受力分析曲线就比较接近该规格构件的力学属性。学生进而利用图表分析结果，观察各种物理性质如何影响构件强度。结合在“建模与仿真”中的设计，学生从安全系数、杆件需求、建造成本等多个角度，迭代优化设计。正因为有了可靠的数据，学生能研判本小组的桁架桥设计是否合理、是否需要改变结构、哪些部位选用何种构件、哪些构件需要强化等，大大减少了下一步制作的盲目性，从而实现产品成本可控、安全达标的目标。同时，学生切实感受到工匠精神，在构件制作阶段要精益求精，提高工艺质量水平，才能使最终装配的产品更加可靠和安全。

五、结语

任何学习方式的落地，都需要学习支架的支持，广州市越秀区桥梁设计学习平台以信息技术为支撑搭建优质学习支架，将书本知识与实践活动创造性结合，有效促进学生的学习和项目的开展。学生在潜移默化中感悟学习和生活是息息相关的，每个社会公民都拥有工程思维将有助于全社会形成更科学合理的决策，从而增强了造福人类的主观能动性和创造美好世界的社会责任感。

参考文献

[1][3]中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准：2017年版[S]．北京：人民教育出版社，2017.

[2] 王滨.工程改变世界[M].上海：华东师范大学出版社，2020.

（作者系广东省广州市越秀区教育发展研究院教研员、中学高级教师）

责任编辑：牟艳娜