小學(xué)高年級學(xué)生工程思維培養(yǎng)研究 ——以跨學(xué)科主題課程“綠色低碳風(fēng)光校園微電站”為例

點(diǎn)擊上方 藍(lán)字

文_劉凌雅1 柏 毅1* 黃申友2

（1. 東南大學(xué)兒童發(fā)展與教育研究所，兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 浙江省臨海市臨海小學(xué)；*通訊作者）

摘要：為應(yīng)對科技教育發(fā)展需求，培養(yǎng)學(xué)生工程思維能力，本研究基于《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》核心素養(yǎng)導(dǎo)向，開發(fā)了面向小學(xué)高年級的STEM課程“綠色低碳風(fēng)光校園微電站”。課程以真實(shí)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，遵循“問題定義—方案設(shè)計(jì)—模型構(gòu)建—測試優(yōu)化—迭代改進(jìn)”的系統(tǒng)化工程路徑，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。研究通過問卷對實(shí)驗(yàn)班和對照班進(jìn)行了測評及數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，該課程有效促進(jìn)了學(xué)生工程思維能力的全面發(fā)展，為在小學(xué)階段落實(shí)工程教育、強(qiáng)化核心素養(yǎng)提供了可復(fù)制、可推廣的實(shí)踐案例。

關(guān)鍵詞：工程思維 跨學(xué)科課程 評價(jià)研究

研究背景

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將核心素養(yǎng)置于科學(xué)教育的中心，在探究實(shí)踐維度明確納入“技術(shù)與工程實(shí)踐”能力要求，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“從明確實(shí)際問題出發(fā)，提出創(chuàng)意方案，動(dòng)手制作模型，到依據(jù)實(shí)效進(jìn)行測試與迭代”的完整過程，不僅體現(xiàn)了工程技術(shù)實(shí)踐的基本邏輯，也是工程思維在基礎(chǔ)教育階段的具體落實(shí)。然而，盡管新課標(biāo)已指明了方向，但在當(dāng)前的小學(xué)科學(xué)教育實(shí)踐中，工程思維的培養(yǎng)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的科學(xué)教學(xué)往往側(cè)重于科學(xué)知識的傳授和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生被動(dòng)接受結(jié)論，缺乏主動(dòng)探究和創(chuàng)造性解決問題的經(jīng)歷。一些“制作課”或“手工課”停留在簡單模仿層面，未能引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷從明確限制條件、進(jìn)行多方案權(quán)衡到不斷迭代優(yōu)化的真實(shí)工程過程，導(dǎo)致學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)與社會之間關(guān)系的理解流于表面，其綜合分析、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和系統(tǒng)決策的能力得不到有效鍛煉。因此，探索一種能夠有效承載新課標(biāo)理念，將科學(xué)知識、技術(shù)應(yīng)用與工程實(shí)踐有機(jī)融合的教學(xué)模式，成為當(dāng)前科學(xué)教育改革的迫切需求。STEM教育以其基于真實(shí)情境、跨學(xué)科知識應(yīng)用、動(dòng)手探究實(shí)踐、合作與迭代反思等工程項(xiàng)目特點(diǎn)，被認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和創(chuàng)新能力的理想載體。

綜上所述，在《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強(qiáng)調(diào)核心素養(yǎng)與工程實(shí)踐的背景下，針對當(dāng)前小學(xué)階段工程思維培養(yǎng)的薄弱現(xiàn)狀，本研究旨在通過開發(fā)并實(shí)施“綠色低碳風(fēng)光校園微電站”跨學(xué)科主題課程，深入探究其對小學(xué)高年級學(xué)生工程思維能力培養(yǎng)的具體路徑及成效，以期為落實(shí)新課標(biāo)要求、創(chuàng)新科學(xué)教學(xué)模式提供可資借鑒的實(shí)踐案例與理論參考。

文獻(xiàn)綜述

國際上很多學(xué)者和研究團(tuán)體均對工程思維進(jìn)行過研究。英國皇家工程學(xué)院（Royal Academy of Engineering）在2014年發(fā)布報(bào)告《像工程師一樣思考》（Thinking like an engineer: Implications for the education system），系統(tǒng)地闡述了工程思維的內(nèi)涵，并探討了如何在整個(gè)教育體系中培養(yǎng)這種思維方式。這份報(bào)告將工程思維定義為“因?yàn)楣こ處煹膶?shí)踐而形成的一系列思維習(xí)慣”，包含系統(tǒng)思維、適應(yīng)性、發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)造性解決問題、可視化、優(yōu)化6個(gè)方面，關(guān)系如圖1所示[1]。而美國工程教育學(xué)會(American Society for Engineering Education)則在2020年發(fā)布了《P-12工程教育框架》(Framework for P-12 Engineering Learning)，在這份報(bào)告中對“工程思維習(xí)慣”進(jìn)行了新的界定，包括系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、樂觀主義、堅(jiān)持、責(zé)任心與協(xié)作，認(rèn)為這些工程思維習(xí)慣能幫助學(xué)生更好地進(jìn)行工程實(shí)踐[2]。

圖1 工程思維各組分的關(guān)系

國內(nèi)學(xué)界對工程思維內(nèi)涵的解讀頗為豐富，在對其進(jìn)行界定與劃分時(shí)，通常可歸納為兩種主要思路：一是依據(jù)工程活動(dòng)的過程結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，二是基于思維的特征與品質(zhì)進(jìn)行劃分。在第一種思路中，李伯聰指出工程活動(dòng)中所運(yùn)用的思維可統(tǒng)稱為工程思維，工程活動(dòng)大致涵蓋計(jì)劃設(shè)計(jì)、實(shí)施與使用3個(gè)階段，而工程思維始終貫穿其中，成為聯(lián)結(jié)各階段的認(rèn)知紐帶[3]。第二種思路則側(cè)重于思維的內(nèi)在特質(zhì)，例如，范東萍等提出在大科學(xué)教育視野下，工程思維內(nèi)涵可分為3個(gè)彼此遞進(jìn)、相互包含的層面：工程思維習(xí)慣、系統(tǒng)思維的應(yīng)用，以及設(shè)計(jì)與物化思維[4]，這一劃分更強(qiáng)調(diào)工程思維作為一種綜合素養(yǎng)在不同層級上的表現(xiàn)與要求。

綜合諸多學(xué)者研究，工程思維是從工程實(shí)踐中凝練而成、以解決真實(shí)問題為導(dǎo)向，并融通科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識，貫穿設(shè)計(jì)、建模、物化與優(yōu)化的系統(tǒng)性認(rèn)知方式。因此，基于工程實(shí)踐的過程結(jié)構(gòu)，本研究將工程思維具體解構(gòu)為以下4個(gè)關(guān)鍵維度：工程決策能力，即面對復(fù)雜情境時(shí)界定問題、分析需求與制訂計(jì)劃的能力；工程設(shè)計(jì)能力，表現(xiàn)為調(diào)查研究、進(jìn)行要素設(shè)計(jì)與方案呈現(xiàn)的能力；工程實(shí)施能力，涵蓋模型制作、效果測試與迭代優(yōu)化的能力；工程評價(jià)能力，強(qiáng)調(diào)對過程與成果進(jìn)行評價(jià)反思的能力。具體維度及其內(nèi)容詳見表1。在小學(xué)高年級階段培養(yǎng)學(xué)生這些能力，并非旨在將其培養(yǎng)為專業(yè)工程師，而是為其奠定作為未來社會公民所必備的批判性思考、創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐解決問題的素養(yǎng)基礎(chǔ)，這正是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)、回應(yīng)時(shí)代需求的關(guān)鍵教育路徑。

研究設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)

江蘇省教育廳在《江蘇省綠色低碳發(fā)展國民教育體系建設(shè)工作方案》中提出，要將綠色低碳發(fā)展理念融入全省教育體系，推動(dòng)綠色低碳融入課堂教學(xué)，針對不同年齡階段青少年心理特點(diǎn)和接受能力，科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮課堂主渠道作用[5]。為響應(yīng)此項(xiàng)號召，將政策導(dǎo)向轉(zhuǎn)化為具體的課堂實(shí)踐，筆者參與設(shè)計(jì)了“綠色低碳風(fēng)光校園微電站”系列課程。在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵循小學(xué)高年級學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平與前概念，將復(fù)雜的綠色低碳風(fēng)光校園微電站系統(tǒng)解構(gòu)為6個(gè)循序漸進(jìn)的單元，并基于此規(guī)劃6個(gè)課程任務(wù)，具體內(nèi)容見表2。

研究分析方法

為檢驗(yàn)學(xué)生工程思維能力的發(fā)展，筆者基于工程思維具體維度，參考顧茜在《工程思維導(dǎo)向的小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》中使用的問卷（內(nèi)容詳見）[6]，選取參與課程學(xué)習(xí)的30名學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)組，未參與課程學(xué)習(xí)的30名學(xué)生作為對照組，發(fā)放問卷對學(xué)生工程思維能力進(jìn)行測量。實(shí)發(fā)問卷60份，獲得有效問卷57份。利用SPSS 27.0對測評卷總分、工程思維各維度及其對應(yīng)具體表現(xiàn)得分進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。

小學(xué)高年級學(xué)生工程思維能力培養(yǎng)研究

為培養(yǎng)學(xué)生工程思維能力，筆者根據(jù)表1工程思維具體維度及設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容，確定以下課程實(shí)施策略。

課程實(shí)施總體思路

在任務(wù)1中，教師對全球能源使用情況、氣候變化和碳排放的關(guān)系、“雙碳”目標(biāo)進(jìn)行介紹，并對綠色風(fēng)光電站的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單介紹，讓學(xué)生對本課程的背景、總體內(nèi)容有基本了解。然后，循序漸進(jìn)地以任務(wù)形式對風(fēng)光發(fā)電站組成部分進(jìn)行學(xué)習(xí)，包括電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電及儲能系統(tǒng)。在任務(wù)2—5的課程中，課程框架主要為問題定義—方案設(shè)計(jì)—模型構(gòu)建—測試優(yōu)化—迭代改進(jìn)—成品制作—課程評價(jià)。在每一節(jié)課結(jié)束后，都會得到一個(gè)相應(yīng)部件的制作成品，最終在任務(wù)6中，將這些功能部件搭建成完整的綠色風(fēng)光電站。教學(xué)過程中均會滲透對學(xué)生工程決策能力、工程設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)施能力和工程評價(jià)能力4個(gè)方面的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生工程思維的發(fā)展。

課程實(shí)施策略

課程嚴(yán)格遵循上述課程框架組織實(shí)施。該路徑不僅貫穿于每一節(jié)課的教學(xué)環(huán)節(jié)，也統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)課程的項(xiàng)目推進(jìn)過程，旨在全方位培養(yǎng)學(xué)生的工程決策能力、工程設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)施能力與工程評價(jià)能力。

在單節(jié)課教學(xué)中，以“風(fēng)力大挑戰(zhàn)：誰的風(fēng)車是發(fā)電王？”為例，學(xué)生首先基于對電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)原理的理解，明確課程核心問題——如何設(shè)計(jì)發(fā)電單元，有效利用風(fēng)能為綠色風(fēng)光電站供電。這一環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生識別約束條件、比較發(fā)電方式，初步鍛煉其工程決策能力。隨后，學(xué)生以小組為單位，圍繞扇葉形狀、數(shù)量、角度等關(guān)鍵變量展開討論，結(jié)合教師提供的材料設(shè)計(jì)可行方案并繪制示意圖，從而系統(tǒng)培養(yǎng)其工程設(shè)計(jì)能力。在模型構(gòu)建階段，學(xué)生將二維圖紙轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，動(dòng)手組裝發(fā)電機(jī)并連接測試電路，強(qiáng)化材料選擇、工具使用與精細(xì)裝配的工程實(shí)施能力。最后，學(xué)生通過改變扇葉變量，測量并比較不同配置下的發(fā)電電壓與電流，依據(jù)數(shù)據(jù)篩選最優(yōu)方案，并據(jù)此修正初始設(shè)計(jì)。這個(gè)“測試—分析—優(yōu)化”的循環(huán)過程，重點(diǎn)錘煉了學(xué)生在真實(shí)情境中基于證據(jù)進(jìn)行反思與改進(jìn)的工程評價(jià)能力。在課程實(shí)施過程中，評價(jià)反饋也是重要環(huán)節(jié)。教師通過對學(xué)生的設(shè)計(jì)圖、制作過程、迭代改進(jìn)等流程進(jìn)行形成性評價(jià)，為學(xué)生提供了精準(zhǔn)的改進(jìn)依據(jù)。

從整體課程的宏觀視角審視，6個(gè)任務(wù)構(gòu)成了完整的工程項(xiàng)目周期。任務(wù)1對應(yīng)“問題定義”階段，學(xué)生需對電站的總體目標(biāo)、能源配置和選址進(jìn)行規(guī)劃，錘煉工程決策能力。任務(wù)2—5則依次進(jìn)入“方案設(shè)計(jì)—模型構(gòu)建—測試優(yōu)化—迭代改進(jìn)”的循環(huán)。學(xué)生在這些任務(wù)中對各子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并制作功能模型（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能發(fā)電機(jī)、電池等），層層遞進(jìn)地深化其工程設(shè)計(jì)能力與工程實(shí)施能力，并在每個(gè)任務(wù)的測試中持續(xù)應(yīng)用工程評價(jià)能力以優(yōu)化方案。而任務(wù)6則對應(yīng)成品制作與課程評價(jià)2個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生將前期部件進(jìn)行總裝、調(diào)試，并在交流與展示環(huán)節(jié)中進(jìn)行匯報(bào)，對學(xué)生的4項(xiàng)工程能力進(jìn)行了一次綜合性、創(chuàng)造性的全面考核與升華。

通過這種“課中有環(huán)、課程有鏈”的雙層實(shí)踐架構(gòu)，學(xué)生得以在解決真實(shí)、復(fù)雜的能源項(xiàng)目過程中，完整而深入地經(jīng)歷工程實(shí)踐的全過程，從而實(shí)現(xiàn)工程思維的協(xié)同發(fā)展與螺旋式上升。

研究結(jié)論

對實(shí)驗(yàn)班、對照班后測總分進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，可以看出數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)近似地圍繞在對角線附近。同時(shí)，使用夏皮羅-威爾克檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，從表3可以看出，p值均大于0.05，表示兩班的工程思維后測總得分情況呈正態(tài)分布，可以采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)進(jìn)行差異分析。

工程思維后測總得分對比分析

對實(shí)驗(yàn)班和對照班學(xué)生的工程思維水平后測總得分進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)， 結(jié)果如表4所示。可以看出，顯著性水平p＜0.05，兩班工程思維水平后測的總得分存在顯著差異，說明在教學(xué)實(shí)驗(yàn)干預(yù)下，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的工程思維水平發(fā)展得更好。

工程思維各維度及具體表現(xiàn)后測得分對比分析

進(jìn)一步對實(shí)驗(yàn)班和對照班工程思維各維度及具體表現(xiàn)的后測結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果詳見表5。可以看出，實(shí)驗(yàn)班與對照班學(xué)生在工程思維4個(gè)維度上均存在顯著性差異（p＜0.05），說明經(jīng)過實(shí)驗(yàn)干預(yù)，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在工程思維的各維度上均有了更為顯著的提升。就各維度的具體思維表現(xiàn)看，除了效果測試，實(shí)驗(yàn)班在后測中其他方面的表現(xiàn)均顯著優(yōu)于對照班。由此可以認(rèn)為，工程思維導(dǎo)向的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)較常規(guī)科學(xué)課程，能更全面地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。實(shí)驗(yàn)班學(xué)生與對照班學(xué)生工程思維差異主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

工程決策思維

由表5可知，經(jīng)過教學(xué)干預(yù)，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在工程決策各方面均優(yōu)于對照班學(xué)生。在工程思維導(dǎo)向的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)中，工程決策思維發(fā)揮著至關(guān)重要的先導(dǎo)性與統(tǒng)領(lǐng)性作用。其重要性在于，它將模糊、復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)情境轉(zhuǎn)化為一個(gè)定義清晰、可操作的工程問題框架，為后續(xù)的設(shè)計(jì)、實(shí)施與評價(jià)環(huán)節(jié)提供了明確的目標(biāo)導(dǎo)向和評判準(zhǔn)則。該思維過程引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)性地識別多方約束條件（如技術(shù)、成本、倫理），并主動(dòng)搜尋、整合與權(quán)衡跨學(xué)科知識，從而作出最優(yōu)路徑規(guī)劃。在測試中，對照班大部分學(xué)生對于第1題的作答僅限于“做1個(gè)保溫裝置”，而實(shí)驗(yàn)班學(xué)生多數(shù)可以精確到“做1個(gè)使冰激凌在戶外1小時(shí)不融化的保溫杯”這一答案，體現(xiàn)了經(jīng)過課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生對工程問題的定義更為精準(zhǔn)清晰，能夠主動(dòng)抓住關(guān)鍵目標(biāo)，表明工程思維導(dǎo)向的跨學(xué)科課程培養(yǎng)了學(xué)生從“被動(dòng)解題”到“主動(dòng)定義問題”的高階認(rèn)知能力，確保了整個(gè)學(xué)習(xí)過程的科學(xué)性與實(shí)效性。

工程設(shè)計(jì)能力

由表5數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)班在調(diào)查研究、要素設(shè)計(jì)、方案呈現(xiàn)3個(gè)環(huán)節(jié)及總分上的表現(xiàn)同樣展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢（p<0.001）。尤其是在要素設(shè)計(jì)和方案呈現(xiàn)2項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)班平均分極高（2.96/3）且標(biāo)準(zhǔn)差很小（0.209），說明絕大多數(shù)學(xué)生不僅掌握了設(shè)計(jì)方法，更能將抽象需求轉(zhuǎn)化為具體、完整、可呈現(xiàn)的優(yōu)秀解決方案，且整體水平均衡，反映出教學(xué)設(shè)計(jì)成功地將工程設(shè)計(jì)的流程與思維模式內(nèi)化學(xué)生的核心素養(yǎng)。

在工程思維導(dǎo)向的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)中，工程設(shè)計(jì)能力扮演著核心樞紐與轉(zhuǎn)化引擎的關(guān)鍵角色。其重要性在于，它將決策階段形成的抽象問題框架與概念方案，轉(zhuǎn)化為具體、可行、可物化的技術(shù)解決方案，實(shí)現(xiàn)了從思維到物化的決定性跨越。該能力要求學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)乃至藝術(shù)等多學(xué)科知識，進(jìn)行創(chuàng)造性構(gòu)思、精細(xì)化建模與可視化表達(dá)，是知識整合與應(yīng)用能力的集中體現(xiàn)。工程設(shè)計(jì)過程本身所蘊(yùn)含的迭代優(yōu)化與權(quán)衡取舍思想，極大地促進(jìn)了學(xué)生系統(tǒng)思維、創(chuàng)新實(shí)踐與解決問題能力的發(fā)展，是培養(yǎng)工程素養(yǎng)與技術(shù)創(chuàng)新人才的核心環(huán)節(jié)。

工程實(shí)施能力

該維度上，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生水平仍高于對照班，但內(nèi)部存在差異。在模型制作和迭代優(yōu)化2項(xiàng)表現(xiàn)上，實(shí)驗(yàn)班優(yōu)勢顯著（p<0.001），表明學(xué)生在動(dòng)手實(shí)現(xiàn)、測試反饋并持續(xù)改進(jìn)方案的實(shí)踐能力上得到了有效鍛煉。然而，在效果測試項(xiàng)上，雖然實(shí)驗(yàn)班平均分（1.57）略高于對照班（1.29），但差異并未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著水平（p>0.05）。可能的原因在于：教學(xué)重點(diǎn)更側(cè)重于設(shè)計(jì)與制作環(huán)節(jié)，對“如何系統(tǒng)、科學(xué)地進(jìn)行測試驗(yàn)證”環(huán)節(jié)的訓(xùn)練和強(qiáng)調(diào)相對不足；或是小組合作學(xué)習(xí)中，測試任務(wù)由部分成員承擔(dān)，影響了所有學(xué)生在此項(xiàng)能力上的均衡發(fā)展。

在工程思維導(dǎo)向的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)中，工程實(shí)施能力發(fā)揮著將抽象方案轉(zhuǎn)化為實(shí)體成果的物化保障作用。其重要性在于，它是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可行性、有效性與優(yōu)化價(jià)值的核心環(huán)節(jié)。通過材料選擇、工具使用、模型制作與功能測試等一系列動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)生得以驗(yàn)證與修正其理論構(gòu)想，深刻理解設(shè)計(jì)、材料與工藝之間的復(fù)雜關(guān)系。該過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的工具操作、動(dòng)手實(shí)踐與技術(shù)物化能力，更使其在“設(shè)計(jì)—制作—測試—迭代”閉環(huán)中內(nèi)化了工程思維的核心方法論，是培養(yǎng)科學(xué)實(shí)證精神與提升復(fù)雜問題解決能力的關(guān)鍵途徑。

工程評價(jià)能力

在評價(jià)反思方面，實(shí)驗(yàn)班（2.70）顯著優(yōu)于對照班（1.77）（p <0.001），表明經(jīng)過教學(xué)干預(yù)后，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生不僅能夠完成設(shè)計(jì)與制作，更具備了回顧、批判、反思工程成果的習(xí)慣和能力，能從多角度對方案及產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)展開客觀公正的評價(jià)。

討論與建議

科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，對教育也提出了新的要求與挑戰(zhàn)，小學(xué)工程教育的空白亟待填充，小學(xué)生工程思維的培養(yǎng)也需要進(jìn)一步得到重視。為發(fā)展小學(xué)生工程思維，筆者提出以下建議。

跨學(xué)科主題課程對學(xué)生工程思維提升具有重要作用

以“綠色低碳風(fēng)光校園微電站”跨學(xué)科主題課程為例，該課程通過真實(shí)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，課程設(shè)計(jì)以“總—分—總”為架構(gòu)，遵循“問題定義—方案設(shè)計(jì)—模型構(gòu)建—測試優(yōu)化—迭代改進(jìn)—成品制作—課程評價(jià)”的系統(tǒng)化工程路徑，將跨學(xué)科知識學(xué)習(xí)與系統(tǒng)性工程實(shí)踐深度融合，讓學(xué)生經(jīng)歷工程實(shí)踐全流程，有效提升了學(xué)生的工程決策、設(shè)計(jì)、實(shí)施與評價(jià)能力，為深化我國小學(xué)階段的工程教育與創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)提供了實(shí)踐范例。

課程效果與課程評價(jià)體系掛鉤，實(shí)現(xiàn)以評促教

課程的有效實(shí)施必須與科學(xué)、多維的課程評價(jià)體系緊密結(jié)合，本課程實(shí)施過程中運(yùn)用了形成性評價(jià)和總結(jié)性評價(jià)。

首先，課程所遵循的“問題定義—方案設(shè)計(jì)—模型構(gòu)建—測試優(yōu)化—迭代改進(jìn)”工程路徑，其本身就是一個(gè)嵌入式的評價(jià)框架。在每一環(huán)節(jié)，教師都應(yīng)依據(jù)明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（如方案的新穎性、模型的合理性、測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、迭代的邏輯性等）對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行形成性評價(jià)。例如，在“風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)”課中，對學(xué)生繪制的示意圖（工程設(shè)計(jì)能力）和記錄的測試數(shù)據(jù)（工程評價(jià)能力）進(jìn)行即時(shí)點(diǎn)評與指導(dǎo)，讓學(xué)生能基于評價(jià)反饋不斷優(yōu)化自己的實(shí)踐。這種將評價(jià)融入教學(xué)全過程的方式，使評價(jià)不再是學(xué)習(xí)的終點(diǎn)，而是支持學(xué)生持續(xù)進(jìn)階的腳手架，直接服務(wù)于工程思維的塑造。

為客觀檢驗(yàn)課程對工程思維培養(yǎng)的宏觀成效，必須采用基于實(shí)證的總結(jié)性評價(jià)。本研究通過借鑒成熟問卷，對實(shí)驗(yàn)班與對照班進(jìn)行前測、后測的量化對比，并利用SPSS軟件進(jìn)行嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)分析，為課程效果提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。這種基于數(shù)據(jù)的評價(jià)不僅驗(yàn)證了課程價(jià)值，更指明了精準(zhǔn)改進(jìn)的方向，推動(dòng)了課程本身的優(yōu)化與教師專業(yè)能力的提升。

不足與展望

本研究初步驗(yàn)證了“綠色低碳風(fēng)光校園微電站”跨學(xué)科主題課程的有效性，但受限于實(shí)踐范圍與樣本規(guī)模，其結(jié)論的普適性與統(tǒng)計(jì)效力有待進(jìn)一步驗(yàn)證。未來研究應(yīng)擴(kuò)大實(shí)踐范圍，在不同區(qū)域、不同背景的學(xué)校中進(jìn)行更大樣本的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而收集更加多元的反饋數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，需依據(jù)系統(tǒng)的量化與質(zhì)性評價(jià)結(jié)果，對課程的內(nèi)容編排、活動(dòng)設(shè)計(jì)與差異化教學(xué)策略進(jìn)行精準(zhǔn)診斷與持續(xù)優(yōu)化，以增強(qiáng)課程的適應(yīng)性與推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]Royal Academy of Engineering. Thinking like an engineer: Implications for the education system [EB/OL]. （2014-05）[2026-03-12]. https://raeng.org.uk/media/brjjknt3/thinking-like-an-engineer-full-report.pdf.

[2]American Society for Engineering Education. Framework for P-12 Engineering Learning[EB/OL]. （2020-11-20）[2026-03-09]. https: //p12framework.asee.org/wp-content/uploads/2020/11/Frame-work-for-P-12-Engineering-Learning-1.pdf

[3]李伯聰.工程與工程思維[J].科學(xué)，2014，66（6）：13-16，4.

[4]范冬萍,李海東.從大科學(xué)教育理念看工程思維的系統(tǒng)內(nèi)涵與培養(yǎng)進(jìn)路[J].自然辯證法研究，2024，40（10）：138-144.

[5]江蘇省教育廳.江蘇省綠色低碳發(fā)展國民教育體系建設(shè)工作方案[EB/OL].（2025-04-09）[2026-02-17]. https://jyt.jiangsu.gov.cn/art/2024/4/9/art_58320_11212753.html.

[6]顧茜.工程思維導(dǎo)向的小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[D].南京：東南大學(xué)，2024.

歡迎訂閱

來源 | 《中國科技教育》2026-2

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜