項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維與工程思維能力的影響

羅柱

[摘 要]基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程要求學(xué)生從探究原理到設(shè)計(jì)方案，最后再做出成果作品，在此基礎(chǔ)上建立的教學(xué)模式能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程思維能力，發(fā)揮項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐育人的價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]項(xiàng)目設(shè)計(jì)；創(chuàng)新思維；工程思維

[中圖分類號(hào)] G632.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-6058（2018）12-0042-02

一、核心概念界定及相關(guān)理論支撐

一般來說，基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)是讓學(xué)生以成品或者模型為最終設(shè)計(jì)的結(jié)果，以激發(fā)學(xué)生回憶和運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，讓學(xué)生設(shè)計(jì)出相應(yīng)的主題方案并予以實(shí)施，在實(shí)踐過程中能夠不斷地學(xué)習(xí)新知識(shí)，對(duì)方案不斷加以改正與設(shè)計(jì)。這一過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力以及專業(yè)素養(yǎng)，也使學(xué)生獲得了可用在一些研究領(lǐng)域的日常知識(shí)和社會(huì)技能。

工程思維是一種過程性、連續(xù)性的思維方式，形成和發(fā)展于工程的整個(gè)完成過程中。培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，需要從工程思考、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)建模、實(shí)施及完善等方面進(jìn)行分析。

創(chuàng)新思維的本質(zhì)在于將創(chuàng)新意識(shí)的感性愿望提升到理性探索上，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新活動(dòng)由感性認(rèn)識(shí)到理性思考的飛躍。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程劃分，創(chuàng)新思維操作維度包含創(chuàng)意產(chǎn)生、創(chuàng)意促進(jìn)和創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)3個(gè)子維度。

二、我校項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)中創(chuàng)新思維與工程思維培養(yǎng)的教學(xué)模型

我?！锻ㄓ眉夹g(shù)》項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)中創(chuàng)新思維與工程思維培養(yǎng)的教學(xué)模型如圖1所示。

三、教學(xué)案例設(shè)計(jì)——DIY棉花糖機(jī)

DIY棉花糖機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)一共需要4次課，共8個(gè)課時(shí)，第一次課主要是原理探究，分析棉花糖機(jī)的系統(tǒng)功能，明確工程問題，屬于創(chuàng)新思維中的創(chuàng)意產(chǎn)生階段，同時(shí)也是工程決策思維活躍階段。第二次課主要是設(shè)計(jì)繪圖，形成設(shè)計(jì)方案，屬于創(chuàng)意促進(jìn)和工程設(shè)計(jì)思維階段。第三次課是成品制作，形成產(chǎn)品原型，屬于創(chuàng)意形成和工程實(shí)施階段。第四次課是分享交流、總結(jié)評(píng)價(jià)，屬于創(chuàng)新思維和工程思維外顯物化的成型階段。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，項(xiàng)目簡(jiǎn)介

教師首先通過一臺(tái)生活中很常見的商用棉花糖機(jī)現(xiàn)場(chǎng)制作棉花糖給學(xué)生吃，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提出一些問題，例如，“同學(xué)們有沒有想過棉花糖是怎么做成的？有沒有想過自己做一臺(tái)棉花糖機(jī)呢？”（很多學(xué)生表示沒想過，覺得太困難了，根本不可能實(shí)現(xiàn)?。?/p>

（二）探究原理，明確問題

創(chuàng)意產(chǎn)生是指?jìng)€(gè)體努力分析環(huán)境中的信息和機(jī)會(huì)，分析現(xiàn)有和可能出現(xiàn)的問題，產(chǎn)生新的構(gòu)想。對(duì)于DIY棉花糖機(jī)項(xiàng)目來說，創(chuàng)意的產(chǎn)生過程是從探究棉花糖機(jī)的工作原理到硬件組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)控制，最終明確所要解決的工程問題的過程。

1.探究科技原理

調(diào)查了解到學(xué)生對(duì)棉花糖機(jī)基于生活經(jīng)驗(yàn)的理解認(rèn)識(shí)后，教師追問一些問題，例如，“我們加進(jìn)去的是白砂糖，出來的卻是蓬松的棉花糖，那么，糖到底經(jīng)歷了哪些變化呢？”“任何機(jī)器都有它的工作原理，棉花糖機(jī)又是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的呢？”（學(xué)生七嘴八舌，大多數(shù)人會(huì)說到一些關(guān)鍵詞，諸如“加熱”“熔化”“凝固”“旋轉(zhuǎn)”。）教師通過學(xué)生提到的關(guān)鍵詞連續(xù)發(fā)問，間接性引導(dǎo)，最終明確棉花糖形成的理論過程是：加熱—熔化—旋轉(zhuǎn)—離心—凝固。

2.提出假設(shè)性問題

當(dāng)學(xué)生明白了制作棉花糖的原理后，教學(xué)環(huán)節(jié)就要推移到棉花糖機(jī)的功能區(qū)域和運(yùn)轉(zhuǎn)過程，這涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料選擇、系統(tǒng)控制等綜合問題。

教師通過課件介紹不同場(chǎng)所、不同型號(hào)的棉花糖機(jī)，讓學(xué)生總結(jié)歸納其軟硬件功能區(qū)域的相似點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生將制作過程聯(lián)系到系統(tǒng)運(yùn)行的功能區(qū)域劃分上，通過分析討論最終明確三大功能區(qū)域：熔糖區(qū)（出糖器）、加熱區(qū)、旋轉(zhuǎn)區(qū)（動(dòng)力區(qū)）。

3.界定工程問題

對(duì)于同一個(gè)類型的產(chǎn)品來說，工作原理和功能區(qū)域劃分很可能是相同的，但是在形成功能區(qū)域的物料選擇和系統(tǒng)控制方面，可以有多種不同的方案。根據(jù)教師所提供的工具、材料現(xiàn)場(chǎng)模擬項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并解決以下問題：“如何利用現(xiàn)有的材料制作一個(gè)棉花糖機(jī)？”當(dāng)學(xué)生遇到瓶頸時(shí)，教師引導(dǎo)他們將功能區(qū)域和材料選擇以及實(shí)現(xiàn)方式相互關(guān)聯(lián)，“每一個(gè)功能區(qū)需要用到哪些材料？”“各功能區(qū)域之間該如何銜接才能保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)？”

（三）設(shè)計(jì)繪圖，形成方案

創(chuàng)意促進(jìn)是指首先對(duì)新構(gòu)想進(jìn)行可行性的研究、試驗(yàn)，確定理想的設(shè)計(jì)方案，然后在充分利用資源的基礎(chǔ)上，積極推動(dòng)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施，并在實(shí)施當(dāng)中隨時(shí)進(jìn)行修正，得到新穎、有效的思維性研究成果。創(chuàng)意促進(jìn)伴隨著工程決策思維產(chǎn)生的過程。

1.明確設(shè)計(jì)目標(biāo)

教師要通過第一次課的問題分析和引導(dǎo)，將第二次課的重點(diǎn)放在學(xué)生方案的形成上，首先明確設(shè)計(jì)要解決的技術(shù)問題是什么。設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是“設(shè)計(jì)一個(gè)DIY棉花糖機(jī)的可行性方案”。所謂可行性，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)方案能夠通過制作最終形成具體產(chǎn)品。

2.明確規(guī)范流程

教師要在這個(gè)環(huán)節(jié)講授相關(guān)知識(shí)理論，包括技術(shù)設(shè)計(jì)的一般過程、草圖的繪制方法、標(biāo)準(zhǔn)等，明確本次的重點(diǎn)任務(wù)是繪制草圖，形成設(shè)計(jì)方案。

3.進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃

此環(huán)節(jié)首先要明確解決設(shè)計(jì)問題的能力、條件與要求，結(jié)合小組成員的技能與經(jīng)驗(yàn)做出預(yù)測(cè)和判斷，進(jìn)行小組分工合作，例如誰是繪圖員、誰是技術(shù)員等。同時(shí)要明確整個(gè)項(xiàng)目需要的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)、材料選擇等。

4.分析和再討論

各小組形成設(shè)計(jì)草案后，教師要分小組有針對(duì)性地進(jìn)行方案驗(yàn)證，這是第三次制作課能否正常進(jìn)行的必要保證。各小組思維方式的不同決定了設(shè)計(jì)方案的差異化。這一環(huán)節(jié)，正是學(xué)生創(chuàng)意促進(jìn)的最佳階段，通過分析技術(shù)問題，工程設(shè)計(jì)思維也可用設(shè)計(jì)圖紙?bào)w現(xiàn)出來。

5.形成設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案是一種技術(shù)交流語(yǔ)言，目的是讓組員更好地合作，提高制作效率。設(shè)計(jì)方案的主體內(nèi)容是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)產(chǎn)品總圖和部分功能區(qū)域詳圖，各小組通過改進(jìn)，最終形成設(shè)計(jì)方案。

（四）模型制作，形成產(chǎn)品模型

第三次課的重點(diǎn)是模型制作，也就是前兩次課的實(shí)現(xiàn)過程，屬于創(chuàng)意形成和工程思維實(shí)施階段。創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)是指將思維性成果轉(zhuǎn)化為組織日常運(yùn)作的創(chuàng)新成果，最終完成創(chuàng)新的過程。

1.開展原型制作

此次課的重要準(zhǔn)備工作在材料配備和工具選擇上，教師需根據(jù)各小組方案設(shè)計(jì)的不同，提前做好材料準(zhǔn)備，相關(guān)工具的操作規(guī)范應(yīng)該在此項(xiàng)目開展實(shí)施之前講解。在此保障下，學(xué)生按照設(shè)計(jì)方案展開產(chǎn)品制作環(huán)節(jié)。

2.解決工程問題

在項(xiàng)目制作過程中，學(xué)生會(huì)遇到諸如加工工藝、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、流程與設(shè)計(jì)、控制與設(shè)計(jì)等綜合問題，由于方案設(shè)計(jì)的不同，學(xué)生解決問題的方法也是不盡相同的。這一環(huán)節(jié)是學(xué)生將創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)成產(chǎn)品的過程，也是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。

3.形成產(chǎn)品原型

棉花糖機(jī)產(chǎn)品原型形成以后，要進(jìn)行功能驗(yàn)證，驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)是：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能制作出棉花糖。

4.分析與修改

根據(jù)產(chǎn)品運(yùn)行情況分析整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步提出改進(jìn)措施，提高系統(tǒng)的有序性和整體的運(yùn)行效果。

5.成品制作，形成最終成果

這一環(huán)節(jié)相當(dāng)于項(xiàng)目驗(yàn)收階段，教師需通過相機(jī)、DV收集學(xué)生制作及改進(jìn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和閃光點(diǎn)，方便后期總結(jié)分析。

（五）分享交流，總結(jié)評(píng)價(jià)

第四次課的重點(diǎn)是成果展示匯報(bào)，各小組制作2分鐘的PPT匯報(bào)發(fā)言，教師根據(jù)前面幾次課跟蹤拍攝的視頻圖片資料，分析各小組出現(xiàn)的技術(shù)問題以及他們的解決方案，重點(diǎn)落在技術(shù)錯(cuò)誤和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)上。

綜上，學(xué)生創(chuàng)新思維和工程思維的培養(yǎng)不是一朝一夕的事情，需要良好的環(huán)境和長(zhǎng)期的熏陶、訓(xùn)練，基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的教學(xué)設(shè)計(jì)能夠有效營(yíng)造良好的環(huán)境。經(jīng)過4年的“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”課程資源開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐研究，通過相關(guān)開課年級(jí)的調(diào)查問卷——《青少年科技創(chuàng)新能力的結(jié)構(gòu)構(gòu)建與培養(yǎng)研究》的數(shù)據(jù)反饋分析表明：同樣的被測(cè)群體，未學(xué)習(xí)相關(guān)課程前，學(xué)生綜合得分為60.5分，學(xué)習(xí)完相關(guān)課程后，學(xué)生綜合得分為64.7分，說明我?！盎陧?xiàng)目設(shè)計(jì)的教學(xué)模式”對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維與工程思維的培養(yǎng)有明顯的促進(jìn)作用?；陧?xiàng)目設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程要求學(xué)生從理論探究再到方案形成，最后做出成果作品，不同的項(xiàng)目設(shè)計(jì)所面臨的技術(shù)問題、要求、條件各不相同，這有利于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合實(shí)踐能力。

（特約編輯 諾 依）