中小學(xué)橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目研究綜述

（華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 51063）

橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目作為一種典型的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，有著豐富的教學(xué)實(shí)踐，不僅是創(chuàng)客教育也是STEM教育中的熱門(mén)選題之一，有較為重要的研究?jī)r(jià)值。然而，相關(guān)研究和實(shí)踐，不僅角度不同，而且良莠不齊，有必要進(jìn)行全面梳理。

為此，本文對(duì)中小學(xué)橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目的研究與實(shí)踐現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的文獻(xiàn)調(diào)研。文獻(xiàn)主要來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)和EBSCO數(shù)據(jù)庫(kù)，以分別獲取有代表性的中英文文獻(xiàn)。在中國(guó)知網(wǎng)中分別使用“STEM”“橋梁競(jìng)賽”和“紙橋”等關(guān)鍵詞進(jìn)行主題檢索，獲得自1996年以來(lái)共90余篇論文，經(jīng)人工篩選，比照入選標(biāo)準(zhǔn)（一是必須包含有具體的橋梁設(shè)計(jì)與實(shí)踐活動(dòng)，二是聚焦于中小學(xué)教育教學(xué)領(lǐng)域），最終保留了11篇有效文獻(xiàn)；在EBSCO數(shù)據(jù)庫(kù)中，分別使用“bridge & STEM”和“bridge & engineering”等關(guān)鍵詞進(jìn)行主題檢索，共檢索到1996—2020年間相關(guān)論文160篇，采用上述相同的遴選標(biāo)準(zhǔn)，獲得有效文獻(xiàn)10篇。同時(shí)，為增加文獻(xiàn)的覆蓋面，本研究基于便利抽樣，選取了三本包含橋梁設(shè)計(jì)活動(dòng)相關(guān)的中小學(xué)教材作為對(duì)照分析樣本。本文研究的文獻(xiàn)，時(shí)間跨度為1996年至2020年，共包含教材、期刊論文、學(xué)位論文三大類(lèi)文獻(xiàn)，覆蓋了中英文文獻(xiàn)，具有較好的代表性。

依托上述文獻(xiàn)，本文主要做了三個(gè)方面的內(nèi)容分析：首先，闡述了不同學(xué)科領(lǐng)域中橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目的應(yīng)用案例及研究成果，確認(rèn)其在教育教學(xué)中的重要地位；其次，分析了橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目在促進(jìn)學(xué)生思維能力、科學(xué)探究能力、實(shí)踐能力以及跨學(xué)科整合等方面的獨(dú)特教育價(jià)值；最后，進(jìn)一步分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)中小學(xué)橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目存在的問(wèn)題與不足，探討了未來(lái)研究的方向和需要注意的問(wèn)題。

一、不同學(xué)科領(lǐng)域中的橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目廣泛存在于中小學(xué)的教育教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中，尤其在科學(xué)教育、通用技術(shù)教育（含勞動(dòng)技術(shù)教育）和STEM教育三個(gè)領(lǐng)域中有著豐富的應(yīng)用。

（一）科學(xué)教育中的橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目

在中小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域，橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目主要有兩種取向和兩種活動(dòng)類(lèi)型。

從目標(biāo)培養(yǎng)的角度可以將橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目分為工程設(shè)計(jì)制作取向和科學(xué)探究取向。工程設(shè)計(jì)制作取向要求學(xué)生依據(jù)科學(xué)原理設(shè)計(jì)和制作物品、利用技術(shù)解決真實(shí)問(wèn)題；科學(xué)探究取向則要求學(xué)生基于所學(xué)的知識(shí)提出可探究的科學(xué)問(wèn)題，結(jié)合問(wèn)題提出有針對(duì)性的假設(shè)，并能設(shè)計(jì)單一變量的實(shí)驗(yàn)方案，搜集證據(jù)驗(yàn)證假設(shè)，從而解決問(wèn)題[1]。以教科版小學(xué)六年級(jí)科學(xué)課程為例，在其“形狀與結(jié)構(gòu)”一節(jié)中，要求學(xué)生用紙“造”一座“橋”，以此探究橋的形狀和結(jié)構(gòu)[2]。在教材設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生需要剖析橋梁構(gòu)造中的問(wèn)題，以選用同等數(shù)量的紙張折疊成不同的形狀，探究紙的形狀與抗彎曲能力的關(guān)系，由此經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)探究的方法，獲得橋梁相關(guān)的科學(xué)知識(shí)。在探究學(xué)習(xí)完成后，教材還要求學(xué)生制作紙橋，在制作過(guò)程中進(jìn)一步利用科學(xué)知識(shí)原理與技術(shù)解決橋梁搭建問(wèn)題。例如，為了增強(qiáng)紙張承受力，可以利用膠水將多張紙粘在一起增加紙張的厚度。顯然，這個(gè)橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目既包含了橋梁設(shè)計(jì)制作（用紙“造橋”）的過(guò)程，也涉及了橋梁科學(xué)知識(shí)（橋的形狀和結(jié)構(gòu)）的探究。

從活動(dòng)設(shè)計(jì)的角度可以將橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)教學(xué)活動(dòng)細(xì)分為兩種活動(dòng)類(lèi)型：一種是項(xiàng)目式教學(xué)，另一種是模型設(shè)計(jì)與制作競(jìng)賽教學(xué)。在項(xiàng)目式教學(xué)中，學(xué)生以完成項(xiàng)目為主要目標(biāo)，教師負(fù)責(zé)全程管理和監(jiān)控項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程。例如，趙月提出采用項(xiàng)目式教學(xué)的方式開(kāi)展橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)教學(xué)，不僅有利于教師從時(shí)間、成本和質(zhì)量三方面對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行控制，而且也能使學(xué)生充分參與自主探究活動(dòng)[3]。因此，其在借鑒項(xiàng)目管理流程及邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，選定小學(xué)科學(xué)課程“形狀與結(jié)構(gòu)”一節(jié)，開(kāi)展了以“橋梁建筑師成長(zhǎng)之路”為主題的項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐，該教學(xué)項(xiàng)目活動(dòng)流程包含了項(xiàng)目啟動(dòng)、控制和實(shí)施三個(gè)部分。教學(xué)效果顯示，在項(xiàng)目活動(dòng)開(kāi)展的過(guò)程中，學(xué)生能快速地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、完成探究實(shí)驗(yàn)，并能熟練地使用剪刀、白乳膠等工具解決問(wèn)題。

橋梁模型設(shè)計(jì)與制作競(jìng)賽教學(xué)集挑戰(zhàn)性、創(chuàng)造性、趣味性于一體，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，在中小學(xué)科學(xué)教育中扮演著重要的角色。例如，Barris等（2016）[4]在采用競(jìng)賽的方式開(kāi)展木橋的設(shè)計(jì)與制造教學(xué)中提出，競(jìng)賽活動(dòng)教學(xué)不僅能實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)橋梁的桁架和框架結(jié)構(gòu)以及材料性能等具體學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，也能夠促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科能力的培養(yǎng)，例如，學(xué)生利用信息技術(shù)和通信技術(shù)將搜索的信息與預(yù)測(cè)的信息進(jìn)行比較,通過(guò)口頭和書(shū)面的交流，為自己的作品做出更有說(shuō)服力的解釋和說(shuō)明，等等。而Hemming等也提出，橋梁挑戰(zhàn)賽教學(xué)可以幫助學(xué)生更好地完成技能的訓(xùn)練[5]。例如，在競(jìng)賽活動(dòng)中，學(xué)生通過(guò)合作的方式練習(xí)了頭腦風(fēng)暴、溝通和設(shè)計(jì)的技巧；在橋梁模型優(yōu)化過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)測(cè)試橋梁的性能和承重能力，并記錄其數(shù)據(jù)，鍛煉了觀察和數(shù)據(jù)記錄能力。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者曹玉新在“紙橋承重大賽”活動(dòng)教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在競(jìng)賽中更容易產(chǎn)生思維的碰撞，產(chǎn)生新的想法并創(chuàng)造出更好的成品[6]。例如，學(xué)生在拿到比賽通知開(kāi)始，便與合作伙伴查閱資料、進(jìn)行討論，討論的方案屢次制定屢次推翻，經(jīng)過(guò)多輪的爭(zhēng)論，最終形成了良好的設(shè)計(jì)方案。

（二）通用技術(shù)教育中的橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目

在中小學(xué)通用技術(shù)教育領(lǐng)域，有關(guān)橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目不僅有豐富的理論研究，也有諸多的教材開(kāi)發(fā)實(shí)踐。從理論研究的角度，學(xué)者普遍認(rèn)為橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目應(yīng)該實(shí)現(xiàn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)思想的融會(huì)貫通。例如，張國(guó)祥提出在通用技術(shù)課程中，橋梁設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)將教育與技術(shù)相結(jié)合，既要注重技術(shù)思想與方法的形成，也要注重技術(shù)素養(yǎng)的提升和發(fā)展：在橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，讓學(xué)生通過(guò)親歷技術(shù)實(shí)踐與橋梁制作的過(guò)程，深刻體驗(yàn)到制作過(guò)程的復(fù)雜性，從而學(xué)會(huì)充分考慮使用的工具、橋梁連接的方式以及橋梁自身重量等問(wèn)題；同時(shí)，教學(xué)過(guò)程需要將設(shè)計(jì)分析、橋梁制作、優(yōu)化橋梁、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、完善設(shè)計(jì)圖、總結(jié)制作方法等內(nèi)容串聯(lián)與整合，使學(xué)生在勞動(dòng)實(shí)踐中形成對(duì)問(wèn)題的綜合分析、理性判斷和決策能力[7]。

在教材開(kāi)發(fā)實(shí)踐層面，橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目同樣注重理論知識(shí)與實(shí)踐運(yùn)用的結(jié)合。以粵教版普通高中通用技術(shù)課程為例，在其必修2“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”一節(jié)中，要求學(xué)生按照橋梁設(shè)計(jì)與承重要求，完成橋梁的設(shè)計(jì)與制作[8]。在教材設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生需要收集信息、選定橋梁的結(jié)構(gòu)，并分析結(jié)構(gòu)受力的情況，繪制出橋梁草圖，從而形成初步的設(shè)計(jì)方案。在完成方案的設(shè)計(jì)后，教材還要求學(xué)生制作橋梁模型，以進(jìn)一步應(yīng)用理論知識(shí)解決工程實(shí)踐中的問(wèn)題。此外，學(xué)生需要對(duì)橋梁模型進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)、做出評(píng)價(jià)并提出優(yōu)化改進(jìn)的思路，以此形成迭代的過(guò)程。顯然，教材中強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實(shí)踐中對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用，并重視學(xué)生在制作過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。同時(shí)在教學(xué)實(shí)踐中，韋小陽(yáng)提出，在紙橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷了思考、設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)這一系列富有探究性、創(chuàng)造性、試驗(yàn)性的活動(dòng)過(guò)程，可以體驗(yàn)到通用技術(shù)學(xué)科的科學(xué)奧秘、技術(shù)張力和探究樂(lè)趣[9]。同時(shí)，這一活動(dòng)過(guò)程也使得學(xué)生能充分地理解實(shí)踐操作的重要性。例如，學(xué)生就如何提高紙張的抗壓性這一問(wèn)題展開(kāi)了激烈的討論，大膽提出疑問(wèn)并依據(jù)自己的主張實(shí)施探究活動(dòng)，最終在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變紙張的結(jié)構(gòu)以及紙張結(jié)構(gòu)的連接技巧來(lái)增強(qiáng)紙張抗壓能力。

（三）STEM教育中的橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目

橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目在中小學(xué)STEM教育中也有著十分重要的地位，這是因?yàn)椋簭腟TEM教育理念的角度看，橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目充分體現(xiàn)了STEM教育理念，能夠引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程等各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)來(lái)解決橋梁設(shè)計(jì)中的真實(shí)問(wèn)題。例如，朱鈺等提出在STEM教育理念指導(dǎo)下，開(kāi)展“設(shè)計(jì)制作橋梁模型”項(xiàng)目實(shí)踐，可以在真實(shí)的生活情境中提高學(xué)生學(xué)習(xí)橋梁設(shè)計(jì)與制作的興趣；在工程設(shè)計(jì)中幫助學(xué)生完成從平面到立體、形狀到結(jié)構(gòu)的思維認(rèn)知跨越，實(shí)現(xiàn)深層次學(xué)習(xí)的需要；在模型測(cè)試優(yōu)化環(huán)節(jié)中提升學(xué)生的情感體驗(yàn)[10]。因此，該活動(dòng)中設(shè)計(jì)了“引入問(wèn)題和確定需求、調(diào)查研究和學(xué)習(xí)支持、分析觀點(diǎn)和建立模型、測(cè)試優(yōu)化和解決問(wèn)題”四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)參與層層遞進(jìn)的幾個(gè)小工程實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作能力的提升。

從STEM教學(xué)模式的角度看，橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目結(jié)合STEM教學(xué)模式，重視問(wèn)題的情境性，并以小組合作的形式實(shí)現(xiàn)解決問(wèn)題、掌握知識(shí)和鍛煉能力的目標(biāo)，從而取得了良好的教學(xué)效果[11]。例如，楊艷構(gòu)建了小學(xué)綜合實(shí)踐STEM科學(xué)課程的QCE模式（Question-Cycle-Evaluation，問(wèn)題—循環(huán)—評(píng)估），并開(kāi)展了以“橋”為主題的教學(xué)活動(dòng)[12]。該活動(dòng)分為三個(gè)模塊，分別是：（Q）定義問(wèn)題，教學(xué)活動(dòng)要求學(xué)生建設(shè)一座性?xún)r(jià)比高且能承受至少2千克質(zhì)量的橋，讓學(xué)生以問(wèn)題為導(dǎo)向開(kāi)展學(xué)習(xí)；（C）循環(huán)，在這一過(guò)程中，學(xué)生需要完成對(duì)橋梁材料的估算，草圖的繪制，模型的搭建，以及優(yōu)化改進(jìn)等任務(wù)；（E）評(píng)估，這一過(guò)程需要學(xué)生和團(tuán)隊(duì)伙伴按照工程建議書(shū)的要求提交設(shè)計(jì)方案，由全班同學(xué)評(píng)選出哪座橋更好地解決了工程任務(wù)，此外，學(xué)生還需依據(jù)項(xiàng)目過(guò)程量表和過(guò)程評(píng)級(jí)單對(duì)整個(gè)單元過(guò)程的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明，橋梁工程設(shè)計(jì)結(jié)合QCE教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)教學(xué)模式，讓學(xué)生成為課堂主體、知識(shí)的主動(dòng)獲得者，有效地促進(jìn)及實(shí)現(xiàn)了學(xué)生綜合能力的鍛煉與發(fā)展。

從STEM教學(xué)實(shí)踐的角度看，橋梁設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐培養(yǎng)了學(xué)生工程責(zé)任意識(shí)。以培生教育STEM課程為例，在其“設(shè)計(jì)橋梁”一節(jié)中，教學(xué)設(shè)計(jì)從STEM教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，采用職業(yè)聚焦的方式，讓學(xué)生扮演橋梁工程師的角色，承擔(dān)其職責(zé)，并要求學(xué)生進(jìn)行橋梁的設(shè)計(jì)與制作[13]。顯然，在這一教學(xué)中，學(xué)生能更好地體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)與制作的過(guò)程，形成了良好的責(zé)任意識(shí)。此外，橋梁設(shè)計(jì)教學(xué)也能幫助學(xué)生更好地掌握和運(yùn)用工程知識(shí)。例如，Lyn等探討工程設(shè)計(jì)在STEM教育中的作用時(shí)提出，橋梁設(shè)計(jì)活動(dòng)可以幫助學(xué)生更好地了解材料的性能，如橋梁的張拉壓力、荷載分布、配筋、強(qiáng)度等，并讓學(xué)生在實(shí)踐操作中深刻體驗(yàn)到這些性能在橋梁設(shè)計(jì)中的重要性[14]。同樣，楊薇薇在圍繞紙橋開(kāi)展探究性實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)親歷紙橋設(shè)計(jì)、制作、競(jìng)技、反思等實(shí)踐環(huán)節(jié)，完成了實(shí)踐操作和知識(shí)的運(yùn)用[15]。

綜上分析，中小學(xué)橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目在科學(xué)教育、通用技術(shù)教育以及STEM教育三大領(lǐng)域中的應(yīng)用既有相同點(diǎn)也有較大不同。首先，三者在流程設(shè)計(jì)、組織形式等方面存在著共同點(diǎn)，表現(xiàn)為：三大教育領(lǐng)域的橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目教學(xué)都注重團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，如在教學(xué)活動(dòng)中要求學(xué)生明確分工，由小組成員共同設(shè)計(jì)與制作橋梁模型；而且教學(xué)活動(dòng)均由兩部分組成，即科學(xué)探究過(guò)程和工程制作過(guò)程，因此在教學(xué)中既要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)探究，掌握橋梁工程知識(shí)和原理，也要求學(xué)生通過(guò)解決工程問(wèn)題，完成橋梁模型搭建的任務(wù)。然而，在教學(xué)理念、教學(xué)聚焦點(diǎn)、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面，三個(gè)領(lǐng)域的橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目又各有其特點(diǎn)，突出表現(xiàn)為：科學(xué)教育領(lǐng)域中橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目的教學(xué)更加注重教學(xué)的科學(xué)性，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的掌握以及對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究；而通用技術(shù)教育則更側(cè)重學(xué)生勞動(dòng)思想和技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)，以及在制作橋梁模型的過(guò)程中學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作能力和運(yùn)用技術(shù)解決問(wèn)題的能力是否得到有效的提升；STEM教育則要求在橋梁教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)注重真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)以及跨學(xué)科的整合。此外，在科學(xué)教育和通用技術(shù)教育領(lǐng)域中，橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目的教學(xué)更注重對(duì)學(xué)生制作的橋梁成品的評(píng)價(jià)；而STEM教育領(lǐng)域中則將評(píng)價(jià)分為過(guò)程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)，不僅關(guān)注學(xué)生制作的成品，同時(shí)也關(guān)注學(xué)生在橋梁設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中的表現(xiàn)。

二、橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目的獨(dú)特教育價(jià)值

縱觀相關(guān)研究結(jié)論，橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目的獨(dú)特教育價(jià)值主要表現(xiàn)在兩個(gè)維度、四大方面，包括實(shí)踐能力、科學(xué)探究能力和思維能力三個(gè)方面的學(xué)生能力培養(yǎng)維度，以及促進(jìn)課程的跨學(xué)科整合維度。

（一）橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目可以提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力

傳統(tǒng)應(yīng)試教育側(cè)重書(shū)面知識(shí)的學(xué)習(xí)，而缺少實(shí)踐能力的培養(yǎng)。橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目以工程制作過(guò)程為核心開(kāi)展教學(xué)，可以有效促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐操作能力的提高。例如，在橋梁模型設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生分析橋梁結(jié)構(gòu)的類(lèi)型以及各結(jié)構(gòu)受力的情況，并要求學(xué)生進(jìn)行橋梁模型方案的設(shè)計(jì)，繪制出橋梁模型圖，完成橋梁模型的搭建任務(wù)；隨后，學(xué)生還需要對(duì)橋梁模型進(jìn)行承重測(cè)試，檢測(cè)其性能并加以?xún)?yōu)化和改進(jìn)。顯然，在活動(dòng)中學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)較多，實(shí)踐能力能夠得到較好的培養(yǎng)。

（二）橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

科學(xué)探究能力在中小學(xué)教育目標(biāo)體系中有著非常重要的地位，例如，義務(wù)教育科學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)將科學(xué)探究作為發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的核心，特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)?？茖W(xué)探究能力有不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般認(rèn)為有六個(gè)核心要素，分別是提出問(wèn)題、建立假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、收集事實(shí)與證據(jù)、得出結(jié)論、合作與交流[16]。學(xué)生在橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中能夠形成較強(qiáng)的科學(xué)探究能力，這是因?yàn)椋阂浴敖ㄔ煳軜颉笨茖W(xué)探究活動(dòng)為例[17]，教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的橋梁探究情境，引發(fā)學(xué)生思考問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生良好的問(wèn)題意識(shí)；而學(xué)生通過(guò)扮演橋梁工程師的角色，親歷橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程，運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力也得到了鍛煉和提升；最后，團(tuán)隊(duì)成員需要對(duì)搭建的橋梁模型進(jìn)行評(píng)估，交流自己學(xué)習(xí)到的知識(shí)并分享改進(jìn)的思路，這不僅培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神，也提高了學(xué)生溝通交流的能力。

（三）橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目可以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力

有關(guān)核心素養(yǎng)的研究表明，基礎(chǔ)知識(shí)和問(wèn)題解決能力是核心素養(yǎng)的重要部分，然而，思維能力的培養(yǎng)才是核心素養(yǎng)中最為重要的維度[18][19]。橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力，尤其體現(xiàn)在設(shè)計(jì)思維、統(tǒng)籌思維和創(chuàng)新思維三個(gè)方面。

1.培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維能力

工程的基本特征是滿(mǎn)足人與社會(huì)的需要，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要通過(guò)工程活動(dòng)創(chuàng)造新的人工制品來(lái)滿(mǎn)足這些需求[20]。而工程活動(dòng)中“設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)至關(guān)重要，有利于培養(yǎng)人的設(shè)計(jì)思維。所謂設(shè)計(jì)思維就是一種以解決方案為導(dǎo)向的思維形式，它從工程目標(biāo)或要達(dá)成的可視化成果著手，通過(guò)對(duì)當(dāng)下現(xiàn)實(shí)可行性分析和未來(lái)需求的預(yù)測(cè)，探索工程問(wèn)題中各項(xiàng)參數(shù)變量及可能的解決方案[21]。橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目包含了典型的工程設(shè)計(jì)活動(dòng)，以橋梁模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例，通常要求學(xué)生設(shè)計(jì)出具有較大承重能力的橋梁模型，即要求該模型應(yīng)具有一定的抗壓和抗拉能力。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)生要充分考慮結(jié)構(gòu)選型的問(wèn)題及可能的解決方案，如圓柱形紙桿可以承受一定的壓力和拉力，便可將其作為受彎結(jié)構(gòu)的梁；而為了保證模型有較大的整體抗彎剛度，可將橫梁布置成網(wǎng)格體系或三角形結(jié)構(gòu)等[22]。顯然，在此過(guò)程中，學(xué)生的設(shè)計(jì)思維可以得到較好的鍛煉和提升。

2.促進(jìn)學(xué)生統(tǒng)籌思維和折中思維能力的提升

統(tǒng)籌思維是指如何運(yùn)用各種工具、機(jī)器、設(shè)備、人力資源和其他手段等組成合理的工作流程來(lái)實(shí)現(xiàn)工程目的；而折中思維即妥協(xié)性思維，是指思維主體不得不對(duì)相互矛盾的觀點(diǎn)、資源和方案采取權(quán)衡利弊的妥協(xié)立場(chǎng)和態(tài)度，并根據(jù)工程總體目標(biāo)要求，把沖突、矛盾的因素進(jìn)行協(xié)調(diào)[23]。橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目對(duì)促進(jìn)學(xué)生的統(tǒng)籌思維和折中思維能力的提升具有重要的作用。以“意面橋”比賽為例，比賽規(guī)則規(guī)定了參賽者使用的材料和工具，即用意大利面、膠水或硅來(lái)建造，并明確提出制作的橋梁成品總重量、橋梁跨度以及橋梁高度等要求[24]。因此，在比賽過(guò)程中，參賽者為了獲得好的成績(jī)，往往需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各種資源，制定出均衡的設(shè)計(jì)方案，不可執(zhí)于一端。同時(shí)，在制作過(guò)程中，小組成員各司其職，成員之間協(xié)調(diào)配合，借此學(xué)生也學(xué)會(huì)了如何與同齡人合作解決橋梁工程問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)活動(dòng)目標(biāo)。

3.培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力

在創(chuàng)客教育、STEM教育盛行的當(dāng)下，如何有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力是實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。何克抗指出創(chuàng)新能力必須以創(chuàng)造性思維為基礎(chǔ)，并提出創(chuàng)造性思維的“結(jié)構(gòu)”由發(fā)散思維、邏輯思維、形象思維、直覺(jué)思維等要素組成[25]。橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目的教學(xué)能有效促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在以下方面：首先，學(xué)生在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)查閱資料分析比對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)選型以及各種結(jié)構(gòu)橋梁的受力情況，“同中求異，正向求反，多向輻射”，其發(fā)散思維能力得到了鍛煉和提升；其次，學(xué)生要對(duì)其構(gòu)想的橋梁繪制出較為規(guī)范的設(shè)計(jì)圖，從而實(shí)現(xiàn)由形象思維向直覺(jué)思維的轉(zhuǎn)化；最后，學(xué)生依據(jù)繪制的橋梁模型圖制作出了具有創(chuàng)新性的橋梁成品，其創(chuàng)新思維能力也因此得到了較大的提升。

（四）橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目可以促進(jìn)跨學(xué)科整合

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)中小學(xué)課程結(jié)構(gòu)過(guò)于強(qiáng)調(diào)學(xué)科本位和缺乏整合的問(wèn)題比較突出，淡化學(xué)科界線，使分科課程和整合課程有機(jī)聯(lián)系、合理并存，需要持續(xù)不懈的努力，STEM教育契合了這種需求。橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目作為開(kāi)展STEM教育的載體之一，也必然有利于促進(jìn)跨學(xué)科整合。例如，在STEM教育理念指導(dǎo)下的橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目研究中發(fā)現(xiàn)，教學(xué)設(shè)計(jì)采用分學(xué)科的方式進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定，并在教學(xué)活動(dòng)中不斷地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與橋梁有關(guān)的工程原理和科學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中利用數(shù)學(xué)方法估算橋梁設(shè)計(jì)費(fèi)用，并完成橋梁草圖的繪制。顯然，在橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目教學(xué)中，多學(xué)科知識(shí)融入其中，有助于學(xué)生實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科和深層次學(xué)習(xí)。

三、問(wèn)題與啟示

綜上所述，橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目在中小學(xué)教育中不僅有著廣泛的應(yīng)用，而且發(fā)揮著獨(dú)特的教育價(jià)值，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、科學(xué)探究能力和思維能力，還可以促進(jìn)跨學(xué)科整合。此外，梳理國(guó)內(nèi)外教學(xué)研究，對(duì)比國(guó)內(nèi)外橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其中既有共同點(diǎn)，又有較大的差異。首先，國(guó)內(nèi)外橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目教學(xué)在教學(xué)方法和活動(dòng)形式等方面是相同的，其中均有采用項(xiàng)目教學(xué)法和競(jìng)賽的方式開(kāi)展活動(dòng)教學(xué)，并讓學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作的方式完成挑戰(zhàn)；同時(shí)還要求學(xué)生在活動(dòng)過(guò)程中完成多學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)。其次，國(guó)內(nèi)外橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目教學(xué)的差異之處表現(xiàn)在教育理念、教學(xué)重點(diǎn)等方面。國(guó)內(nèi)的橋梁設(shè)計(jì)教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在活動(dòng)中對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用以及實(shí)踐能力的提升，注重學(xué)生勞動(dòng)素養(yǎng)的培養(yǎng)；而國(guó)外的教學(xué)則更強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)技術(shù)的掌握與使用，側(cè)重學(xué)生成果的展示過(guò)程和學(xué)生表達(dá)交流的技巧。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目在教學(xué)實(shí)踐和研究層面還存在著諸多不足，主要體現(xiàn)在如下方面：

其一，教學(xué)方法不夠嚴(yán)謹(jǐn)。已有的橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐均采用正向活動(dòng)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)學(xué)生的能力要求較高，而且在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用該方法容易忽視學(xué)生設(shè)計(jì)與制作的科學(xué)性。例如，在設(shè)計(jì)橋梁圖紙時(shí)，學(xué)生并沒(méi)有理解圖紙對(duì)于模型制作和工程設(shè)計(jì)的重要性，也不清楚如何把握設(shè)計(jì)圖紙繪制精確度等問(wèn)題，最終導(dǎo)致學(xué)生在制作模型方面困難較大，花費(fèi)時(shí)間也較長(zhǎng)[26]。

其二，跨學(xué)科整合深度不夠。當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目課程僅僅關(guān)注項(xiàng)目中有沒(méi)有卷入多個(gè)學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容，沒(méi)有做深入的分析和融合，導(dǎo)致不同學(xué)科內(nèi)容之間不具有內(nèi)在邏輯性和外在關(guān)聯(lián)性。此外，課程教學(xué)目標(biāo)也只依據(jù)STEM教育內(nèi)涵劃分為科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)方面，缺少?gòu)膶W(xué)科層面以及思維層面的考量。

其三，側(cè)重技能的訓(xùn)練，缺少思維的啟迪與提升。在中小學(xué)橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目教學(xué)中，雖然設(shè)計(jì)了科學(xué)探究過(guò)程和工程設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，但在實(shí)踐教學(xué)中對(duì)科學(xué)探究過(guò)程重視程度不高。相反，橋梁設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)于注重橋梁制作的成品，不僅忽視了科學(xué)探究過(guò)程的重要性，而且缺乏對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

其四，項(xiàng)目活動(dòng)較為傳統(tǒng)，缺少新技術(shù)的應(yīng)用。在橋梁的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中，活動(dòng)的材料供給和應(yīng)用均采用簡(jiǎn)單的紙張、木條和吸管等傳統(tǒng)的工具，缺乏新技術(shù)的使用；而且在已有的橋梁項(xiàng)目活動(dòng)中，學(xué)生并沒(méi)有對(duì)預(yù)先設(shè)想的模型進(jìn)行預(yù)荷載測(cè)試，而是在完成橋梁模型后才進(jìn)行承重測(cè)試并加以改進(jìn)，因此活動(dòng)的效率大大降低。

針對(duì)存在的不足，后續(xù)研究可以從多個(gè)角度或方向進(jìn)行完善和改進(jìn)，主要建議包括：

其一，重視科學(xué)探究過(guò)程。教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)化科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的地位，并嚴(yán)格按照科學(xué)探究的流程進(jìn)行操作，例如，在探究實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生提出問(wèn)題，控制單一變量，并針對(duì)問(wèn)題作出合理假設(shè)，通過(guò)驗(yàn)證假設(shè)得出結(jié)論，借此培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、科學(xué)規(guī)范的探究思維和方法。

其二，可以采用多維度交叉的方式描述教學(xué)目標(biāo)。為了避免割裂學(xué)科間的聯(lián)系，不要局限于分學(xué)科的目標(biāo)描述，而可以從知識(shí)與技能維度、過(guò)程與方法維度、學(xué)科和跨學(xué)科維度等多個(gè)維度和層面描述學(xué)習(xí)目標(biāo)。以橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目為例，首先可以從學(xué)科知識(shí)的角度進(jìn)行分析，將教學(xué)活動(dòng)與具體學(xué)科目標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，如將測(cè)量橋梁的質(zhì)量對(duì)應(yīng)到物理學(xué)科的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；其次，可以從工程設(shè)計(jì)的角度，描述解決特定橋梁所需的學(xué)科知識(shí)及其相互關(guān)系，建立不同學(xué)科知識(shí)之間的聯(lián)系，并從工程思維的角度提煉項(xiàng)目活動(dòng)需要培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成的統(tǒng)籌與折中、迭代等具體工程思維[27]。

其三，建立完善有效的評(píng)估體系。教學(xué)評(píng)價(jià)需從多方面和多角度考量，應(yīng)包含過(guò)程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)。因此，教學(xué)中不僅要對(duì)學(xué)生制作的橋梁成品，從其性能、結(jié)構(gòu)、美觀、創(chuàng)新等方面做總結(jié)性評(píng)價(jià)；同時(shí)，教師可為學(xué)生提供多種學(xué)習(xí)活動(dòng)支持文檔，例如，給予學(xué)生結(jié)構(gòu)式作業(yè)本，其中可以包含引起知識(shí)反思和知識(shí)支架的問(wèn)題，且要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)作業(yè)本填寫(xiě)的重要性，并將其作為過(guò)程性評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)來(lái)源[28]。

其四，引入新的技術(shù)應(yīng)用。教學(xué)中應(yīng)該重視學(xué)生對(duì)新技術(shù)的掌握和使用，來(lái)更好地解決工程中的問(wèn)題。例如，在工程制作過(guò)程中，學(xué)生可以采用3D打印技術(shù)和激光雕刻等快速成型技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)橋梁的模型搭建；在科學(xué)探究過(guò)程中，數(shù)據(jù)的獲取可以基于開(kāi)源硬件的傳感與控制技術(shù)的運(yùn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)于橋梁荷載的情況分析，可以利用有限元軟件進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，以確定它是否足以承受預(yù)計(jì)的載荷[29]。

其五，探索新的教學(xué)方法。隨著橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目在中小學(xué)教育中的廣泛應(yīng)用，還需要探尋一種新的教學(xué)方法來(lái)解決教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，其中，逆向工程方法值得關(guān)注。例如，康斯雅等對(duì)機(jī)器人教育中的逆向工程教學(xué)模式進(jìn)行分類(lèi)，提出逆向工程教學(xué)模式的“燈籠模型”。該模型主要包括四種教學(xué)模式，其主要的過(guò)程是試用感知產(chǎn)品，進(jìn)行解構(gòu)和再設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié)[30]。研究表明，將這種教學(xué)模式應(yīng)用到中小學(xué)機(jī)器人課堂教學(xué)中，有利于提升學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，對(duì)師生能力條件要求較低，同時(shí)需要的時(shí)間周期較短，也有利于減少經(jīng)費(fèi)的投入。[31]在未來(lái)的研究中，如果將逆向工程方法遷移到橋梁設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目中，能否改善教學(xué)效果，能否降低學(xué)生在設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中的難度，其適用性和有效性尚需進(jìn)一步分析和論證研究。