面向工程思維培養(yǎng)的小學(xué)創(chuàng)客教育教學(xué)模型研究

馬瑞雪

摘 ?要 工程思維作為創(chuàng)新創(chuàng)造重要的邏輯思維在STEM教育和創(chuàng)客教育中具有獨特的意義。以創(chuàng)客教育為載體，構(gòu)建出適用于小學(xué)生工程思維培養(yǎng)的創(chuàng)客教育設(shè)計型教學(xué)模型，最后將該教學(xué)模型應(yīng)用于“巡線小車”的教學(xué)設(shè)計案例中，以期向相關(guān)學(xué)者展示設(shè)計型學(xué)習(xí)法下小學(xué)生工程思維培養(yǎng)的模型，并為創(chuàng)客教育的實踐提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 工程思維;創(chuàng)客教育;設(shè)計型學(xué)習(xí);教學(xué)模型

中圖分類號：G434 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）18-0073-03

Research on Teaching Model of Maker Education in Primary School for Engineering Thinking Training//MA Ruixue

Abstract As an important logical thinking of innovation and crea-tion， engineering thinking has unique significance in stem education and maker education. Based on maker education， this study con-structs a design teaching model for the cultivation of engineering thinking of primary school students. Finally， this teaching model is

applied to the teaching design case of “l(fā)ine patrol car”， in order to

show the model of the cultivation of engineering thinking of primary

school students under the design learning method to relevant scholars

and provide guidance for the practice of maker education.

Key words engineering thinking; maker education; design learning; teaching model

1 引言

創(chuàng)客教育作為新時代培養(yǎng)人才以及應(yīng)試教育轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路，受到國際與國內(nèi)眾多學(xué)校和機構(gòu)的重視。之所以要加強創(chuàng)客教育中工程思維的培養(yǎng)，這是由創(chuàng)客教育發(fā)展中存在的問題和本質(zhì)決定的。創(chuàng)客教育關(guān)注的是學(xué)生創(chuàng)新、實踐、解決問題能力的發(fā)展，主要是通過項目式教學(xué)開展造物活動，它的本質(zhì)其實是一種培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)實踐能力的工程教育?！禟12教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來》指出，K12工程教育應(yīng)加強培養(yǎng)學(xué)生的工程思維習(xí)慣，提出“工程思維習(xí)慣是21世紀公民必備的技能之一”。但是，工程思維作為STEM教育的四種理念之一，在國內(nèi)并沒有受到應(yīng)有的重視，很大原因是沒有合適的培養(yǎng)載體。本研究以創(chuàng)客教育為載體，構(gòu)建面向工程思維培養(yǎng)的小學(xué)創(chuàng)客教育教學(xué)模式，并且進行教學(xué)實踐，以此為創(chuàng)客教育的發(fā)展和工程思維的培養(yǎng)提供借鑒。

2 創(chuàng)客教育和工程思維的內(nèi)涵解讀和概念界定

創(chuàng)客教育 ?對于創(chuàng)客教育的概念，不同的政策文件和專家學(xué)者有不同的界定。總結(jié)下來，對于創(chuàng)客教育的界定有四種，包括模式論、課程論、理念論和類型論。本研究中創(chuàng)客教育作為培養(yǎng)工程思維的載體，以一種課程形式存在。

工程思維 ?工程思維在普通高中通用技術(shù)課程標準中的定義是：“工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維。幫助學(xué)生認識工程和系統(tǒng)的復(fù)雜性和非結(jié)構(gòu)性，運用系統(tǒng)方法，針對某一具體問題進行整體規(guī)劃和要素分析，領(lǐng)悟并且運用系統(tǒng)、控制、結(jié)構(gòu)、流程等系統(tǒng)方法，通過模擬或者建模進行具體設(shè)計，最后能進行風(fēng)險評估和綜合決策。”

3 理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論 ?建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為，學(xué)習(xí)是學(xué)生在特定情境中通過交流合作，在原來的認知經(jīng)驗基礎(chǔ)上主動加工新的知識，通過同化和順應(yīng)主動建構(gòu)知識表征的過程。工程思維要求的本來就不是單純理論的掌握，而是在真實情境中通過實踐加工知識，形成屬于自己的知識表征。

工程設(shè)計過程 ?工程設(shè)計的基本流程具體包括確定需要和設(shè)定目標、市場分析、設(shè)計規(guī)范和約束、功能分析、概念產(chǎn)生、方案評估、分析、實驗和市場運作。同時，工程思維還包括逆向工程思維，它與一般工程設(shè)計思維的區(qū)別是從已有的模型或產(chǎn)品出發(fā)，通過技術(shù)進行創(chuàng)造性模仿設(shè)計，從而達到再生產(chǎn)和創(chuàng)新的目的。

設(shè)計型學(xué)習(xí) ?Wijnen教授將設(shè)計型學(xué)習(xí)作為一種教學(xué)模式，目標是讓學(xué)生學(xué)會設(shè)計。設(shè)計型學(xué)習(xí)是基于項目展開的，教師基于現(xiàn)實提出有挑戰(zhàn)性的問題和任務(wù)，并且?guī)椭鷮W(xué)生理解，從而接受挑戰(zhàn)。學(xué)生在原有認知基礎(chǔ)上通過豐富的資源整合相關(guān)信息，建構(gòu)新的知識表征，通過交流合作對挑戰(zhàn)和任務(wù)進行迭代設(shè)計，完成作品和項目，然后根據(jù)設(shè)計目標測試評估，最終形成作品。尼爾森的“逆向思維模型”和克洛德納的“基于設(shè)計的科學(xué)探究循環(huán)模型”是國內(nèi)外比較知名的設(shè)計型學(xué)習(xí)模型。

4 面向工程思維的創(chuàng)客教育教學(xué)模型設(shè)計及實施

設(shè)計型學(xué)習(xí)模型與工程思維培養(yǎng)的契合性分析 ?設(shè)計型學(xué)習(xí)主張在真實復(fù)雜的環(huán)境中研究有意義且真實的問題，理論與實踐是通過迭代的設(shè)計過程連接的，是一種典型的理論聯(lián)系實際的學(xué)習(xí)方法。工程思維具有真實性、迭代性、系統(tǒng)性、開放性等特點，特別適合采取基于設(shè)計的學(xué)習(xí)方式。因此，筆者設(shè)計了面向工程思維的創(chuàng)客教育設(shè)計型模型。

面向工程思維的創(chuàng)客教育教學(xué)模型構(gòu)建 ?建構(gòu)主義理論、工程設(shè)計過程以及設(shè)計型學(xué)習(xí)為本研究面向工程思維培養(yǎng)的創(chuàng)客教育教學(xué)模型的建構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)，設(shè)計型學(xué)習(xí)的兩種模型也為本研究模型的構(gòu)建提供了思路和借鑒，但是直接作為本研究的模型來指導(dǎo)教學(xué)實踐未必適合。因此，筆者以創(chuàng)客教育為載體，結(jié)合兩種模型的特點，設(shè)計出面向工程思維的小學(xué)創(chuàng)客教育教學(xué)模型。面向工程思維的創(chuàng)客教育教學(xué)模型包括六個部分，分別為“分析問題情境，確定目標”“師生共同設(shè)置評估標準”“綜合系統(tǒng)設(shè)計，選擇解決方案”“制作原型，建模測試”“交流指導(dǎo)，迭代修改”與“分享評價，完成實踐”，如圖1所示。

1）分析問題情境，確定目標。教師通過設(shè)計貼近生活的情境，從而拋出問題，這樣既能引起學(xué)生的興趣，又能與學(xué)生的已有知識和生活經(jīng)驗產(chǎn)生共鳴，激發(fā)學(xué)生的探索欲望，從而進一步界定工程問題，對提出的問題進行假設(shè)，從而確立解決問題的總目標。

2）師生共同設(shè)置評估標準。師生共同設(shè)置評估標準，這是建立在學(xué)生已經(jīng)界定了工程的問題和總體目標的前提下，通過調(diào)查研究，將大的問題和總目標進一步分解，確定學(xué)生為了完成工程項目需要做到的具體要求，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)和設(shè)計有明確的方向。這些內(nèi)容不僅可以作為指導(dǎo)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和設(shè)計活動的參照，而且作為師生共同確定的評估標準，也可以幫助學(xué)生自評和互評。

3）綜合系統(tǒng)設(shè)計，選擇解決方案。成功的設(shè)計是項目順利完成的基礎(chǔ)，同時，設(shè)計階段也是工程思維的核心。工程設(shè)計階段，學(xué)生首先要對整個項目進行評估，把握目標，根據(jù)已有的認知和其他資料檢索手段，利用數(shù)學(xué)、機械、物理等領(lǐng)域的知識，驗證假設(shè)的合理性，從而得到最終的設(shè)計方案思路，將思路轉(zhuǎn)化為可操作的、明確的實施方案，進行草圖繪制和原型設(shè)計。

4）制作原型，建模測試。此過程是將工程設(shè)計得以貫徹和落實，在此過程中應(yīng)更加注意穩(wěn)定性、可控性和安全性。學(xué)生通過交流合作，按照設(shè)計好的最佳方案進行建模和測試，在搭建模型和編程過程中可能會出現(xiàn)設(shè)計方案不能完全實現(xiàn)的情況，這時就需要修改設(shè)計或改進實踐，教師在此過程中要提供相應(yīng)的資源和指導(dǎo)。

5）交流指導(dǎo)，迭代修改。經(jīng)過前四步的學(xué)習(xí)探索，學(xué)生在設(shè)計或測試過程中會有一些困難和問題，此時需要教師指導(dǎo)和師生間的交流合作，新的知識由于在之前的設(shè)計制作情境中被反復(fù)利用而變得更加容易被接受。在交流指導(dǎo)過程中，可能會伴隨計算、畫圖、比較等學(xué)習(xí)能力的鍛煉。接著，學(xué)生綜合建模中的經(jīng)驗和指導(dǎo)改進自己的設(shè)計，綜合分析獲得最佳的設(shè)計思路和問題解決方法。

6）分享評價，完成實踐。通過分享交流，一方面鍛煉了學(xué)生的溝通和表達能力，另一方面通過交流可以加深學(xué)生對知識技能的理解掌握。通過形成性與總結(jié)性評價相結(jié)合的方式與多元化的評價機制，可以讓各小組之間取長補短、互相學(xué)習(xí)，使學(xué)生形成對自己和他人的恰當認知，反思整個學(xué)習(xí)活動，反思問題的解決程度和目標的達成情況，從而引導(dǎo)學(xué)生加深對工程思維的理解，在以后的實踐中繼續(xù)遷移使用這種思維方式。

“巡線小車”教學(xué)案例 ?“巡線小車”教學(xué)案例是在學(xué)習(xí)了機器人搭建以及傳感器的基礎(chǔ)內(nèi)容上，為了培養(yǎng)小學(xué)生的工程思維，面向小學(xué)高年級階段的學(xué)生設(shè)計的教學(xué)案例，需要的教學(xué)資源包括芝麻豆機器人等級考試一二級套件、三四級套件、安裝有zBlockly編程軟件的電腦、多媒體設(shè)備等。每個階段的師生活動情況如下。

1）分析問題情境，確定目標。教師創(chuàng)設(shè)情境：“大家都知道，火車可以按照鋪好的軌道行進，但是鋪軌道需要大量的時間和成本。如果我們想讓機器人小車像在軌道上一樣按照黑線行駛，應(yīng)該怎么做呢？今天我們就要親自做一個可以自動巡線的機器小車?！睂W(xué)生積極思考：機器人小車是怎樣做到像長了眼睛一樣沿著黑線行駛的？通過查閱資料，交流分享，得出結(jié)論：巡線行駛最重要的智能硬件——灰度傳感器。

2）師生共同設(shè)置評估標準。教師引導(dǎo)學(xué)生一起確定制作可以自動巡線的小車需要有什么功能，需要怎樣設(shè)計才能達到巡線的目標。學(xué)生整理得到：①小車要足夠穩(wěn)固，整潔美觀;②小車要能夠轉(zhuǎn)彎;③小車上要安裝灰度傳感器，并且與地面高度合適;④灰度傳感器能準確識別黑白，要找到黑白界限值;⑤通過程序?qū)崿F(xiàn)小車自動巡線功能。

3）綜合系統(tǒng)設(shè)計，選擇解決方案。教師引導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)習(xí)共同體，學(xué)習(xí)共同體內(nèi)通過合作討論，確定實現(xiàn)巡線小車設(shè)計功能的方法。例如：需要搭建的小車外形是什么樣的？灰度傳感器安裝在哪？需要什么樣的程序流程？調(diào)試程序過程中可能會遇到哪些問題？學(xué)生最終確定設(shè)計方案，繪制程序流程草圖。

4）制作原型，建模測試。教師引導(dǎo)學(xué)生動手搭建并且進行編程，鼓勵學(xué)生自行探索，在時間有限的情況下，完成制作任務(wù)。學(xué)生通過小組合作，按照草圖進行小車搭建，安裝灰度傳感器，在圖形化編程軟件zBlockly上進行調(diào)試，尋找黑白界限值，嘗試進行邏輯編程，實現(xiàn)小車巡線功能。

5）交流指導(dǎo)，迭代修改。在巡視過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍存在的問題和困難，集中講解，幫助學(xué)生修改設(shè)計，完成制作。鼓勵學(xué)生迭代修改設(shè)計制作，完善自己的作品。學(xué)生認真聽取教師的講解，解決自己在設(shè)計制作過程中出現(xiàn)的問題，進行迭代設(shè)計制作，完善自己的作品。

6）分享評價，完成實踐。組織學(xué)生進行分享，分享自己作品設(shè)計的初衷、特點以及在制作中遇到的困難等。同時組織學(xué)生對自己和別人的作品進行評價，取長補短。最后進行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生加深對工程思維的理解以及在之后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)運用這種思維。學(xué)生進行分享和評價，熟悉工程思維的流程，以便以后解決同類問題。

5 總結(jié)與分析

將工程思維培養(yǎng)融入創(chuàng)客教育中，既有利于創(chuàng)客教育的良性發(fā)展，也為工程思維的培養(yǎng)提供了很好的載體和途徑。實踐表明，筆者構(gòu)建的面向工程思維的小學(xué)創(chuàng)客教育教學(xué)模型能有效促進小學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，本次研究的成果也為創(chuàng)客教育的發(fā)展和工程思維的培養(yǎng)提供了很好的借鑒。

參考文獻

[1]鐘柏昌.創(chuàng)客教育究竟是什么：從政策文本、學(xué)術(shù)觀點到狹義創(chuàng)客教育定義[J].電化教育研究，2019（5）：5-11.

[2]丁婧.STEM教育中的工程思維培養(yǎng)[J].物理之友，2018（09）：4-6.

[3]王美茹.小學(xué)智能硬件課程中工程思維培養(yǎng)的行動研究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2018.

[4]王榮良.機器人教育與工程思維關(guān)系之研究[J].中國教育信息化，2008（24）：27-29.

[5]王奇?zhèn)?小學(xué)STEM課程中工程思維培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2016.