STEM教育理念下培養(yǎng)學(xué)生工程思維的課程研究

李松林

摘要：根據(jù)李伯聰提出的科學(xué)—技術(shù)—工程三元論，人類的社會活動方式包括科學(xué)活動、技術(shù)活動和工程活動三類，與上述三種活動相對應(yīng)，我們需要科學(xué)思維、技術(shù)思維與工程思維是三種相互聯(lián)系、相互區(qū)別又相互滲透的思維——即工程思維。STEM教育是學(xué)科融合的教育，強(qiáng)調(diào)給學(xué)生創(chuàng)設(shè)實(shí)際情境，是發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的一種教育模式。在現(xiàn)實(shí)情境中，工程思維與STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)融合，有助于STEM項(xiàng)目化課程的開展。

關(guān)鍵詞：STEM教育;工程思維;榫卯結(jié)構(gòu)

一、工程思維的重要意義

在STEM教育中，“科學(xué)”“數(shù)學(xué)”以科學(xué)思維為主，強(qiáng)調(diào)理論;“技術(shù)”以技術(shù)思維為主，強(qiáng)調(diào)解決實(shí)際問題的能力。從思維方法來看，這兩種思維都是偏向理性，重點(diǎn)關(guān)注在思維的邏輯性和客觀性;工程思維離不開親身實(shí)踐，可以被認(rèn)為包括邏輯思維、形象思維和頓悟思維，做到了思維的整體性、人文性和實(shí)踐性的統(tǒng)一。三種思維在STEM教育中的共同存在才有利于學(xué)生作為全人的思維全面提升，缺一不可。因此，在STEM教育中，工程思維具有重要而獨(dú)特的意義，它與STEM教育理念高度契合，互相促進(jìn)。

首先，工程思維來源于生活實(shí)際，是對實(shí)際生活問題的解決，因此具有實(shí)踐性。工程思維首先強(qiáng)調(diào)可行，對潛在問題進(jìn)行深度挖掘，尋找現(xiàn)實(shí)可行性的方法，解決理想和現(xiàn)實(shí)之間的矛盾，幫助我們跨越理想與現(xiàn)實(shí)的鴻溝。它能將潛在的待解決問題轉(zhuǎn)變成符合我們需要的結(jié)果，工程思維所具有的實(shí)踐性，可以幫助我們面對實(shí)際問題做到有條不紊，工程思維的實(shí)踐性特征表明他對于人的成長實(shí)實(shí)在在的積極作用。

其次，工程思維強(qiáng)調(diào)改變、改進(jìn)。正因?yàn)槿绱?，工程思維具有創(chuàng)新性，這種創(chuàng)新更是具有方向性、目標(biāo)性，因?yàn)橛刑囟ǖ臉?biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行約束，工程思維活躍靈動卻又緊扣實(shí)際，讓我們有所抓手。它和創(chuàng)新思維并不相同，因?yàn)閯?chuàng)新思維天馬行空，更具有跳躍性、更加關(guān)注想象力的發(fā)展，靈動有余卻不容易把握。

再次，工程思維具有綜合性。我們?nèi)菀装压こ趟季S與理性思維等同，實(shí)際上，工程思維是一種更為復(fù)雜的思維方式。理性思維注重事實(shí)，強(qiáng)調(diào)證據(jù)，工程思維在此基礎(chǔ)上，更是考慮到所要建造或建構(gòu)的對象和目標(biāo)，同時(shí)與周邊實(shí)際緊密結(jié)合，是基于充分實(shí)踐基礎(chǔ)上的理性認(rèn)識，是一種實(shí)用性思維。工程思維不光具備科學(xué)思維和技術(shù)思維的特點(diǎn)，更需要具備綜合判斷和選擇的能力，這恰恰是工程思維的魅力所在，他的綜合性讓他基于理性、基于實(shí)際，卻又能夠幫助解決問題，高于生活實(shí)際。

二、榫卯結(jié)構(gòu)——中國傳統(tǒng)建筑文化的瑰寶

中國有著五千年的悠久歷史，傳統(tǒng)文化歷久彌新，充滿著生命力。以紅木家具為代表的中國傳統(tǒng)家具藝術(shù)世界聞名，流傳至今，更是已經(jīng)成為世界文化遺產(chǎn)的一部分，是中國傳統(tǒng)文化的代表和驕傲。中國的傳統(tǒng)建筑文化不同于西方，它講究自然。靈動、和諧，而榫卯結(jié)構(gòu)更是中國傳統(tǒng)建筑方法的智慧體現(xiàn)。利用榫卯結(jié)構(gòu)，我們的家具甚至房屋不使用鐵釘固定，卻又結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，在人類建筑史上堪稱奇跡。這是西方現(xiàn)代建筑技藝所無法取代和模仿的，體現(xiàn)的是我們古老東方文化所獨(dú)有的工匠精神。

榫卯是在兩個(gè)木構(gòu)件上所采用的一種凹凸結(jié)合的連接方式。榫卯結(jié)構(gòu)是榫和卯的結(jié)合，可有效地限制木件向各個(gè)方向的扭動。用最少的材料，做出最精細(xì)的建筑，這便是榫卯結(jié)構(gòu)的魅力所在。

榫卯結(jié)構(gòu)應(yīng)用于房屋建筑后，雖然每個(gè)構(gòu)件都比較單薄，但是它整體上卻能承受巨大的壓力。這種結(jié)構(gòu)不在于個(gè)體的強(qiáng)大，而是互相結(jié)合，互相支撐，體現(xiàn)了中華文化中的和諧統(tǒng)一。

筆者工作所在的白蒲鎮(zhèn)保留著眾多古巷以及古建筑，榫卯結(jié)構(gòu)隨處可見，讓我們感受到了古代木工技藝的高超。白蒲的紅木家具作為特色產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，有著悠久的歷史。筆者工作所在的學(xué)校設(shè)置了多個(gè)實(shí)踐基地，開展了多個(gè)項(xiàng)目，有效的依托地方特色培養(yǎng)師生的工程思維。師生能夠更好的進(jìn)行實(shí)地考察和學(xué)習(xí)，找準(zhǔn)了培養(yǎng)工程思維的切入點(diǎn)。在日常實(shí)踐中，學(xué)生利用現(xiàn)代電腦技術(shù)，對一些房屋和家具進(jìn)行榫卯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，切實(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐操作能力，讓師生感受到了STEM課程的魅力，更是有助于工程思維的培養(yǎng)。

三、找準(zhǔn)了STEM課程開發(fā)的關(guān)鍵——依托古鎮(zhèn)文化

如何進(jìn)一步挖掘工程思維？筆者認(rèn)為，可以通過具體的地方課程，讓學(xué)生在實(shí)際問題的解決中，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，切實(shí)培養(yǎng)工程思維。白蒲鎮(zhèn)作為千年古鎮(zhèn)，它的文化底蘊(yùn)毋庸置疑，深刻挖掘古鎮(zhèn)文化內(nèi)涵，是我們開發(fā)STEM課程的關(guān)鍵之處。這里傳承著眾多的文物古跡、傳統(tǒng)工藝，地方課程資源極具開發(fā)潛力。筆者就白蒲鎮(zhèn)古建筑的榫卯結(jié)構(gòu)作為課程開發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)，走訪老工匠，結(jié)合現(xiàn)代紅木廠家，就榫卯結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代建筑的聯(lián)系做了深入探究。

STEM是一種綜合性課程，有很多老師總是簡單地把STEM看成學(xué)科的融合，這是片面的。STEM課程需要結(jié)合工程項(xiàng)目，結(jié)合實(shí)際問題，形成項(xiàng)目化的研究，才可以成為STEM課程。我們把STEM課程與古鎮(zhèn)傳統(tǒng)文化進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，挖掘傳統(tǒng)文化中的工程思維，使之輔助與STEM課程的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)了師生對于STEM課程的認(rèn)識，更能夠培養(yǎng)師生的綜合思維和創(chuàng)新能力。

STEM課程和古鎮(zhèn)文化相輔相成。古鎮(zhèn)文化給了STEM課程新的研究思路，STEM課程給古鎮(zhèn)文化帶來了現(xiàn)代化的活力。我們可利用社團(tuán)、課后延時(shí)服務(wù)、綜合實(shí)踐課程等時(shí)間實(shí)施。其中課程的開發(fā)是關(guān)鍵，只有在古鎮(zhèn)文化中找到能夠開發(fā)為工程項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)，再進(jìn)行融合、編排，STEM課程才能真正具有生命力，被我們所接受。正因?yàn)槿绱?，我們?yīng)該設(shè)立穩(wěn)定的目標(biāo)，不應(yīng)該在項(xiàng)目推進(jìn)的過程中不斷的追加或者完善。在每一個(gè)目標(biāo)階段，對學(xué)生提出不同的要求。在項(xiàng)目推進(jìn)的過程中，重視對學(xué)生的評價(jià)，以此促進(jìn)學(xué)生激發(fā)STEM課程學(xué)習(xí)的熱情。

筆者就白蒲古鎮(zhèn)傳統(tǒng)的建筑文化——榫卯結(jié)構(gòu)來進(jìn)行闡述。STEM特色課程開發(fā)研究具有圍繞明確的終極目標(biāo)各自確定階段任務(wù)的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)要求學(xué)生具有高階思維技能、問題解決能力，以及更廣泛的學(xué)習(xí)。階段任務(wù)的不一致，不是教學(xué)放任，而是對學(xué)生差異性的充分尊重;階段任務(wù)的不一致，正是對學(xué)生主體性的充分體現(xiàn)。

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，知識沒有經(jīng)過實(shí)際的檢驗(yàn)，則不能令我們信服，在STEM課程的學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力非常重要?！爸R”可以簡單記誦，可以依托書本，講解傳授，但是“經(jīng)驗(yàn)”不行，“經(jīng)驗(yàn)”來自于親身經(jīng)歷，鼓勵學(xué)生去做事情，去完成活動，這才能形成豐富的經(jīng)驗(yàn)。STEM所需的知識僅靠教師的傳授已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足項(xiàng)目活動開展的需求，因此，我們的教師需要傳授的不僅僅是知識，更重要的是交給學(xué)生獲取知識、甄別篩選知識、整理提煉知識以及運(yùn)用知識解決問題的能力。我們把現(xiàn)代的STEM課程理念與傳統(tǒng)文化結(jié)合，這種結(jié)合不能是簡單的知識點(diǎn)整合，STEM課程與古鎮(zhèn)文化的聯(lián)系必須通過實(shí)際研究來確定，而“榫卯結(jié)構(gòu)”則是一個(gè)很好的研究重點(diǎn)。

作為工程和技術(shù)的核心過程，設(shè)計(jì)成為教授STEM內(nèi)容的有效手段。在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)會辨別問題或需求，思考各種選擇及其約束條件，經(jīng)歷制定計(jì)劃、建模型、用迭代方法解決問題，基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)促使學(xué)生成為批判性的思考者和問題的解決者。制作是設(shè)計(jì)方案的具體落實(shí)，這一過程中有我們熟悉動手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、組織規(guī)劃能力等，當(dāng)然在制作的過程中，我們還得關(guān)注 “修補(bǔ)能力”。筆者學(xué)校的學(xué)生通過實(shí)地考察，通過電腦設(shè)計(jì)房屋造型，對榫卯結(jié)構(gòu)的研究和復(fù)制，體現(xiàn)了我校學(xué)生的工程思維和對STEM理念的深刻理解。

四、總結(jié)

STEM教育理念對學(xué)生工程思維培養(yǎng)可以體現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力、突破創(chuàng)新的能力、溝通協(xié)作的能力。因此，重視小學(xué)生課程的設(shè)置，增加工程思維培養(yǎng)的活動課程顯得意義非凡。作為科技工作者，我們更應(yīng)該挖掘本地的教學(xué)資源，依托本地優(yōu)秀的文化，吸引更多的師生加入到特色STEM課程的研究中來。以榫卯結(jié)構(gòu)為代表的地方特色建筑文化恰恰符合筆者的研究要求，在未來，筆者更會依托于古鎮(zhèn)文化，繼續(xù)研究能和STEM工程思維結(jié)合的傳統(tǒng)文化，最終的目的都指向課程的編寫，讓學(xué)生工程思維的培養(yǎng)能夠真正有抓手。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁婧.STEM教育中的工程思維培養(yǎng)[J].物理之友，2018，34（9）：4-6.

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