基于通用技術(shù)教學(xué)的高中生工程思維培養(yǎng)

應(yīng)雪情

◆摘? 要：工程思維是通用技術(shù)五個核心素養(yǎng)之一，它對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力非常重要。分析總結(jié)學(xué)生常錯的幾種類型題目發(fā)現(xiàn)也與學(xué)生工程思維薄弱有關(guān)。因此在教學(xué)中要重視對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)。本文以金工實踐這節(jié)課為例，探討了如何在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。即學(xué)生小組為單位，根據(jù)開放式的目標(biāo)進(jìn)行方案設(shè)計規(guī)劃然后實施方案，在方案實施過程中，主動去發(fā)現(xiàn)問題、反思，再回過來修改方案，這樣一個循環(huán)，直到得到滿意的成果。

◆關(guān)鍵詞：通用技術(shù);核心素養(yǎng);工程思維

新時代對我們普通高中學(xué)生提出了新的要求，對我們通用技術(shù)教學(xué)也提出了新的要求。2017年年底教育部印發(fā)的《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）指出，普通高中通用技術(shù)課程的主旨是提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括技術(shù)意識、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達(dá)、物化能力五個方面。工程思維作為三元思維（科學(xué)思維、技術(shù)思維、工程思維）之一，已經(jīng)成為了21世紀(jì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力必備的思維能力，而基于工程思維的教學(xué)，更應(yīng)該從小抓起。

一、存在的問題

什么是工程思維？徐長福在《理論思維與工程思維——兩種思維方式的僭越與劃界》一書中專門對兩種相互聯(lián)系、相互區(qū)別、相互滲透的理論思維和工程思維進(jìn)行了多方面的區(qū)分和闡述。他認(rèn)為：人類有兩種旨趣殊異的思維活動，一種是認(rèn)知，一種是籌劃。認(rèn)知是為了弄清對象本身究竟是什么樣子，籌劃是為了弄清如何才能利用各種條件做成某件事情，認(rèn)知型思維的高級形式就是理論思維，籌劃型思維的高級形式就是工程思維。工程思維在自然學(xué)科，在人文學(xué)科甚至于日常生活中的方方面面都非常重要。

在高考指揮棒下，學(xué)生很少有機(jī)會去實踐、操作，而通用技術(shù)課程是一門注重提高學(xué)生的實踐能力，注重培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神的學(xué)科。對于學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，通用技術(shù)課的作用顯得格外重要。

目前我們學(xué)生的工程思維普遍是比較欠缺的。

學(xué)生習(xí)慣用理論思維去看問題。從小學(xué)到高中，學(xué)生接觸比較多的是數(shù)學(xué)、物理等理論思維，理論思維是比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模峭ㄟ^邏輯推理，或者大量的實驗、大量的數(shù)據(jù)歸納總結(jié)出的結(jié)論、規(guī)律，所以它的結(jié)果、答案比較唯一。如果學(xué)生用理科思維去解決通用技術(shù)上遇到的問題，往往會碰壁。

比如在系統(tǒng)分析里面，系統(tǒng)優(yōu)化的影響因素。

2017年浙江衢麗湖舟聯(lián)考的14題：

如圖所示為某汽車門禁系統(tǒng)示意圖。車門把手①內(nèi)的傳感器一旦檢測到有物體靠近，主控單元②通過低頻天線③發(fā)送一個喚醒信號，該信號激活車主身上的汽車鑰匙發(fā)送器④，汽車鑰匙發(fā)送器與RFID接收器⑤交換信息，如果信息與主控單元2內(nèi)置信息匹配，汽車門鎖打開。請完成以下任務(wù)：

（4）為了提高該門禁控制系統(tǒng)的可靠性，以下因素中，不屬于系統(tǒng)優(yōu)化的影響因素的是_______（①傳感器的靈敏度;②人手溫度和濕度的變化;③系統(tǒng)的制造和使用成本中選擇合適的選項，將序號填寫在“_______”處）

答案選②。人手溫度和濕度的變化對整個控制過程幾乎沒有影響，學(xué)生是比較容易選出來的。

同時，學(xué)生也通過這個題目習(xí)慣性的總結(jié)出，傳感器的靈敏度是系統(tǒng)優(yōu)化的影響因素。再多做幾個相類似的題目，就更加肯定自己總結(jié)出來的結(jié)論。于是，碰到傳感器靈敏度就條件反射的把它歸入系統(tǒng)優(yōu)化的影響因素。當(dāng)碰到下面這個題時，問題出來了。

2016年4月的浙江選考第14題：

如圖所示為車間溫度控制系統(tǒng)示意圖。當(dāng)傳感器檢測到室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值的上限時，控制器發(fā)出信號，連通水泵和風(fēng)機(jī)電源，水泵向進(jìn)氣窗輸送冷卻水形成水簾，風(fēng)機(jī)將室內(nèi)的空氣排出，室外的空氣通過水簾降溫后進(jìn)入室內(nèi)，降低室內(nèi)溫度。當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值的下限時，斷開水泵和風(fēng)機(jī)電源。請根據(jù)示意圖和描述，完成以下任務(wù)：

（4）為了提高該系統(tǒng)的降溫效果，有效的優(yōu)化措施是_______和_______（在①增大進(jìn)氣窗和水簾面積;②降低溫度設(shè)定值;③加大排風(fēng)量;④提高傳感器的靈敏度中選擇合適的選項，將序號填寫在“_______”處）。

答案是①和③。

這個題目學(xué)生的錯誤率比較高，容易慣性思維選擇④提高傳感器的靈敏度。

汽車門禁系統(tǒng)里傳感器的靈敏度提高對整個系統(tǒng)的可靠性作用比較明顯，是主要因素。而在車間溫度控制系統(tǒng)里面，傳感器的作用是檢測溫度，檢測是否達(dá)到了上限和下限，靈敏度的提高，只是提高了檢測的溫度的精度，對于整個系統(tǒng)的降溫是快還是慢影響不大。所以傳感器的靈敏度在車間溫度控制系統(tǒng)里面是次要因素。

當(dāng)我們在解決實際問題過程中，我們要考慮的因素很多，工程思維要求我們：有的時候不可能面面俱到，抓主要矛盾，具體問題具體分析，同樣的一樣?xùn)|西，在這個系統(tǒng)里是主要因素，而在另外的系統(tǒng)里又是個次要因素;有的時候又要多個因素綜合考慮，不能顧此失彼，因小失大。

工程思維還有一個特點是沒有最好的，只有最合適的。

如安排加工流程，加工同一個東西，可以有不同的流程。如圖1的工件，加工流程可以是：劃線→鋸割→銼削→鉆孔→彎折

劃線→鋸割→銼削→彎折→劃線→鉆孔

學(xué)生又會糾結(jié)于彎折到底是放前面還是放后面。如果要求側(cè)面的兩個孔必須正對，也就是對孔的位置精度要求高，那就要先彎折，再去找孔的位置。如果沒有這個要求，那么優(yōu)先考慮的是怎么樣加工方便，那等銼削鉆孔好了后再彎折。

因此，在教學(xué)過程中重視對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，不單有利于思維的提升，對解題也很有幫助。

二、教學(xué)案例

本文以金工加工為例，來探討怎樣培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

1、教學(xué)目標(biāo)的開放性使工程思維培養(yǎng)成為可能。[4]因此我們金工實踐的內(nèi)容要盡可能得開放一點。我們給學(xué)生一塊鋁板，讓學(xué)生自己加工出想要的東西，唯一的要求是盡可能得把學(xué)過的加工步驟（劃線、鋸割、銼削、鉆孔等）用上去。

2、小組合作，才能碰撞出思維的火花。讓學(xué)生自由組合，2個人一組，要求一起參與、探討、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

3、籌劃設(shè)計，給出方案。設(shè)計規(guī)劃是工程活動的起點，我們要求學(xué)生畫出方案的機(jī)械加工圖，并寫出加工流程，以及流程中所涉及到的步驟在操作時的注意事項。設(shè)計除了有好的想法還需要表達(dá)出來，在機(jī)械加工中我們一般用機(jī)械加工圖。

讓學(xué)生畫機(jī)械加工圖，還有利于學(xué)生解決選考中尺寸標(biāo)注這個選擇題。選考?？嫉囊粋€題目是讓學(xué)生找尺寸標(biāo)注錯誤的、漏標(biāo)的、重標(biāo)的，這是教學(xué)過程中的一個難點。尺寸標(biāo)注的規(guī)則千萬條，始終離不開一條，即為了方便加工、為了能夠讀懂圖。所以讓學(xué)生動手去畫一遍，很多規(guī)則就自然而然能夠理解了。比如說圓心位置的標(biāo)注。

4、方案實施。這個階段要求學(xué)生在操作過程中注意觀察，把出現(xiàn)的問題記錄下來。往往到這個階段才暴露出學(xué)生的不足。我國基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生長期以來受追求唯一標(biāo)準(zhǔn)答案的影響，在受教育過程中對于非良構(gòu)問題的涉及不足，導(dǎo)致規(guī)劃設(shè)計能力相對較弱。[5]在設(shè)計方案時學(xué)生除了要設(shè)計出自己想要的作品，也就是考慮美觀因素，還需要考慮到實驗室現(xiàn)有的條件（只有手工加工以及鉆孔工具），以及加工時間（在三個課時內(nèi)完成）。如下圖所示是學(xué)生設(shè)計的一個方案。

該組同學(xué)在加工中遇到了時間來不及的問題以及加工難度大的問題。他們就是只抓住了美觀這個條件，忽略了其他兩個條件。教師本可以在學(xué)生方案設(shè)計好后，在去實驗室實際操作前就告訴他們方案存在的問題，但這樣不利于讓它體會設(shè)計需要考慮多方面因素。讓學(xué)生自己在操作過程中親自體驗，才能在以后的設(shè)計中多籌劃，培養(yǎng)工程思維，習(xí)慣用工程思維考慮問題。

鑒于此，我們在這個步驟后面再加了一個小組討論，解決記錄下來的問題，完善設(shè)計方案。

在加工過程中同一個方案可以用不同的加工流程實現(xiàn)。如圖2所示，左邊的U型槽，可以用“劃線→鉆孔→銼削”實現(xiàn)，也可以用“劃線→鉆孔→鋸割→銼削”實現(xiàn)。同一組同學(xué)可以用兩種不同的方法制作，選擇適合自己的。

5、小組討論，問題反思，完善方案。

6、作品展示。

對于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，我們這塊內(nèi)容還有可以改進(jìn)的地方。工程思維包括工程決策思維、工程設(shè)計思維、工程實施思維以及工程評價思維。對于評價在本節(jié)課中涉及的比較少，后期改進(jìn)，可以加入成本因素的考慮，比如要流程化批量加工，把設(shè)備的成本、人工的成本等。

總之培養(yǎng)學(xué)生工程思維，值得我們更加深入得去研究。

參考文獻(xiàn)

[1]普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）.

[2]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.

[3]徐長福.理論思維與工程思維——兩種思維方式的僭越與劃界[M].重慶：重慶出版集團(tuán)，重慶出版社.

[4]王穎.普通高中機(jī)器人教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程思維的行動研究[D].南京：南京師范大學(xué).

[5]丁婧.STEM教育中的工程思維培養(yǎng)[J]物理之友，2018：34（09）.