指向工程思維培養(yǎng)的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8918（2025）26-0021-04

《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）將“工程思維\"列為高中通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。工程思維關(guān)注學(xué)生的工程實(shí)踐、科技創(chuàng)新、技術(shù)決策與問題的解決，以及學(xué)生邏輯思維、批判性思維等思維方式的發(fā)展，它是“為我”的一從主體目的性出發(fā)，強(qiáng)調(diào)合規(guī)律性與合目的性的統(tǒng)一，追求人工造物的“屬人性”“為人性”“宜人性”。強(qiáng)化對(duì)工程思維的培養(yǎng)能夠推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，是國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑。高中生的工程思維需要參與完整的實(shí)踐項(xiàng)目、了解工程活動(dòng)的全過程、體驗(yàn)工程決策的復(fù)雜性和工程實(shí)施的艱巨性才能逐步形成。當(dāng)前，在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)該素養(yǎng)的培養(yǎng)面臨諸多挑戰(zhàn)，探討如何在教學(xué)中強(qiáng)化工程思維培養(yǎng)尤為必要。

一、工程思維培養(yǎng)在教學(xué)中落實(shí)的難點(diǎn)

（一）學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣局限

應(yīng)試教育背景下，學(xué)生養(yǎng)成了被動(dòng)接受知識(shí)的習(xí)慣，他們?nèi)狈χ鲃?dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)、探索意識(shí)以及合作學(xué)習(xí)的習(xí)慣，難以形成工程思維。通用技術(shù)學(xué)習(xí)中，學(xué)生缺失學(xué)習(xí)主動(dòng)性就不會(huì)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中進(jìn)行深入的系統(tǒng)分析與研究；缺失探索意識(shí)就不可能創(chuàng)新性地從多角度出發(fā)，尋求問題解決方案；缺少合作學(xué)習(xí)就難以更好地對(duì)方案權(quán)衡與優(yōu)化。

（二）教師自身能力不足

工程思維要在實(shí)踐中體驗(yàn)形成，而工程實(shí)踐涉及數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工業(yè)制造工藝等多個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域。通用技術(shù)師資要求具備多學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備。然而，現(xiàn)狀是一些學(xué)校通用技術(shù)教師由相關(guān)學(xué)科改行或兼任，對(duì)工程思維概念較為陌生，對(duì)工程實(shí)踐難以把握，導(dǎo)致工程思維培養(yǎng)難以落地。

（三）缺乏合適實(shí)踐項(xiàng)目

教學(xué)載體在通用技術(shù)教學(xué)中至關(guān)重要，它直接關(guān)系學(xué)習(xí)興趣和工程思維的形成。在當(dāng)前的通用技術(shù)教學(xué)中，制約實(shí)踐項(xiàng)自選擇的因素主要有以下兩點(diǎn)：一是教學(xué)課時(shí)緊張，周期較長的項(xiàng)目難以實(shí)施；二是教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，實(shí)踐耗材供應(yīng)難以為繼。若實(shí)踐不能有效開展，工程思維的培養(yǎng)便是紙上談兵。

二、開展跨學(xué)科的實(shí)踐活動(dòng)破解難題

STEAM教育是一種基于項(xiàng)目式跨學(xué)科的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，它要求在學(xué)習(xí)中同時(shí)關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)五個(gè)學(xué)科的融合。運(yùn)用STEAM的跨學(xué)科特性，統(tǒng)整通用技術(shù)教學(xué)內(nèi)容，采用單元教學(xué)的課程組織形式進(jìn)行教學(xué)，能夠讓學(xué)生直觀地體驗(yàn)工程思維素養(yǎng)中的系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡過程，有效破解工程思維培養(yǎng)難以落地的問題。

（一）運(yùn)用STEAM教育理念改變學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣

“實(shí)踐性”是STEAM教育的重要理念，以“實(shí)踐”激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，不僅體現(xiàn)在項(xiàng)目的實(shí)施、工具的使用、想法的實(shí)現(xiàn)上，更是一種共享與合作?！皠?chuàng)客”是STEAM教育實(shí)施的工具之一，“創(chuàng)客”所推崇的“創(chuàng)客空間”是一種工作空間、社交空間、網(wǎng)絡(luò)空間以及資源共享空間。在通用技術(shù)大單元教學(xué)過程中，教師可以通過營造“創(chuàng)客空間”的氛圍，帶領(lǐng)學(xué)生在活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)開源共享、協(xié)作共創(chuàng)、交流反思，改變學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（二）參與STEAM教育活動(dòng)提升教師科學(xué)素質(zhì)

“教師是教育的第一資源”，任何教育改革都離不開教師的助力，因此通用技術(shù)教師應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)、新知識(shí)以適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的需求。《關(guān)于弘揚(yáng)教育家精神加強(qiáng)新時(shí)代高素質(zhì)專業(yè)化教師隊(duì)伍建設(shè)的意見》提出“提升教師教書育人能力”“推進(jìn)中小學(xué)教師科學(xué)素質(zhì)提升”。教師若能積極主動(dòng)參與STEAM理念下的跨科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，化身為“創(chuàng)客”，就能夠感受更多前沿科技，不斷提升科學(xué)素質(zhì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中落實(shí)工程思維的培養(yǎng)。

（三）以STEAM跨學(xué)科視野尋找合適實(shí)踐載體

在跨學(xué)科視野下，教師充分借助科技工作坊、創(chuàng)客空間等資源與手段，會(huì)有更多的實(shí)踐項(xiàng)目選擇，以解決困擾通用技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)中的資金限制等問題。

三、指向工程思維培養(yǎng)的跨學(xué)科單元教學(xué)實(shí)施

（一）基于STEAM的單元教學(xué)總體設(shè)計(jì)思路建構(gòu)主義認(rèn)為個(gè)體的發(fā)展就是認(rèn)知結(jié)構(gòu)在與環(huán)境相互作用中不斷建構(gòu)的過程。依據(jù)該理論，通用技術(shù)教學(xué)中工程思維的培養(yǎng)應(yīng)依賴于真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析、工程實(shí)踐的開展以及反思與優(yōu)化的進(jìn)行。以通用技術(shù)必修一的單元教學(xué)為例，教師可聚焦“設(shè)計(jì)的一般過程”大概念，依托STEAM的跨學(xué)科特性，采取大單元教學(xué)模式，開發(fā)實(shí)踐項(xiàng)目，讓學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)制作全過程，在各階段為學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析與比較權(quán)衡的活動(dòng)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思與方案優(yōu)化，培養(yǎng)工程思維能力。

（二）確定項(xiàng)目主題，制訂學(xué)習(xí)目標(biāo)

活動(dòng)項(xiàng)目的選擇是培養(yǎng)學(xué)生工程思維的基礎(chǔ)。例如，“PuzzleBox（迷宮箱）\"是一種通過解謎來打開盒子的益智玩具，它設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有助于玩者在解謎過程中不斷思考、嘗試打開盒子?！癙uzzleBox\"融合了物理、數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)、工程學(xué)、美學(xué)、歷史、文化等知識(shí)。在“PuzzleBox”項(xiàng)目活動(dòng)中主要的制作材料可選擇厚度 5mm 桐木板與 5mm×5mm 桐木條，根據(jù)學(xué)生不同設(shè)計(jì)需要，還可以自行增加其他材料，如金屬材料、亞克力材料、開源硬件、傳感器等。“PuzzleBox設(shè)計(jì)制作”項(xiàng)目實(shí)踐具有制作成本低、小型化、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，有利于學(xué)校工程實(shí)踐項(xiàng)目活動(dòng)的開展。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，在制訂“PuzzleBox設(shè)計(jì)制作”學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)，首先應(yīng)關(guān)注課程標(biāo)準(zhǔn)中工程思維素養(yǎng)水平的劃分，在單元設(shè)計(jì)中明確該素養(yǎng)維度與應(yīng)達(dá)到的水平。其次應(yīng)關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。最后應(yīng)培養(yǎng)價(jià)值觀與責(zé)任感。依據(jù)以上要點(diǎn)，“PuzzleBox設(shè)計(jì)制作”單元教學(xué)設(shè)計(jì)可制訂如下學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1.通過“PuzzleBox”的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的多維度分析，掌握權(quán)衡、比較、優(yōu)化等系統(tǒng)分析方法。

2.在“PuzzleBox”項(xiàng)自設(shè)計(jì)活動(dòng)中開展小組交流合作，進(jìn)行方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)與方案的權(quán)衡篩選，提升相互溝通技巧，學(xué)會(huì)團(tuán)結(jié)協(xié)作與共享。

3.通過先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)工具在設(shè)計(jì)制作中的應(yīng)用，提高動(dòng)手能力，樹立技術(shù)規(guī)范意識(shí)和責(zé)任意識(shí)，培養(yǎng)工匠精神。

教師在組織單元教學(xué)的過程中，可以依據(jù)整體學(xué)習(xí)目標(biāo)與教學(xué)安排，進(jìn)一步細(xì)化和歸類，確定具體課時(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)，從而明確在單元教學(xué)每一節(jié)課的學(xué)習(xí)中如何落實(shí)工程思維的培養(yǎng)。例如，在方案構(gòu)思階段，引導(dǎo)學(xué)生討論制約條件和影響因素，提高工程分析能力；在模型制作階段，可鼓勵(lì)學(xué)生通過使用不同的創(chuàng)客工具，感受現(xiàn)代化工具與傳統(tǒng)工具的利弊，從而提升決策力。

（三）走進(jìn)現(xiàn)實(shí)生活，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境

真實(shí)的情境是工程思維培養(yǎng)中重要的一環(huán)，只有面對(duì)真實(shí)情境，才會(huì)促使學(xué)生運(yùn)用工程思維從多維度、多角度考慮問題，并積極使用跨學(xué)科的知識(shí)和技能去解決問題。崔允教授認(rèn)為學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的表現(xiàn)程度需要通過在真實(shí)情境中運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)并能完成某種任務(wù)來衡量，指向素養(yǎng)的評(píng)價(jià)必須有恰當(dāng)?shù)那榫?。情境的?chuàng)設(shè)直接影響工程思維素養(yǎng)的養(yǎng)成，STEAM跨學(xué)科理念下通用技術(shù)單元教學(xué)的情境可以從下面三個(gè)維度創(chuàng)設(shè)：

首先，充分利用STEAM教育的跨學(xué)科特性，從學(xué)生真實(shí)的生活問題人手，注重情境的進(jìn)階性創(chuàng)設(shè)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。例如，教師可以從中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化人手，首先介紹中國傳統(tǒng)工藝木盒的用途，如包裝、收納、擺設(shè)、娛樂等。而后啟發(fā)學(xué)生思考解決生活中印章殘留印泥污染的問題，在學(xué)生產(chǎn)生設(shè)計(jì)印章收納盒的想法之后繼續(xù)創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)學(xué)生思考能否同時(shí)解決印章私密性與趣味性的問題，最終將學(xué)生的設(shè)計(jì)思路導(dǎo)向“PuzzleBox”，制作出功能性、趣味性與私密性并重的印章收納盒。

其次，用STEAM教育手段創(chuàng)設(shè)契合大單元教學(xué)的活動(dòng)情境。通用技術(shù)大單元教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)需要團(tuán)隊(duì)合作。STEAM教育往往將想法付諸“創(chuàng)客”實(shí)現(xiàn)，“創(chuàng)客”所推崇的“創(chuàng)客空間”是一種工作空間、社交空間、網(wǎng)絡(luò)空間以及資源共享空間。在教學(xué)活動(dòng)中教師應(yīng)該積極構(gòu)建互動(dòng)平臺(tái)，營造“創(chuàng)客空間\"氛圍，帶領(lǐng)學(xué)生在活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)開源共享、協(xié)作共創(chuàng)、交流反思，

最后，STEAM教育理念下的通用技術(shù)的實(shí)踐活動(dòng)依賴各種工具的使用，因此應(yīng)該創(chuàng)設(shè)好軟、硬件工具，如CNC數(shù)控機(jī)床、激光雕刻機(jī)、開源硬件以及AutoCAD、CorelDRAW、123DDesign等電腦軟件的應(yīng)用場(chǎng)景，以此開闊學(xué)生視野，為后續(xù)設(shè)計(jì)制作做好準(zhǔn)備。

（四）跨學(xué)科內(nèi)容整合，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)路徑

跨學(xué)科學(xué)習(xí)是工程思維培養(yǎng)的關(guān)鍵，它能夠?qū)⒖茖W(xué)、工程、人文藝術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)容進(jìn)行融合，幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，解決實(shí)際問題。STEAM理念下的通用技術(shù)單元課程內(nèi)容整合，是基于問題解決的綜合形態(tài)的課程開發(fā)，它在對(duì)本學(xué)科教材內(nèi)容選擇重組的同時(shí)也融入了跨學(xué)科內(nèi)容。學(xué)生在“PuzzleBox”設(shè)計(jì)制作活動(dòng)中，可能同時(shí)涉及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、材料特性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制原理、電子基礎(chǔ)等科學(xué)問題；電動(dòng)工具的使用、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)圖樣繪制、編程技巧等技術(shù)問題；工期規(guī)劃、小組人員工作安排、方案權(quán)衡、資金使用規(guī)劃等工程問題；藝術(shù)造型、色彩搭配、背景文化元素等藝術(shù)問題，以及尺寸計(jì)算、誤差分析、數(shù)學(xué)建模等數(shù)學(xué)問題。教師進(jìn)行項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以從科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)五個(gè)方面出發(fā)，提煉跨學(xué)科元素，為學(xué)生設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)路徑。

例如，學(xué)生用厚度為 5mm 的木板來設(shè)計(jì)一個(gè)長、寬、高分別為 80mm?60mm?40mm 的盒子時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)多種設(shè)計(jì)方案，學(xué)生要權(quán)衡作品的美觀性、加工難度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及工期規(guī)劃等因素。這時(shí)就涉及技術(shù)、工程與藝術(shù)的跨學(xué)科內(nèi)容學(xué)習(xí)，在技術(shù)設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)兼顧藝術(shù)設(shè)計(jì)，而技術(shù)手段的使用可以降低藝術(shù)設(shè)計(jì)的難度。教師可以通過帶領(lǐng)學(xué)生從技術(shù)、工程、藝術(shù)等學(xué)科入手，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、現(xiàn)代電動(dòng)工具使用、藝術(shù)造型進(jìn)行更深入的研究，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)各方面進(jìn)行權(quán)衡、取舍，做出科學(xué)決策。再如，“PuzzleBox”的設(shè)計(jì)中，打開盒子的方式多種多樣，它可以是機(jī)械式打開，也可以使用電子方式打開。物理課在講“傳感器”一章時(shí)提到干簧管，干簧管屬于磁敏傳感器，它可以通過感受外部磁場(chǎng)的變化來控制電路的通斷，物理教師會(huì)引發(fā)學(xué)生思考干簧管的使用場(chǎng)合；信息技術(shù)課在學(xué)習(xí)開源硬件的使用時(shí)，信息技術(shù)教師會(huì)講授程序的分支結(jié)構(gòu)。通用技術(shù)教師可以結(jié)合物理知識(shí)、信息技術(shù)知識(shí)，運(yùn)用通用技術(shù)的物化手段，引導(dǎo)學(xué)生在“PuzzleBox\"的設(shè)計(jì)過程中，使用干簧管感受磁信號(hào)，結(jié)合Arduino開源硬件與計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“PuzzleBox”的開關(guān)控制。同時(shí)，在活動(dòng)中也可引入思政元素，通過設(shè)計(jì)活動(dòng)彰顯STEAM教育基于現(xiàn)實(shí)生活的理念，注重解決實(shí)際問題，滲透服務(wù)人民、服務(wù)社會(huì)的價(jià)值引領(lǐng)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。活動(dòng)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)各學(xué)科有側(cè)重地學(xué)習(xí)，共同完成跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，通過跨學(xué)科內(nèi)容整合培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析思想與權(quán)衡比較的工程思維能力。

（五）關(guān)注工程思維，嵌入質(zhì)性評(píng)價(jià)

質(zhì)性評(píng)價(jià)是指通過收集非數(shù)量化資料并運(yùn)用描述分析的方法得到評(píng)價(jià)結(jié)果的評(píng)價(jià)形式，通常采用行為觀察、表現(xiàn)性評(píng)價(jià)、成長記錄袋等方法。工程思維作為一種高階的思維方式，涉及“實(shí)踐”“創(chuàng)新”“系統(tǒng)”多個(gè)方面內(nèi)容，這些方面的評(píng)價(jià)通常難以用具體的量化指標(biāo)來衡量，且工程思維需要在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐的過程中逐步形成。因此，工程思維素養(yǎng)的評(píng)價(jià)應(yīng)偏向于學(xué)習(xí)過程中多角度與多維度的質(zhì)性評(píng)價(jià)，通過嵌入式的評(píng)價(jià)幫助學(xué)生及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)策略和方向。在“PuzzleBox設(shè)計(jì)制作”單元教學(xué)過程中，教師可以通過兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)工程思維的質(zhì)性評(píng)價(jià)：第一，可以采用“創(chuàng)客空間”“線上交流”“作品網(wǎng)上展示，點(diǎn)贊留言”等跨學(xué)科方法開展嵌人學(xué)習(xí)過程的質(zhì)性評(píng)價(jià)；第二，分享與協(xié)作是STEAM教育的重要理念，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在不同的設(shè)計(jì)制作階段對(duì)設(shè)計(jì)作品進(jìn)行互評(píng)，并開展分享意識(shí)與自我反思能力的評(píng)價(jià)。

例如，在“PuzzleBox”項(xiàng)目設(shè)計(jì)中涵蓋了從設(shè)計(jì)分析到加工制作再到后期產(chǎn)品維護(hù)的完整工程周期，“PuzzleBox”不僅作品本身體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)與工程之間的緊密關(guān)聯(lián)，而且它在作品的寓意、使用材料的環(huán)保性、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)等方面也值得探討。教學(xué)中，教師可以從批判性思維的角度出發(fā)，通過設(shè)計(jì)一些有針對(duì)性的問題，讓學(xué)生審視自己的作品，鑒賞他人的作品，鍛煉學(xué)生的工程思維，提高工程思維培養(yǎng)落實(shí)的效果。

四、結(jié)論

通過STEAM教育理念下的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，學(xué)生的工程思維素養(yǎng)能夠得到有效的提高。首先，跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)充分激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲，鼓勵(lì)他們不斷嘗試新的思路與方法。通過跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生鍛煉了創(chuàng)新思維和問題解決能力，從而能夠更好地應(yīng)對(duì)未來的工程挑戰(zhàn)。其次，跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)為學(xué)生提供了打破學(xué)科壁壘、促進(jìn)知識(shí)遷移的機(jī)會(huì)，使他們?cè)趯?shí)踐中不斷鍛煉和提升自己的工程思維能力。最后，團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通的能力是工程思維培養(yǎng)過程中的重要一環(huán)。通過跨學(xué)科的實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生學(xué)會(huì)了與他人合作、交流與分享。通用技術(shù)教師也可以通過跨學(xué)科的活動(dòng)提升自身科學(xué)素養(yǎng)，積極尋找合適載體，探索培養(yǎng)工程思維的課堂教學(xué)形式，設(shè)計(jì)不同層次和維度的項(xiàng)目活動(dòng)，并完善教學(xué)評(píng)價(jià)體系，做到“教一學(xué)一評(píng)”一體化，促進(jìn)學(xué)生工程思維的發(fā)展。

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[5]吳莉莉.信息技術(shù)與通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)融合創(chuàng)新實(shí)例解析[J].新教育，2023（13）：17-18.