指向工程思維培養(yǎng)的通用技術(shù)課程建模教學探討

0 引言

2016年9月發(fā)布的《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》總體框架將實踐創(chuàng)新列為六大核心素養(yǎng)之一[]。具有工程思維，能將創(chuàng)意和方案轉(zhuǎn)化為有形物品或?qū)σ延形锲愤M行改進與優(yōu)化等被認為是實踐創(chuàng)新素養(yǎng)的重要內(nèi)容。在《普通高中通用技術(shù)課程標準（2017年版2020年修訂）》中，工程思維被列為五大學科核心素養(yǎng)之一，該標準強調(diào)了通用技術(shù)課程在提升學生思維能力方面的重要使命。然而，通用技術(shù)課程長期以來以簡單的實踐活動為主，如畫草圖、鋸材料、制作小工藝品，缺乏深厚的思維內(nèi)涵。因此，如何在通用技術(shù)課堂中有效培養(yǎng)學生的思維能力，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

本文以通用技術(shù)課程控制系統(tǒng)的設(shè)計為例，探討如何通過模型建構(gòu)設(shè)計有效的教學路徑，以提升學生的工程思維能力和實踐能力。

1建模教學的內(nèi)涵與方法

1.1建模教學的內(nèi)涵

建模教學可分為認知和建構(gòu)兩方面。本文所涉及的模型主要指思維模型，它揭示和解釋原型的內(nèi)部運行機制，使人對其本質(zhì)有更精準的理解[2]。左開俊[3]指出，模型建構(gòu)是通過模型幫助學生形成科學推理的基本方式；吳星等4認為這是運用模型思想認識事物和解決問題的思維方法；劉路路 [5]則認為模型建構(gòu)是先建立對一般系統(tǒng)的認識，再遷移加深，最終形成思維建模。

綜上所述，在培育工程思維的過程中，模型的認知與建構(gòu)是運用概括、歸納、抽象等思維方式對實踐中獲取的信息進行加工，形成對客體屬性、特征的理解和認識。

1.2基于工程思維的模型認知與建構(gòu)方法

工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的籌劃性思維，模型認知與建構(gòu)是評價工程思維素養(yǎng)的指標之一?；诠こ趟季S的模型認知與建構(gòu)首先需要明確學習目標，強調(diào)培養(yǎng)學生的工程思維能力，包括批判性思維、創(chuàng)造性思維和系統(tǒng)思維。其次，選擇適合的思維模型和實際案例，設(shè)計分步建構(gòu)活動，鼓勵小組合作，同時考量初步模型中的各量化元素的適用性，對心智模型進行修正[6]。最后，通過情境模擬讓學生應(yīng)用所建構(gòu)的模型，并反思、評估形成閉環(huán)（圖1）。

2基于建模教學的案例分析

如圖1所示，原型構(gòu)建、模型效化、解模用模是發(fā)展工程思維素養(yǎng)的三個遞進環(huán)節(jié)。如何基于這三個遞進環(huán)節(jié)實施發(fā)展工程思維素養(yǎng)的教學？筆者以控制系統(tǒng)的設(shè)計新授課為例進行剖析。

2.1 原型構(gòu)建環(huán)節(jié)

任務(wù)一：原型呈現(xiàn)

通過教材情境和案例，引入學生熟悉的抽水控制系統(tǒng)模型技術(shù)活動，引導(dǎo)學生從案例理解最簡單的系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架。

任務(wù)二：原型剖析

1）實物模型展示：水位控制抽水模型。2）引導(dǎo)學生分析水位控制抽水模型的工作原理（在實物模型中標注出各個部分的名稱），思考在抽水模型觸發(fā)抽水后各個部分的作用，在腦海中映射模型。

任務(wù)三：原型變式

引導(dǎo)學生分析問題：根據(jù)以下功能修改系統(tǒng)，

評估與反思

單一 復(fù)雜

情境 情境 原型構(gòu)建 模型效化 解模用模 簡化、抽象、相 直覺、假定、驗 修正心智模型 似（科學方法） 證、證實模型需要進行哪些調(diào)整？

圖1模型認知與建構(gòu)的過程

1）同型變式：實現(xiàn)水位到達后定時控制水泵抽水——開環(huán)；2）同型變式：實現(xiàn)水位高度在一定范圍內(nèi)閉環(huán)；3）異型變式：水位到達后進行聲光報警開環(huán)；4）異型變式：控制水池內(nèi)的溫度在一定的范圍內(nèi)——閉環(huán)。

任務(wù)四：模型構(gòu)建

1）引導(dǎo)學生基于控制系統(tǒng)的工作原理構(gòu)建雨水收集控制系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)控制應(yīng)用模型，如圖2所示。

2）案例分析：通過本節(jié)課的模型建構(gòu)，從單一、簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)原型呈現(xiàn)開始，利用生活中和教材中常見或者經(jīng)典的事實作為對象，對呈現(xiàn)的模型原型進行推理和分析，從而揭示控制系統(tǒng)設(shè)計的本質(zhì)或規(guī)律；再利用變式對設(shè)計主體進行變換，反向推理，實現(xiàn)觸類旁通、舉一反三；最后，在學生現(xiàn)有的認知基礎(chǔ)上概括一般原理，形成心智模型，即構(gòu)建模型，如圖3所示。

2.2 模型效化環(huán)節(jié)

模型效化是指對映射的心智模型進行優(yōu)化和改進，使其更有效地反映現(xiàn)實系統(tǒng)或現(xiàn)象的過程。這一過程通常涉及對模型的分析、驗證和調(diào)整，以提高模型的準確性、可靠性和實用性。

圖2雨水收集控制系統(tǒng)應(yīng)用模型

任務(wù)一：強化模型理解

1）情境剖析：在校園雨水收集與利用系統(tǒng)中，需要對雨水進行收集、凈化處理，滿足校園綠化、公共衛(wèi)生方面的用水需求。從系統(tǒng)的設(shè)計要求來看，該系統(tǒng)的輸入和輸出對應(yīng)關(guān)系是什么？

2）系統(tǒng)分解：校園雨水收集與利用系統(tǒng)從設(shè)計到多功能實現(xiàn)，需要根據(jù)實際需求劃分子系統(tǒng)。例如，輸入為雨水，系統(tǒng)可劃分為屋面雨水收集子系統(tǒng)、地面雨水收集子系統(tǒng)和中水處理、溢水處理等子系統(tǒng)；輸出為供水，可劃分為樓房供水子系統(tǒng)、綠地供水子系統(tǒng)等。

任務(wù)二：破解模型認知誤區(qū)

1）解惑：如何理解系統(tǒng)設(shè)計中，不是簡單地把各方案集中在一起，這樣做往往會適得其反。系統(tǒng)設(shè)計不是單一的開環(huán)或者閉環(huán)控制過程，需要根據(jù)實際情況合理運用不同控制方式，構(gòu)建系統(tǒng)模型的意義就是將各個獨立的子系統(tǒng)有機結(jié)合起來，實現(xiàn)共同的系統(tǒng)目標。

2）案例分析：面對復(fù)雜模型的構(gòu)建，學生初期往往只能采用單一的設(shè)計方式，缺乏整體思路。因此，需要將模型構(gòu)建分解，將初步的構(gòu)建思路應(yīng)用到更復(fù)雜的情境中，以提高對模型的認知和理解。以設(shè)計簡單的自動化控制系統(tǒng)（如溫度控制器）為例，學生可以首先建立初步模型并進行實驗，收集反饋數(shù)據(jù)（如溫度波動、響應(yīng)時間），識別不足并迭代改進。這種反饋機制可以幫助學生理解模型在工程思維中的重要性和如何通過調(diào)整優(yōu)化設(shè)計。通過實踐，學生逐步掌握復(fù)雜模型構(gòu)建的思維過程，培養(yǎng)工程思維和實踐能力，同時增強批判性思維和問題解決能力，為應(yīng)對未來復(fù)雜工程問題做好準備。

2.3解模用模環(huán)節(jié)

在確認問題后，經(jīng)過直覺的假定、聯(lián)系等思維過程去嘗試解決問題，應(yīng)用原型模型概括出一個解決問題的初步模型。初步模型構(gòu)建后，再用分析、比較、權(quán)衡等工程思維去求解這個模型，進而應(yīng)用于實踐，并證實、修改和檢驗?zāi)Ｐ汀?/p>

任務(wù)一：模仿性應(yīng)用

1）情境剖析：分析活動手冊中的“校園太陽能發(fā)電系統(tǒng)”設(shè)計，提出需要解決的具體問題和普遍方法，列出每一種方法可能會受到的限制。

2）案例分析：建模教學是一種漸進式的教學路徑，將前期遇到的類似工程問題通過類比、思考、實踐等方法將問題的表征作進一步的創(chuàng)造和轉(zhuǎn)換；通過前期的學習，學生已經(jīng)形成一種解決相關(guān)控制設(shè)計問題的心智模型，從模型建構(gòu)的規(guī)律來看，學生通常會借助前期的案例分析、解決現(xiàn)有問題，繼而得出合理的初步形態(tài)，獲取設(shè)計對象的獨特屬性和性質(zhì)，為下一步的模型構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

任務(wù)二：創(chuàng)造性應(yīng)用

1）任務(wù)分解，假定模型：根據(jù)情境分析，識別出實現(xiàn)各功能的技術(shù)細節(jié)，明確制約條件和各種影響因素，列出解決具體問題的方案，如蓄電池電源管理、追光控制系統(tǒng)、充電指示和低電壓報警等控制系統(tǒng)模型。

2）模型求解，驗證假定：運用前期所學知識，整合科學、技術(shù)、數(shù)學、工程等方面的知識，進行方案設(shè)計與制作。

3）案例分析：建模的目的是將模型應(yīng)用于實踐，以驗證和解決技術(shù)問題，并建立解決復(fù)雜技術(shù)問題的思維框架。只有將模型應(yīng)用于實踐，才能彰顯其價值，且學生只有經(jīng)歷模型應(yīng)用環(huán)節(jié)，才能深化和鞏固對模型本質(zhì)的理解，實現(xiàn)知識向能力的轉(zhuǎn)化。

在創(chuàng)造性應(yīng)用模型的環(huán)節(jié)中，通過任務(wù)分解、假定模型和模型求解、驗證假定這兩個步驟，學生能夠?qū)π拚蟮男闹悄Ｐ瓦M行實踐，利用該模型求得問題的解答，并對相似情境進行詮釋。這樣，學生能夠?qū)崿F(xiàn)以點帶面的思維建構(gòu)效果，從而形成模型建構(gòu)教學的閉環(huán)設(shè)計。通過這種方式，學生不僅能應(yīng)用模型解決具體問題，還能在更廣泛的情境中運用所學知識，促進工程思維的培養(yǎng)，如圖4所示。

圖4解模用模

3指向工程思維培養(yǎng)的通用技術(shù)課程建模教學路徑

根據(jù)從上述案例分析中得到的啟示，反思在通用技術(shù)課程建模教學中值得深入思考的三個方面。

3.1基于真實情境，提出問題與假設(shè)

問題與假設(shè)的形成是通過顯性控制現(xiàn)象，將學生已有知識與新現(xiàn)象連接，激發(fā)其對問題的思考。1）選擇與學生生活相關(guān)的情境。2）進行觀察與分析，關(guān)注細節(jié)和變化，思考影響因素的關(guān)系。3）提出探索性問題，例如：“下雨天能否收集校園雨水用于廁所沖洗和綠化澆灌？”并基于觀察形成假設(shè)，如構(gòu)建雨水輸入輸出模型。4）通過技術(shù)設(shè)計與實驗驗證假設(shè)的正確性。5）鼓勵學生反思結(jié)果與假設(shè)的關(guān)系，并引導(dǎo)他們提出新問題與假設(shè)，繼續(xù)探索。通過這一過程，學生不僅能提出問題與假設(shè)，還能提升批判性思維能力和科學探究能力。

3.2建構(gòu)思維模型，貫通理論與實踐

在指向工程思維培養(yǎng)的建模教學路徑中，建模是手段，而認知與運用是目的。因此，教學應(yīng)重視培養(yǎng)學生揭示本質(zhì)規(guī)律并運用模型解決問題的思維能力。建模與通用技術(shù)課程教學相輔相成：1）建模整合科學、數(shù)學和工程等學科知識，促進跨學科理解，契合通用技術(shù)課程的綜合性特點；2）建模強調(diào)動手操作和實際項目，增強學生解決實際問題的能力，符合通用技術(shù)課程的實踐導(dǎo)向；3）建模鼓勵創(chuàng)新思維，學生可以在設(shè)計和優(yōu)化模型的過程中探索新解決方案，提升設(shè)計能力。

在上述課例中，通過逐步構(gòu)建控制系統(tǒng)模型，學生全程參與了原型模型的論證、推理和歸納，揭示了控制系統(tǒng)的本質(zhì)與規(guī)律，使認知過程簡單明了。這種模型不僅與理論緊密結(jié)合，還兼顧實踐，通過實踐反饋幫助學生深入理解控制系統(tǒng)的內(nèi)涵，為發(fā)展工程思維素養(yǎng)提供了新路徑。

3.3依據(jù)教學設(shè)計，創(chuàng)建學習支架

建模和用模是培養(yǎng)工程思維的重要教學環(huán)節(jié)，應(yīng)關(guān)注兩個方面：1）運用模型解釋技術(shù)問題，揭示其本質(zhì)；2）運用模型自主制定整體解決方案，明確限制并提出針對性策略，從而形成解決復(fù)雜技術(shù)問題的思維框架。

在教學設(shè)計中，有兩個關(guān)鍵問題值得思考：1）選擇何種學習支架幫助學生揭示問題本質(zhì)；2）搭建多少支架。

支架的類型應(yīng)根據(jù)具體問題而定，可以搭建資源型支架，提供有用信息；或策略型支架，通過實驗、實例和技巧等提供多樣化的策略指導(dǎo)；或建議型支架，教師進行適當引導(dǎo)。支架的數(shù)量需考慮情境和任務(wù)難度，以確保心智模型的使用頻率達到一定程度，從而有效形成解決問題的思維能力。

4結(jié)束語

模型認知與構(gòu)建包含原型建構(gòu)、模型效化和解模用模三個遞進環(huán)節(jié)。建模教學旨在引導(dǎo)學生理解原理和認識本質(zhì)，內(nèi)化核心能力，遵循由易到難、由低到高的應(yīng)用程序，即從構(gòu)建原型到構(gòu)建心智模型，再通過模型效化不斷破解困惑、優(yōu)化認知。最終，通過對模型的反復(fù)運用，學生對模型形成新的理解，從而使工程思維的培養(yǎng)通過建模教學融入學生的問題思考過程，形成一個不斷建立和修正的動態(tài)過程。

5 參考文獻

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[6]左開俊．基于學科核心素養(yǎng)培育的建模式教學實踐路徑[J].中學生物教學，2021（19）：34-37.