周迎春

科学家发现已经存在的世界，工程师则是建造一个过去从来没有存在过的世界。英国教育哲学家赫斯特说：教育的中心目的是向学生传授主要的思维形式，在思维核心之外包裹的诸多知识仅仅是载体。以编程教学为例，附加其外的Scratch、mBlok，抑或大学生所在学的C++、Python，其实以后都不重要，或许若干年后又有更新的编程语言刷新替代，但是编程所涉及的诸如递归思维、迭代思维。这些核心的内容会始终保留。工程思维也是如此，它是人们在进行工程活动和工程研究过程中所形成的独特思维方式，是一种筹划型的实体思维。工程思维是运用各种知识解决工程技术问题的核心， 是人们物化创意、改造世界的一种重要素养，而这种素养的提升是需要在实践中通过个体的亲身体验来完成的。事实上，工程也正是目前STEM教育的重要组成部分，工程思维能力也是我国学生的一个短板，亟需引起重视。

工程思维的研究现状

2012 年，美国发布了国家教育进展评估的《2014 年国家教育进展评估的技术和工程素养框架》报告，该报告是对科学、技术、工程与数学的整合。我国教育部于 2011 年提出了“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养一批兼具工程能力和创新能力的高质量工程技术人才。这项计划虽然是针对高校提出的，但是可以看出，工程教育的全球性、全面化已经成为了必然，工程思维已成为当前培养学生创新精神和实践能力必须具备的思维能力。而基于工程思维的教学，更应该在K12阶段就进行规划、实施和渗透。

STEM教育的几个关键特征是基于真实生活情境、跨学科、非良构等，而工程思维可以分为工程设计思维、工程实施思维及工程消费思维。在基于项目的STEM课程实施过程中，我们尝试构建校本化STEM课程群，且在六年级段全面实施培养学生的工程思维，取得了一定的成效。

引导问题的拆解及整合，培养学生工程系统设计思维

当工程目标任务确定之后，物化之前需要个体利用固有的知识技能背景进行整体的规划设计，特别是对较为复杂的STEM项目来说更要如此。由于个体差异的存在，事实上工程系统设计思维能力也不尽相同，但是从纵向维度来看，STEM项目提供的多次“演练”能有效地提升学生这方面的水平。

“智能化宠物玩球机”是笔者《面向STEM的mBlock智能机器人》一书中的创新案例，目标任务是制作一个能与宠物玩起来的智能玩球机。它“见”到宠物后能够连续发球给宠物，让宠物主人可以暂得清闲。分组设计汇报时，关于动力装置就有用牛筋弹射、敲击势能传递、高速电机摩擦等方案，由于学生们意识到动力系统是本装置的核心，影响到整体的规划设计。因此，就以上三种动力系统进行了其他子系统的模拟策划。最后发现，前面两项均难以做到连续发射，而预估高速电机摩擦的动力方案风险较小，易于最终达成工程目标。

以上案例让学生针对要物化的创意标的进行解析，然后对影响全局的核心模块的设计方案进行抉择，进而对其他子系统，如连续送球装置、智能感应模块、发球控制阀门、高速电机转速控制对接、控制程序编制等进行策划模拟。课堂上，组织进行“可行性”方案论证，最终初步确定工程实施的整体方案。在此期间，学生还将通过搜索引擎查找文献拓宽思路或者修补知识等。此时学生虽然身处教室，却亲身经历了工程师的系统设计思维旅程。

尝试预设问题解决策略，提升工程实施运行思维能力

如果说工程系统设计还是纸上谈兵，那么工程实施则将经历短兵相接的过程，STEM项目与工程问题往往都具备非线性的特征。因此，实施主体即使能将系统设计大致一步到位，也无法预见把控每个子系统细节问题的出现，而这些认知冲突的出现反而是培养和提升工程实施思维能力的关键所在。

“集装箱搬运车”要求学生设计制作一个简易的集装箱搬运模拟装置。学生通过3DMAX构建了模型，主要通过舵机的拉动来“起重”。铲车模型在构建中要考虑舵机的安装、整体与机器人的对接、磁感应传感器的配置等，3D打印后还须进行相关的调试。掌握了3D建模技术后可以将工程设计快速成型，突破了工程实施中的障碍。模型往往一开始未必是完美的，例如，舵機还需考虑其连接线的因素，铲车感应到集装箱后勾住集装箱，防止运送过程中滑落，此时尚须继续迭代优化。但是仅需要对原有MAX模型文件进行适当的修改完善，再次按下打印命令即可。工欲善其事必先利其器，工程实施能力的提升需要掌握相应的工具软件的使用。

“智能端茶机器人”要求机器人小车巡迹在一椭圆形场地中循环。当主人将杯子放置在指定区域时，机器人自动识别目标位是否有杯子，并用机械手将茶杯端起送到指定位置。工程实施中，学生要将相关的超声波传感器、机械手等设备安装到机器人小车。在安装机械手时，还需要查阅双直流电机驱动模块的性能并进行相应的动力调试。由于机械手可抓取物体大小有限，还要3D建模打印杯子。最后最重要的是，进行程序的编制，需要达到以下几个小目标：1.巡黑线自动运行；2.感测到杯子存在转向；3.在确认杯子在正前方时停止转向，抓取杯子；4.抓取杯子继续巡迹，当感测到目标位后放置杯子，然后继续循环往复。由于机器人小车“摇摆”巡迹前行遇到杯子时的角度是个变量，因此要设计一个程序反复感测前面障碍物（杯子）的距离，当得出“最近”的结论时再执行抓取。这段程序体现了一定的人工智能的因素。从某种意义上讲，计算思维也应该是工程思维的一个不可分割的部分。

设计引领同理心发生，渗透工程消费评价思维培养

所谓消费评价思维似乎是后置的，其实也仅仅是分类的需要使人有这个错觉。一项工程完成后，通常要进行所谓的验收，验收的结论就是文字化的工程消费评价。在STEM项目的实施过程中，除了让孩子们撰写创意物化后的反思评价外，也可以前置引领同理心的发生。

“智能花房管家”要求设计一个程序模板，实现以下功能：当花房（封闭式）土壤湿度不够时，自动给水；达到设定总流量、达到供水限定时间，或者出现水管破裂等故障时，停止给水。当花房温度过低时，开启加热装置。二氧化碳气体浓度偏小时，启动二氧化碳发生器。同时，要求S4A控制动画同步运行。其实质是采用一些连接在Arduino UNO板上的传感器，通过S4A程序来控制一些设备终端。在系统设计及实施过程中，有的学生在原有的工程目标上叠加了自己的思考。例如，有的学生考虑到节能，当夏天太阳暴晒导致花房温度高于室外时，可以驱动开窗器开窗通风；冬天则反之。另外，二氧化碳浓度降低时，也可引入室外空气置换。还有的学生想到各种植物的喜水程度有较大差异，可以采用同一个主管供水，各分支水管粗细不同，以进行个性化的配置。以上案例中，学生都能为“用户”着想，进行换位思考，我们在课堂上可以采用头脑风暴等形式适时引领同理心的发生，有效突破思维定势，进而提升学生的工程消费评价能力。

STEM项目助力工程思维培养的实施案例分析——以3D打印“机器虫”为例

3D打印“机器虫”要求利用3DMAX软件设计打印一个能爬行的四足“机器虫”，使其能完成趴下、起立、前进等动作。笔者用到的主板是Auriga主板，另外要用到一些舵机作为动力系统。之后需要学生协助综合主控板的功能特点，对整体工程的实施进行预先的设计。复杂问题需要分解成若干子问题，再——解决，这是工程思维的一个重要特征。

3D打印“机器虫”项目可以分解为以下内容：1.机身主体及动力臂（四足）的设计建模打印。2.舵機主板的安装连接。3.控制程序的编制、上传和调试。在做出工程系统谋划后，我们开始工程的实施过程，这其实也是对工程设计的一个验证过程，期间往往还会有一些负面的反馈，促使我们对整体的设计进行一定的修正。

在物化该创意的过程中就出现了以下问题：1.由于安装位置、舵机本身一致性存在偏差，各舵机的角度需要逐个调整确认。2.安装在基板上的舵机电源线须先穿孔而出，再安装舵机。部分舵机的电源线需要调整位置，必须先卸下舵机后面的四个细长螺丝，用小刀开好凹槽后再重新恢复。3.各舵机的位置确认时，可以在线运行调试。而需要其从趴下状态起立时须连接锂电池，否则动力不够。

工程消费评价思维的实质是对工程的“验收”。此时，个体应作为一个评价者或者消费者，对照产品的目标要求找差距，并在同理心的驱使下对“产品”提出进一步的优化迭代建议。此“机器虫”在“验收”评价时，教师让学生变身为工程验收组成员。有的学生提出，四大模块调试时建议加入智能化模块，例如，添加传感设备，让“机器虫”能遇到障碍后退，并随机选择左转或右转避开障碍。也有“评委”建议给“机器虫”打印海龟外壳和专用四爪，加上可以甩动的尾巴，超声波传感器藏在“头部”，这样的产品可能更受消费者青睐。

完成一项工程是一个漫长而复杂的过程，在工程设计实施的过程中，不可避免会跨越多个学科。因此，工程思维其实也是一种破壁思维，可以突破学生长期应试教育形成的单学科思维定势。期间，发现知识技能点的空白区，需要运用自身“学习力”修补完善以确保工程问题解决的顺利推进。这些知识技能在当前因某个具体的工程而产生链接，以后亦会因具体的工程情境产生顺应性的迁移，又成为解决其他情境类似问题的参考，丰富个体的元认知策略储备。

作者单位：江苏苏州市吴江区鲈乡实验小学