马瑞雪

摘  要 工程思维作为创新创造重要的逻辑思维在STEM教育和创客教育中具有独特的意义。以创客教育为载体，构建出适用于小学生工程思维培养的创客教育设计型教学模型，最后将该教学模型应用于“巡线小车”的教学设计案例中，以期向相关学者展示设计型学习法下小学生工程思维培养的模型，并为创客教育的实践提供指导。

关键词 工程思维;创客教育;设计型学习;教学模型

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）18-0073-03

Research on Teaching Model of Maker Education in Primary School for Engineering Thinking Training//MA Ruixue

Abstract As an important logical thinking of innovation and crea-tion， engineering thinking has unique significance in stem education and maker education. Based on maker education， this study con-structs a design teaching model for the cultivation of engineering thinking of primary school students. Finally， this teaching model is

applied to the teaching design case of “line patrol car”， in order to

show the model of the cultivation of engineering thinking of primary

school students under the design learning method to relevant scholars

and provide guidance for the practice of maker education.

Key words engineering thinking; maker education; design learning; teaching model

1 引言

创客教育作为新时代培养人才以及应试教育转型的必经之路，受到国际与国内众多学校和机构的重视。之所以要加强创客教育中工程思维的培养，这是由创客教育发展中存在的问题和本质决定的。创客教育关注的是学生创新、实践、解决问题能力的发展，主要是通过项目式教学开展造物活动，它的本质其实是一种培养学生学习实践能力的工程教育。《K12教育中的工程：理解现状和提升未来》指出，K12工程教育应加强培养学生的工程思维习惯，提出“工程思维习惯是21世纪公民必备的技能之一”。但是，工程思维作为STEM教育的四种理念之一，在国内并没有受到应有的重视，很大原因是没有合适的培养载体。本研究以创客教育为载体，构建面向工程思维培养的小学创客教育教学模式，并且进行教学实践，以此为创客教育的发展和工程思维的培养提供借鉴。

2 创客教育和工程思维的内涵解读和概念界定

创客教育  对于创客教育的概念，不同的政策文件和专家学者有不同的界定。总结下来，对于创客教育的界定有四种，包括模式论、课程论、理念论和类型论。本研究中创客教育作为培养工程思维的载体，以一种课程形式存在。

工程思维  工程思维在普通高中通用技术课程标准中的定义是：“工程思维是以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维。帮助学生认识工程和系统的复杂性和非结构性，运用系统方法，针对某一具体问题进行整体规划和要素分析，领悟并且运用系统、控制、结构、流程等系统方法，通过模拟或者建模进行具体设计，最后能进行风险评估和综合决策。”

3 理论基础

建构主义学习理论  建构主义学习理论认为，学习是学生在特定情境中通过交流合作，在原来的认知经验基础上主动加工新的知识，通过同化和顺应主动建构知识表征的过程。工程思维要求的本来就不是单纯理论的掌握，而是在真实情境中通过实践加工知识，形成属于自己的知识表征。

工程设计过程  工程设计的基本流程具体包括确定需要和设定目标、市场分析、设计规范和约束、功能分析、概念产生、方案评估、分析、实验和市场运作。同时，工程思维还包括逆向工程思维，它与一般工程设计思维的区别是从已有的模型或产品出发，通过技术进行创造性模仿设计，从而达到再生产和创新的目的。

设计型学习  Wijnen教授将设计型学习作为一种教学模式，目标是让学生学会设计。设计型学习是基于项目展开的，教师基于现实提出有挑战性的问题和任务，并且帮助学生理解，从而接受挑战。学生在原有认知基础上通过丰富的资源整合相关信息，建构新的知识表征，通过交流合作对挑战和任务进行迭代设计，完成作品和项目，然后根据设计目标测试评估，最终形成作品。尼尔森的“逆向思维模型”和克洛德纳的“基于设计的科学探究循环模型”是国内外比较知名的设计型学习模型。

4 面向工程思维的创客教育教学模型设计及实施

设计型学习模型与工程思维培养的契合性分析  设计型学習主张在真实复杂的环境中研究有意义且真实的问题，理论与实践是通过迭代的设计过程连接的，是一种典型的理论联系实际的学习方法。工程思维具有真实性、迭代性、系统性、开放性等特点，特别适合采取基于设计的学习方式。因此，笔者设计了面向工程思维的创客教育设计型模型。

面向工程思维的创客教育教学模型构建  建构主义理论、工程设计过程以及设计型学习为本研究面向工程思维培养的创客教育教学模型的建构提供了理论基础，设计型学习的两种模型也为本研究模型的构建提供了思路和借鉴，但是直接作为本研究的模型来指导教学实践未必适合。因此，笔者以创客教育为载体，结合两种模型的特点，设计出面向工程思维的小学创客教育教学模型。面向工程思维的创客教育教学模型包括六个部分，分别为“分析问题情境，确定目标”“师生共同设置评估标准”“综合系统设计，选择解决方案”“制作原型，建模测试”“交流指导，迭代修改”与“分享评价，完成实践”，如图1所示。

1）分析问题情境，确定目标。教师通过设计贴近生活的情境，从而抛出问题，这样既能引起学生的兴趣，又能与学生的已有知识和生活经验产生共鸣，激发学生的探索欲望，从而进一步界定工程问题，对提出的问题进行假设，从而确立解决问题的总目标。

2）师生共同设置评估标准。师生共同设置评估标准，这是建立在学生已经界定了工程的问题和总体目标的前提下，通过调查研究，将大的问题和总目标进一步分解，确定学生为了完成工程项目需要做到的具体要求，让学生的学习和设计有明确的方向。这些内容不仅可以作为指导学生后续学习和设计活动的参照，而且作为师生共同确定的评估标准，也可以帮助学生自评和互评。

3）综合系统设计，选择解决方案。成功的设计是项目顺利完成的基础，同时，设计阶段也是工程思维的核心。工程设计阶段，学生首先要对整个项目进行评估，把握目标，根据已有的认知和其他资料检索手段，利用数学、机械、物理等领域的知识，验证假设的合理性，从而得到最终的设计方案思路，将思路转化为可操作的、明确的实施方案，进行草图绘制和原型设计。

4）制作原型，建模测试。此过程是将工程设计得以贯彻和落实，在此过程中应更加注意稳定性、可控性和安全性。学生通过交流合作，按照设计好的最佳方案进行建模和测试，在搭建模型和编程过程中可能会出现设计方案不能完全实现的情况，这时就需要修改设计或改进实践，教师在此过程中要提供相应的资源和指导。

5）交流指导，迭代修改。经过前四步的学习探索，学生在设计或测试过程中会有一些困难和问题，此时需要教师指导和师生间的交流合作，新的知识由于在之前的设计制作情境中被反复利用而变得更加容易被接受。在交流指导过程中，可能会伴随计算、画图、比较等学习能力的锻炼。接着，学生综合建模中的经验和指导改进自己的设计，综合分析获得最佳的设计思路和问题解决方法。

6）分享评价，完成实践。通过分享交流，一方面锻炼了学生的沟通和表达能力，另一方面通过交流可以加深学生对知识技能的理解掌握。通过形成性与总结性评价相结合的方式与多元化的评价机制，可以让各小组之间取长补短、互相学习，使学生形成对自己和他人的恰当认知，反思整个学习活动，反思问题的解决程度和目标的达成情况，从而引导学生加深对工程思维的理解，在以后的实践中继续迁移使用这种思维方式。

“巡线小车”教学案例  “巡线小车”教学案例是在学习了机器人搭建以及传感器的基础内容上，为了培养小学生的工程思维，面向小学高年级阶段的学生设计的教学案例，需要的教学资源包括芝麻豆机器人等级考试一二级套件、三四级套件、安装有zBlockly编程软件的电脑、多媒体设备等。每个阶段的师生活动情况如下。

1）分析问题情境，确定目标。教师创设情境：“大家都知道，火车可以按照铺好的轨道行进，但是铺轨道需要大量的时间和成本。如果我们想让机器人小车像在轨道上一样按照黑线行驶，应该怎么做呢？今天我们就要亲自做一个可以自动巡线的机器小车。”学生积极思考：机器人小车是怎样做到像长了眼睛一样沿着黑线行驶的？通过查阅资料，交流分享，得出结论：巡线行驶最重要的智能硬件——灰度传感器。

2）师生共同设置评估标准。教师引导学生一起确定制作可以自动巡线的小车需要有什么功能，需要怎样设计才能达到巡线的目标。学生整理得到：①小车要足够稳固，整洁美观;②小车要能够转弯;③小车上要安装灰度传感器，并且与地面高度合适;④灰度传感器能准确识别黑白，要找到黑白界限值;⑤通过程序实现小车自动巡线功能。

3）综合系统设计，选择解决方案。教师引导学生建立学习共同体，学习共同体内通过合作讨论，确定实现巡线小车设计功能的方法。例如：需要搭建的小车外形是什么样的？灰度传感器安装在哪？需要什么样的程序流程？调试程序过程中可能会遇到哪些问题？学生最终确定设计方案，绘制程序流程草图。

4）制作原型，建模测试。教师引导学生动手搭建并且进行编程，鼓励学生自行探索，在时间有限的情况下，完成制作任务。学生通过小组合作，按照草图进行小车搭建，安装灰度传感器，在图形化编程软件zBlockly上进行调试，寻找黑白界限值，尝试进行逻辑编程，实现小车巡线功能。

5）交流指导，迭代修改。在巡视过程中发现学生普遍存在的问题和困难，集中讲解，帮助学生修改设计，完成制作。鼓励学生迭代修改设计制作，完善自己的作品。学生认真听取教师的讲解，解决自己在设计制作过程中出现的问题，进行迭代设计制作，完善自己的作品。

6）分享评价，完成实践。组织学生进行分享，分享自己作品设计的初衷、特点以及在制作中遇到的困难等。同时组织学生对自己和别人的作品进行评价，取长补短。最后进行总结，引导学生加深对工程思维的理解以及在之后的学习中继续运用这种思维。学生进行分享和评价，熟悉工程思维的流程，以便以后解决同类问题。

5 总结与分析

将工程思维培养融入创客教育中，既有利于创客教育的良性发展，也为工程思维的培养提供了很好的载体和途径。实践表明，笔者构建的面向工程思维的小学创客教育教学模型能有效促进小学生工程思维的培养，本次研究的成果也为创客教育的发展和工程思维的培养提供了很好的借鉴。

参考文献

[1]钟柏昌.创客教育究竟是什么：从政策文本、学术观点到狭义创客教育定义[J].电化教育研究，2019（5）：5-11.

[2]丁婧.STEM教育中的工程思维培养[J].物理之友，2018（09）：4-6.

[3]王美茹.小学智能硬件课程中工程思维培養的行动研究[D].西安：陕西师范大学，2018.

[4]王荣良.机器人教育与工程思维关系之研究[J].中国教育信息化，2008（24）：27-29.

[5]王奇伟.小学STEM课程中工程思维培养的教学设计研究[D].上海：上海师范大学，2016.