基于工程思维的综合实践活动课程：设计、开发与目标

许丽美

（福州市茶园山中心小学，福建 福州 350001）

STEAM教育源于美国，是科学、技术、数学、艺术、工程五门学科英文首字母的简称，体现了跨学科融合的理念［1］。工程思维是STEAM教育理念的核心［2］，而融合STEAM教育理念的综合实践活动最重要的一点是要在活动中培养学生的工程思维，要求学生在解决实际问题时要学会像工程师那样思考问题，在考虑耗材、时效等多个方面的成本的基础上，学会在每一次的活动中不断地总结、反思、改进，让每一次的实践都能成为下一次的“迭代”，最终创造性地解决问题。2018年教育部颁布的《综合实践活动课程指导纲要》中的设计制作与STEAM教育不谋而合，二者有许多相似之处：同样都是基于项目式的主题研究，同样强调学生动手设计的重要性，同样重视学生创新能力的培养。但是综合实践活动的设计制作并没有强调以问题导向为出发点进行研究，学生的制作内容相对零散，缺乏整体性。如果能以问题导向为源头，以项目设计为主线，在活动中着力培养学生的工程思维，则有利于学生创新能力的形成。

一、以问题导向为源头的课程设计

工程思维是根据现实问题而产生的实践性思维，而任何创新的源头也均源于问题意识的培养，如何培养学生具有发现问题的能力，这就需要教师在生活和学习中对学生进行有意识的引导，从而激发学生的问题意识。也只有带着问题参与活动，学生才能利用工程思维让设想和创意物化，并能较为长久地保持研究热情。比如，装洗手液的瓶子，在扔掉之前总会有部分洗手液残留在瓶身底部，造成不必要的浪费。这一生活现象学生不一定会留意到。但是在教师的引导下，学生们就会去思考：是吸管的原因导致没有办法把洗手液吸干净吗？还是瓶身的设计有问题呢？于是针对这些问题，他们去积极探究原因。通过实践，发现瓶底是中间高外圈低，受吸管长度限制自然没有办法吸到外围略低部分的洗手液。于是学生们通过动手合作，把单根吸管改成三通吸管，就解决了这个问题。也有一些学生重新改造瓶底，把瓶底外圈略低部分加上蜡油之类的填充物，使瓶底变成外圈高中间低，这样就能让洗手液往中间聚拢，吸管自然就能把洗手液吸干净。

通过以解决问题为导向，学生亲历一次又一次的实验、对比、再实验，寻找解决问题的最优策略，形成解决问题的能力。在认真比对各个方案的耗材和效率的过程中，他们发现改造吸管比改变瓶底所需的费用低，在改造吸管时，又发现利用软管和塑料吸管做三通吸管时，依托软管上下错位放置塑料吸管比同一个出口的三通塑料吸管能更快把液体吸干净，正是通过层层迭代，学生们的工程思维才会日趋成熟，解决问题也会更务实更高效。

二、以项目设计为主线的课程开发

项目设计是工程思维的主线。拥有清晰的研究目标，明确的研究方向，围绕目标制定的设计会更有针对性，也更方便团队合作，把这个理念应用到综合实践活动的研究中，不会让综合实践活动流于形式，学生的团队合作能力会得到突显，同时也更有利于教师对活动进行跟踪和验收。比如，学生设计的《自动书画桌》就充分体现以项目设计为主线的思路。学生在画画或写书法作品时，由于宣纸太长，宣纸总是会着地，经常被他们的脚踩到，而且，每写一个字就要把毛笔放下，把宣纸往上移，这样费时费力，严重影响书画创作的流畅和灵感。针对这个问题，学生们提出要设计一个“自动书画桌”，通过正反转方式将宣纸卷入桌面下，避免宣纸被脚踩到，需要时拨动正反转开关便可自动输送宣纸，免去手动移宣纸的麻烦。学生通过前期大量的考查和实验，发现同学之间的身高差异比较大，于是把书画桌的四个桌脚设计成可自动调节高度，借鉴工厂传输零件的传输带原理在桌面增加传输带，在不影响创作的情况下把正反转开关以及电源开关安装在书桌的角落。在产品用于实践时学生又发现传输带太滑，不好固定宣纸，于是改进装置，在传输带上加装了一层书画毛毡，并且每隔20厘米镶上一块薄铁皮，创作书画时，用磁铁吸住毛毡和宣纸以便更好固定宣纸。同时考虑到没有地方放置绘画工具，又在电机盒上安装一个置砚盘，方便盛放物品。通过团队合作，大家终于设计出一款比较满意的自动书画桌，交由工厂加工后，一投入使用，就受到用户的一致好评。

可见，以项目设计为主线的综合实践活动更能培养学生的工程思维中的构建思维，为了更好地完成目标，他们要根据前期的调研把书画桌改成可自动升降高度，并选择环保的材料做桌面，在书画桌宽度的设定上参考常见书法和绘画作品的尺寸，毛毡的使用解决桌面会滑的问题，实现科学性和艺术性相融合，给学生带来的成就感强，而且教师针对同一个项目进行评价时对比直观，有据可依，所以以项目设计为主线很适合作为综合实践活动的主要课程来开展。

三、以创新能力为追求的课程目标

培养学生的创造能力是教育追求的重要目标。教师有责任也有义务要把培养学生的创新思维作为综合实践活动课程的最高追求去践行。

笔者所在学校四年级的赵同学在暑假逛三坊七巷时，发现交警叔叔冒着酷暑在维持交通秩序，是一件非常辛苦的事。热衷于电脑编程的他就想设计交通指挥机器人来取代叔叔辛苦的工作。他用LEGO EV3主机、超声波传感器、颜色传感器、触动传感器、陀螺仪传感器、大型电机、中型电机等配件，搭建起了一个由头部、身躯、双臂、双腿、底座构成的可以站立行走的交通指挥人形机器人——“小交”。经过几十次的调试、测试、重组和美化，身穿交警制服的“小交”在人行道路口指挥交通时会执行这样几个功能：（1）实现与实际路口的红绿灯信号同步；（2）配合红绿灯信号做指挥手势动作；（3）发出与红绿灯信号同步的语音提示；（4）用人脸识别系统检测行人闯红灯，并对闯红灯行为发出威慑警告；（5）在红灯等待期间没有人闯红灯时，跳一段奖励性的舞蹈。赵同学的大胆尝试得到回报，在教师的指导和修正下他的作品获得福建省科技创新大赛一等奖，组委会对他的作品给予高度评价，一致认为“小交”的创新点体现在能自动识别红绿灯功能以及对于行人闯红灯行为的威慑警告，能够有效降低行人闯红灯的比例。

从上述“小交”的案例中我们看到的是创新的萌芽不仅根植在学生幼小的心灵，而且在蓬勃生长，更为可贵的是学生具有一颗善良的心，懂得如何应用科技创新的技术为人类服务，从而减轻某些岗位劳动者的辛苦工作，真正实现让科技源于生活又服务生活。