基于通用技术教学的高中生工程思维培养

应雪情

◆摘  要：工程思维是通用技术五个核心素养之一，它对培养学生的创新精神和实践能力非常重要。分析总结学生常错的几种类型题目发现也与学生工程思维薄弱有关。因此在教学中要重视对学生工程思维的培养。本文以金工实践这节课为例，探讨了如何在教学中培养学生的工程思维。即学生小组为单位，根据开放式的目标进行方案设计规划然后实施方案，在方案实施过程中，主动去发现问题、反思，再回过来修改方案，这样一个循环，直到得到满意的成果。

◆关键词：通用技术;核心素养;工程思维

新时代对我们普通高中学生提出了新的要求，对我们通用技术教学也提出了新的要求。2017年年底教育部印发的《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）指出，普通高中通用技术课程的主旨是提高学生的学科素养。通用技术学科核心素养主要包括技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力五个方面。工程思维作为三元思维（科学思维、技术思维、工程思维）之一，已经成为了21世纪培养学生创新精神和实践能力必备的思维能力，而基于工程思维的教学，更应该从小抓起。

一、存在的问题

什么是工程思维？徐长福在《理论思维与工程思维——两种思维方式的僭越与划界》一书中专门对两种相互联系、相互区别、相互渗透的理论思维和工程思维进行了多方面的区分和阐述。他认为：人类有两种旨趣殊异的思维活动，一种是认知，一种是筹划。认知是为了弄清对象本身究竟是什么样子，筹划是为了弄清如何才能利用各种条件做成某件事情，认知型思维的高级形式就是理论思维，筹划型思维的高级形式就是工程思维。工程思维在自然学科，在人文学科甚至于日常生活中的方方面面都非常重要。

在高考指挥棒下，学生很少有机会去实践、操作，而通用技术课程是一门注重提高学生的实践能力，注重培养学生的工匠精神的学科。对于学生工程思维的培养，通用技术课的作用显得格外重要。

目前我们学生的工程思维普遍是比较欠缺的。

学生习惯用理论思维去看问题。从小学到高中，学生接触比较多的是数学、物理等理论思维，理论思维是比较严谨的，是通过逻辑推理，或者大量的实验、大量的数据归纳总结出的结论、规律，所以它的结果、答案比较唯一。如果学生用理科思维去解决通用技术上遇到的问题，往往会碰壁。

比如在系统分析里面，系统优化的影响因素。

2017年浙江衢丽湖舟联考的14题：

如图所示为某汽车门禁系统示意图。车门把手①内的传感器一旦检测到有物体靠近，主控单元②通过低频天线③发送一个唤醒信号，该信号激活车主身上的汽车钥匙发送器④，汽车钥匙发送器与RFID接收器⑤交换信息，如果信息与主控单元2内置信息匹配，汽车门锁打开。请完成以下任务：

（4）为了提高该门禁控制系统的可靠性，以下因素中，不属于系统优化的影响因素的是_______（①传感器的灵敏度;②人手温度和湿度的变化;③系统的制造和使用成本中选择合适的选项，将序号填写在“_______”处）

答案选②。人手温度和湿度的变化对整个控制过程几乎没有影响，学生是比较容易选出来的。

同时，学生也通过这个题目习惯性的总结出，传感器的灵敏度是系统优化的影响因素。再多做几个相类似的题目，就更加肯定自己总结出来的结论。于是，碰到传感器灵敏度就条件反射的把它归入系统优化的影响因素。当碰到下面这个题时，问题出来了。

2016年4月的浙江选考第14题：

如图所示为车间温度控制系统示意图。当传感器检测到室内溫度达到设定值的上限时，控制器发出信号，连通水泵和风机电源，水泵向进气窗输送冷却水形成水帘，风机将室内的空气排出，室外的空气通过水帘降温后进入室内，降低室内温度。当室内温度达到设定值的下限时，断开水泵和风机电源。请根据示意图和描述，完成以下任务：

（4）为了提高该系统的降温效果，有效的优化措施是_______和_______（在①增大进气窗和水帘面积;②降低温度设定值;③加大排风量;④提高传感器的灵敏度中选择合适的选项，将序号填写在“_______”处）。

答案是①和③。

这个题目学生的错误率比较高，容易惯性思维选择④提高传感器的灵敏度。

汽车门禁系统里传感器的灵敏度提高对整个系统的可靠性作用比较明显，是主要因素。而在车间温度控制系统里面，传感器的作用是检测温度，检测是否达到了上限和下限，灵敏度的提高，只是提高了检测的温度的精度，对于整个系统的降温是快还是慢影响不大。所以传感器的灵敏度在车间温度控制系统里面是次要因素。

当我们在解决实际问题过程中，我们要考虑的因素很多，工程思维要求我们：有的时候不可能面面俱到，抓主要矛盾，具体问题具体分析，同样的一样东西，在这个系统里是主要因素，而在另外的系统里又是个次要因素;有的时候又要多个因素综合考虑，不能顾此失彼，因小失大。

工程思维还有一个特点是没有最好的，只有最合适的。

如安排加工流程，加工同一个东西，可以有不同的流程。如图1的工件，加工流程可以是：划线→锯割→锉削→钻孔→弯折

划线→锯割→锉削→弯折→划线→钻孔

学生又会纠结于弯折到底是放前面还是放后面。如果要求侧面的两个孔必须正对，也就是对孔的位置精度要求高，那就要先弯折，再去找孔的位置。如果没有这个要求，那么优先考虑的是怎么样加工方便，那等锉削钻孔好了后再弯折。

因此，在教学过程中重视对学生工程思维的培养，不单有利于思维的提升，对解题也很有帮助。

二、教学案例

本文以金工加工为例，来探讨怎样培养学生的工程思维。

1、教学目标的开放性使工程思维培养成为可能。[4]因此我们金工实践的内容要尽可能得开放一点。我们给学生一块铝板，让学生自己加工出想要的东西，唯一的要求是尽可能得把学过的加工步骤（划线、锯割、锉削、钻孔等）用上去。

2、小组合作，才能碰撞出思维的火花。让学生自由组合，2个人一组，要求一起参与、探讨、发现问题、解决问题。

3、筹划设计，给出方案。设计规划是工程活动的起点，我们要求学生画出方案的机械加工图，并写出加工流程，以及流程中所涉及到的步骤在操作时的注意事项。设计除了有好的想法还需要表达出来，在机械加工中我们一般用机械加工图。

让学生画机械加工图，还有利于学生解决选考中尺寸标注这个选择题。选考常考的一个题目是让学生找尺寸标注错误的、漏标的、重标的，这是教学过程中的一个难点。尺寸标注的规则千万条，始终离不开一条，即为了方便加工、为了能够读懂图。所以让学生动手去画一遍，很多规则就自然而然能够理解了。比如说圆心位置的標注。

4、方案实施。这个阶段要求学生在操作过程中注意观察，把出现的问题记录下来。往往到这个阶段才暴露出学生的不足。我国基础教育阶段的学生长期以来受追求唯一标准答案的影响，在受教育过程中对于非良构问题的涉及不足，导致规划设计能力相对较弱。[5]在设计方案时学生除了要设计出自己想要的作品，也就是考虑美观因素，还需要考虑到实验室现有的条件（只有手工加工以及钻孔工具），以及加工时间（在三个课时内完成）。如下图所示是学生设计的一个方案。

该组同学在加工中遇到了时间来不及的问题以及加工难度大的问题。他们就是只抓住了美观这个条件，忽略了其他两个条件。教师本可以在学生方案设计好后，在去实验室实际操作前就告诉他们方案存在的问题，但这样不利于让它体会设计需要考虑多方面因素。让学生自己在操作过程中亲自体验，才能在以后的设计中多筹划，培养工程思维，习惯用工程思维考虑问题。

鉴于此，我们在这个步骤后面再加了一个小组讨论，解决记录下来的问题，完善设计方案。

在加工过程中同一个方案可以用不同的加工流程实现。如图2所示，左边的U型槽，可以用“划线→钻孔→锉削”实现，也可以用“划线→钻孔→锯割→锉削”实现。同一组同学可以用两种不同的方法制作，选择适合自己的。

5、小组讨论，问题反思，完善方案。

6、作品展示。

对于培养学生的工程思维，我们这块内容还有可以改进的地方。工程思维包括工程决策思维、工程设计思维、工程实施思维以及工程评价思维。对于评价在本节课中涉及的比较少，后期改进，可以加入成本因素的考虑，比如要流程化批量加工，把设备的成本、人工的成本等。

总之培养学生工程思维，值得我们更加深入得去研究。

参考文献

[1]普通高中通用技术课程标准（2017年版）.

[2]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.

[3]徐长福.理论思维与工程思维——两种思维方式的僭越与划界[M].重庆：重庆出版集团，重庆出版社.

[4]王颖.普通高中机器人教学中培养学生工程思维的行动研究[D].南京：南京师范大学.

[5]丁婧.STEM教育中的工程思维培养[J]物理之友，2018：34（09）.