中小学工程启蒙教育的实施策略*<br/>——基于浙江省的实践

中小学工程启蒙教育的实施策略*
——基于浙江省的实践

2024-06-04陈燕燕杨潇笑浙江省杭州绿城育华亲亲学校

教学月刊（中学版） 2024年14期

陈燕燕杨潇笑|浙江省杭州绿城育华亲亲学校

管光海|浙江省教育厅教研室

2023年5月，教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，系统部署在教育“双减”中做好科学教育加法，支撑服务一体化，推进教育、科技、人才高质量发展［1］。在当前加强科学教育的背景下，工程教育受到了极大关注。基础教育阶段是工程教育的启蒙阶段，开展工程启蒙教育不仅可以激发中小学生对工程技术的兴趣和热情，帮助他们更好地了解工程的基本概念和原理，而且对学生的创新思维、团队合作和未来的职业规划也有着重要作用［2］。本文基于浙江省工程启蒙教育的实践，对如何规划工程启蒙教育、如何开发工程启蒙教育课程与项目、如何指导学生进行项目学习等问题进行阐述，以期为中小学开展工程启蒙教育提供相应的策略。

一、如何规划工程启蒙教育

（一）基于学校文化

工程启蒙教育的深度实践离不开学校文化建设，学校要结合自身的育人理念、制度文化等，设计具有自身特色的育人目标，以便为工程启蒙教育的开展奠定良好的人文基础。同时，校园所营造的工程启蒙教育文化环境和精神内涵，对全校师生也都具有潜移默化的影响。

明确“想要培养什么样的人”这一问题，是创新人才培育的核心问题。工程启蒙教育的人才培育导向与工程素养有关，包含系统思维、创造性思维、积极乐观、团队合作、沟通与伦理道德等要素。这些要素可以在校园的文化建设中充分实现。例如，“亲力亲为，实践出真知”是杭州绿城育华亲亲学校的育人文化，学校的一切育人活动都致力于让学生通过亲历实践，培养其创造性解决问题的能力，所以学生的工程素养具有深刻的学校文化烙印。例如，学校的工程项目“家长休息室”，通过构建真实的项目环境，历经“调研—测量—设计—制作—迭代”一系列环节，让学生充分参与校园建设，并从中提升解决问题的能力。

（二）结合学校课程体系

《义务教育课程方案（2022年版）》（以下简称“《课程方案》”）提出“优化综合实践活动实施方式与路径，推进工程与技术实践。积极探索新技术背景下学习环境与方式的变革”［3］。在学校课程体系建设中，工程启蒙教育应从国家课程、拓展性课程和学校科技实践活动等方面进行系统思考，并围绕学校特定的育人目标进行系列建构。浙江省中小学工程启蒙教育根据育人目标，依托科学、信息科技、通用技术等国家课程，探索工程思维的有效教学。由于工程教育和技术教育存在紧密联系，技术是工程学习的重要工具和手段，在学科中探寻工程启蒙教育的落脚点，形成依托学科的系列工程项目课程体系，是培育工程思维的有效载体。

新时期的劳动教育秉持“发挥主体作用，激发创新创造……鼓励学生在学习和借鉴他人丰富经验、技艺的基础上，尝试新方法、探索新技术，打破僵化思维方式，推陈出新”［4］这一理念，学校要在劳动教育实施中嵌入工程启蒙教育，启发创造性劳动。劳动教育中的工业类、传统工艺类、创新设计类等劳动，具有较强的工程实践特征。学校要开展研究设计思维的启蒙实践，在学生亲力亲为解决问题的过程中，既关注其动手实践，也关注其社会性和创造性实践。

技术与工程研究是跨学科的，学校要在跨学科教育中强化技术与工程实践。跨学科工程项目基于真实问题，引导学生综合应用各学科技能，以数字建模、工程建模等多样化的方法，创新解决开放性的劣构问题。项目涉及许多领域，有交通与运输、能源与动力、建筑与安装、机械与信息、运输与物流等。

（三）提供保障机制

教育行政部门要转变单纯以学科成绩作为学生升学唯一依据的评估制度，将学生参与工程与技术项目的次数、作品的质量、创造力的发展等纳入学生综合素质评价范畴。同时，为特长生打通升学通道，解决毕业生出口问题，缓解家长的后顾之忧。对教师的评估要加强工程启蒙教育的绩效衡量，给予工程启蒙教育专/兼职教师更多的肯定与鼓励，以促进学校工程启蒙教育的良性发展。

中小学工程启蒙教育的实施，需要有一支能持续学习和拓展知识领域的跨学科教师队伍。同时，教师队伍也要互相合作，促进教育创新。学校在打造团队文化的过程中，可围绕“价值观与愿景”“核心优势”“团队合作”“信任感和透明度”“学习与创新”等五个方面，使跨学科教研形成规范与常态，有计划地开展各项研究与学习，以促进每位教师在实践中产生多维思考、共同进步。

现有学科教师基本是分科培养的。针对已入职教师，学校可以从科学、信息科技、通用技术和美术等学科教师中选择有工程技术背景或兴趣的教师进行在职培养，形成一批能担当综合类工程课程教学的师资团队。同时，可建立课程辅助人员进校园机制，如工程师、家长进校园指导参观，大学生、研究生志愿者进校园开展社会服务，专门的课程服务机构人员进校园指导等，以补充学校教师在专业上的欠缺。

二、如何开发工程启蒙教育课程与项目

（一）多路径开发工程启蒙教育课程

课程架构需要确定课程目标，课程内容与逻辑编排，教学方法与策略，评价标准等要素。浙江省中小学工程启蒙教育注重多路径开发工程启蒙教育课程，呈现出以下课程架构思路。

1.领域导向的课程架构

工程核心知识（概念）是对已有工程本质的认知与理解。其领域包含能源动力，建筑环境，材料与化学，信息通信和人工智能等。领域导向的课程架构是目前较为广泛的课程建构模式，既有融合在单学科（科学、信息科技等）课程中的跨学科概念整合，也有单一某种工程概念的聚合课程。例如，诸暨市海亮小学的少儿工程院课程是由机械、能源、交通和建筑等领域聚合而成的课程体系；杭州市保俶塔实验学校的技术与工程课程群，包含了工程与建模、电子与遥感、信息与智能等领域。领域导向的课程架构，使学生对相关领域工程知识的学习更加完整和深刻。

2.目标（能力）导向的课程架构

学校可以以工程素养能力培养为目标，架构有共性、有关联的课程。工程素养能力包括系统思考、创造力、批判性思考、乐观合作沟通等。学校可选择某类能力作为学校育人目标，构建有层次、有梯度的课程，以帮助学生培养工程素养的关键能力。例如，杭州绿城育华亲亲学校聚焦设计思维培养的课程架构，将3～9年级划分为四个不同阶段，在不同阶段融入不同的设计思维学习内容与目标，以此逐步培养学生具有创新品质的设计思维能力。此类课程所包含的领域广泛，但每个年级课程实施的底层逻辑和目标是明确不变的。

3.主题（问题）导向的课程架构

学校可围绕工程的某类主题或问题架构课程。主题导向的课程架构是指学校提炼多学科或工程多领域的核心议题，将其整合为课程的中心主题，并确定课程主线和统筹设计课程内容。问题导向的课程架构也是常见的课程架构方式。中小学工程启蒙教育强调学生能创造性地解决问题。因此，问题导向的课程架构主要依托于对问题的创造性解决。例如，舟山市南海实验学校的项目课程“打造一艘能载人的帆船”，针对学校周边特有的海域环境，提出载人帆船的打造问题，引导学生产出新颖观点，创造性地发现和解决问题。

（二）多角度开发工程启蒙教育的工程项目

这里，“工程项目”中的“工程”，可以理解为系统学习并运用知识解决工程问题的一种造物活动［5］。我们可以从寻找项目来源与关联课程两个角度来开发工程项目。

1.多视角寻找项目来源

（1）基于传统项目的改造。工程项目可分为制造工程项目、工艺工程项目、机电工程项目等，虽然其流程繁复、耗时长、成本高、专业性过强，但制造技术与工程知识的提升将更有利于学生成为技术的使用者与创造者。结合中小学综合素养要求以及学情，学校可以将重点落于制造类和工艺类的传统项目上，如木工、金工、泥塑等。如杭州绿城育华亲亲学校的“校园木工进行时”项目，教师降低了传统木工的复杂性与专业性，保留了其实践性与真实性，并结合项目管理理论实施教学，不仅培养了学生高水平的木工实践能力，而且使学生能够有意识地对整个流程进行统筹规划、时刻监督。

（2）针对现实问题的解决。工程项目的目标性、创造性和价值性皆基于解决真实的工程问题。在现实生活中寻找问题，更有利于创设真实的项目背景与问题解决场景，帮助学生更好地投入观察、深度思考和发散创意，尤其是项目主题的紧迫性和相关性，能给予学生更高的吸引力与成就感。如要开展“立体停车场”项目，就可以运用计算机技术相关原理对“停车难”这一问题展开探究。在这样的探究中，学生可以结合亲身体验，通过相关信息的获取和处理，运用工程与信息技术知识制作产品，并对产品的合理性和实用性进行评估。

（3）面向前沿领域的尝试性探究。前沿科学研究与技术研发能力是未来经济增长的必要条件，也是培养全球化综合型人才的重要目标。对前沿领域进行尝试性探究，有利于鼓励学生在了解专业领域知识、学习基本技艺的基础上，尝试新方法、探索新技术，打破僵化的思维方式。前沿科技领域多由学科顶尖工程组成，如机械与运载工程包括“协同式无人驾驶与运行优化技术”“飞行器船舶甲板自主着陆技术”等子工程。因此，浙江省积极推动前沿领域的中小学探究模式，以期让学生了解最前沿的知识和技术本质，认识最前沿现象。如在航天航空领域，“‘烷’转‘星’空”项目为火星设计了一套安全运输并储存甲烷的工程方案，以现有学科知识解决未来火星家园的资源运输与存储问题；在建筑工程领域，“未来城市规划设计”项目就城市化进程中出现的交通拥堵、热岛效应及各种环境污染等问题展开规划与设计，运用跨学科知识和多种思维工具，建构多维度城市区域设计模型。

2.充分关联相关课程

《课程方案》重视课程的综合性和实践性，明确提出设立跨学科主题学习活动，强调学科联系，坚持创新导向，着力发展学生的核心素养。因此，学校可以充分关联学科课程开发工程项目。

（1）科学：基于学科单元重构的项目实践探索。科学探究与工程实践是学以致用的两个关键环节。在科学教学中，教师要倡导以探究和实践为主的多样化学习方式，让学生主动参与、应用迁移、合作学习，激发学习科学的内在动机与价值体验。如《义务教育科学课程标准（2022 年版）》所提到的四个跨学科概念中，物质与能量概念可以与材料工程、绿色建筑、电子工程等领域结合立项，系统与模型概念可以和生物工程、环境保护工程、航空工程等领域结合立项。将科学学科概念及知识技能作为达成项目目标的工具与途径，有助于实现基于科学学科的项目实践探索。如在“光与建筑”项目中，教师可引导学生反思与推理学校体育馆存在的能源浪费问题，并结合光的反射、折射等原理引光入室，以提高照明能力。在科学学科知识参与的工程项目中，学生可以学会严谨分析，合理思辨，培养批判性思维，形成学科知识体系。

（2）信息科技：基于计算思维的信息技能系统建构。信息科技是现代科学技术领域的重要部分，其包含的核心素养及高阶思维是学生应对大数据时代的必备技能。工程项目作为一个复杂的集成性系统，集成了各类方法与技术，信息科技无疑是其中一个强有力的推手。在与之关联的工程项目中，教师可以从信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四大核心素养提取学段具体目标，明确不同学段的素养水平，进行分层教学。如“独行月球：玉兔号月球车”项目，可以设计有趣且紧迫的情境，要求学生救出被困在月球上的航天员独孤月。学生可根据计算思维模型，对已有信息进行抽象、分解和建模，从而形成解决问题的可行性方案，还可根据设计图纸制作月球车模型，并在过程中不断尝试、模拟和验证，以使计算思维与信息素养得到不断训练，最终内化为综合的工程素养。

（3）技术课程：基于问题解决的实践技能优化。技术是指从人类需求出发，秉持一定的价值理念，运用各种物质及装置、工艺方法、知识技能与经验等，实现一定使用价值的创造性实践活动。技术教育在义务教育阶段以劳动课程为载体，在高中阶段以通用技术课程为载体。

劳动是人类为了认识和改造世界而输出劳动价值的实践活动。劳动是一种生产性运动，从造物性、目的性、筹划性、实践性等维度而言，劳动与工程有着十分相似的特性，工程也属于一种劳动。由此，我们可以参考劳动教材中的主题内容构建以实践为主线的工程项目，并注重加强与学生生活和社会实际的联系，提供丰富多样的实践方式。如杭州绿城育华亲亲学校的“亲亲游乐园设计”项目，源自浙江省义务教育教科书《劳动》中的项目，意在引导学生既要关注劳动创新，又要努力开展劳动实践，掌握并提高基本的劳动技能。学生通过分析、头脑风暴、设计等流程来回答如何创新劳动方式，通过采购、制作、评价、优化等流程形成高质量的劳动成果，设身处地地思考校园游乐园的改造需求与方向，在关注工程设计的过程中感悟劳动价值。

通用技术是运用较为广泛且区别于专业技术的基础技术，也是学生适应社会生活、高等教育和职业发展所必需的技术。普通高中通用技术课程立足实践，注重创造，工程项目的开发也可以基于通用技术教材。如杭州外国语学校的“设计火星上的风力发电装置”项目，综合考虑人、物、环境等现实因素的约束，运用通用技术教材中结构与设计、技术交流与评价等理论，完成风力发电装置的设计。该项目通过开展切身的技术实践活动，帮助学生具备技术意识、创新设计方法、图样表达与物化能力，形成良好的技术理性与个性品质。

三、如何指导学生进行项目学习

工程项目的实施过程不仅是迭代的，而且要经历多轮循环才能得出结论。但工程设计过程并不意味着要遵循非常严格的线性方式，工程师也经常根据存在的问题或想要达成的目标，在每次迭代中重复或跳过某个步骤。

在工程启蒙教育的实施过程中，为提升工程思维品质，帮助学生创新思考和解决问题，浙江省的很多学校构建了具有学校特色的思维模型，它们基本包含定义问题、调查研究、方案设计、原型制作、测试优化五个步骤。据此，我们可以提炼出工程启蒙教育中工程思维的过程模型（如图1所示）。

图1 工程启蒙教育中工程思维的过程模型

工程项目实施要以工科为基石，同时又要打破学科界限，强调知识的综合运用，培养学生多视角、创造性解决问题的能力。其中，项目的复杂性、长周期性、多方参与性等都给实施过程带来了一定的困难。经过多年实践，浙江省的很多学校总结了一些行之有效的策略以支持学生的项目学习。当然，这些方法在运用中并不是一成不变的，而是可以结合项目主题和学生情况进行不断更新与完善。下面结合具体项目进行阐述。

（一）定义问题

工程设计通常始于急需解决的问题。因此，指导学生进行项目学习的第一步，就要让学生产生兴趣，并清楚项目学习中自身需要解决的问题是什么，又有哪些约束条件和设计标准。

1.设计能激发学习兴趣且指向目标的情境

好的工程项目情境既要能激发学生的学习兴趣，又要依据学习目标来创设。如“工程：我们的童话”项目，结合低段学生感兴趣的童话故事，一方面引人入胜，另一方面将文学阅读和工程设计进行结合。项目中的“找到另一种方法帮助长发公主逃离高塔”，可链接滑轮、斜面、杠杆等简单机械知识。不同的故事指向不同的工程品质，跟随主人公在试误中学习，可以使学生在一次次的尝试中培养批判性思维和乐观的品质。

2.运用思维工具明确约束条件

在定义工程问题时，学生需要明确自己要做什么、成功的标准是什么、存在哪些现实约束，比如时间、成本、环境等。在这一环节，教师可以用5W2H（What、Why、When、Where、Who、How、How much）分析法、问题树分析法等思维工具，帮助学生更好地理解和分析项目背景。

（二）调查研究

在调查研究阶段，学生需要收集与主题相关、尽可能多的信息，思考想要向相关专家学者询问的问题，设想问题得到解决后会产生哪些社会效益，从而完成初步的知识与技能准备。

1.了解问题解决的已有经验

研究在工程实践中非常重要，学生只有基于一定的知识和技能的学习，站在巨人的肩膀上看世界，所提出的方案才会更有价值。因此，学生要先了解问题解决的已有经验，如“光与建筑”项目，就是利用“伟大作品分析表”研究优秀的采光建筑案例，学生在尝试理解别人设计的过程中学习有用的知识和技能，反思存在的困难。

2.给予解决策略示范以突破难点

当学生经过自身探究，对一些难题不知如何入手或者思考维度、实践能力受限时，教师可在综合学生已知的基础上给出一些解决策略示范。如“休闲树亭建造”项目，教师在前期设计了搭建板凳和飞机模型的活动，让学生体会工程实施中的时间、成本和质量约束。又如“儿童玩具收纳设计”项目，教师引导学生从实用性、有效性、安全性、功能多样性、功能实现等多方面，分析已有玩具收纳设计的优劣。

（三）方案设计

在方案设计阶段，教师要引导学生尽可能多地形成并记录想法，运用搜集到的信息提出创意解决方案，进行可视化地表达。

1.开放性解决问题

在方案设计中，教师要激发学生的创意，引导学生在思维的发散和聚焦中，找到独特的解决方式：在思维发散阶段，学生可通过多种形式的头脑风暴，如635法、奔驰法等，发散思维；在思维收敛阶段，学生可以通过“减少和分类”“排序与选择”等方式，确定最合适的方案。

2.重视绘制工程设计草图的训练

绘制工程设计草图是一个很好的头脑风暴方法，也为学生后期使用建模程序打下了基础。绘制工程设计草图最重要的，是让其他人理解设计意图，可不在意细节。教师在课堂中要强调一些操作技巧，如利用基础形状进行组合，利用其他对象说明设计意图，利用关键元素还原动态过程等。同时，教师还应鼓励学生不断画草图，一方面迭代完善设计理念，另一方面通过充分探索避免盲目实施，从而导致材料浪费。

（四）原型制作

在原型制作阶段，学生要根据设计图确定所使用的材料，完成成本预算，并通过动手制作进一步优化解决方案。

1.快速试错完善设计想法

工程项目中的制作是以创造力为导向的。一方面，学生要“用手思考”，进一步优化解决方案；另一方面，学生要创造性地使用材料和制作技术。在初步方案形成后，教师可引导学生用简单的材料进行草模制作，以加速验证设计概念，完善想法。

2.短时间、低成本、高质量地完成制作

教师可以结合工程项目管理思维的核心三要素——时间、成本和质量，帮助学生高效完成产品制作：在动手制作前，用WBS（Work Breakdown Structure，即工作分解结构）进行任务分解，如“休闲树亭建造”项目，任务包括制订计划、准备材料、拼装模型、美化等。学生还应将其细分为子任务，并对应到个人；然后用甘特图对这些任务进行排序，规划好每项任务的时间；同时，通过预算清单将成本计入总评价，并通过多次计算选择成本最低的购买方案；最后，将设计标准进行细化，形成产品零件与质量评价维度之间的关系矩阵，关注各零件的完成质量。

3.提供黑箱策略降低技术难度

在模型制作时，真正用代码训练学生有一定的难度，所以教师要提供黑箱策略。如“AI稻草人”项目，教师引导学生根据训练模型平台中的输入和输出关系，得到问题解决的规律，从而导入收集到的规范动作和不规范动作素材，生成模型，实现AI行为规范的自动鉴别。在这一过程中，学生不需要了解内部的代码逻辑，从而可以更好地关注问题解决本身，融通学习与真实应用的边界。