基于大单元的高中工程教育项目实践探索

【摘 要】为落实中小学工程教育，提升学生技术与工程素养，依托大单元任务情境，采用项目化学习方式，开展实践探索。文章以“电子宠物”工程项目为例，基于大单元，跨学科、跨领域重构知识内容，立足学生生活实际，开发工程教育项目。通过引导学生经历调查分析、活动体验、设计智造、测试优化、多元评价的项目实施过程，有效培养学生的学科核心素养和工程思维，在自主探究中，帮助学生建构结构化意义。

【关键词】大单元；工程教育；项目学习

【中图分类号】G434 【文献标志码】B

【论文编号】1671-7384（2024）09-067-03

2023年5月29日，习近平总书记在二十届中央政治局第五次集体学习时指出：“要进一步加强科学教育、工程教育，加强拔尖创新人才自主培养，为解决我国关键核心技术‘卡脖子’问题提供人才支撑”。为推动我国从工程教育大国向工程教育强国迈进，践行“卓越工程师培养计划”，高中工程教育这一环节必不可少。但是高中阶段的工程教育课程体系存在诸多空白，需要不断地探索，而向大单元设计寻求答案，不失为一种有效的尝试。

大单元之“大”，一是内容上突破了传统自然单元的教学内容组织；二是消解了传统单元知识组成的壁垒；三是重构了单元教学组织的关联性，提升了育人的整体化和系统化功能；四是统整了篇章知识，实现了育人的一体化；五是可进行跨学科、跨领域的教学内容建构，从而形成结构化组织大单元[1]。真实的工程问题不是单一学科问题，会涉及诸如数学、物理、化学、生物、地理、技术等多学科的知识与技能，应在解决问题过程中，让学生体会学科间的关联，促成学科间的拓展和运用。工程教育本身就是以跨学科和真实问题解决为特点的，因此，基于大单元，建构跨学科、跨领域的教学内容，以大单元任务情境为依托、以项目化学习为驱动，将是落实中小学工程教育，契合提升技术与工程素养，达成核心素养培养目标的重要路径。本文尝试结合“电子宠物”工程项目的具体内容，就大单元教学背景下的项目开发与实践加以说明。

链接生活，发现工程项目问题

生活中蕴藏着丰富的工程问题，包括校园生活、家庭生活和社区生活等，要激发学生去发现、去探究，充分开发和利用生活中的学习资源，这是工程教育顺利实施的重要保证。通过来自真实生活的情境化工程主题设计，学生学会从纷繁复杂的现实世界中发现需要解决的工程问题，在发现与解决工程问题的过程中，打通生活与所学知识、技能的关系，学以致用，增强学习的内驱力，有助于提升学科核心素养与工程思维。如“电子宠物”项目就来源于真实生活需求——学生想养宠物，需要宠物提供陪伴等情绪价值，但是繁重的学业压力和家庭实际居住条件等现实原因，造成他们没有能力和精力来饲养宠物，于是就萌生了做一个电子宠物的想法，做一个既不需要喂养，又能提供陪伴，还很有趣的现代宠物。

跨界融合，构建工程项目内容

大单元教学设计强调知识点之间的联系、组织和整合，实现知识的统整化、结构化，使知识真正转变成素养。本项目属于BEAM机器人的一种，它是一种十分有趣、制作又极为简单的机器人，主要使用模拟电路来实现异常简单的设计。虽然不如基于微处理器的机器人技术灵活，但BEAM机器人在执行设计任务时强大而高效，它专注于“基于反应的”行为，试图复制生物有机体的特征和行为。本项目是用电路来模拟动物趋光性（或避光性）和碰撞退缩反应的一种BEAM机器人，基于此，我们有机整合了高中通用技术课程中的必修模块《技术与设计1》《技术与设计2》，选择性必修《技术与创造》《技术与工程》系列模块，选修课程《传统工艺及其实践》，高中信息技术的选择性必修模块《三维设计与创意》以及高中物理的必修3的有关内容。学生在项目探究的过程中，学习构建相关知识要点和技能要素，理论与实践互相促进，螺旋式上升，实现教学目标。

梳理流程，完善工程项目实施

1.调查分析

为更好地完成“电子宠物”项目，学生应先明确自己的设计需求，如“你在什么场合使用？除基本的趋光跟随、撞击躲避功能外，还有什么功能吗？外观风格怎么样？要用什么样的工艺？”等问题，进行有针对性的调查分析，最终形成设计要求。

2.活动体验

教师将“电子宠物”工程项目分成功能实现和外观设计两大部分，分别为学生提供项目实施前所需要学习的背景知识，并设计相关的准备活动让学生进行热身体验。电路部分提供焊接练习套件，让学生学会焊接技术，认识印制电路板、电阻、二极管、电容等元器件。外壳部分依托如“鸡蛋盒的再设计”等微项目，学生学习简单的纸张、木工、金工等工具的使用方法；通过球、花瓶、米老鼠铅笔套等微项目学习三维设计软件的使用。

3.设计与智造

在明确电路板、开关、电池盒、电机、轮胎等标准件尺寸的基础上，基于使能方法论，教师采用头脑风暴法、同理心地图、Scamper法、九宫格法等多种方法帮助学生拓展设计思维，进行电子宠物整体设计的创意构想，完成设计图样（图1为某同学的设计图样），在此过程中，还要不断地对照设计要求和评价原则进行方案的比较和权衡，完善设计方案。

在制作环节中，首先，学生根据电子宠物的电路图完成实物焊接工作，图2为能实现趋光跟随和撞击倒退功能的电路图。在此基础上，学生可合作探究具备其他功能的电路，对其进行改造。然后，学生再根据前述设计图样，选择合适的工具和材料进行电子宠物外壳的制作，在此过程中需要明确所选材料的特点、加工的难点、3D设计与打印等新技术如何使用、所选工具的操作要点、常见材料的连接工艺等。最后，学生进行组装和表面加工处理，形成成品。

4.测试与优化

此环节实际贯穿于整个设计与制作过程，对于电子宠物焊接部分，学生要分别测试电机是否正常转动，撞击后是否电机反转，开关与电池盒是否安装正确，LM386有无正常工作；对于外壳部分，要测试评价外壳各部分是否按照设计图样制作，各连接部分是否稳固，有无安全隐患等；对于整个电子宠物，要测试装配是否存在问题，是否满足设计要求与原则，是否需要表面加工处理等。在此基础上学生再对方案进行优化迭代，只有不断地测试、评估及优化才能保证最终成品的质量。

5.多元评价

合理的评价标准是培养学生工程思维和学科核心素养的制度保障，深度剖析工程项目模块，重构学业质量评价标准。强调过程性与总结性评价相结合、他人评价与个人自评相结合，具体内容包括最终作品展示、项目的学习手册、日常课堂表现、作品的阶段性成果、评价量规与自我反思等，实现全面性、全方位的评价理念，以促进学生能力的全面提升。

（1）评价内容

针对个人的学习过程评价维度：课堂上能积极思考，完成体验活动的测试；认真完成电子宠物的设计与物化全过程；能仔细观察，发现问题，提出解决方案；能对自己的作品进行展示交流，大胆表达自己的设计意图；能客观评价自己和他人的作品；认真完成学习手册，该手册反映项目学习过程中发现与明确的待设计问题、每个环节的阶段性成果记录、方案的呈现、作品照片、作品评价、学生反思等，形成生成性报告。

针对个人最终成品的评价维度：实用性、创新性、安全性、稳固性、美观、经济、环保、环境适应性（高度可调节、多环境使用）、加工难易程度。

（2）评价主体

评价主体分为：个人自评、学生互评和教师评价。其中个人自评中除对电子宠物的实物评价外，还包括个人反思，如“是否可以改进？怎么改进？哪些是痛点？哪些是重点？改进之后能达到设计要求了吗？还有没有其他不确定因素会影响你的设计？”等。而学生互评和教师评价都应包括过程性和总结性评价两方面，教师应结合学生课堂表现、项目制作环节、学习手册、最终作品等给予客观评价。

总结反思，实现工程项目修正

1.基于大单元统整教学内容，有利于培养学生的核心素养

基于大单元的工程项目实现了统整、理论与实践的平衡，学生在充分学习与项目有关的科学、技术、工程、数学等跨学科学习内涵的基础上，设计与智造项目作品，在实践中体会学科之间的关系，全面提升各学科的核心素养，发展工程思维。如“电子宠物”工程项目统整了通用技术、信息技术、高中物理的学科内容，在工程实践的过程中，让学生体验科学与技术在社会生产和生活中的作用，把握技术的本质，形成正确的技术意识，塑造工程伦理[2]；经历项目产品设计与智造的全过程，面向真实世界，主动发现现实问题，运用科学思维、计算思维和工程思维来明确问题、抽象特征；利用新技术进行数字化学习和创新设计，通过实验探究形成解决问题的方案[3]；通过可视化方式（绘制草图、三维软件等）对产品进行图样表达，并根据图样最终形成工程产品，在此过程中培养严谨细致、精益求精的工作态度和工匠精神，形成正确的科学态度和责任感，全面提升学生的工程素养[4]。

2.基于大单元梳理实施流程，有助于学生建构结构化意义

大单元教学设计是一个由知识而素养，由传输到引导的结构化意义建构过程[5]。基于大单元去梳理项目实施的流程，明确以工程思维、学科核心素养培养为根本目标，在生活中发现与明确工程问题，生成工程项目主题，基于大情境、大任务来重构知识与技能体系，在解决这个工程问题的过程中，学生将零散的信息进行组合，形成结构化的意义，学以致用，融会贯通，才能深度把握各学科间的内在联系，明确知识的底层逻辑。通过项目的“做中学、学中悟”，将学生从大量重复的练习中解放出来，实际做一次电路设计与物化，也许对相关知识的理解会更深入。由此，基于大单元中蕴含的知识结构本质，将有助于学生建构结构化意义，提升学习效果与理解深度。

注：本文系江苏省普通高中课程基地项目“像工程师一样实践——普通高中工程整合课程基地”和无锡市教育科学“十四五”规划2023年度一般课题“超学科融合理念下普通高中工程教育的路径探索与样本建构”阶段成果

参考文献

[5]于泽元，边伟，杨士连. 从松散联结到意义建构：大单元教学设计的理想图景[J]. 现代远程教育研究，2023，35（4）.

中华人民共和国教育部. 普通高中信息技术课程标准（2017版2020年修订）[S]. 北京：人民教育出版社，2020.

中华人民共和国教育部. 普通高中通用技术课程标准[S]. 北京：人民教育出版社，2020.

中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准[S]. 北京：人民教育出版社，2020.