STEM课程对学生工程思维的培养

◇武 婷（吉林：长春东师中信实验学校）

一、STEM课程与小学科学课程

（一）国内关于STEM 课程的研究

国内关于STEM 课程的研究，最早可以追溯到2008年陈超发表在《中国高教研究》上的《美国的世界一流大学战略与启示》。虽然文章中没有对STEM 教育进行深入剖析，但开启了我国对STEM 教育的理论研究。

近些年STEM 教育的快速发展，引起了全社会的广泛关注。随着对STEM 教育的不断研究与实践，我们发现，它并不是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科的简单相加，而是强调多学科的交叉融合，综合运用多学科知识和思维解决实际问题。

（二）我国的义务教育科学课程

2022 版的《义务教育科学课程标准》指出：科学课程要培养的学生核心素养，主要指学生在学习科学课程的过程中，逐步形成适应个人终身发展和社会发展所需要的正确价值观、必备品格和关键能力，是科学课程育人价值的集中体现，主要包括科学概念、科学思维、探究实践、态度责任等方面。

与旧版课标相比，2022 版课标最明显的变化是，取消了生命科学、技术与工程、地球与宇宙、物质科学四个知识领域的界限，更加强调多领域综合能力的培养。原有的四个领域不再孤立存在，而是打通了它们之间的界限并各有侧重。

关于核心概念也有了相应的变化，跨学科概念的理解成为本次课程改革的难点，但也给了一线教师对原有课程进行创新设计的机会，我们可以将已有的STEM 教育的很多理念和做法与之结合。

（三）小学科学课程与STEM 课程

新版课标不但给教师课程设计指出了新的方向，也给出了很多具有实操性的建议和指导。

我国对于STEM 课程的校本化研究已经起步，但主要研究集中在高校，基础教育阶段的研究和实施还不够成熟，相关研究大多是立足于国外研究成果的理论研究，基于STEM 教育理念的能力培养、课程活动模式设计的研究并不充分。

目前与新课标配套的教科版小学科学教材，几乎每个年级都会出现至少一个项目式的学习任务。如下表：

一年级二年级三年级四年级上册做一个测量纸带做一顶帽子我们来做“热气球”制作我的小乐器设计制作小车五年级制作一个潜望镜制作钟摆制订健康生活计划六年级我们的地球模型调查家中使用的能量下册给动物建个“家”做一个指南针我们的“过山车”模拟安装照明电器制作岩石和矿物标本设计和制作生态瓶制作与测试我们的小船分析一个实际的环境问题做一个保温杯建造塔台制作校园生物分布图

在以往的STEM 课程中，我们往往是对国外已有的成功课例进行复刻，或进行加工完善，授课群体主要是社团或校外机构，而在学校内常规课堂教学的实践少之又少。现在我们可以以这样的课程（表1）为蓝本，基于新课程标准和STEM 教育的理论指导，更好地进行STEM 课程校本化研究和实施，立足学生核心素养的发展。

二、STEM课程与工程思维

（一）知识与思维

在以往的课程设计过程中，我们会对学生知识、能力或思维的某一方面着重培养。经过多年的实践教学和理论研究，我发现，知识、能力和思维三者之间是紧密连接、相互促进的。不断积累知识和不断经历获得知识的过程都能够帮助学生形成相应的思维方式，而一定的思维方式又能够帮助学生在之后类似的学习中更好地获得新的知识，让学生获得知识的过程更加有序、有效。在这样反复的过程中，学生获得新知和探索世界的能力会不断增强，主动性和自信心也会不断建立。在三者之中，思维方式的形成是至关重要的，也是由具象到抽象的过程，虽然看起来不容易把控，但思维却是可以通过训练培养的。

借助STEM 课程的开展，我们可以对学生的思维进行训练，从思维层面上帮助学生构建在未来学习生活中解决实际问题的思维方式，并在不断地应用过程中，将其内化。那么我们要培养学生怎样的思维方式呢？

（二）工程思维

思维的方式有很多，通过上表我们可以看出，在小学阶段的学习中，项目式学习的内容以工程技术为主，那么工程思维的培养就显得尤为重要且实用。

思维是主体在进行思维活动时所采取的模式或样式。工程思维就是工程从业者进行工程实践时的主导性思维方式。工程是将一个原本不存在的事物从零开始，逐步构建，是一项具有主动性和创造性的活动。

著名的工程科学家、教育家西奥多·冯·卡门说：“科学家发现已经存在的世界；工程师创造一个过去从来没有存在过的世界。”

但在现实活动中，我们在完成工程类项目时，往往处于“日用而不知”的“不自觉”状态。

最原始的工程思维其实就是在一次次实践中试错，对以往的错误不断改进，直至工程实践得到完成。这一行为可能出现在每一个人的身上，而且工程实施者的年龄越小可能出现的概率越大、次数越多。随着年龄和经验的增长，我们可能会从之前的试错或成功案例中总结出有效的“实践流程”，也就是工程思维的模式。同样，学生在工程类的项目式学习过程中，如果具备了一定的工程思维，会让他们在学习的过程中更加得心应手。

三、STEM课程对学生工程思维的培养

基于对以往成功案例的学习与研究，我们将小学生工程思维培养活动划分为工程设计、工程实施、工程测试、工程成果展示和应用四个阶段，并在本校多个年级进行了6 个内容的课程开发，下面以三年级的项目式学习《观测风》为例，该课程每轮为三课时。

（一）工程设计阶段

本阶段是整个项目式学习的第一课时。在该阶段，我通过“5W”分析，帮助学生像工程师一样思考问题。

研究的工程主题是什么（What）——制作一个能够正确测量风向的风向标。

思考为什么要研究这个问题（Why）——测量学校秋季风向。

考虑实施工程的环境如何（How）——明确教师将要提供的基础材料和工具，清楚工程实施的场地。

如何分配工程角色（Who）——整个工程的实施过程需要小组合作完成，每个人的分工对于工程完成的质量有很大影响。在此环节中，如果学生年龄较小，教师可以进行合理干预。

预想如何实现工程（How）——提前思考在工程活动中可能会遇见的问题与挑战，以便在设计环节解决或者直接避免。

在《观测风》的工程设计阶段，我们在完成“5W”的过程中，主要把注意力放在解决“分配工程角色”和“预想如何实现工程”上。

小组合作学习的培养是一个长期的过程。因为在以往的教学中，我们一直采取小组合作学习的方式，所以在本次活动中，我大胆尝试了自由分组。要求每组最多四人，学生自由、自愿组成工程合作小组。小组选定后，要为自己的小组取名，选出工程组长，根据自己的特长和意愿明确分工，最后每个组员要在教师发的工牌上写明组名、工程角色、姓名等信息。

“预想如何实现工程”其实就是以往STEM课程中的“头脑风暴”，教师提出可能会遇到的问题或困难，学生通过讨论或探究活动等进行解决。在本次课程中，学生将要遇到的主要困难有以下几个。

如何让风向标自由转动？（摩擦力的相关知识）

如何让风向标指出正确的风向？（风向标整体设计是否合理）

如何让风向标更耐用？（选材问题）

在哪里安放风向标更合适？（工程环境的考虑、外界影响因素如何排除）

完成“5W”后，学生根据小组意见设计并绘制设计图，并标明各部分选用的材料名称及尺寸。因为三年级的学生没有学过比例尺这部分数学知识，所以在设计图上我们要求学生进行1:1 绘图，并在图中标明哪些属于教师提供的基础材料，哪些属于自己要准备的拓展材料。

（二）工程实施阶段与工程测试阶段

在第二课时，学生将连续完成工程实施和工程测试两个阶段。当然，我们也会在不同的项目式学习中，根据内容的难易程度对这两个阶段的课时进行调整。

在工程的实施阶段，学生需要根据设计图领取所需的基础材料，并结合自己准备的拓展材料，按照设计图完成风向标的制作。因为在工程设计环节中的设计图是1:1 完成，所以在工程实施阶段各个工程小组完成得较为顺利。这样的设计图能够有效帮助低学段的学生完成工程的实施。

完成工程实施的小组可以到测试区对风向标进行测试。测试区内设有一台电风扇，受测者需要手持风向标站在距风扇1 米处，测试人员将从风向标的转动灵活度、指向是否正确等方面进行测评。测试后的工程小组可以根据测试结果，对风向标进行合理优化或做最后的美化等。

（三）工程成果展示和应用阶段

在第三课时中，学生将迎来最后的阶段——工程成果展示与应用。每个小组对最终的风向标进行展示，并利用自制风向标在选取的校园内某一地点测量当天风向。

每个工程小组要设计并制作一块简单的工程展示海报，上面要附有工程设计图、工程成员、工程亮点、风向测量地点及结果。

最后在班级内全员投票，进入工程评选环节。设立相应奖项，奖项的设立要与项目式学习的核心内容相关，能够激励学生的创造性，让学生对后续学习充满期待和向往。

工程思维的培养是一个漫长的过程。值得注意的是，我们要帮助学生培养的是良好的思维方式，绝不是呆板的思维定式。