发展高中生通用技术工程思维的三循环模型构建研究_何斌.pdf

412023.07课程建设与教学改革研究 发展高中生通用技术工程思维的三循环模型构建研究何 斌 徐 力摘 要：针对以往通用技术课程中基于项目的单向教学在发展学生工程思维方面有较大局限性的问题，以工程哲学为理论基础，探索并提出了以突出发展高中生工程思维为目标的“目标分析”“设计比较”“实践测试”三循环模型。关键词：工程思维；逆向循环策略；通用技术中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-1438(2023)14-0041-03作者简介：何斌，硕士，高级教师。北京市第八十中学，100020徐力，硕士，副教授。首都师范大学，1000892016年9月，中国学生发展核心素养总体框架正式发布。其中，“技术运用”中首次提到将“工程思维”确定为学生发展核心素养的内容之一。教育部颁布的普通高中通用技术课程标准(2017年版)(简称新课标)中首次将“工程思维”作为学科核心素养提出。新课标对工程思维的界定是：以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维1。一直以来，通用技术课程的“工具化”脸谱明显，人们一提到技术课程就会想到让学生去锯木头、做模型，缺乏思维内涵。工程思维作为通用技术学科核心素养之一被提出，首次凸显了通用技术课程提高学生思维的学科使命，与科学思维并重，是技术活动筹划性的体现，贯穿于设计、绘图和制作过程中。一、以往教学方式用于工程思维教学的局限性1.以往教学与工程思维高效且适切的学习需求不够契合我国基础教育始终着力培养学生的科学素养。技术学科进入基础教育国家课程只有二三十年的时间，特别是通用技术学科成为国家课程只有十几年的时间，教学过程中通常采用科学课程长期沿用下来的教学方法策略，即先讲授知识，然后通过确定设计假设进行实验验证，依然遵循的是科学思维“假设实验验证”的一般过程。此时学生还不知道接下来要做的项目和将要遇到的问题是什么、不知道所学习的知识与接下来要做的项目的关系，这样的过程虽然能够达到一定的教学目标，但是不利于学生建立工程思维。工程思维具有筹划性，要从现实和约束条件出发，考虑技术设计是否具有可行性、可操作性、可实现性。工程思维的一般过程是“需求设计制作实验”，强调先明确设计需求，也就是约束条件，这样学生才能在设计中适切并主动地提取和学习其所需要的知识技能，使得整个工程思维的学习更加高效。2.以往教学没有突出工程思维中高阶思维的培养以往教学倾向于从知道、识记、领会、理解的布鲁姆认知目标的低阶开始，很少能达到分析、评价、批判等高阶目标。工程思维强调运用系统分析的方法，突出在设计制作过程中运用模型或仿真模拟、实验的思想和方法分析和解决问题。这些都是高阶思维的培养。3.以往教学与发展“权衡比较”的工程思维不够契合以往教学往往是在完成了项目制作和测试后就结束了整个项目教学，缺少反复修改、迭代的过程，与工程实施的思维过程不够契合。学生缺少能够沉浸体验工程实施的全过程，容易使学生对工程思维的理解和建立工程思维的过程变得片面。工程思维具有权衡DOI:10.13492/ki.cmee.2023.14.009422023.07课程建设与教学改革研究 性，需要通过合理匹配各种约束条件和要素，进行比较、权衡、妥协、反复修改、迭代，做出风险评估，并据此优化设计等，以达到系统最优目标。这个过程在以往教学策略实施中很难实现。二、三循环模型的经验发现与理论基础1.经验发现新课标实施之后，教学过程中发现学生普遍存在对正在学习的知识技能的作用感到茫然的现象，针对这一现象，多年的教学经验让笔者调整了教学顺序。如在进行桥梁设计课的教学时，先展示往届学生已做完的桥梁作品，让学生在设计前就去观察分析思考，让学生站在前人的基础上，设计出更好的作品，发展学科核心素养。此外，笔者还让学生在制作完成并测试后，继续进行桥梁作品的迭代设计，多次实践下来发现，教学效果很好，因此希望能通过研究把这种做法提炼上升到教学模型甚至教学模式层面。在进一步学习研究工程思维这一学科核心素养的基础上，对比分析以往的“正向”教学策略，提出了三循环模型的设想，期望通过研究验证三循环模型可以有效提高学生工程思维的假设。2.理论基础思维是人类所具有的一种高级心理现象，是复杂的心理过程，也是大脑对来自客观世界的各种信息不断进行分析、综合、比较、抽象、概括、系统化和具体化的过程2。钱学森将思维科学划分为四大类别(抽象思维、形象思维、创造性思维、社会思维)和三个层次(基础科学、技术科学、工程技术)，它们与马克思主义哲学之间的桥梁是辩证唯物主义认识论3。技术科学、工程技术位于思维科学中的高层次，是建立在基础科学之上，以系统分析和权衡比较为特征的一种筹划性思维。思维是人的思维，即生活实践主体的思维。换句话说，人类思维活动始终伴随着生活实践活动。所谓工程思维，自然是工程实践主体的思维，而且是他们从事工程活动时的思维。工程技术项目中经常采用“逆向工程法”4对目标产品进行自上向下的工作分解、分析及研究，从而得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，制作出功能相近但又不完全一样的产品。工程思维的培养目标就是希望学生能够像工程师那样思考和解决问题。工程思维可视为解决工程问题的思维，主要包括如下基本环节：提出工程问题，即根据任务、目标、要求和边界条件提出需解决的工程问题；确定工程方案，即提出多种可能的方案，通过分析论证选择满意的方案；设计检验方案，即根据总体方案进行工程设计，并采用科学分析方法进行检验5。工程思维作为重要的思维方式，近些年逐渐得到国内学者的重视。1994年克罗多纳教授提出了克罗多纳双循环模型。其主要思想是在学生进行设计产品时，提取运用曾学习过的知识，在制作过程中不断学习新的知识，对方案加以修改和设计。尼尔森教授在2000年改进了基于设计的学习，提出了“逆向思维”学习的“6步半”模型，认为教学是一个分析、实践、总结、调整以及修正迭代的教学过程，是学生在实践过程中发现问题、分析问题、最终解决问题的过程6。三、三循环模型1.定义与特征三循环模型针对以往的单向教学流程的问题，以突出发展学生工程思维为目标，按照工程思维的一般过程形成“目标分析”“设计比较”“实践测试”三个小循环，每个小循环都突出了系统分析、权衡比较、不断反思的筹划性思维，最后再从“实践测试”通过“迭代再设计”返回“设计比较”、通过“需求再核验”返回“目标分析”，形成两个大循环，更加突出了没有唯一解而有更优解的工程思维(见图1)。图1 以往的单向教学流程与三循环模型对比2.流程与环节三循环模型由三个小循环和两个大循环构成。循432023.07课程建设与教学改革研究 环体现了权衡比较、系统分析、不断反思的筹划性思维，即工程思维。第一个小循环叫“目标分析”，突出从教学给出的情境中的产品设计需求入手，通过观察分析往届学生的作品，培养学生高阶思维，有利于学生明确产品设计的目标，通过不断分析确认从而回应产品需求，以体现按需设计，满足需求后进入第二个小循环。第二个小循环叫“设计比较”，学生在明确设计目标后着手开始解决问题，需要哪些知识技能就适时进行学习，通过系统设计形成多个解决问题的设计方案，并通过讨论进行方案的权衡比较，有争论时再去吸取更多更新的知识来再设计、再比较，进行小循环，直到确定设计方案、绘制图纸后交付施工，进入第三个小循环。第三个小循环叫“实践测试”，学生制作完产品模型后进行实验测试，检验相关指标是否满足最初的设计需求。测试不是工程设计的终点，而要通过测试反思自己制作工艺中的问题。两个大循环分别指：第一，做完模型并进行实验测试后，根据测试结果来检验相关指标是否满足最初的设计需求，回到第一个小循环进行“目标分析”；第二，通过测试结果反思设计中的问题，发现需要进行迭代再设计的地方，返回第二个小循环进行“设计比较”，重新进行一次设计制作测试的循环。3.适用条件三循环模型适用的教学场景主要为已有往届学生完成的设计作品作为参考。区别于以往的单向教学策略的讲授式为主的方式，三循环模型具有挑战性，能给学生较大的刺激和挑战欲，因此教学上建议多采用提问方式。三循环模型的构建和使用，突破了以往教学方式对于工程思维培养的局限性，教学过程与工程思维过程更加契合，突出了高阶思维培养，增强了教学的规律性、规范性。参考文献1 教育部.普通高中通用技术课程标准(2017 年版)S.北京:人民教育出版社,2018.2 罗明东，王荔，印义烔,等.心理学基础教育心理学原理与应用 M.昆明:云南大学出版社,2012:92.3 宋勇.计算机基础教育课程改革与教学优化 M.北京:北京理工大学出版社,2019:99.4 刘伟军,孙玉文.逆向工程原理方法及应用 M.北京:机械工业出版社,2009.5 薛守义.工程哲学工程性质透视 M.北京:科学出版社,2016.6 王佑镁.设计型学习:探究性教学新样式兼论尼尔森的逆向思维学习过程模型 J.现代教育技术,2012(6):12-15.