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创新火花在解决问题中迸发

■聚焦科学教育·实践

在杭州市文海实验学校,教师徐翔现场扮演起国家航天局总工程师。他发布月球太空基地的设计制作任务,要求学生组建创业公司参与招标。查阅资料、头脑风暴、原型制作、改进原型……在一次次实践探索中,学生设计的产品不断迭代,思维迸发出朵朵灿烂的火花。

这是浙江省近年来探索中小学工程启蒙教育的一个缩影。为了找到合适的路径,浙江省通过落实通用技术课程,推进以工程为核心的跨学科教育,创新工程设计的教学实践,在劳动教育中嵌入工程教育,培养学生的科学素养和创新能力。

工程思维如何培养

“工程教育的关键是培养学生的工程思维。”浙江省教育厅教研室主任任学宝说。

在浙江省推进工程教育的过程中,普通高中通用技术课程成为重要阵地。据了解,通用技术课程的五大学科核心素养是技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力,其必修模块以设计过程、结构、流程、系统、控制等工程核心概念为基础,选择性必修中设置了“技术与工程系列”。

通用技术课程的目标设置正契合了工程教育的导向,被浙江省纳入高考科目后,以工程思维培养为目标的“问题嵌入式”实践教学方兴未艾。该模式以问题为指引,引导学生在真实情境中实践,像工程师那样思考和解决问题。

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在参加英国驻华大使馆举办的“节能减排、绿色环保”主题活动时,杭州外国语学校学生想到校园内有两个高度有落差的人工湖,湖水常年从上游流到下游,夜晚维护人员还会利用峰谷电将下游的水抽到上游。

可不可以尝试利用校园上下游两湖的水落差发电,为夜晚较暗的湖边提供照明?学生提出了奇思妙想,教师适时提供“基于工程思维的问题链”作为支架,将其分解成若干个问题:上下游之间的水流量有多大?发电机有哪些类型,如何安装?利用现有设备可以发多少电?……

学生一丝不苟地对几十个问题作出解答,通过调查、测量、计算、建模,已学的知识被应用起来,对未知的知识尝试探究。最终,学生运用软件进行三维建模,设计出了整个发电系统。

学校通用技术教师张鹏峰介绍说,学生在解决工程问题的过程中,学习的主动性和成效远高于课堂讲授式的教学。目前,该校已开设培养工程思维的系列选修课,并组建了机器人、电子创客、太空城市等学生社团。学生开发出帮助老年人起身站立的拐杖、养老院专用防滑垫、倒酒机器人、电子无弦吉他等作品浙江高中通用技术,并在国际太空城市设计大赛中获得亚太区亚军的好成绩。

工程设计如何有效实践

浙江省是全国最早开展STEM教育的省份之一,陆续培养了600多名STEM教学的骨干教师,为工程教育的开展提供了有利条件。这些教师将一些以工程设计为核心的项目带回学校,再在实践中总结工程设计教学的经验,开发了不少以工程为主线的教育项目。

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记者在温州市实验中学“智能门禁系统的设计与制作”项目。学生应用电路连接基本方式、磁体之间相互规律与磁场、电磁铁的结构与功能等知识,按照工程设计流程,完成了以电磁铁为核心的智能门禁系统模型建构、制作与应用的过程。

执教教师徐墨涵告诉记者,他在开展跨学科教育探索的3年中发现,可以在科学、数学、信息技术课程中渗透工程教育。比如“智能门禁系统的设计与制作”项目,侧重以科学为主,需要运用电磁学等科学方面的知识设计门禁系统核心部件,同时也需要运用工程思维进行系统分析,还需要运用比例和工艺方面的知识来制作模型。

浙江省很早就尝试以亲历劳动实践与工程启蒙教育来推动劳动教育实施,以体现“浙江服务+浙江制造”模式下的劳动新形态。在浙江省级教材《劳动》中,五年级与九年级各安排4个以设计为线索的综合性劳动项目,将工程教育嵌入劳动教育之中。

例如在教学《劳动》教材六年级项目二“电子垃圾的再生设计”时,杭州市保俶塔实验学校教师吴琳按照电子产品消耗调查、电子产品的内部探秘、电子垃圾的再生设计的任务链组织学生学习与实践。在学习过程中,学生不仅以工程和设计思维展开思考,实现产品的再生利用,还感受到每一件产品背后的劳动智慧和心血,对劳动创造美好生活有了更为深入的理解。

工程教育如何普及推广

在通用技术课程、科学教育、STEM教育、劳动教育等多路径的推动下,目前浙江省有近千所学校正在探索工程启蒙教育,10万名中小学生参与到技术与工程实践中。

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“《中国制造2025》把提高创新设计能力作为实现制造强国的战略重点,在基础教育阶段提升青少年的设计能力有其必要性。”浙江省教育厅教研室副主任张丰说。

浙江省于2018年启动设计课程实验,开发了聚焦设计思维的中小学设计课程,确定“感知与设计”“技术与设计”“系统与设计”三个方向为课程主轴,形成从启蒙体验到应用实践、贯穿小学到高中的系列设计项目,如“设计侦探”“仿生设计”“游戏化设计”“空间设计”等。

设计课程让学生体会身边的工程实践。不同年龄的学生都可以在经历同理心思考、问题定义、方案设计、制作测试的过程中,理解基本的工程思维,体验解决开放性问题的挑战,提升思维与实践能力。设计思维的引入,降低了工程教育的门槛,受到学校广泛欢迎。

例如,杭州绿城育华亲亲学校的“婴儿产品改进设计”项目,在“二孩”政策背景下,提出“如何利用身边现有材料设计并制作出能更好照顾婴儿的用品”,让七年级学生结合父母在照顾“二宝”过程中遇到的困难,为家里的弟弟或妹妹制作婴儿用品。

该校的陈燕燕老师表示,设计课程打开了学生工程学习的思维空间,学生可以充分挖掘复杂世界中隐含的信息。其中一组学生通过观察发现,父母给婴儿洗澡时蹲着非常辛苦,所以想到设计一个可以上升下降的洗浴盆。“这样的同理心和移情思考可以帮助学生发现有意义的问题,有价值的创新设计就此萌生。”

据了解,该校工程设计课程从一年级到八年级全员普及,每周两课时连上,共有16个项目正在实施。为给学生提供支持浙江高中通用技术,学校发展了同理心定义表、问题价值权衡表、“635法”等工程思维工具。两年来,有3个学生项目获得国家专利。

《中国教育报》2022年06月03日第3版

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