馮穎

摘要：《普通高中通用技術(shù)課程標準（2017年版）》對工程思維的培養(yǎng)提出了明確的要求，但當前教學(xué)中橋梁實踐項目還存在學(xué)生行動盲目、設(shè)計思維含量不足等問題。越秀區(qū)以自主創(chuàng)新的信息技術(shù)平臺全面優(yōu)化項目實施，啟發(fā)學(xué)生運用工程思維方法解決實際問題，進行深度學(xué)習(xí)，有力地落實了項目式教學(xué)的目標。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)平臺；工程思維；項目教學(xué)；橋梁模型設(shè)計；高中通用技術(shù)

《普通高中通用技術(shù)課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）從現(xiàn)代社會對創(chuàng)新型人才的要求出發(fā)，提出技術(shù)意識、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達、物化能力五大核心素養(yǎng)^[1]。其中，發(fā)展學(xué)生“工程思維”這一新要求，是一線教師關(guān)注的焦點。通用技術(shù)教師普遍從高校畢業(yè)就到學(xué)校工作，缺乏工程實踐經(jīng)驗，沒有工程技術(shù)背景，如何將課堂教學(xué)與工程思維對接成為新的挑戰(zhàn)。

一、準確把握工程思維的內(nèi)涵和要求

（一）工程思維的內(nèi)涵

工程是以科學(xué)和技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性工作，關(guān)鍵是建造，核心是設(shè)計。工程設(shè)計是在約束條件下的設(shè)計。最基本的約束條件是自然規(guī)律，其他限制因素包括時間、資金、可用材料、環(huán)境法規(guī)等。工程設(shè)計是一個決策過程，也是一個不斷優(yōu)化的過程，在此過程中需要使用科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、人文等知識來優(yōu)化轉(zhuǎn)換組合資源以實現(xiàn)特定目標^[2]。

工程思維則是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維，要求學(xué)生能認識系統(tǒng)與工程的多樣性和復(fù)雜性；能運用系統(tǒng)分析的方法，針對某一技術(shù)領(lǐng)域的問題進行要素分析、整體規(guī)劃，并運用模擬和簡易建模等方法進行設(shè)計；能領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)、控制等基本思想和方法并加以運用；能進行簡單的風(fēng)險評估和綜合決策^[3]。

（二）以大項目嵌入式滲透工程思維

工程思維的習(xí)得與養(yǎng)成是一個積累、漸進的過程?！墩n標》建議在教學(xué)中以“大項目”對課程內(nèi)容進行嵌入式滲透，將工程思維整合嵌入學(xué)習(xí)內(nèi)容要求中。

面向工程思維培養(yǎng)的大項目，是基于完整情境和任務(wù)的整合學(xué)習(xí)。項目主題契合真實世界的某一需求情境，如校園小農(nóng)田自動澆灌、橋梁建設(shè)等。教師創(chuàng)造條件讓學(xué)生經(jīng)歷典型的、微縮的工程設(shè)計，對目標、知識、學(xué)生基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)環(huán)境進行組織，搭建學(xué)習(xí)支架，鋪設(shè)學(xué)習(xí)路徑，形成連續(xù)完整、螺旋上升、培養(yǎng)目標鮮明的學(xué)習(xí)活動。項目力求將原理概念、實踐能力、創(chuàng)新想象三者結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生運用技術(shù)設(shè)計方法解決問題，應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)原理，建構(gòu)知識，體驗過程，形成構(gòu)思、繪圖、操作、試驗、測量、評價等技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)驗，以及權(quán)衡決策、迭代改進、工程建模等思想方法，以適應(yīng)未來工作生活可能遇到的多變、陌生和疑難情況。

二、目前橋梁實踐項目的不足和常見問題

通過調(diào)研觀課，以及翻查歷屆“設(shè)計與制作展評活動”材料，筆者發(fā)現(xiàn)當前橋梁實踐項目的典型樣態(tài)是這樣的：教師給出跨度要求，提供木條、熱熔膠等材料，在指定時間段，各小組畫草圖并搭建，成型后開展極限承重比賽，即不斷加載負荷，直至橋梁斷裂，承重與自重比最高者為冠軍?，F(xiàn)場氣氛熱烈，學(xué)生激動喝彩。在熱鬧的活動結(jié)束之后，詢問學(xué)生“你從中學(xué)到了什么”，他們的回答往往無外乎以下三點：一是我們努力搭建一個橋梁；二是測試橋梁，不斷加重物至其斷裂；三是追求“承重與自重比”最大化目標。

此類活動在不同學(xué)段、不同學(xué)科，如小學(xué)科學(xué)課等經(jīng)常開展，頗受學(xué)生歡迎。但如果學(xué)生在高中通用技術(shù)課堂的收獲仍然局限于此，則反映出學(xué)生還不清楚技術(shù)設(shè)計的學(xué)習(xí)目的，有些教師對工程思維的內(nèi)涵認識不足。

工程的本質(zhì)是設(shè)計，工程設(shè)計需要綜合應(yīng)用跨學(xué)科知識來創(chuàng)造出符合人類需要的事物。工程設(shè)計過程具有系統(tǒng)性、創(chuàng)造性和迭代性。工程師必須探索多種不同的替代方案，才有希望得到最佳解決方案。然而，此類建橋比賽并沒有將工程的基本特點清晰地傳達給學(xué)生，存在的問題包括以下四個方面。第一，學(xué)生并沒有真正設(shè)計橋梁。有的小組沒有經(jīng)過多少思考，僅僅出自對一座橋應(yīng)該是什么樣子的模糊感覺，將木條粘合起來，行動帶有盲目性。第二，學(xué)生對于承重測試的認知基礎(chǔ)不足，出于直覺加固某些部位，并沒有恰當應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)知識；教師在教學(xué)中沒有展示“運用數(shù)學(xué)和科學(xué)更有效地設(shè)計橋梁”的證據(jù)。第三，學(xué)生的體驗止步于制作一個作品，然后極限破壞測試，他們鮮有經(jīng)歷設(shè)計改進和迭代，并測試這些改進的有效性。第四，教師為學(xué)生設(shè)定了一個并不現(xiàn)實的成功標準——不斷加載直至垮塌，得到最大承重與自重比?，F(xiàn)實中的工程師是要求設(shè)計可以矗立而非垮塌的橋梁，實現(xiàn)以滿意的成本安全通過規(guī)定荷載，而非為了“最大承重與橋重比”而設(shè)計。如果是為了最大承重與橋重比而設(shè)計，那么一座10噸、能承載10噸貨物的橋梁，就和一座能承載50噸貨物的50噸橋梁一樣了。但事實上，這兩座橋并不會同等安全。

由此可見，通用技術(shù)課堂的橋梁項目不應(yīng)滿足于熱鬧的氣氛，不能止步于缺乏設(shè)計思維含量的淺表學(xué)習(xí)水平，更為重要的是上升到工程設(shè)計思維高度，對項目設(shè)計、教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式進行有針對性的設(shè)計，加強綜合分析、籌劃型思維的培養(yǎng)。

三、面向工程思維培養(yǎng)的“橋梁模型設(shè)計”項目簡介

（一）學(xué)習(xí)目標

全面改進后的“橋梁模型設(shè)計”項目，模擬真實生活場景，代入工程師角色，提出頗具挑戰(zhàn)性的工作任務(wù)。項目由多個獨立但環(huán)環(huán)相扣、步步提升的學(xué)習(xí)活動組成，學(xué)生經(jīng)歷一個完整的、嚴謹?shù)摹⒌募夹g(shù)設(shè)計過程，體驗從傳統(tǒng)工匠到現(xiàn)代橋梁工程師的工作，了解現(xiàn)代橋梁工程師如何綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、人文、美學(xué)等知識解決問題；將計算機作為提高工作效率和質(zhì)量的工具；理解桁架橋的技術(shù)原理。本項目實現(xiàn)了工程思維培養(yǎng)與技術(shù)實踐活動的融合對接，可落實通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)相關(guān)水平要求。

（二）教學(xué)概要說明

學(xué)情分析：高二學(xué)生通過前面兩節(jié)課，已經(jīng)了解了結(jié)構(gòu)的一般分類和簡單的受力分析方法，體驗了利用截面邊長為6 mm的方木條快速搭建自承式木拱橋的活動。

在此基礎(chǔ)上，為了發(fā)展學(xué)生的高階思維，教師創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，讓學(xué)生以工程師的角色投入工作：紅山村荔河上游的老木拱橋無法滿足村民日益繁忙的生活交通需求，村委會計劃集資在中游新建一座跨距為24 m、橋面寬度≥3.5 m的鋼桁架橋，要求成本可控、通行安全、優(yōu)美纖巧。你所在的工程團隊準備競標，面臨首個挑戰(zhàn)——制作比例為1/40的紙質(zhì)橋梁模型，即跨距為60 cm，要求能安全承載5 kg的物體（荷載為5×9.8 N）；你將利用該模型，在村委會議上向紅山村干部群眾演示和論證工程的可行性，包括外觀、成本、安全性等。

這個挑戰(zhàn)性問題牽引著學(xué)習(xí)活動：①團隊批量制作規(guī)格化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；②測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度；③分析桁架結(jié)構(gòu)的科學(xué)原理；④對桁架橋的計算機建模；⑤設(shè)計并制作桁架橋；⑥桁架橋的測試、交流與評價，召開工程論證會（如圖1）。

（三）所需資源說明

考慮到各校課程實施條件參差不齊，有的學(xué)校開展技術(shù)實踐的資金、設(shè)備、耗材比較匱乏等實際情況，越秀區(qū)通用技術(shù)教研組本著因地制宜、自主創(chuàng)新、挖潛增效的原則全面優(yōu)化“橋梁模型設(shè)計”項目。學(xué)校開展本項目所需材料全部源自身邊資源再利用，成本基本為零，是一個低成本、低門檻、高價值、高收獲的教學(xué)項目。

（1）從結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的可操作性、實踐性、理論性并重出發(fā)，推薦各校選取100 g/m²以上的答題卡紙或牛皮紙作為構(gòu)件材料，制作矩形構(gòu)件代表方鋼（壓桿），條狀材料代表角鋼（拉桿），以分析橋梁構(gòu)件抗壓、抗拉蘊含的科學(xué)原理。

（2）使用越秀區(qū)自主研發(fā)的構(gòu)件強度測試裝置（如圖2）。教師課前用邊角木料自制裝置；課堂上啟發(fā)學(xué)生理解其工作原理（牛頓第一定律和杠桿原理），接下來在課堂內(nèi)外學(xué)生開展技術(shù)試驗，測量構(gòu)件的抗壓、抗拉強度。

（3）使用越秀區(qū)橋梁設(shè)計學(xué)習(xí)平臺，積極探索利用信息技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)評一致性；平臺系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，師生在家校均可使用，對客戶端電腦配置要求很低，利用學(xué)校舊學(xué)生機亦可。

（4）其他材料：白乳膠、尺子、游標卡尺、細木片、細木條、木工銼等；各小組在批量制作規(guī)格化的橋梁構(gòu)件時，利用模具可以提高效率和工藝質(zhì)量，模具由學(xué)生思考自制。

四、搭建信息技術(shù)學(xué)習(xí)平臺，突破項目關(guān)鍵環(huán)節(jié)難題

（一）信息技術(shù)平臺為項目目標落實提供有力支撐

我區(qū)根據(jù)系統(tǒng)科學(xué)原理自主創(chuàng)新研發(fā)越秀區(qū)橋梁設(shè)計學(xué)習(xí)平臺，助力學(xué)生了解現(xiàn)代橋梁設(shè)計區(qū)別于中國傳統(tǒng)橋梁的特征。學(xué)生代入橋梁工程師角色，迎接真實工作挑戰(zhàn)，沉浸于設(shè)計制作一個需求明確、成本可控、安全有效、優(yōu)美矯健的桁架橋的全過程，自始至終結(jié)合工程設(shè)計要素（包括需求分析、概念建模、優(yōu)化方案、技術(shù)試驗、工藝制作和安全測試等）仔細考慮，最終完成符合用戶需求的作品。學(xué)生完成挑戰(zhàn)，獲得欣喜和成就感的同時，加深對工程設(shè)計典型過程的認識，感悟工程思維的可遷移性。

橋梁設(shè)計的學(xué)習(xí)目標、問題情境、資源設(shè)計、活動序列和多元評價的實施，始終圍繞《課標》展開，為“教學(xué)評一致性”賦能。平臺主要有四大模塊（如圖3），各模塊鏈接多個子功能，為學(xué)習(xí)全過程提供有力支撐。

“資源與課件”模塊以視頻和PPT生動展示紅山村真實問題情境，有鮮明的目標指向，使學(xué)生有身臨其境感，激活其解決問題的內(nèi)驅(qū)力；提供結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)輔助材料，為各層次學(xué)生提供發(fā)展空間，體現(xiàn)差異性。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)需求，欣賞中國古橋和現(xiàn)代橋梁，自主查閱文獻、桁架橋解析和課件。

“試驗與分析”和“建模與仿真”模塊支持學(xué)生像工程師一樣工作，理論與實踐并重，記錄學(xué)生桁架橋建模過程、構(gòu)件力學(xué)試驗過程、優(yōu)化設(shè)計過程，突出成果性、可操作、可視化、可測評的學(xué)習(xí)實現(xiàn)指標。

“交流與評價”模塊既有促進學(xué)生分享交流和自我反思的成果展示，又有遷移應(yīng)用、素養(yǎng)導(dǎo)向的過關(guān)練習(xí)題，面向全體學(xué)生，為學(xué)業(yè)考評打好基礎(chǔ)。

（二）工程思維方法外顯化，學(xué)生運用跨學(xué)科知識解決實際問題

1.在問題解決中綜合運用跨學(xué)科知識

通過技術(shù)平臺支持下的橋梁設(shè)計與制作，學(xué)生感悟到，真實情境中的問題解決需要綜合運用跨學(xué)科知識設(shè)計方案，而遵循科學(xué)規(guī)律是保證工程順利實施的重要前提。學(xué)生從初中到高中學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理知識，如三角函數(shù)、矢量、力的分解、牛頓運動定律、杠桿原理等。以前，他們感覺學(xué)習(xí)這些知識是為了應(yīng)付作業(yè)和考試，而在這個項目中，這些知識不僅全都用上了，而且成了可理解、可視化、可檢驗的活化知識。教學(xué)中，教師可以先介紹平面桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點分析法（涉及牛頓第一定律、力的分解與合成，與高中學(xué)生的知識背景相一致），再讓學(xué)生紙筆演算3～5個桿件的受力大小和方向，判斷構(gòu)件中的壓桿與拉桿，體會理論與實踐之間的緊密聯(lián)結(jié)，進而感受計算機可以大大提高工作效率和質(zhì)量，在無形中達成跨學(xué)科知識的融會貫通，實現(xiàn)學(xué)以致用。

2.在探究實踐中體會工程建模的重要價值

建模是技術(shù)、設(shè)計與工程活動的重要思想方法。工程建模是解決工程實際問題的橋梁，旨在更好地理解即將實施的工程，快速解決工程中的實際問題，以獲得更高的經(jīng)濟效益和社會效益。工程建模在概念設(shè)計階段、實體設(shè)計階段、詳細設(shè)計階段，有著不同類型的建模方法，發(fā)揮著不同的作用。在概念設(shè)計階段，系統(tǒng)建模和數(shù)學(xué)建模使用得比較普遍。計算機是現(xiàn)代工程必不可少的建模工具，即利用計算機建立數(shù)學(xué)模型、數(shù)值求解、定量研究某些現(xiàn)象或過程的研究方法?；谄脚_的“建模與仿真”模塊（如圖4），學(xué)生能便捷地編輯橋梁主體跨度、結(jié)構(gòu)和荷載，支持批量坐標數(shù)據(jù)導(dǎo)入，實現(xiàn)即時計算和交互，反饋結(jié)點、桿件、荷載的所有量化信息，方便各組研究、討論、驗證設(shè)計的可行性。由于課堂時間有限，學(xué)有余力的學(xué)生可以在課余時間利用學(xué)習(xí)平臺上的教學(xué)視頻，嘗試更多的建模方法。

3. 在比較分析中感悟研究建模遵循的原則

學(xué)生在概念設(shè)計階段使用本平臺的“建模與仿真”模塊，在工程論證會上使用小組制作的紙質(zhì)橋梁模型實物，感悟?qū)τ谕粋€實際系統(tǒng)，人們可以根據(jù)不同的用途和目的建立不同的模型。教師啟發(fā)關(guān)鍵點：建立模型只是實際系統(tǒng)原型的簡化，既不可能也沒有必要呈現(xiàn)實際系統(tǒng)的所有細節(jié)。如果在簡化模型中能保留系統(tǒng)原型的一些本質(zhì)特征，就可認為模型與系統(tǒng)原型是相似的，是可以用來描述原系統(tǒng)的。在實際建模時，必須在模型的簡化與分析結(jié)果的準確性之間做出恰當?shù)娜∩幔@是建模常遵循的原則。

（三）融合方法指導(dǎo)和解決問題的路徑，引導(dǎo)學(xué)生從技術(shù)試驗中汲取精華

技術(shù)試驗是重要的技術(shù)思想方法。要想成功生產(chǎn)出安全實用的產(chǎn)品，如果僅憑動手、試錯和碰運氣，有可能耗費大量資源和時間。在實際工作中，工程師必須進行科學(xué)合理的設(shè)計分析，權(quán)衡研判。如果屬于工程界現(xiàn)成的技術(shù)試驗數(shù)據(jù)，則查閱手冊 ；如果沒有數(shù)據(jù)，就要進行全新的技術(shù)試驗。對于高中通用技術(shù)教學(xué)，教師創(chuàng)設(shè)微縮而典型的問題情境，讓學(xué)生體驗技術(shù)試驗的設(shè)計和實施，明白試驗數(shù)據(jù)是如何積累的，明白運用試驗結(jié)果的意義。學(xué)生從試驗現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)其包含的原理性問題，有利于洞察事物的本質(zhì)，少走彎路，提高思維效率。

本項目的技術(shù)試驗環(huán)節(jié)，學(xué)生既有動手做，也有動腦做，將實踐經(jīng)驗與科學(xué)理論結(jié)合起來。學(xué)生對學(xué)習(xí)活動中制作的規(guī)格化的構(gòu)件，利用測試裝置，開展一系列技術(shù)試驗，測試不同長度和規(guī)格桿件的抗拉、抗壓強度，并記錄數(shù)據(jù)。通過試驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)相同規(guī)格構(gòu)件的測試數(shù)據(jù)或多或少存在偏差，這主要是由于每個構(gòu)件的制作質(zhì)量差異導(dǎo)致的。利用平臺“試驗與分析”模塊（如圖5），各組測試數(shù)據(jù)自動匯聚和豐富，提供給所有學(xué)生研判和選用。當數(shù)據(jù)足夠多時，擬合的受力分析曲線就比較接近該規(guī)格構(gòu)件的力學(xué)屬性。學(xué)生進而利用圖表分析結(jié)果，觀察各種物理性質(zhì)如何影響構(gòu)件強度。結(jié)合在“建模與仿真”中的設(shè)計，學(xué)生從安全系數(shù)、桿件需求、建造成本等多個角度，迭代優(yōu)化設(shè)計。正因為有了可靠的數(shù)據(jù)，學(xué)生能研判本小組的桁架橋設(shè)計是否合理、是否需要改變結(jié)構(gòu)、哪些部位選用何種構(gòu)件、哪些構(gòu)件需要強化等，大大減少了下一步制作的盲目性，從而實現(xiàn)產(chǎn)品成本可控、安全達標的目標。同時，學(xué)生切實感受到工匠精神，在構(gòu)件制作階段要精益求精，提高工藝質(zhì)量水平，才能使最終裝配的產(chǎn)品更加可靠和安全。

五、結(jié)語

任何學(xué)習(xí)方式的落地，都需要學(xué)習(xí)支架的支持，廣州市越秀區(qū)橋梁設(shè)計學(xué)習(xí)平臺以信息技術(shù)為支撐搭建優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)支架，將書本知識與實踐活動創(chuàng)造性結(jié)合，有效促進學(xué)生的學(xué)習(xí)和項目的開展。學(xué)生在潛移默化中感悟?qū)W習(xí)和生活是息息相關(guān)的，每個社會公民都擁有工程思維將有助于全社會形成更科學(xué)合理的決策，從而增強了造福人類的主觀能動性和創(chuàng)造美好世界的社會責(zé)任感。

參考文獻

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[2] 王濱.工程改變世界[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2020.

（作者系廣東省廣州市越秀區(qū)教育發(fā)展研究院教研員、中學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：牟艷娜