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导读 好久不见，在上一篇“视角|从工程教育维度，六步教你完成作品的从0到1”（点击蓝字查看）读完之后，你有什么感受呢？本文将在上一篇的基础上，做了一个纵向的分析。内容还是以上期的小车制作为案例，围绕工程设计的流程、模型以及对学生意义三方面开展，供大家学习参考。 STEM教育，S代表Science（科学）、T代表Technology（技术）、E代表Engineering（工程）、M代表Mathematics（数学）。STEM教育强调多学科融合，在真实情境中，培养学生解决实际问题的能力。在众多的STEM教育活动中，多以工程制作为核心，在工程教育中融合科学、技术与数学。 作品是学习效果与学习者能力的体现，但它并不是教育的主要目的。学生完成作品的过程中，兴趣的激发，思维的转变、能力的提升等是教育者最应该关心的事情。 工程设计流程是为工程团队提供引导的一系列步骤。整个过程不断循环，工程师可以根据这个循环不断优化作品。团队合作与设计是工程设计的两个关键点。通过工程设计可以增强对“开放答案设计”的理解，强调创造力与实用性。工程设计的一般流程包括：确定需求与限制条件、确定研究问题、提出可能的解决方案、选择一个最优的解决方案、建立模型、测试与评估模型、重新设计改进。 图1：工程设计的流程 1、确定需求与限制条件：工程师提出关键性问题：需要解决什么问题？需要设计出什么东西？为谁设计？项目要求是什么？限制条件是什么？我们的目标是什么？ 2、确定研究问题：与不同背景的人或者专家讨论对于产品的研究、现有的解决方案、需要用到的技术。 3、提出可能的解决方案：小组头脑风暴，尽可能想出更多地解决方案。 4、选择一个最优的解决方案：对于很多团队，选择一个最优解决方案是最难的一步。这需要重新思考项目需求、限制条件。选择最适合的解决方案，并做出计划。 5、建造模型。 6、测试与评估模型：测试模型是否工作、符合最初的要求。讨论可以改进的空间。 7、重新设计改进：讨论如何改进原有的方案，画出新的设计图，不断重复设计，优化作品。 制作小车分为以下几个过程。 1、制作小车的动机：想要利用已有器材，创造一辆内含个人想法、有创新性的小车。与“确定需求与限制条件”对应。 2、自由摆弄，获得灵感：自由摆弄蓝带器材，同时积极联想，确定小车要实现的功能。与“确定研究问题”对应。 3、设计模型，考虑限制因素：设计图纸，同时考虑可能遇到的困难。与“提出可能的解决方案”对应。 4、迁移知识，设计电路：应用串并联电路知识，设计电路，测试之后，改进电路。与流程的3、4、5步骤对应。 5、测试、猜想、验证、改进：完成电路连接与模型制作。经过多次测试改进。与流程的6、7步骤对应。 虽然这次的制作过程与工程设计的一般流程相仿。但工程设计流程在阐释学生学习的发生过程上有所不足。具体而言，有以下几点： 1、学生完成作品的实际过程分析 从一个设计者的角度出发，希望作品可以实现预期的功能。现在有两种实现方案。第一种方案按照工程设计的一般流程进行创作，完成作品后再进行测试与改进；第二种方案将测试与改进放在工程设计的每一个阶段当中。 相比之下，第二种方案貌似繁琐，但是对于一个创作新作品的人来说，这种方案避免了不必要的材料与时间的浪费。设计者可以及时更正出现的问题，通过改进作品的各个部分，达到优化整个作品的目的。 在设计小车图纸的过程中，发现不论小车往哪个方向行进，都会受到车轮的滑动阻力。所以我特意进行一个小车摩擦力的测试，预估小车能否克服摩擦力。在设计电路阶段，因为电路复杂、需要专门连接长线、绕线过程必须精细等。 设计好电路之后，如果直接接线，遇到电路设计错误的问题，返工会浪费大量时间与精力。所以有必要在正式接线之前、在接线过程中，测试电路设计。遇到问题，及时改进。小车电路图经过四次设计才最终完成，可见及时测试与改进对节约时间与成本意义重大。 2、 知识迁移 工程设计要求学生能够综合运用多学科知识解决问题。在这个案例中，主要运用到的知识包括串并联电路连接、短路、分压规律等。其次运用到测量、计算等数学知识。 从知识迁移的角度来看，工程设计的项目为学生提供应用知识的机会与平台，与具体情境联系，形成背景性经验。通过犯错、改进，加深对知识的理解。 3、工艺与合作 工艺是在工程设计中非常重要的要素，其内容主要在第三篇文章中详细阐述。工程设计的作品往往需要团队共同完成，合作是工程设计的关键要素。但小车的制作由个人完成，所以不在此阐述。 基于以上的分析，提出工程设计的一般模型。 图2：工程设计的模型 工程设计的模型在工程设计流程的基础上，进一步修改。力图反映学生的思维变化与学习过程，挖掘学生在工程设计上的能力要素，为教师实施教学提供依据。 工程设计的模型在“确定需求与限制条件”、“确定问题”上与一般工程设计的流程类似。在“确定问题”之后，会细分为各个子问题。子问题分为四大类，每一类问题包含若干问题。 第一类问题：设计规划。 学生需要了解工程设计的一般过程，用于指导整个设计。在学生制作作品的初始阶段，初步规划整个作品的设计过程，确定需要解决的关键性问题，明确自己所处的阶段，可提升对整个过程的驾驭感，同时可自我管理学习过程，更好的地自主学习。 第二类问题：知识迁移。 学生制作作品的过程，既是对知识掌握情况的评价，又是迁移知识、加深理解的过程。在小车案例中，学生需要灵活运用电路的知识，解决电路设计的问题。 第三类问题：操作工艺。 要实现作品的功能，除了运用相关知识，还需要解决实际操作中的难题。包括掌握电路图、线路连接的规范与要求；搭建模型的细节处理；能够及时发现故障、总结规律，优化制作过程等。 第四类问题：小组合作。 在合作过程中，如何处理小组成员的不同想法，如何更有效率的分工合作。对组长以及组员都具备一定的挑战。 解决第二类和第三类中的每一个子问题，都要都要经过猜想、设计、实施、验证的循环过程，如果一次循环不能解决问题，需要进行更多地循环改进，直至解决子问题，最终完成作品。在本故事中，本人在设计小车模型、设计电路、连接电路、控制小车移动等各个阶段都遇到了问题，经过一次或多次“猜想-设计-实施-验证”循环改进，最终解决问题，完成作品。 学生在工程设计的过程中，解决四类问题，提升四方面的能力。 元认知能力：解决第一类问题。提升学生对整个工程设计的了解，明确自己所处的阶段。增强自我管理，提升元认知能力。 知识迁移能力：解决第二类问题。获得背景性经验，加深对知识的理解，学会运用知识解决实际问题。 动手能力：通过解决实际操作问题，形成良好的习惯、提升手工操作的技巧。 合作沟通能力：小组合作是工程设计的关键，完成作品的过程，也是小组成员沟通交流、相互磨合的过程，在这个过程中，学会倾听、学会与人相处。 工程设计的模型构建是个人经验与理论的总结，其科学性与适用性仍需要进一步验证与改进。其次这次制作活动并没有以小组合作的形式进行，所以小组合作部分不能详细阐述。 下一篇文章从工艺与兴趣角度出发，分析此次制作活动，敬请期待！ 来源：夜尽天明 |
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