STEM教育理念下培养学生工程思维的课程研究

李松林

摘要：根据李伯聪提出的科学—技术—工程三元论，人类的社会活动方式包括科学活动、技术活动和工程活动三类，与上述三种活动相对应，我们需要科学思维、技术思维与工程思维是三种相互联系、相互区别又相互渗透的思维——即工程思维。STEM教育是学科融合的教育，强调给学生创设实际情境，是发现问题、思考问题、解决问题的一种教育模式。在现实情境中，工程思维与STEM项目化学习融合，有助于STEM项目化课程的开展。

关键词：STEM教育;工程思维;榫卯结构

一、工程思维的重要意义

在STEM教育中，“科学”“数学”以科学思维为主，强调理论;“技术”以技术思维为主，强调解决实际问题的能力。从思维方法来看，这两种思维都是偏向理性，重点关注在思维的逻辑性和客观性;工程思维离不开亲身实践，可以被认为包括逻辑思维、形象思维和顿悟思维，做到了思维的整体性、人文性和实践性的统一。三种思维在STEM教育中的共同存在才有利于学生作为全人的思维全面提升，缺一不可。因此，在STEM教育中，工程思维具有重要而独特的意义，它与STEM教育理念高度契合，互相促进。

首先，工程思维来源于生活实际，是对实际生活问题的解决，因此具有实践性。工程思维首先强调可行，对潜在问题进行深度挖掘，寻找现实可行性的方法，解决理想和现实之间的矛盾，帮助我们跨越理想与现实的鸿沟。它能将潜在的待解决问题转变成符合我们需要的结果，工程思维所具有的实践性，可以帮助我们面对实际问题做到有条不紊，工程思维的实践性特征表明他对于人的成长实实在在的积极作用。

其次，工程思维强调改变、改进。正因为如此，工程思维具有创新性，这种创新更是具有方向性、目标性，因为有特定的标准对其进行约束，工程思维活跃灵动却又紧扣实际，让我们有所抓手。它和创新思维并不相同，因为创新思维天马行空，更具有跳跃性、更加关注想象力的发展，灵动有余却不容易把握。

再次，工程思维具有综合性。我们容易把工程思维与理性思维等同，实际上，工程思维是一种更为复杂的思维方式。理性思维注重事实，强调证据，工程思维在此基础上，更是考虑到所要建造或建构的对象和目标，同时与周边实际紧密结合，是基于充分实践基础上的理性认识，是一种实用性思维。工程思维不光具备科学思维和技术思维的特点，更需要具备综合判断和选择的能力，这恰恰是工程思维的魅力所在，他的综合性让他基于理性、基于实际，却又能够帮助解决问题，高于生活实际。

二、榫卯结构——中国传统建筑文化的瑰宝

中国有着五千年的悠久历史，传统文化历久弥新，充满着生命力。以红木家具为代表的中国传统家具艺术世界闻名，流传至今，更是已经成为世界文化遗产的一部分，是中国传统文化的代表和骄傲。中国的传统建筑文化不同于西方，它讲究自然。灵动、和谐，而榫卯结构更是中国传统建筑方法的智慧体现。利用榫卯结构，我们的家具甚至房屋不使用铁钉固定，却又结构坚固，在人类建筑史上堪称奇迹。这是西方现代建筑技艺所无法取代和模仿的，体现的是我们古老东方文化所独有的工匠精神。

榫卯是在两个木构件上所采用的一种凹凸结合的连接方式。榫卯结构是榫和卯的结合，可有效地限制木件向各个方向的扭动。用最少的材料，做出最精细的建筑，这便是榫卯结构的魅力所在。

榫卯结构应用于房屋建筑后，虽然每个构件都比较单薄，但是它整体上却能承受巨大的压力。这种结构不在于个体的强大，而是互相结合，互相支撑，体现了中华文化中的和谐统一。

笔者工作所在的白蒲镇保留着众多古巷以及古建筑，榫卯结构随处可见，让我们感受到了古代木工技艺的高超。白蒲的红木家具作为特色产业和支柱产业，有着悠久的历史。笔者工作所在的学校设置了多个实践基地，开展了多个项目，有效的依托地方特色培养师生的工程思维。师生能够更好的进行实地考察和学习，找准了培养工程思维的切入点。在日常实践中，学生利用现代电脑技术，对一些房屋和家具进行榫卯结构的设计，切实提高了学生的实践操作能力，让师生感受到了STEM课程的魅力，更是有助于工程思维的培养。

三、找准了STEM课程开发的关键——依托古镇文化

如何进一步挖掘工程思维？笔者认为，可以通过具体的地方课程，让学生在实际问题的解决中，养成良好的思维习惯，切实培养工程思维。白蒲镇作为千年古镇，它的文化底蕴毋庸置疑，深刻挖掘古镇文化内涵，是我们开发STEM课程的关键之处。这里传承着众多的文物古迹、传统工艺，地方课程资源极具开发潜力。笔者就白蒲镇古建筑的榫卯结构作为课程开发的关键点，走访老工匠，结合现代红木厂家，就榫卯结构与现代建筑的联系做了深入探究。

STEM是一种综合性课程，有很多老师总是简单地把STEM看成学科的融合，这是片面的。STEM课程需要结合工程项目，结合实际问题，形成项目化的研究，才可以成为STEM课程。我们把STEM课程与古镇传统文化进行有机结合，挖掘传统文化中的工程思维，使之辅助与STEM课程的学习，加强了师生对于STEM课程的认识，更能够培养师生的综合思维和创新能力。

STEM课程和古镇文化相辅相成。古镇文化给了STEM课程新的研究思路，STEM课程给古镇文化带来了现代化的活力。我们可利用社团、课后延时服务、综合实践课程等时间实施。其中课程的开发是关键，只有在古镇文化中找到能够开发为工程项目的关键点，再进行融合、编排，STEM课程才能真正具有生命力，被我们所接受。正因为如此，我们应该设立稳定的目标，不应该在项目推进的过程中不断的追加或者完善。在每一个目标阶段，对学生提出不同的要求。在项目推进的过程中，重视对学生的评价，以此促进学生激发STEM课程学习的热情。

笔者就白蒲古镇传统的建筑文化——榫卯结构来进行阐述。STEM特色课程开发研究具有围绕明确的终极目标各自确定階段任务的特点，这一特点要求学生具有高阶思维技能、问题解决能力，以及更广泛的学习。阶段任务的不一致，不是教学放任，而是对学生差异性的充分尊重;阶段任务的不一致，正是对学生主体性的充分体现。

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，知识没有经过实际的检验，则不能令我们信服，在STEM课程的学习中，培养学生的质疑能力非常重要。“知识”可以简单记诵，可以依托书本，讲解传授，但是“经验”不行，“经验”来自于亲身经历，鼓励学生去做事情，去完成活动，这才能形成丰富的经验。STEM所需的知识仅靠教师的传授已经远远不能满足项目活动开展的需求，因此，我们的教师需要传授的不仅仅是知识，更重要的是交给学生获取知识、甄别筛选知识、整理提炼知识以及运用知识解决问题的能力。我们把现代的STEM课程理念与传统文化结合，这种结合不能是简单的知识点整合，STEM课程与古镇文化的联系必须通过实际研究来确定，而“榫卯结构”则是一个很好的研究重点。

作为工程和技术的核心过程，设计成为教授STEM内容的有效手段。在设计过程中，学会辨别问题或需求，思考各种选择及其约束条件，经历制定计划、建模型、用迭代方法解决问题，基于设计的学习促使学生成为批判性的思考者和问题的解决者。制作是设计方案的具体落实，这一过程中有我们熟悉动手能力、团队合作能力、组织规划能力等，当然在制作的过程中，我们还得关注 “修补能力”。笔者学校的学生通过实地考察，通过电脑设计房屋造型，对榫卯结构的研究和复制，体现了我校学生的工程思维和对STEM理念的深刻理解。

四、总结

STEM教育理念对学生工程思维培养可以体现在培养学生解决问题的能力、突破创新的能力、沟通协作的能力。因此，重视小学生课程的设置，增加工程思维培养的活动课程显得意义非凡。作为科技工作者，我们更应该挖掘本地的教学资源，依托本地优秀的文化，吸引更多的师生加入到特色STEM课程的研究中来。以榫卯结构为代表的地方特色建筑文化恰恰符合笔者的研究要求，在未来，笔者更会依托于古镇文化，继续研究能和STEM工程思维结合的传统文化，最终的目的都指向课程的编写，让学生工程思维的培养能够真正有抓手。

参考文献：

[1]丁婧.STEM教育中的工程思维培养[J].物理之友，2018，34（9）：4-6.

[2]李伯聪.努力向工程哲学领域开拓[J].自然辩证法研究，2002，（7）：36-39.