运用6E教学模式发展学生的工程思维

摘要

为促进工程与基础科学教育的融合，在5E教学模式基础上增加第6个E（Engineer），形成有助于培养学生工程思维的6E教学模式。该模式以工程活动的4个阶段为经，以6E教学模式的6个环节为纬，构建出适用于小学阶段的工程思维教学框架。结合“我们的‘过山车’”教学案例，进一步提炼出“工程决策：情境引入，界定工程问题”“工程设计：探究与解释，指向核心概念”“工程实施：实践与丰富，创意物化”及“工程评价：展示交流，优化改进”4个环节的具体设计与课堂实施路径。

Graphical abstract

关键词

6E / 教学模式 / 工程思维 / “科—工整合”

基础工程教育是国家培育创新人才的重要途径之一。学生未来核心素养的培育指向多个领域的教育，其中工程教育逐渐成为学术界和实践领域关注的焦点。基础教育阶段的工程教育有别于高等教育对专业工程师的培养，重在培养学生对工程的兴趣、启蒙工程职业意识和培养工程思维^［1］。其中，工程思维是工程师独有的思维方式和习惯，被认为是工程教育目标的灵魂要素。为此，笔者围绕6E教学模式探讨其在发展学生工程思维方面的应用与实践价值。

1 中小学生工程思维的教育价值

工程思维作为工程活动的灵魂，贯穿于工程活动的始终，引领人们主动、自觉地创造现实、塑造生活和改变世界，它不仅是一个求解工程问题的过程，更是理想客体对象化、现实化的过程，体现了人类智慧与实践的深度融合。在工程教育中，培养工程思维被视为一项基本内容与核心任务^［2］。这种培养并非简单复制专业工程领域的思维模式，而是侧重借助工程问题的解决方法和范式，培养学生解决真实情境问题的能力，从而帮助他们形成独特的思维方式与习惯。这种工程思维方式，是人类最常见、最重要的思维方式之一，它以工程知识为质料，以工程眼光和工程观念看待世界和处理问题^［3］，体现了知识与实践的有机结合。工程思维的提出，证明中小学工程教育的目标并不指向概念、命题、原理等陈述性知识，甚至其中的技术性能力、技巧性能力也并非中小学工程教育的重点，其最终着眼点是学生的思维能力，属于一种高阶的认知能力^［4］。

美国《K-12教育中的工程》报告提出了中小学工程教育的三项基本原则，其中一项强调，K-12工程教育应着重培养学生的工程思维习惯^［5］。美国国家工程科学院发布的《K-12年级工程教育标准》指出，工程思维同21世纪公民必备的基本技能是一致的，这些基本技能包括：系统思维、创造力、乐观、合作、沟通和关注伦理^［6］。《义务教育科学课程标准（2022年版）》将“探究实践”作为科学学科的核心素养之一，体现了对科学探究与工程实践有机融合的重视^［7］。学生应像工程师一样实践，重点在于培养学生的工程思维。工程思维是用工程的眼光看待世界和处理世界的思维方式，是一种统筹兼顾的系统思维方式^［8］。

我国一部分研究者基于工程活动过程提出了不同的工程思维要素。王振州^［9］较早地将工程思维分为决策思维、设计思维、实时操作思维和评价思维。之后的研究者不断完善该框架，按照工程实践的4个环节，明确将工程决策、工程设计、工程实施和工程评价列为工程思维的内容元素，并提出具体的思维表现（表1）^［10］。这4个环节指导着小学“科—工整合”课程的教学实践。

2 凸显工程的6E教学模式

5E教学模式自1989年由美国生物学课程研究会提出以来，被认为是科学教育领域能够体现现代科学教育理论的重要教学模式之一。该模式旨在促进学生科学概念的建构，对理科教育教学具有重要的指导意义^［11］。随着工程教育的重要性逐渐被关注，美国国际技术与工程教育学会在5E教学模式的基础上于2014年提出了6E教学模式，将“工程设计”的理念与实践融入5E教学模型，其中第六个E即为工程（Engineer）。

为便于教师理解与实践，Burke对6E模型中6个环节的意图、学生活动和教师活动作了详细介绍（表2）^［12］。由6个环节可看出，6E模式强调学生的主体地位，让学生在“需要知道”和“需要做”的循环过程中明确真实情境中的问题，并运用跨学科知识与技能解决挑战性任务^［13］。

6E教学模式在科学探究的基础上，融入了工程的“设计”与“迭代”环节，采用这一模式的课程或教学案例，倾向于将工程内容整合到现有科学课程之中。这种做法既符合我国当前“科—工整合”的教育思路，也契合目前基础教育阶段工程改革的导向^［14］。

3 教学设计与实践——以“我们的‘过山车’”为例

结合一线教师课堂教学实践和已有文献研究^［15］，笔者以教科版科学三年级上册“我们的‘过山车’”为例，以工程决策思维、工程设计思维、工程实施思维和工程评价思维4个阶段为经，以6E教学模式的6个环节为纬，构建培养小学生工程思维的教学框架（图1）。

3.1 工程决策思维：情境引入，界定工程问题

情境认知理论认为，情境（包括学习活动中物理和社会情境要素）是学习过程中的重要因素，尤其是当学生在互动中发展知识与技能时，活动情境是学习过程的关键^［16］。情境影响着人的学习，情境影响着个体学习的需求和意向，促使学习过程得以持续和深化，推动学习者融入环境^［17］。

“我们的‘过山车’”工程任务是制作一个“过山车”模型。三年级学生对“过山车”非常感兴趣，教师可以先出示“过山车”的图片，激活学生的已有经验，接着播放坐“过山车”的视频，通过视听等多种感官，把学生带入情境，引出该课的工程项目——制作“过山车”模型。

明确工程问题是启动工程项目的关键。而要明确工程问题，关键在于准确识别工程所涉及的技术标准与各项制约因素。因此，教师回顾真实的“过山车”情境，并向学生提问：观察“过山车”的外形特征，分析是它的哪些结构设计让人感到刺激？师生分析原因，“过山车”由直线轨道、曲线轨道、坡度等组成，还有一个底座。由此，教师提供“工程决策”学习单，引导学生分析出“过山车”模型的标准：①有直线轨道和曲线轨道；②轨道的坡度要有变化；③底座稳固；④轨道的总长应在1 m以上；⑤小球能在轨道上滚完全程且不脱轨。同时，教师引导学生分析工程的制约因素，如制作时间、材料、安全、稳定、美观等。

通过“工程决策”学习单的引导（表3），学生体验真实的工程项目情境，对包括工程问题、技术标准、资源限制与团队协作在内的工程实践形成整体且系统的认识。

3.2 工程设计思维：探究与解释，指向核心概念

工程学的核心是工程设计。一个完整的工程设计是对一系列工程问题的解决，其解决问题的过程包含基于具体情境进行分析、考虑限制条件、建模、建立系统等步骤^［18］。工程设计的本质，是帮助学生以系统方式解决现实世界中结构不良的问题，在此过程中必然会运用到科学、数学和信息科技等学科核心概念。

在工程设计阶段，学生需要将“过山车”模型可视化，即绘制工程设计图。工程设计图的绘制可以是草图、简图、示意图、三视图等多种形式，故在实际教学中需要根据学生的年龄特征调整绘图标准。材料的选择既是工程问题也是科学问题。在绘图前，教师应引导学生对“过山车”模型进行结构分析，探究所需材料和工具，理解工程设计与科学原理的跨学科关联。“过山车”模型项目有效地融合了科学、数学与技术等3个学科的核心知识与技能。科学学科的核心在于培养学生的科学探究能力、科学思维方式和科学素养，包括观察、实验、推理、创新等能力，以及求真务实、批判质疑的科学精神；数学学科的核心在于研究数量、结构、空间和变化等抽象概念及其相互关系；技术的核心在于正确使用工具，并利用材料的结构特性进行加工。

在教学中，具体表现为引导学生探究与解释：①支撑柱和轨道分别选择哪种材料（纸与塑料）；②在什么样的坡度下，小球既能顺利滑行，又不会脱轨。教师提供必要的材料和支架，学生实验测试，应用科学、数学等知识与技能不断完善工程设计，形成初步的设计方案（表4）。

3.3 工程实施思维：实践与丰富，创意物化

工程实践的核心在于掌握相关技术与工程方法，并能够运用工具和材料进行加工制作与模型制作，在此基础上，根据实际效果持续进行修改与迭代。学生在工程实践中能更好地建构意义，通过具身认知，不断丰富科学、数学等学科概念，也更好地将学科概念、跨学科概念与工程设计建立起联系。

在工程实施阶段，学生按照设计方案进行制作与测试。教师提供必要的指导和支持，鼓励学生在实践中发现问题并寻求解决方案。通过不断迭代和优化，最终制作出符合标准的“过山车”模型。模型要在所有可能的条件下进行实验评估和测试，测试要做好详细的记录。教师引导学生在“工程实施”学习单上记录每一次的问题、解决办法、修改次数、迭代的结果（表5），有助于渗透工程核心思想，培养学生乐观、坚毅的品质。

3.4 工程评价思维：展示交流，优化改进

评估优化是工程独特的一环。工程教学要给予学生充足的时间评估交流与优化。展示与交流，是对工程实践过程与物化产品的推介、反思、论证与评价的过程。

现代工程师需要掌握多种沟通技能，以确保与项目团队成员、客户以及其他利益相关者有效协作。其中，有4种关键的沟通技能：①清晰的表达能力；②积极倾听能力；③非语言沟通能力；④使用合适的沟通工具。因此，教师要组织学生汇报并展示团队的工程产品。

在工程评价环节，既要评价工程项目的产品达标情况，还要评价团队的协作、成果宣传效果等。工程项目产品的达标情况需要回溯“工程决策”环节中明确的标准和限制条件。在“过山车”模型制作工程项目中，可确定6个产品指标：①按时完成“过山车”模型制作；②“过山车”模型结构符合标准；③“过山车”模型结构稳定；④“过山车”模型轨道长度符合标准；⑤小球不脱轨；⑥模型与设计图的一致性。评价团队的协作和成果宣传效果对应两个指标：①工程团队合作；②工程汇报效果。根据8项指标确定的工程评价量规如表6所示。

教师引导学生回顾工程问题和目标，组织学生制定评价指标，或出示评价量规引导学生解读评价要求。最后，各小组展示和交流自己的“过山车”模型，并围绕“小组合作与制作过程”和“模型最终效果”两个维度，进行自评和互评。详细的评价标准见表7。

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基金资助

珠海市2024年度教育科研规划课题“聚焦科学实践的小学科学教学改进行动研究”(2024ZHGHKT002)