工程思维是连接科学认知与技术应用、落实跨学科实践要求、培养科学态度与社会责任的关键要素，是在真实情境中，通过问题定义、系统设计、原型制作、测试迭代与方案优化等环节，综合运用多学科知识解决复杂问题的系统化、迭代式认知方式
［1-2］，其培养实践亦关联实证精神、环境关怀与团队协作等态度的养成
［2］。随着工程思维培养向小学阶段延伸，其对儿童认知发展的积极影响日益受到重视。然而，小学工程教育实践面临着双重挑战：在装备层面，传统实验器材多为预设好的验证性工具，操作流程固定、功能封闭，难以支持工程思维所需的“试错—改进”动态过程；在认知层面，8～12岁儿童以具象思维为主，难以依托抽象符号理解复杂工程逻辑，传统讲授方式容易导致学生陷入“知其然不知其所以然”的学习困境。
开源硬件技术的兴起，为破解上述教学困境提供了全新路径。此类硬件遵循开放技术标准、支持用户二次开发，将传感器、执行机构与编程接口封装为可视化模块化组件，大幅降低工程实践的入门门槛，同时赋予学生充足的自主创作空间。笔者以上海市曹杨第二中学附属学校开设的“生态校园科创课程”为实践案例，在厘清工程思维核心内涵的基础上，剖析开源硬件对工程教育装备应用模式的优化路径，并探究其在培养小学生工程思维各核心维度方面的实践路径与成效。
1 案例课程架构
“生态校园科创课程”以培养学生工程思维与科学素养为核心目标，围绕工程思维的“系统思维、设计思维、迭代优化、跨学科整合”四大核心维度
［1-2］，融入科学态度与社会责任的养成，构建了三方面培养体系，其内容包括：深化生态科学知识，为问题定义奠基；构建跨学科网络，支撑系统设计；锻炼开源硬件解决真实问题的实践能力，贯穿迭代优化并培养协作责任感。课程采用项目式学习框架
［3］（
图1）开展教学，整体划分为真实问题发掘、硬件需求分析、原型设计制作、数据驱动迭代、解决方案输出五大实施阶段，可完整匹配工程思维从问题识别到方案实物化的全流程。
在教师指导下，学生分组围绕校园环境问题展开项目实践。具体流程包括：调研发现问题、选用开源硬件与传感器搭建系统（使用Mind+编程）、利用3D打印等技术制作外壳、通过多轮数据监测分析成因并输出解决方案。在整个过程中，学生通过小组协作，融合科学、技术、工程、数学等多学科知识，借助开源硬件的快速原型验证能力，在解决真实问题中锻炼工程实践能力与创新能力。
2 开源硬件支撑工程思维培养的三个关键特点
2.1 功能灵活扩展：提供开放的技术基础
开源硬件的模块化设计使其功能易于扩展。例如，在“校园室内空气质量监测”项目中，学生组合温湿度传感器（DHT11）与空气质量传感器（ENS160），构建多参数监测系统。这种按需选型组合的方式，其技术方案适配度较传统设备大幅提升。学生在“需求分析—硬件选型”的实践中，逐步掌握了系统分析、方案设计和技术实现的工程思维方法。
2.2 认知门槛降低：构建渐进的学习路径
利用可视化编程和模拟故障教学，有效降低了技术认知难度。Mind+图形化编程平台采用“拖拽即控”的积木式编程，能使学生编程入门效率提升（平均入门时间由35 min缩短至20 min）；教师有意识地设置数据异常、传感器故障等典型场景，引导学生建构“硬件状态监测—软件逻辑分析—系统故障排查”的协同认知过程。实践显示，经多轮项目实践，学生小组平均解决问题时间由15 min缩短至5 min，工程思维成熟度显著提高。
2.3 成本优势明显：实现普惠的资源利用
采用“核心板复用+外设按需配置”策略，显著提升了资源利用效率。以“校园噪声监测与预警”项目为例，单套设备成本总价为169元，比商业方案成本降低32%。
开源硬件凭借功能扩展灵活、认知门槛低、实施成本可控三大特点，为小学工程思维培养提供了有力的装备支撑，有效解决了传统器材在支持“设计—试错—迭代”开放性实践中的困难，使小学阶段开展真实、深入、普惠的工程教育成为可能。
3 基于开源硬件的递进式工程思维培养路径
课程结合建构主义学习理论、项目式学习框架和工程设计流程
［4］，设计了五阶段培养路径（
图1）。该路径不仅适用于本课例，其“问题—设计—迭代—输出”的闭环逻辑具有通用性，可迁移至其他开源硬件支持的工程项目，将抽象的工程思维转化为可操作实践，并在各阶段重点培养相应的核心维度。
3.1 真实问题发现：从现象到工程问题的转化
本阶段培养学生的系统思维与精准定义问题的能力。采用“装备体验—认知冲突”的方式引导学生提出问题。学生运用5W1H分析表和SWOT矩阵评估技术可行性，通过“人工记录VS自动采集”对比实验，将生活现象转化为具体工程问题。测评显示，学生问题定义精准性相对提升66.4%（前测1.40→后测2.33），例如，在“校园地面湿滑预警”项目中，学生从描述“下雨天地面有水”进阶到精准定义“降雨后楼梯转角湿滑风险高+缺乏实时警示”，技术要素完整性提升。
3.2 硬件需求分析：系统思维的初步建立
此环节引导学生建立系统思维，并初步形成方案设计能力。通过“积木编程→代码查看”的渐进路径降低认知负荷，结合具体案例，理解模块化拓展原理。教师设置传感器接线错误、程序逻辑错误等故障场景，引导学生利用掌控板实时调试功能，建立“硬件—软件”联动认知。测评结果显示，学生方案设计系统性得分相对提升97.3%（前测1.10→后测2.17），主要体现在系统框架完整性与故障排查效率两个维度的显著改善。
3.3 原型设计制作：跨学科实践与规范养成
本阶段重点训练学生设计思维，推动跨学科知识整合。依托开源硬件快速原型搭建优势，落实“设计—制作—集成”实践流程。在结构设计环节，要求学生绘制装置三视图，并标注与硬件适配的尺寸参数；在外壳制作阶段，结合3D打印与雪弗板切割，通过“带壳/裸机监测数据对比实验”发现传感器数值偏差，据此优化设计。在硬件集成教学环节，强化标准化搭建流程与电路接线操作规范，学生硬件集成规范维度得分大幅提升，相对提升166.7%（前测0.60→后测1.60）。学生技术实现可行性维度后测平均得分为1.62分，较前测0.58分提升179.3%，进步主要体现在设计操作标准化程度与项目成本管控能力两方面。
3.4 数据驱动迭代：基于实证的优化思维
本阶段核心是培养学生基于数据进行决策的迭代优化思维。依托开源硬件的数据采集与分析功能，建立“测试—分析—迭代”的科学优化机制。使用Excel等工具可视化数据，运用开源调试工具定位问题，采用低成本方案进行多轮迭代。学生迭代优化能力维度得分相对提升 266.7%（前测0.60→后测2.20）；各小组项目平均迭代优化2.8次，典型案例“教室光照分布监测装置”经过3轮迭代改良后，检测准确率提升65%。
3.5 解决方案输出：成果转化与创新实践
此阶段是工程思维各维度能力的综合体现与成果物化。学生利用开源硬件生态，自主设计制作数字监测设备，实现个性化定制与精准数据采集。通过物联网平台整合多源数据，运用统计分析方法揭示问题本质，基于实证提出优化解决方案。课程成果显著，有2组学生项目获市级科创奖项，部分方案被学校实际应用。
该实施路径依托开源硬件，将抽象工程思维转化为实操活动。课程测评数据表明，参与课程学生的工程问题解决能力得分相对提升108.5%（前测5.08→后测10.59），学生跨学科知识整合运用频次显著提高，充分验证开源硬件赋能小学生工程思维培育的创新实践价值。
4 实践成效与启示
4.1 研究方法
为科学评估“生态校园科创课程”在培养小学生工程思维方面的实践效果，笔者采用了基于校本量表的准实验研究方法。
研究对象：选取本校小学四年级15名学生作为研究样本，其中男生10名，女生5名，于2025年3月至5月期间参与课程活动。研究对象在课程开始前均未系统接触过开源硬件编程或工程类项目学习，具备相近的学科基础。
研究工具：研究的核心评估工具为校本开发的《小学生工程问题解决能力量表》。该量表所测评的“工程问题解决能力”是“工程思维”在实践情境中的外显行为和综合表现
［1-2］。量表设计主要依据两方面：一是理论维度框架，以工程思维的核心认知维度（系统思维、设计思维、迭代优化、跨学科整合）
［1-2］为内核，将其转化为可观测行为；二是问题解决流程，参照经典的工程设计流程
［4］与项目式学习（PBL）框架
［3］，构建从问题发现到方案输出的完整测评链条。基于此，量表确定了5个核心维度（问题定义精准性、方案设计系统性、技术实现可行性、迭代优化能力、协作与表达）及12个子项。其中，“协作与表达”维度亦渗透了对团队责任与沟通素养的评价
［2］。量表采用四级评分标准，每个维度满分3分，总满分15分。量表设计注重过程性与成果性评价结合，评分依据来源于前后测问卷、课堂观察记录、小组任务单、项目工程日志、原型作品评估及成果展示答辩等材料。
数据分析：采用配对样本t检验对15名学生前后测的总分及各维度得分进行统计分析，检验其工程思维能力在课程前后的变化是否具有统计学显著性。同时，计算效应量（Cohen's d），以量化课程干预的实际效果大小。此外，对项目过程性文档和观察记录进行质性分析，辅助解读量化结果并深入理解学生在工程思维各维度上的具体表现与发展。
4.2 实践成效
基于上述研究方法，通过测评学生外显的工程问题解决能力来反映其工程思维的发展，本课程取得以下实证成效，如
表1所示。
工程问题解决能力提升：如
表1所示，参与课程的15名学生综合能力提升36.7%（
p<0.001），且效应量（Cohen's
d）均不低于1.58，总分效应量为2.30，表明开源硬件支持的课程干预具有极大的实际效果。
跨学科知识整合加深：项目日志和作品分析表明，学生在单次项目中平均融合应用科学（环境原理）、技术（硬件编程）、工程（结构设计）、数学（数据分析）知识的次数达到4.2次。例如，“教室光环境优化”项目需综合运用光学知识、数据处理、工程优化与技术实现。
创新成果有效转化：学生项目成果丰硕，约30%的课程方案被学校实际部署应用，2项经过改进后在市级科创竞赛中获奖，体现了开源硬件方案在实际应用中的可行性。
学习动机与协作能力增强：调查显示，92%的学生更愿主动探索技术问题；小组分工明确、有效沟通的比例从课程初期的45%提升至末期的78%。开源硬件的“趣味性”与“开放性”和项目的“真实性”有效激发了学生的内在动力和团队合作精神。
4.3 核心启示：开源硬件推动小学工程教育的三个转变方向
基于课程实践，我们认为开源硬件为解决小学工程教育难题提供了有益启示，推动了3个方面的转变。
（1） 装备应用，从“预设验证”到“动态生成”。开源硬件具有模块化、可扩展、低成本的特点，有效打破了传统实验器材功能封闭、流程固定的局限。其开放接口支持按需拓展传感器，可编程性支撑学生经历真实的“设计—试错—迭代”循环，为开展动态生成的工程实践提供了基础。小学工程教育装备需要从“功能固化的验证工具”转向支持“创造性探索的技术平台”。
（2） 认知支持，从“抽象理解”到“具身体验”。针对小学生的思维特点，开源硬件通过双重方式降低了认知门槛：一是图形化编程和物理模块将抽象的代码逻辑和工程系统转化为可触摸、可观察的实体交互；二是“故障模拟教学”将复杂的调试过程分解为可视化的“监测—分析—排查”步骤，让“系统思维”在动手操作中萌芽。小学工程思维培养应遵循“做中学”原则
［4］，通过手脑协同的体验，搭建连接抽象概念与具体操作的有效桥梁。
（3） 教学整合，以真实问题驱动跨学科学习。课程设计的“五阶段路径”以真实校园问题为核心驱动，依托开源硬件的快速原型能力，自然融合了科学探究、技术实现、工程优化、数学建模等多学科知识与技能。因此，利用开源硬件开展项目式学习（PBL），以复杂真实问题为锚点进行跨学科整合，是打破学科壁垒、实现深度“做中学”的关键途径
［3］。
4.4 局限与未来方向
本研究基于单一校本课程案例，研究对象规模较小（n=15）且未设置对照组，课程周期（16课时）可能不足以观测工程思维的长期迁移效果。未来研究可进一步拓展：横向开展多区域、多学校的对比实验，验证模式的普适性；纵向追踪参与学生工程思维的长期发展轨迹；深入探索人工智能工具与开源硬件的结合应用，进一步降低高阶创新的技术门槛。
5 结语
开源硬件通过其在装备功能、认知支持和教学整合方面的创新应用，为小学工程教育提供了有效的解决方案。其低成本、高灵活性、强交互性的特点，赋能学生在真实问题情境中经历完整的“真实问题发现—硬件需求分析—原型设计制作—数据驱动迭代—解决方案输出”的工程实践闭环，系统化地培养了学生的系统思维、设计思维、迭代优化、跨学科整合等工程思维核心维度。这不仅为落实STEM教育理念、培养创新人才提供了可行路径，也启示教育工作者应积极应用此类技术，以优化教学并提升学生解决真问题的能力。
中国教育装备行业协会2024年度教育装备科研课题“新课标视野下开源硬件在中小学的应用研究与实践”(CEFR24011R01)
京公网安备11010202008535号
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