工程思维是在工程的设计、研究和实践过程中形成的思维，其关键是运用各种知识及各方式解决现实中的问题，具有实践性、设计性、构建性特点。随着工程与技术对社会和经济发展起着越来越重要的作用，在国家实施“中国制造2025”背影下，近年来教育界也越来越重视培养学生的工程思维。教育部2016年发布的《中国学生发展核心素养》把实践创新确定为中国学生发展核心素养之一，工程思维是实践创新的重要内容。教育部2017年颁布的《普通高中通用技术课程标准》将工程思维确定为通用技术学科五大核心素养之一（其他四项为技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力）。教育部2017年颁布的《小学科学课程标准》，其中的课程内容由原来的物质科学、生命科学、地球与宇宙科学三大领域增加了工程与技术领域。

    虽然工程思维越来越受到教育界的重视，但中小学开展工程思维教育的效果却不尽如人意。影响工程思维教育效果的因素很多，缺少培养工程思维的课程载体是主要因素。目前，以分科课程学习为主的中小学课程，不利于实践性、设计性、构建性的工程思维培养。STEM教育（Science、Technology、Engineering、Mathematics）是跨学科融合的教育，学生应用科学、工程、技术、数学等学科知识，以真实问题和建造产品为驱动，在工程实践中创新性地解决实际问题。STEM教育具有实践性、综合性、开放性的特点，是培养工程思维的有效载体。学生通过解决现实问题、工程设计、制造产品等活动，能够实现培养工程思维的目标。

    那么如何在STEM教育中培养学生的工程思维呢？工程思维与STEM教育有什么内在联系呢？可以用图1表示：

一、在解决问题中培植实践性思维

    工程是面向现实问题，以实现并物化某种预期设想、蓝图、目标、理念，设计、筹谋并构建理想性的人工系统的实践性活动。工程思维属于实践性思维，实践性思维具有筹划性、可行性、价值性特征。STEM教育是基于问题的学习，现实问题成为学习的起点，是思维的触发器。学生在解决问题中锻炼筹划性，在真实情境中辨析项目的可行性，在任务驱动中坚定工程的价值性，STEM教育是培植实践性思维的有效途径。

1. 解决问题，锻炼筹划性思维

    人类有两种不同的思维活动：一是认知，一是筹划。思考对象本身究竟是什么样子属于认知性思维；思考如何做成某件事情属于筹划性思维。工程中的筹划性思维是指解决现实问题时调动和使用各种思维方式，全方位、多层次和多角度对问题进行运筹和集成，达到解决工程问题的目的[5]。学生在课堂中面对的问题与现实生活中面对的问题有很大的不同，我们常规课堂中更多的是封闭的、结构明确的问题，即良构问题。日常生活中遇到的更多的则是开放的、结构模糊问题，即劣构问题。良构问题往往只需单一的解决方案，解决问题所要求的技能也比较有限。劣构问题可能包含多种解决方案，每个方案也可能有多项解决途径。STEM教育是基于问题的学习，面对的问题更多的是这种开放的、结构不良的劣构问题。因在解决劣构问题时，没有简单的、固定的、公式化的、单一的解决方案，而是要找出多种解决方案，多项解决途径。学生在明确问题，进行头脑风暴时产生多个可能的解决方案。学生要选择出自认为最好的解决方案，并落实解决方案，学生在解决问题中还可能要不断地修改解决方案。在这个过程中，学生要不断地考虑方案的可行性、可操作性、运筹性，这样不仅有利于问题解决，也锻炼了筹划性思维。例如，我在上《制作一辆风动力小车》时，就要引导学生思考：制作风动力小车可以选择什么材料？有哪些东西是用风做动力的？如何制作小车？在运动中的小车会受到哪些力？如何让小车受到阻力更小些，受到的推力更大些？有什么办法可以减小小车与地面的摩擦力？有什么办法可以使车身更牢固些？风动力小车可以怎样测试？学生在一开始时就不得不考虑这样一系列的问题。这些问题不仅帮助学生更好地完成后续各个阶段的设计与制作，也促使学生不断地考虑制作小车的可行性、可操作性，锻炼了学生的筹划性思维。

2. 真实情境，辨析可行性思维

    一张A4纸能折几次：有些孩子回答无数次，有些孩子动手试了下，只能折7次。这是两种思维，前者用理想值，理论值回答，不是基于现实，可能实现不了，是理论思维。后者是基于真实情境，充分考虑其“现实性”、“实现性”、“可行性”，这是工程思维。例如在上《制作太阳系模型》这一课时，要缩小八大行星与太阳的距离及缩小八大行星的直径来制作模型。如果距离缩小1013次方，那么距离太阳最远海王星是45厘米左右，最近的水星距离是0.6厘米左右，学生在教室里制作是可行的。但是八大星的直径如果也缩小1013次方，那么最小的水星直径却只有0.00005厘米，只有头发丝直径的千分之一，学生是不可能做出来。这样为了让学生能在教室这个限制条件下制作太阳系模型，八大行星与太阳的距离及八大行星的直径就只能按不同的比例进行缩小。如果八大行星与太阳的距离缩小1013次方，八大行星的直径缩小109，这样按两个不同的比例进行缩小，就能制作出大小及距离适宜的太阳系模型。基于真实情境STEM学习活动，学生在制作产品时不得不辨析技术、成本、材料、场地等因素的“现实性”、“实现性”、“可行性”，学生只有充分、综合地考虑这些限制条件，才能顺利地完成产品的制作。

3. 任务驱动，坚定价值性思维

    工程思维是以价值取向的一种思维，它以满足社会需要、实现并创造更大的价值为目标。STEM教育设置的目标任务是有现实意义的，能满足社会需要的，能实现并创造更大价值的。学生在完成目标任务的同时，获得了真实的生活体验，获得社会性的成长。例如在《设计制作保温杯》STEM教育项目中，我在引入学习任务的时，设置了一个虚拟场景：临夏某小学（我校结对子学校）的学生写了一封信给我们班同学，信中说她每天早晨去学校时都带一瓶水，但到学校时，水已结成冰块了，根本不能喝，附近的商场又没有卖保温杯。她有泡沫板、泡沫塑料、棉花、铝箔、毛毡等材料，她用这些材料试做了一个保温杯，但保温效果不好，你们能帮助她制作一个保温效果较好的杯子吗？STEM活动通常是以解决现实问题、满足社会需要为目标，在活动中坚定了工程思维的价值取向。

二、在工程设计中激发设计性思维

    工程设计是一个通过不断构思、建模、建造、测试并不断迭代，最终解决现实问题的创新性过程，具有创新性、迭代性、程序性特点。STEM教育是基于设计的学习，工程设计成为学习的主要内容，是思维训练的载体，是培养设计性思维的有效途径。

1.开放学习，发展创新性思维

    工程设计是完全开放的，没有简单、固定、公式化、单一的方案，而是多个可行的解决方案供选择，找寻最佳可能的解决方案是设计的目的。要选择“最佳”方案，要考虑很多因素：成本、准确性、安全性、艺术性和可行性等等。为了能选出最佳的方案，老师可以采用头脑风暴法为学生创设一个友好的、不存在威胁的、一个鼓励开放思想的环境：不要犹豫，任何好的想法随时可能出现；不要有界限，任何想法永远都不会太荒谬或者太出格；不要批评，在进入最后的讨论阶段之前，不要随意批评一个想法；不要退缩，在进入最后的小组讨论之前，不要对想法打折扣；不要有拘束，参与者可以从任何专业领域生成想法；不要害羞，团队的参与者在提出一个想法的过程中都不会感到局促不安[7]。例如，我在上《魔术水桶》一课，让学生设计制作一个“倒进任何颜色的液体流出的都是清水”的水桶模型。创意设计阶段，没有组织学生讨论，而是让每位学生在纸上写下尽可能多的解决方案，学生的想法或许太琐碎，或许太荒谬，或许是“空中楼阁”，不可能实现，这些都不要随意批评，而应该鼓励，要让学生写下任何涌上心头的想法。学生的想法得到充分表达后，接着组织小组讨论，学生从过滤、漂白、挤压等不成熟想法出发，经历头脑风暴，完成了十多种个性化的设计方案，最后，学生通过制作模型来验证自己的方案。在这个过程中既达到选择“最佳”方案的目的，又保证了每个孩子都能清楚地表达自己的想法，发展了学生的创新性思维。

2.改进产品，实现迭代性思维

    在每年颁布的专利授权里，改进现有事物的专利比新发明的专利多得多，这是因为人类发明都不完美，每样东西都可以做得更好。比如圆珠笔的发明：华特曼在1888年发明了自来水笔。4年后，圆珠笔的概念被美国的劳比提出，因无法控制圆珠流出的墨水，圆珠笔的应用被耽搁下来。1943年匈牙利记者比罗让圆珠转动的时候控制墨水的流量，圆珠笔在写到2万多字才开始漏油，但总还是会漏油。1950年，日本人中田藤三郎运用逆向思维：减少油墨，让所装的油墨写到2万字。经过几十年，多人多次改进，最终发明了比较完美的圆珠笔。像这种不断用旧值递推新值的过程，就是迭代。例如，学生在制作空气动力小车模型时，制作的模型或许行驶时容易偏离轨道；或许行驶一小段就停止不前了，或许小车模型不牢固，容易散架……各种各样的问题在测试过程中都可能会出现，但学生并没在停止尝试，而是重新思考设计方案，在设计过程中不断地在原有设计的基础上采取的新方式去解决问题。所以工程设计是非线性的且一个有点散乱的过程，不可能是“一锤子买卖”，失败时有发生，对产品进行测试不是工程设计的终点。学生通过测试，找出那些造成失败的原因，不断地尝试，不断地迭代，不断发去改进与完善自己的作品。

3.设计过程，彰显程序性思维

    学生的工程实践活动就是利用生活中常见的工具和材料，设计和制作学生认为有价值的产品。工程实践中的设计过程是指在总体目标要求下，在寻求解决问题方案的过程中遵循的系统方法。在实践中，设计过程的具体步骤与很多因素有关，设计过程也有各种各样的类型，但大多数的设计过程的基本步骤都如图2所示。

    这种结构合理的设计过程是工程设计必须遵循的，它是找出的最佳解决方案有效支架。这种支架是一种程序性知识，程序性知识也叫操作性知识，是关于办事的操作步骤和过程的知识，程序性知识的主要特征是操作的流程化，程序性知识要解决的主要问题是“做什么”和“如何做”。 学生自身的实践是获得程序性知识有效途径。在STEM学习活动中，学生应用生活中常见的工具和材料，设计和制作学生认为有价值的产品，学生不仅体验到制造产品的成功与乐趣，还提高了动手操作和解决问题的能力，也在遵循合理设计过程的行动中提高了程序性思维能力。

三、在建造产品中促成构建性思维

   人类为实现自己的需要，对已有的物质材料和生活环境加以系统性的开发、生产、加工、建造等，这便是工程52。工程的核心是建造52。因此，工程思维本质上是一种构建性思维，它从开发、生产、加工、建造人类自己需要的人工系统的角度观察、分析、权衡和处理问题，构建性思维有综合性、权衡性、规则性特点。STEM教育是基于项目的学习，建造产品是中小学STEM教育项目学习的主要形式，也是培养构建性思维的有效途径。

1.学科融合，提升综合性思维

   STEM教育活动是运用科学、技术、工程、数学、艺术、社会等学科知识解决现实问题的过程，它不是简单地将科学、技术、工程、数学、艺术、社会等学科知识组合起来，而是将科学、技术、工程、数学、艺术、社会等学科知识通过工程实践活动形成连贯的、有组织的课程结构。在解决现实问题时，需要调动和使用各种思维形式和方法，依据各学科知识和工程实践经验，从不同角度、不同方案和不同路径上解决问题。在这个过程中, 涉及到科学、技术、工程、数学、艺术、社会等学科知识综合应用，就像一枝玫瑰花，科学、技术、工程、数学、艺术、社会是玫瑰的花瓣，它们是交叉复合的，建造产品是支撑花瓣的花托与枝杆。玫瑰的花瓣并不是简单的堆叠，而是交错复合的，这种融合正是综合各学科的优势，使科学、技术、工程、数学、艺术、社会互为补充和促进。这样STEM教育活动才能更有效地培养学生综合解决问题的能力，促进综合性思维的发展。

2.统筹优化，养成权衡性思维

   工程中没有绝对的最好方案，只存在特定时间、特定地点、特定环境下的，相对而言较好的方案。在复杂情境中，平衡各种因素，选择相对较好的方案，就是工程中的权衡思维。工程实践中需要平衡技术、稳定性、成本、耐用性、安全、伦理等需求。例如我们让孩子设计制作一架投石机，评价总分100分，其中，投掷距离、投掷准确度、稳定性、成本各占25分，产品如果出现安全性问题则一票否决，算0分。学生在进行产品设计与制作时就要综合考虑以上各种要素，优化选择各种方案，调和各种不同需求，对各种需求进行复杂的权衡、折中、统筹，制作出自己最满意的产品。如投石机或许投掷的很远，但投掷不准确，或许投掷的很准确，但不够远，这是学生要权衡技术需求；测试时，投石机偶尔投掷的又远又准，但多数情况下达不到要求，而另一投石机，投掷的不远，但很稳定，每次都能取得大致相同的成绩，这是学生要权衡的稳定性需求；投石机投掷的较远、较准确、较稳定，但所用材料很贵，成本太高，这是学生要权衡的成本需求。因安全是一票否决，所以安全问题是学生不得不考虑的问题。学生在这种不断权衡、不断折中的统筹优化的实践中养成权衡性思维。

3.制订标准，强化规则性思维

    在STEM学习活动中，教师与学生会根据产品需求，制订规则。要求学生依照这些规则想问题，制作产品，使学生的思维与行动有章可循、可预期，这就是工程中的规则思维[5]。STEM学习活动中评估规则是多元的，除学生的作品是否能实现预期功能外，还可从使用安全，产品的可靠性，价格的高低，视觉的美感等方面进行评估。学生在STEM学习活动中按评估规则完成产品的设计与制作，它可以确保产品的设计与制作有章可循，目标的完成变成可预期。因此，遵循规则，按依照产品需求想问题，制作产品就成为工程思维的重要特征与内在要求。

STEM教育是基于解决问题、基于工程设计、基于建造产品的学习，是跨学科的，开放式的学习。学生在解决问题、工程设计、动手建造的同时，培植了实践性思维，激发了设计性思维，促成了构建性思维 。在有效的STEM教育中，能够达成培养工程思维的目标。

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