小學高年級學生工程思維培養研究 ——以跨學科主題課程“綠色低碳風光校園微電站”為例

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文_劉凌雅1 柏 毅1* 黃申友2

（1. 東南大學兒童發展與教育研究所，兒童發展與學習科學教育部重點實驗室；2. 浙江省臨海市臨海小學；*通訊作者）

摘要：為應對科技教育發展需求，培養學生工程思維能力，本研究基于《義務教育科學課程標準（2022年版）》核心素養導向，開發了面向小學高年級的STEM課程“綠色低碳風光校園微電站”。課程以真實項目為驅動，遵循“問題定義—方案設計—模型構建—測試優化—迭代改進”的系統化工程路徑，著力培養學生的工程思維能力。研究通過問卷對實驗班和對照班進行了測評及數據分析，結果表明，該課程有效促進了學生工程思維能力的全面發展，為在小學階段落實工程教育、強化核心素養提供了可復制、可推廣的實踐案例。

關鍵詞：工程思維 跨學科課程 評價研究

研究背景

《義務教育科學課程標準（2022年版）》將核心素養置于科學教育的中心，在探究實踐維度明確納入“技術與工程實踐”能力要求，引導學生經歷“從明確實際問題出發，提出創意方案，動手制作模型，到依據實效進行測試與迭代”的完整過程，不僅體現了工程技術實踐的基本邏輯，也是工程思維在基礎教育階段的具體落實。然而，盡管新課標已指明了方向，但在當前的小學科學教育實踐中，工程思維的培養仍面臨諸多挑戰。傳統的科學教學往往側重于科學知識的傳授和驗證性實驗，學生被動接受結論，缺乏主動探究和創造性解決問題的經歷。一些“制作課”或“手工課”停留在簡單模仿層面，未能引導學生經歷從明確限制條件、進行多方案權衡到不斷迭代優化的真實工程過程，導致學生對科學、技術與社會之間關系的理解流于表面，其綜合分析、創新設計和系統決策的能力得不到有效鍛煉。因此，探索一種能夠有效承載新課標理念，將科學知識、技術應用與工程實踐有機融合的教學模式，成為當前科學教育改革的迫切需求。STEM教育以其基于真實情境、跨學科知識應用、動手探究實踐、合作與迭代反思等工程項目特點，被認為是培養學生工程思維和創新能力的理想載體。

綜上所述，在《義務教育科學課程標準（2022年版）》強調核心素養與工程實踐的背景下，針對當前小學階段工程思維培養的薄弱現狀，本研究旨在通過開發并實施“綠色低碳風光校園微電站”跨學科主題課程，深入探究其對小學高年級學生工程思維能力培養的具體路徑及成效，以期為落實新課標要求、創新科學教學模式提供可資借鑒的實踐案例與理論參考。

文獻綜述

國際上很多學者和研究團體均對工程思維進行過研究。英國皇家工程學院（Royal Academy of Engineering）在2014年發布報告《像工程師一樣思考》（Thinking like an engineer: Implications for the education system），系統地闡述了工程思維的內涵，并探討了如何在整個教育體系中培養這種思維方式。這份報告將工程思維定義為“因為工程師的實踐而形成的一系列思維習慣”，包含系統思維、適應性、發現問題、創造性解決問題、可視化、優化6個方面，關系如圖1所示[1]。而美國工程教育學會(American Society for Engineering Education)則在2020年發布了《P-12工程教育框架》(Framework for P-12 Engineering Learning)，在這份報告中對“工程思維習慣”進行了新的界定，包括系統思維、創造力、樂觀主義、堅持、責任心與協作，認為這些工程思維習慣能幫助學生更好地進行工程實踐[2]。

圖1 工程思維各組分的關系

國內學界對工程思維內涵的解讀頗為豐富，在對其進行界定與劃分時，通常可歸納為兩種主要思路：一是依據工程活動的過程結構進行劃分，二是基于思維的特征與品質進行劃分。在第一種思路中，李伯聰指出工程活動中所運用的思維可統稱為工程思維，工程活動大致涵蓋計劃設計、實施與使用3個階段，而工程思維始終貫穿其中，成為聯結各階段的認知紐帶[3]。第二種思路則側重于思維的內在特質，例如，范東萍等提出在大科學教育視野下，工程思維內涵可分為3個彼此遞進、相互包含的層面：工程思維習慣、系統思維的應用，以及設計與物化思維[4]，這一劃分更強調工程思維作為一種綜合素養在不同層級上的表現與要求。

綜合諸多學者研究，工程思維是從工程實踐中凝練而成、以解決真實問題為導向，并融通科學、技術、數學等多學科知識，貫穿設計、建模、物化與優化的系統性認知方式。因此，基于工程實踐的過程結構，本研究將工程思維具體解構為以下4個關鍵維度：工程決策能力，即面對復雜情境時界定問題、分析需求與制訂計劃的能力；工程設計能力，表現為調查研究、進行要素設計與方案呈現的能力；工程實施能力，涵蓋模型制作、效果測試與迭代優化的能力；工程評價能力，強調對過程與成果進行評價反思的能力。具體維度及其內容詳見表1。在小學高年級階段培養學生這些能力，并非旨在將其培養為專業工程師，而是為其奠定作為未來社會公民所必備的批判性思考、創新設計與實踐解決問題的素養基礎，這正是發展學生核心素養、回應時代需求的關鍵教育路徑。

研究設計

課程設計

江蘇省教育廳在《江蘇省綠色低碳發展國民教育體系建設工作方案》中提出，要將綠色低碳發展理念融入全省教育體系，推動綠色低碳融入課堂教學，針對不同年齡階段青少年心理特點和接受能力，科學設計教學內容，發揮課堂主渠道作用[5]。為響應此項號召，將政策導向轉化為具體的課堂實踐，筆者參與設計了“綠色低碳風光校園微電站”系列課程。在設計中嚴格遵循小學高年級學生的認知發展水平與前概念，將復雜的綠色低碳風光校園微電站系統解構為6個循序漸進的單元，并基于此規劃6個課程任務，具體內容見表2。

研究分析方法

為檢驗學生工程思維能力的發展，筆者基于工程思維具體維度，參考顧茜在《工程思維導向的小學科學跨學科主題學習設計與實踐》中使用的問卷（內容詳見）[6]，選取參與課程學習的30名學生作為實驗組，未參與課程學習的30名學生作為對照組，發放問卷對學生工程思維能力進行測量。實發問卷60份，獲得有效問卷57份。利用SPSS 27.0對測評卷總分、工程思維各維度及其對應具體表現得分進行正態分布檢驗。

小學高年級學生工程思維能力培養研究

為培養學生工程思維能力，筆者根據表1工程思維具體維度及設計的課程內容，確定以下課程實施策略。

課程實施總體思路

在任務1中，教師對全球能源使用情況、氣候變化和碳排放的關系、“雙碳”目標進行介紹，并對綠色風光電站的結構進行簡單介紹，讓學生對本課程的背景、總體內容有基本了解。然后，循序漸進地以任務形式對風光發電站組成部分進行學習，包括電動機與發電機、風力發電、太陽能發電及儲能系統。在任務2—5的課程中，課程框架主要為問題定義—方案設計—模型構建—測試優化—迭代改進—成品制作—課程評價。在每一節課結束后，都會得到一個相應部件的制作成品，最終在任務6中，將這些功能部件搭建成完整的綠色風光電站。教學過程中均會滲透對學生工程決策能力、工程設計能力、工程實施能力和工程評價能力4個方面的培養，促進學生工程思維的發展。

課程實施策略

課程嚴格遵循上述課程框架組織實施。該路徑不僅貫穿于每一節課的教學環節，也統領整個課程的項目推進過程，旨在全方位培養學生的工程決策能力、工程設計能力、工程實施能力與工程評價能力。

在單節課教學中，以“風力大挑戰：誰的風車是發電王？”為例，學生首先基于對電動機與發電機原理的理解，明確課程核心問題——如何設計發電單元，有效利用風能為綠色風光電站供電。這一環節引導學生識別約束條件、比較發電方式，初步鍛煉其工程決策能力。隨后，學生以小組為單位，圍繞扇葉形狀、數量、角度等關鍵變量展開討論，結合教師提供的材料設計可行方案并繪制示意圖，從而系統培養其工程設計能力。在模型構建階段，學生將二維圖紙轉化為實體模型，動手組裝發電機并連接測試電路，強化材料選擇、工具使用與精細裝配的工程實施能力。最后，學生通過改變扇葉變量，測量并比較不同配置下的發電電壓與電流，依據數據篩選最優方案，并據此修正初始設計。這個“測試—分析—優化”的循環過程，重點錘煉了學生在真實情境中基于證據進行反思與改進的工程評價能力。在課程實施過程中，評價反饋也是重要環節。教師通過對學生的設計圖、制作過程、迭代改進等流程進行形成性評價，為學生提供了精準的改進依據。

從整體課程的宏觀視角審視，6個任務構成了完整的工程項目周期。任務1對應“問題定義”階段，學生需對電站的總體目標、能源配置和選址進行規劃，錘煉工程決策能力。任務2—5則依次進入“方案設計—模型構建—測試優化—迭代改進”的循環。學生在這些任務中對各子系統進行設計并制作功能模型（如風力發電機、太陽能發電機、電池等），層層遞進地深化其工程設計能力與工程實施能力，并在每個任務的測試中持續應用工程評價能力以優化方案。而任務6則對應成品制作與課程評價2個環節，學生將前期部件進行總裝、調試，并在交流與展示環節中進行匯報，對學生的4項工程能力進行了一次綜合性、創造性的全面考核與升華。

通過這種“課中有環、課程有鏈”的雙層實踐架構，學生得以在解決真實、復雜的能源項目過程中，完整而深入地經歷工程實踐的全過程，從而實現工程思維的協同發展與螺旋式上升。

研究結論

對實驗班、對照班后測總分進行正態分布檢驗，可以看出數據樣本點近似地圍繞在對角線附近。同時，使用夏皮羅-威爾克檢驗法進行檢驗，從表3可以看出，p值均大于0.05，表示兩班的工程思維后測總得分情況呈正態分布，可以采用獨立樣本T檢驗進行差異分析。

工程思維后測總得分對比分析

對實驗班和對照班學生的工程思維水平后測總得分進行獨立樣本T檢驗， 結果如表4所示。可以看出，顯著性水平p＜0.05，兩班工程思維水平后測的總得分存在顯著差異，說明在教學實驗干預下，實驗班學生的工程思維水平發展得更好。

工程思維各維度及具體表現后測得分對比分析

進一步對實驗班和對照班工程思維各維度及具體表現的后測結果進行檢驗，結果詳見表5。可以看出，實驗班與對照班學生在工程思維4個維度上均存在顯著性差異（p＜0.05），說明經過實驗干預，實驗班學生在工程思維的各維度上均有了更為顯著的提升。就各維度的具體思維表現看，除了效果測試，實驗班在后測中其他方面的表現均顯著優于對照班。由此可以認為，工程思維導向的跨學科主題學習較常規科學課程，能更全面地培養學生的工程思維。實驗班學生與對照班學生工程思維差異主要體現在以下幾個方面。

工程決策思維

由表5可知，經過教學干預，實驗班學生在工程決策各方面均優于對照班學生。在工程思維導向的跨學科主題學習中，工程決策思維發揮著至關重要的先導性與統領性作用。其重要性在于，它將模糊、復雜的現實情境轉化為一個定義清晰、可操作的工程問題框架，為后續的設計、實施與評價環節提供了明確的目標導向和評判準則。該思維過程引導學生系統性地識別多方約束條件（如技術、成本、倫理），并主動搜尋、整合與權衡跨學科知識，從而作出最優路徑規劃。在測試中，對照班大部分學生對于第1題的作答僅限于“做1個保溫裝置”，而實驗班學生多數可以精確到“做1個使冰激凌在戶外1小時不融化的保溫杯”這一答案，體現了經過課程學習后，學生對工程問題的定義更為精準清晰，能夠主動抓住關鍵目標，表明工程思維導向的跨學科課程培養了學生從“被動解題”到“主動定義問題”的高階認知能力，確保了整個學習過程的科學性與實效性。

工程設計能力

由表5數據可知，實驗班在調查研究、要素設計、方案呈現3個環節及總分上的表現同樣展現出顯著優勢（p<0.001）。尤其是在要素設計和方案呈現2項，實驗班平均分極高（2.96/3）且標準差很小（0.209），說明絕大多數學生不僅掌握了設計方法，更能將抽象需求轉化為具體、完整、可呈現的優秀解決方案，且整體水平均衡，反映出教學設計成功地將工程設計的流程與思維模式內化學生的核心素養。

在工程思維導向的跨學科主題學習中，工程設計能力扮演著核心樞紐與轉化引擎的關鍵角色。其重要性在于，它將決策階段形成的抽象問題框架與概念方案，轉化為具體、可行、可物化的技術解決方案，實現了從思維到物化的決定性跨越。該能力要求學生綜合運用科學、技術、數學乃至藝術等多學科知識，進行創造性構思、精細化建模與可視化表達，是知識整合與應用能力的集中體現。工程設計過程本身所蘊含的迭代優化與權衡取舍思想，極大地促進了學生系統思維、創新實踐與解決問題能力的發展，是培養工程素養與技術創新人才的核心環節。

工程實施能力

該維度上，實驗班學生水平仍高于對照班，但內部存在差異。在模型制作和迭代優化2項表現上，實驗班優勢顯著（p<0.001），表明學生在動手實現、測試反饋并持續改進方案的實踐能力上得到了有效鍛煉。然而，在效果測試項上，雖然實驗班平均分（1.57）略高于對照班（1.29），但差異并未達到統計學上的顯著水平（p>0.05）。可能的原因在于：教學重點更側重于設計與制作環節，對“如何系統、科學地進行測試驗證”環節的訓練和強調相對不足；或是小組合作學習中，測試任務由部分成員承擔，影響了所有學生在此項能力上的均衡發展。

在工程思維導向的跨學科主題學習中，工程實施能力發揮著將抽象方案轉化為實體成果的物化保障作用。其重要性在于，它是檢驗設計方案可行性、有效性與優化價值的核心環節。通過材料選擇、工具使用、模型制作與功能測試等一系列動手實踐，學生得以驗證與修正其理論構想，深刻理解設計、材料與工藝之間的復雜關系。該過程不僅培養了學生的工具操作、動手實踐與技術物化能力，更使其在“設計—制作—測試—迭代”閉環中內化了工程思維的核心方法論，是培養科學實證精神與提升復雜問題解決能力的關鍵途徑。

工程評價能力

在評價反思方面，實驗班（2.70）顯著優于對照班（1.77）（p <0.001），表明經過教學干預后，實驗班的學生不僅能夠完成設計與制作，更具備了回顧、批判、反思工程成果的習慣和能力，能從多角度對方案及產品的優缺點展開客觀公正的評價。

討論與建議

科學技術不斷進步，對教育也提出了新的要求與挑戰，小學工程教育的空白亟待填充，小學生工程思維的培養也需要進一步得到重視。為發展小學生工程思維，筆者提出以下建議。

跨學科主題課程對學生工程思維提升具有重要作用

以“綠色低碳風光校園微電站”跨學科主題課程為例，該課程通過真實項目驅動，課程設計以“總—分—總”為架構，遵循“問題定義—方案設計—模型構建—測試優化—迭代改進—成品制作—課程評價”的系統化工程路徑，將跨學科知識學習與系統性工程實踐深度融合，讓學生經歷工程實踐全流程，有效提升了學生的工程決策、設計、實施與評價能力，為深化我國小學階段的工程教育與創新后備人才培養提供了實踐范例。

課程效果與課程評價體系掛鉤，實現以評促教

課程的有效實施必須與科學、多維的課程評價體系緊密結合，本課程實施過程中運用了形成性評價和總結性評價。

首先，課程所遵循的“問題定義—方案設計—模型構建—測試優化—迭代改進”工程路徑，其本身就是一個嵌入式的評價框架。在每一環節，教師都應依據明確的評價標準（如方案的新穎性、模型的合理性、測試數據的準確性、迭代的邏輯性等）對學生的學習過程進行形成性評價。例如，在“風力發電機設計”課中，對學生繪制的示意圖（工程設計能力）和記錄的測試數據（工程評價能力）進行即時點評與指導，讓學生能基于評價反饋不斷優化自己的實踐。這種將評價融入教學全過程的方式，使評價不再是學習的終點，而是支持學生持續進階的腳手架，直接服務于工程思維的塑造。

為客觀檢驗課程對工程思維培養的宏觀成效，必須采用基于實證的總結性評價。本研究通過借鑒成熟問卷，對實驗班與對照班進行前測、后測的量化對比，并利用SPSS軟件進行嚴格的統計分析，為課程效果提供了可靠的數據支撐。這種基于數據的評價不僅驗證了課程價值，更指明了精準改進的方向，推動了課程本身的優化與教師專業能力的提升。

不足與展望

本研究初步驗證了“綠色低碳風光校園微電站”跨學科主題課程的有效性，但受限于實踐范圍與樣本規模，其結論的普適性與統計效力有待進一步驗證。未來研究應擴大實踐范圍，在不同區域、不同背景的學校中進行更大樣本的教學實驗，從而收集更加多元的反饋數據。在此基礎上，需依據系統的量化與質性評價結果，對課程的內容編排、活動設計與差異化教學策略進行精準診斷與持續優化，以增強課程的適應性與推廣價值。

參考文獻

[1]Royal Academy of Engineering. Thinking like an engineer: Implications for the education system [EB/OL]. （2014-05）[2026-03-12]. https://raeng.org.uk/media/brjjknt3/thinking-like-an-engineer-full-report.pdf.

[2]American Society for Engineering Education. Framework for P-12 Engineering Learning[EB/OL]. （2020-11-20）[2026-03-09]. https: //p12framework.asee.org/wp-content/uploads/2020/11/Frame-work-for-P-12-Engineering-Learning-1.pdf

[3]李伯聰.工程與工程思維[J].科學，2014，66（6）：13-16，4.

[4]范冬萍,李海東.從大科學教育理念看工程思維的系統內涵與培養進路[J].自然辯證法研究，2024，40（10）：138-144.

[5]江蘇省教育廳.江蘇省綠色低碳發展國民教育體系建設工作方案[EB/OL].（2025-04-09）[2026-02-17]. https://jyt.jiangsu.gov.cn/art/2024/4/9/art_58320_11212753.html.

[6]顧茜.工程思維導向的小學科學跨學科主題學習設計與實踐[D].南京：東南大學，2024.

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來源 | 《中國科技教育》2026-2

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜