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1、从复制科技到自主创新-对中小学“工程设计与创意”课程形成系列化的分析论文摘要: 虽然中小学阶段的技术教育是工程教育升入大学的基础，但是工程教育本身更强调系统和综合应用。校外科技教育中的工程教育能够弥补现有的学校“技术教育”和“科学教育”的不足。本研究结合青少年科技馆的办学特长，总结出了“中小学工程设计与创意”系列课程，共三个阶段：一段课程：工程设计入门；二段课程：工程技术应用；三段课程：创新项目研究。分别形成了每段课程的特色，并且初见成效。通过工程设计与创意，学生：能够依托项目形成系统化的思想；从复制科技到新颖创新；在沟通与合作中培养性格发掘潜能；增强更多的社会责任感。同时通过对青少年科技创新
2、大赛工程项目近三年的分析，作者对现阶段试行的工程设计与创意课程提出相应对策。主 题 词： 工程教育 校外科技 创新教育 正文一. 在中小学中开展工程教育的现状1. 工程教育及其相关定义工程学或者工学，是“应用科学和技术的原理，来解决问题”（摘自维基百科）。科学是了解自然世界的学问；技术是解决实际问题的手段；而工程则是为了满足人类的物质需要创造人工物的活动。因此，工程教育更强调了过程性研究。“中小学阶段的技术教育通常作为大学工程教育的基础” (Douglas, Iverson & Kalyandurg, 2004)。2. 目前学校科技教育中科学与技术教育的问题（1） 单一的机器人课程。学校或校外
3、机构现有的工程教育课程只能算“机器人”，但是现有的机器人课程大多为同一模式：以乐高（或类似产品的）为例的机器人搭建和完全围绕竞赛的小组训练活动。学校有老师就上，没有老师就停。小学上了，初中没了。（2） 支离破碎的科学知识与简单的技术讲解。相比美国的STEM，我们在教育过程中也逐渐意识到了技术教育的重要性：小学和初中阶段的“综合实践课”，高中阶段的“通用技术”、“研究性学习”，等课程在部分学校开展的有声有色。但是，“综合实践课”多在进行简单的实验和看科教影片；“通用技术”非常浅显、过于模块化；“研究性学习”多在查资料和文献堆积，实质也少有学生自己的创新；想做发明的同学就更困难了，找不到老师指导不
4、说，也不知道从何下手。工程教育的内容应是重视把知识和概念“做”出来，更重视应用和系统化。（3） 极度缺乏专业教师。仅西城区，小学没有专职的科技辅导教师，都是科学老师、电教老师或计算机老师兼职；中学仅有4所学校有专职教师，其他多为生物教师为主的兼职教师队伍，更别说有工程背景的教师了。3. 青少年科技馆开展工程教育的意义（1） 青少年科技馆的定位。区级青少年科技馆负责全区中小学生的科技活动和科技培训工作，协助学校一起完成学生的综合素质培养。另外，现在科技已经被越来越重的提到更高的层次，科技强国不是纸上谈兵，而是各个国家的首任发展。区级科技馆无疑是科技强国道路上的领军人物，因为区级青少年科技馆既是最
5、基层的科技工作者队伍，又是最直接面向青少年的科技启蒙专家。学生知识技术灵感才华运用展示尝试实现学校教学特色人才基地补充实践发掘形成青少年科技馆推动促成（2） 青少年科技馆开展工程教育的优势。青少年科技馆就是学生进行特长训练的地方，可以针对性的围绕任一学生感兴趣的主题进行纵向深入探讨。青少年科技馆有专业的科技教师团队，教师的专业背景决定了他们知识和技术的底蕴，另外，教师之间的专业背景能形成合作和互补。因此非常适合进行工程教育。最重要的是青少年科技馆可以根据学生的选题制定授课方式。（3） 青少年科技馆能够帮助学校进行系统全面的基于工程项目的科技研究活动（见表一）。学 校青少年科技馆跨年级启迪有严格
6、的学籍管理，中学、小学明显大学影响高中、高中启发初中和小学区域合作极少可能自己形成合作，多是学校内部解决区县之间的交流，队伍之间的汇报和沟通优势互补缺乏跨学科和跨年级的交流不同学校之间优秀的学生产生共鸣，拿出自己最擅长的方面，完成自己最喜欢的事情资源整合通用技术教师或某学科教师兼职较多，个别学校有全职科技教师，几乎无工科背景教师担任科技教师有专业背景的科技教师，有高校实验室的支持时间充分经常断档、改变辅导教师，时间紧迫从小学到中学，项目可以持续至少一年，或间歇，或从新挑选主题（4） 表一：学校科技活动和青少年科技馆的科技活动的对比分析二 在校外科技教育中逐步形成的针对中小学生工程教育的基本模式
7、通过五年的摸索，我总结出对于不同年龄段的中小学生的不同的工程教育课程，课程定位为“中小学工程设计与创意”系列课程。（1） 一段活动：工程设计入门 （附录图4、5）一二年级学生属于刚入校门，重点应在幼小衔接的训练和基本技术的启蒙。让孩子们对工程设计有初步感知，并且构建基本的思路：知识可以马上转换为我的作品；生活是最好的老师；创作灵感都来源是实践。对象6-9岁内容小小工程师技术设计系列课程地点科技馆形式主题式活动方法个人教学目标和思路学生发现生活，联系生活；体会创意的乐趣、设计的美妙、搭建的快乐思维训练动力机械（每期8次课）；结构与力（每期8次课）；能源利用（每期8次课）；活动举例（一、二年级机械
8、入门）成果Kbot创意构建大赛表二：工程入门培训（2） 二段活动：工程技术应用 （附录图6、7）团队合作训练在这个阶段与知识的运用同样重要；以工程类竞赛为主线的工程设计活动，同时把机器人课程和单片机课程整合在一起。活动做到“给孩子一些机会，让他自己去体验；给孩子一些困难，让他自己去解决；给孩子一个问题，让他自己找答案；给孩子一种条件，让他自己去锻炼”。对象10-14岁内容机器人竞赛地点科技馆；高校实验室形式主题竞赛活动方法合作教学目标和思路例（三、四年级初级）时间课 程 内 容乐高机器人初级电子技师初级班第一天走进机器人世界；基本机械常识-齿轮传动；初识电路，电路的基本组成；认识发光二极管，制
9、作微型LED灯手电第二天基本机械常识-杠杆原理；基本机械常识滑轮使用；认识三路中的三兄弟：电压、电流和电阻；制作小小循环灯第三天机器车结构的合理设计；利用光敏电阻和可变电阻制作完成电路设计第四天RCX导航者级别编程入门；电路的基本连接方法；学画简单电路图：制作手握电风扇第五天传感器的简单使用；学习焊接技术，焊接练习成果单片机（智能控制）；FLL；青少年机器人竞赛表三：基础知识巩固阶段培训（3） 三段活动：创新项目研究 （附录图8、9）以学生自主选题为蓝本，结合实验室特点，设计创新作品。多为二至三人一个团队进行项目研究工作。同时进行实验室、高新技术企业的研发车间、跨国机械大型公司的生产流程等参观
10、和交流活动。对象15-17岁方法 依托项目，实现工程化地点 高校实验室、车间；科技馆形式项目研究活动方法合作启动会：说明项目研究与学习生活的关系活动流程学校选送数学拔尖、阅读能力强、有机器人或电子基础的学生优先放弃NY坚持：实验室再次挑选自主选题放弃NNY结合实验室方向选题，培训开题完成项目自主开题成果发明作品或机器人作品，实物表四：创新项目研究阶段三 工程教育在中小学阶段实施的效果及反思1. 学生能够依托项目形成“系统化”思想。项目是具有目标、期限（起点与终点）、预算、资源消耗与资源约束以及专门组织的一次性独特任务。工程教育中的项目研究首先要让学生能够明确是要帮助人们解决问题，能够明确实际生
11、活中的目标。学生们在培训过程中逐步模拟工程师的系列化流程：分析需求（问题提出）提出设计理念（创意）制定设计方案（功能的综合）方案优化设计（对各个方案进行分析，对比）结构设计（设计各个零件，出工程图）可行性、安全性分析（建模与仿真进行验证或其他方式对方案进行整体评价）实物加工（工艺设计）机构调试（样机完成）图二：工程设计的流程图项目研究的方式使学生能够应用科学，数学和相应的经验来找到问题的解决办法；建立合理的模型，对问题进行分析并测试可能的解决方案。可能的解决方案常常有多个，必须根据它们的本质评价各方案的优劣并选择最能满足要求的最佳方案。1. 从复制科技到新颖创新（见附录一，附录图5、9、10）
12、。学生的创新一方面源自于一段和二段的学习经历。这些阶段的“复制科技”多为主题式的任务，学生能够使用简单数学、物理、机械、计算机等相关知识和技术完成他们的任务，还能为将来的创新打下基础。比如水陆空三栖移动器研究的作者之一，小学时参与FLL竞赛；可变径车轮的研究作者之一连续二年参加了机器人创意竞赛；折叠移动支架的作者初中参加FLL竞赛，然后又参加机器人常规竞赛。通过竞赛活动，充分调动了学生的能量，让他们发现自己的潜能。学生们的创新也源自于不断的对以往作品的观摩和体会。比如可变径车轮的研究、橄榄球型机器人、折叠移动支架都是在三段的体系下，受到前一年作品的启发和变形机构相联系，产生了新的创意。从近三年
13、的北京市创新大赛工程项目中，也能看到工程设计与创意活动有一定的作用（见图三）。图三：三届科技创新大赛工程项目中，各年级和奖项和科技馆的获奖比例2. 沟通与合作的习惯养成和磨练（附录图6）。我们在每个模式中都渗透着“合作”，这一新世纪创新人才最重要的能力之一。沟通的方法、方式、技巧。在模式二中，往往学生的合作比技术本身更重要，有了好的合作才有更好的成绩。表四中青少年科技馆辅导的高中年级学生项目水陆空三栖移动器研究、可变径车轮的研究与制作、橄榄球型机器人的研制、折叠移动支架，这些项目辅导全部采用了二人合作的方式进行。学生在合作过程中确实越到了很多问题，他们在不断的超越自我的过程中也完成了自我的修养
14、。其中水陆空三栖移动器研究由于二位同学的性格差异较大，对事情的处理的风格迥异，一度使研究陷入僵局。二位同学不断的磨合，最终相互配合齐心完成了作品。在当年的展示活动中各自发挥特长，通过自己的表现竟然能使评委忽略其作品的不完美。3. 有效培养学生的社会责任感。从表五（附录一）中我们可以看到，学生参与工程教育后，他们的设计遍及社会生活的方方面面。关注了社会的各个角落和焦点，如绿色工程，清洁能源可再生能源、低炭生活方式等。工程人才就是要为社会服务，不是所谓科学家的空想，也不是单纯的技术提升，最终的落脚是社会价值的体现。学生通过青少年科技馆提供的工程教育模式就可以得到很好的体验。4. 对现在的工程设计与创意课程的反思（1）工程项目出现断档比较严重。在2009年和2011年，西城区均没有初中项目获得一等奖；从附录一可以看出，初中项目明显比小学和高中项目少。以2011年最新的竞赛成绩来看，小学项目获奖4项、高中项目获奖16项，初中项目仅有3项。虽然我们有“特长生”政策，并且鼓励学生继续进行研究，但是学生由于转换学校和辅导教师的转变，加之课业的不断增加，使学生逐渐失去了原有的创新热情。初中生的工程教育是一个缺口，青少年科技馆经过三年的探索，如今已经形成小学、初中、高中的梯队
