小学高年级学生工程思维培养研究 ——以跨学科主题课程“绿色低碳风光校园微电站”为例

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文_刘凌雅1 柏 毅1* 黄申友2

（1. 东南大学儿童发展与教育研究所，儿童发展与学习科学教育部重点实验室；2. 浙江省临海市临海小学；*通讯作者）

摘要：为应对科技教育发展需求，培养学生工程思维能力，本研究基于《义务教育科学课程标准（2022年版）》核心素养导向，开发了面向小学高年级的STEM课程“绿色低碳风光校园微电站”。课程以真实项目为驱动，遵循“问题定义—方案设计—模型构建—测试优化—迭代改进”的系统化工程路径，着力培养学生的工程思维能力。研究通过问卷对实验班和对照班进行了测评及数据分析，结果表明，该课程有效促进了学生工程思维能力的全面发展，为在小学阶段落实工程教育、强化核心素养提供了可复制、可推广的实践案例。

关键词：工程思维 跨学科课程 评价研究

研究背景

《义务教育科学课程标准（2022年版）》将核心素养置于科学教育的中心，在探究实践维度明确纳入“技术与工程实践”能力要求，引导学生经历“从明确实际问题出发，提出创意方案，动手制作模型，到依据实效进行测试与迭代”的完整过程，不仅体现了工程技术实践的基本逻辑，也是工程思维在基础教育阶段的具体落实。然而，尽管新课标已指明了方向，但在当前的小学科学教育实践中，工程思维的培养仍面临诸多挑战。传统的科学教学往往侧重于科学知识的传授和验证性实验，学生被动接受结论，缺乏主动探究和创造性解决问题的经历。一些“制作课”或“手工课”停留在简单模仿层面，未能引导学生经历从明确限制条件、进行多方案权衡到不断迭代优化的真实工程过程，导致学生对科学、技术与社会之间关系的理解流于表面，其综合分析、创新设计和系统决策的能力得不到有效锻炼。因此，探索一种能够有效承载新课标理念，将科学知识、技术应用与工程实践有机融合的教学模式，成为当前科学教育改革的迫切需求。STEM教育以其基于真实情境、跨学科知识应用、动手探究实践、合作与迭代反思等工程项目特点，被认为是培养学生工程思维和创新能力的理想载体。

综上所述，在《义务教育科学课程标准（2022年版）》强调核心素养与工程实践的背景下，针对当前小学阶段工程思维培养的薄弱现状，本研究旨在通过开发并实施“绿色低碳风光校园微电站”跨学科主题课程，深入探究其对小学高年级学生工程思维能力培养的具体路径及成效，以期为落实新课标要求、创新科学教学模式提供可资借鉴的实践案例与理论参考。

文献综述

国际上很多学者和研究团体均对工程思维进行过研究。英国皇家工程学院（Royal Academy of Engineering）在2014年发布报告《像工程师一样思考》（Thinking like an engineer: Implications for the education system），系统地阐述了工程思维的内涵，并探讨了如何在整个教育体系中培养这种思维方式。这份报告将工程思维定义为“因为工程师的实践而形成的一系列思维习惯”，包含系统思维、适应性、发现问题、创造性解决问题、可视化、优化6个方面，关系如图1所示[1]。而美国工程教育学会(American Society for Engineering Education)则在2020年发布了《P-12工程教育框架》(Framework for P-12 Engineering Learning)，在这份报告中对“工程思维习惯”进行了新的界定，包括系统思维、创造力、乐观主义、坚持、责任心与协作，认为这些工程思维习惯能帮助学生更好地进行工程实践[2]。

图1 工程思维各组分的关系

国内学界对工程思维内涵的解读颇为丰富，在对其进行界定与划分时，通常可归纳为两种主要思路：一是依据工程活动的过程结构进行划分，二是基于思维的特征与品质进行划分。在第一种思路中，李伯聪指出工程活动中所运用的思维可统称为工程思维，工程活动大致涵盖计划设计、实施与使用3个阶段，而工程思维始终贯穿其中，成为联结各阶段的认知纽带[3]。第二种思路则侧重于思维的内在特质，例如，范东萍等提出在大科学教育视野下，工程思维内涵可分为3个彼此递进、相互包含的层面：工程思维习惯、系统思维的应用，以及设计与物化思维[4]，这一划分更强调工程思维作为一种综合素养在不同层级上的表现与要求。

综合诸多学者研究，工程思维是从工程实践中凝练而成、以解决真实问题为导向，并融通科学、技术、数学等多学科知识，贯穿设计、建模、物化与优化的系统性认知方式。因此，基于工程实践的过程结构，本研究将工程思维具体解构为以下4个关键维度：工程决策能力，即面对复杂情境时界定问题、分析需求与制订计划的能力；工程设计能力，表现为调查研究、进行要素设计与方案呈现的能力；工程实施能力，涵盖模型制作、效果测试与迭代优化的能力；工程评价能力，强调对过程与成果进行评价反思的能力。具体维度及其内容详见表1。在小学高年级阶段培养学生这些能力，并非旨在将其培养为专业工程师，而是为其奠定作为未来社会公民所必备的批判性思考、创新设计与实践解决问题的素养基础，这正是发展学生核心素养、回应时代需求的关键教育路径。

研究设计

课程设计

江苏省教育厅在《江苏省绿色低碳发展国民教育体系建设工作方案》中提出，要将绿色低碳发展理念融入全省教育体系，推动绿色低碳融入课堂教学，针对不同年龄阶段青少年心理特点和接受能力，科学设计教学内容，发挥课堂主渠道作用[5]。为响应此项号召，将政策导向转化为具体的课堂实践，笔者参与设计了“绿色低碳风光校园微电站”系列课程。在设计中严格遵循小学高年级学生的认知发展水平与前概念，将复杂的绿色低碳风光校园微电站系统解构为6个循序渐进的单元，并基于此规划6个课程任务，具体内容见表2。

研究分析方法

为检验学生工程思维能力的发展，笔者基于工程思维具体维度，参考顾茜在《工程思维导向的小学科学跨学科主题学习设计与实践》中使用的问卷（内容详见）[6]，选取参与课程学习的30名学生作为实验组，未参与课程学习的30名学生作为对照组，发放问卷对学生工程思维能力进行测量。实发问卷60份，获得有效问卷57份。利用SPSS 27.0对测评卷总分、工程思维各维度及其对应具体表现得分进行正态分布检验。

小学高年级学生工程思维能力培养研究

为培养学生工程思维能力，笔者根据表1工程思维具体维度及设计的课程内容，确定以下课程实施策略。

课程实施总体思路

在任务1中，教师对全球能源使用情况、气候变化和碳排放的关系、“双碳”目标进行介绍，并对绿色风光电站的结构进行简单介绍，让学生对本课程的背景、总体内容有基本了解。然后，循序渐进地以任务形式对风光发电站组成部分进行学习，包括电动机与发电机、风力发电、太阳能发电及储能系统。在任务2—5的课程中，课程框架主要为问题定义—方案设计—模型构建—测试优化—迭代改进—成品制作—课程评价。在每一节课结束后，都会得到一个相应部件的制作成品，最终在任务6中，将这些功能部件搭建成完整的绿色风光电站。教学过程中均会渗透对学生工程决策能力、工程设计能力、工程实施能力和工程评价能力4个方面的培养，促进学生工程思维的发展。

课程实施策略

课程严格遵循上述课程框架组织实施。该路径不仅贯穿于每一节课的教学环节，也统领整个课程的项目推进过程，旨在全方位培养学生的工程决策能力、工程设计能力、工程实施能力与工程评价能力。

在单节课教学中，以“风力大挑战：谁的风车是发电王？”为例，学生首先基于对电动机与发电机原理的理解，明确课程核心问题——如何设计发电单元，有效利用风能为绿色风光电站供电。这一环节引导学生识别约束条件、比较发电方式，初步锻炼其工程决策能力。随后，学生以小组为单位，围绕扇叶形状、数量、角度等关键变量展开讨论，结合教师提供的材料设计可行方案并绘制示意图，从而系统培养其工程设计能力。在模型构建阶段，学生将二维图纸转化为实体模型，动手组装发电机并连接测试电路，强化材料选择、工具使用与精细装配的工程实施能力。最后，学生通过改变扇叶变量，测量并比较不同配置下的发电电压与电流，依据数据筛选最优方案，并据此修正初始设计。这个“测试—分析—优化”的循环过程，重点锤炼了学生在真实情境中基于证据进行反思与改进的工程评价能力。在课程实施过程中，评价反馈也是重要环节。教师通过对学生的设计图、制作过程、迭代改进等流程进行形成性评价，为学生提供了精准的改进依据。

从整体课程的宏观视角审视，6个任务构成了完整的工程项目周期。任务1对应“问题定义”阶段，学生需对电站的总体目标、能源配置和选址进行规划，锤炼工程决策能力。任务2—5则依次进入“方案设计—模型构建—测试优化—迭代改进”的循环。学生在这些任务中对各子系统进行设计并制作功能模型（如风力发电机、太阳能发电机、电池等），层层递进地深化其工程设计能力与工程实施能力，并在每个任务的测试中持续应用工程评价能力以优化方案。而任务6则对应成品制作与课程评价2个环节，学生将前期部件进行总装、调试，并在交流与展示环节中进行汇报，对学生的4项工程能力进行了一次综合性、创造性的全面考核与升华。

通过这种“课中有环、课程有链”的双层实践架构，学生得以在解决真实、复杂的能源项目过程中，完整而深入地经历工程实践的全过程，从而实现工程思维的协同发展与螺旋式上升。

研究结论

对实验班、对照班后测总分进行正态分布检验，可以看出数据样本点近似地围绕在对角线附近。同时，使用夏皮罗-威尔克检验法进行检验，从表3可以看出，p值均大于0.05，表示两班的工程思维后测总得分情况呈正态分布，可以采用独立样本T检验进行差异分析。

工程思维后测总得分对比分析

对实验班和对照班学生的工程思维水平后测总得分进行独立样本T检验， 结果如表4所示。可以看出，显著性水平p＜0.05，两班工程思维水平后测的总得分存在显著差异，说明在教学实验干预下，实验班学生的工程思维水平发展得更好。

工程思维各维度及具体表现后测得分对比分析

进一步对实验班和对照班工程思维各维度及具体表现的后测结果进行检验，结果详见表5。可以看出，实验班与对照班学生在工程思维4个维度上均存在显著性差异（p＜0.05），说明经过实验干预，实验班学生在工程思维的各维度上均有了更为显著的提升。就各维度的具体思维表现看，除了效果测试，实验班在后测中其他方面的表现均显著优于对照班。由此可以认为，工程思维导向的跨学科主题学习较常规科学课程，能更全面地培养学生的工程思维。实验班学生与对照班学生工程思维差异主要体现在以下几个方面。

工程决策思维

由表5可知，经过教学干预，实验班学生在工程决策各方面均优于对照班学生。在工程思维导向的跨学科主题学习中，工程决策思维发挥着至关重要的先导性与统领性作用。其重要性在于，它将模糊、复杂的现实情境转化为一个定义清晰、可操作的工程问题框架，为后续的设计、实施与评价环节提供了明确的目标导向和评判准则。该思维过程引导学生系统性地识别多方约束条件（如技术、成本、伦理），并主动搜寻、整合与权衡跨学科知识，从而作出最优路径规划。在测试中，对照班大部分学生对于第1题的作答仅限于“做1个保温装置”，而实验班学生多数可以精确到“做1个使冰激凌在户外1小时不融化的保温杯”这一答案，体现了经过课程学习后，学生对工程问题的定义更为精准清晰，能够主动抓住关键目标，表明工程思维导向的跨学科课程培养了学生从“被动解题”到“主动定义问题”的高阶认知能力，确保了整个学习过程的科学性与实效性。

工程设计能力

由表5数据可知，实验班在调查研究、要素设计、方案呈现3个环节及总分上的表现同样展现出显著优势（p<0.001）。尤其是在要素设计和方案呈现2项，实验班平均分极高（2.96/3）且标准差很小（0.209），说明绝大多数学生不仅掌握了设计方法，更能将抽象需求转化为具体、完整、可呈现的优秀解决方案，且整体水平均衡，反映出教学设计成功地将工程设计的流程与思维模式内化学生的核心素养。

在工程思维导向的跨学科主题学习中，工程设计能力扮演着核心枢纽与转化引擎的关键角色。其重要性在于，它将决策阶段形成的抽象问题框架与概念方案，转化为具体、可行、可物化的技术解决方案，实现了从思维到物化的决定性跨越。该能力要求学生综合运用科学、技术、数学乃至艺术等多学科知识，进行创造性构思、精细化建模与可视化表达，是知识整合与应用能力的集中体现。工程设计过程本身所蕴含的迭代优化与权衡取舍思想，极大地促进了学生系统思维、创新实践与解决问题能力的发展，是培养工程素养与技术创新人才的核心环节。

工程实施能力

该维度上，实验班学生水平仍高于对照班，但内部存在差异。在模型制作和迭代优化2项表现上，实验班优势显著（p<0.001），表明学生在动手实现、测试反馈并持续改进方案的实践能力上得到了有效锻炼。然而，在效果测试项上，虽然实验班平均分（1.57）略高于对照班（1.29），但差异并未达到统计学上的显著水平（p>0.05）。可能的原因在于：教学重点更侧重于设计与制作环节，对“如何系统、科学地进行测试验证”环节的训练和强调相对不足；或是小组合作学习中，测试任务由部分成员承担，影响了所有学生在此项能力上的均衡发展。

在工程思维导向的跨学科主题学习中，工程实施能力发挥着将抽象方案转化为实体成果的物化保障作用。其重要性在于，它是检验设计方案可行性、有效性与优化价值的核心环节。通过材料选择、工具使用、模型制作与功能测试等一系列动手实践，学生得以验证与修正其理论构想，深刻理解设计、材料与工艺之间的复杂关系。该过程不仅培养了学生的工具操作、动手实践与技术物化能力，更使其在“设计—制作—测试—迭代”闭环中内化了工程思维的核心方法论，是培养科学实证精神与提升复杂问题解决能力的关键途径。

工程评价能力

在评价反思方面，实验班（2.70）显著优于对照班（1.77）（p <0.001），表明经过教学干预后，实验班的学生不仅能够完成设计与制作，更具备了回顾、批判、反思工程成果的习惯和能力，能从多角度对方案及产品的优缺点展开客观公正的评价。

讨论与建议

科学技术不断进步，对教育也提出了新的要求与挑战，小学工程教育的空白亟待填充，小学生工程思维的培养也需要进一步得到重视。为发展小学生工程思维，笔者提出以下建议。

跨学科主题课程对学生工程思维提升具有重要作用

以“绿色低碳风光校园微电站”跨学科主题课程为例，该课程通过真实项目驱动，课程设计以“总—分—总”为架构，遵循“问题定义—方案设计—模型构建—测试优化—迭代改进—成品制作—课程评价”的系统化工程路径，将跨学科知识学习与系统性工程实践深度融合，让学生经历工程实践全流程，有效提升了学生的工程决策、设计、实施与评价能力，为深化我国小学阶段的工程教育与创新后备人才培养提供了实践范例。

课程效果与课程评价体系挂钩，实现以评促教

课程的有效实施必须与科学、多维的课程评价体系紧密结合，本课程实施过程中运用了形成性评价和总结性评价。

首先，课程所遵循的“问题定义—方案设计—模型构建—测试优化—迭代改进”工程路径，其本身就是一个嵌入式的评价框架。在每一环节，教师都应依据明确的评价标准（如方案的新颖性、模型的合理性、测试数据的准确性、迭代的逻辑性等）对学生的学习过程进行形成性评价。例如，在“风力发电机设计”课中，对学生绘制的示意图（工程设计能力）和记录的测试数据（工程评价能力）进行即时点评与指导，让学生能基于评价反馈不断优化自己的实践。这种将评价融入教学全过程的方式，使评价不再是学习的终点，而是支持学生持续进阶的脚手架，直接服务于工程思维的塑造。

为客观检验课程对工程思维培养的宏观成效，必须采用基于实证的总结性评价。本研究通过借鉴成熟问卷，对实验班与对照班进行前测、后测的量化对比，并利用SPSS软件进行严格的统计分析，为课程效果提供了可靠的数据支撑。这种基于数据的评价不仅验证了课程价值，更指明了精准改进的方向，推动了课程本身的优化与教师专业能力的提升。

不足与展望

本研究初步验证了“绿色低碳风光校园微电站”跨学科主题课程的有效性，但受限于实践范围与样本规模，其结论的普适性与统计效力有待进一步验证。未来研究应扩大实践范围，在不同区域、不同背景的学校中进行更大样本的教学实验，从而收集更加多元的反馈数据。在此基础上，需依据系统的量化与质性评价结果，对课程的内容编排、活动设计与差异化教学策略进行精准诊断与持续优化，以增强课程的适应性与推广价值。

参考文献

[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]李伯聪.工程与工程思维[J].科学，2014，66（6）：13-16，4.

[4]范冬萍,李海东.从大科学教育理念看工程思维的系统内涵与培养进路[J].自然辩证法研究，2024，40（10）：138-144.

[5]江苏省教育厅.江苏省绿色低碳发展国民教育体系建设工作方案[EB/OL].（2025-04-09）[2026-02-17]. https://jyt.jiangsu.gov.cn/art/2024/4/9/art_58320_11212753.html.

[6]顾茜.工程思维导向的小学科学跨学科主题学习设计与实践[D].南京：东南大学，2024.

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来源 | 《中国科技教育》2026-2

编辑 | 张雨晴

审校 | 孟想、若惜