嚴大虎，姚 靜

（1.江南大學(xué) 江蘇“互聯(lián)網(wǎng)+教育”研究基地；2.江南大學(xué) 人文學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

0 引言

新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新正在悄然進行，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新興技術(shù)在各行各業(yè)的迅速滲透，科技變革持續(xù)對工程教育發(fā)出新的吶喊。工程設(shè)計思維作為工程教育培養(yǎng)的關(guān)鍵能力也受到廣泛關(guān)注，并逐漸被引入K-12 學(xué)段的STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）課程中。工程設(shè)計思維是工程設(shè)計與設(shè)計思維融合的產(chǎn)物［1］，指在工程設(shè)計過程中使用設(shè)計思維發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和反思問題的一項綜合能力［2］，旨在培養(yǎng)學(xué)生從多角度發(fā)散性看待問題［3］，進而設(shè)計出更好的問題解決方案。目前，依托STEM 教育跨學(xué)科的優(yōu)勢培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計思維已逐漸形成共識［4］。在新工科建設(shè)的影響下，已有不少研究嘗試將工程設(shè)計與科學(xué)探究整合起來以豐富K-12STEM 課程模式［5］，但如何將工程設(shè)計流程與STEM 教學(xué)進行融合創(chuàng)新，以深度探索工程設(shè)計思維的培養(yǎng)仍比較欠缺。因此，探索針對性教學(xué)模式，以充分發(fā)揮工程設(shè)計與跨學(xué)科教學(xué)的優(yōu)勢，落實基礎(chǔ)教育學(xué)段工程設(shè)計思維的培養(yǎng)尚需努力。

1 相關(guān)研究

1.1 工程設(shè)計思維

工程是人類社會為滿足自身需要進行的有意識的造物活動，而設(shè)計作為工程的核心［6］，是對這些活動進行頂層規(guī)劃與細節(jié)布局的有目的的創(chuàng)造過程。工程設(shè)計作為工程與設(shè)計的結(jié)合，是指以工程問題為驅(qū)動，滿足特定約束條件，依據(jù)設(shè)計概念和規(guī)范化流程實現(xiàn)用戶需求、目標(biāo)的系統(tǒng)化過程［1］。從這個意義上講，其符合人工科學(xué)與自然科學(xué)的內(nèi)在轉(zhuǎn)換機制。同時，由于其具有強烈的工程特征，是設(shè)計者在工程制造過程進行知識分析與應(yīng)用的復(fù)雜認知過程，因此Dym 等［1］將其細化為工程設(shè)計思維，屬于設(shè)計思維的子范疇。不同學(xué)者對于工程設(shè)計思維的理解不同。例如，Atman 等［7］認為工程設(shè)計思維是指通過提供恰當(dāng)?shù)乃季S支架與問題約束幫助學(xué)習(xí)者界定問題范圍、考慮替代方案、靈活控制時間及把握方案質(zhì)量的一系列關(guān)鍵能力，是培養(yǎng)學(xué)生專家型設(shè)計行為與意識的新方法；Chang等［8］認為工程設(shè)計思維是通過分解工程設(shè)計挑戰(zhàn)，嘗試以分類步驟的方式系統(tǒng)解決具有現(xiàn)實意義工程問題的能力。綜合各方觀點，本文認為工程設(shè)計思維是對工程問題產(chǎn)生的原因進行理性觀察與評估，并采用一套系統(tǒng)完整的流程，即問題界定、方案設(shè)計、建模測試與優(yōu)化作為策略支撐解決工程問題的方法論。該思維啟發(fā)學(xué)生從多角度看待問題，并運用系統(tǒng)、辯證及審視的態(tài)度促進問題解決過程中設(shè)計認知的發(fā)展與融合，以及設(shè)計概念有目的的轉(zhuǎn)化。

當(dāng)前工程設(shè)計思維研究主要集中在其培養(yǎng)和評價兩方面。工程設(shè)計思維培養(yǎng)研究重視課程模式的設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用。例如，Lin 等［3］為培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計思維，將STEM 項目式學(xué)習(xí)與工程設(shè)計相結(jié)合，提出基于工程設(shè)計的STEM 項目式教學(xué)模式（EDP-STEM-PBL），研究表明該模式在澄清問題、產(chǎn)生想法、建模和可行性分析方面更能鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計思維；周安然等［4］以美國NASA 宇宙飛船安全課程案例為參考，主張圍繞工程設(shè)計挑戰(zhàn)開發(fā)螺旋上升式的STEM 活動，以真實任務(wù)情境驅(qū)動學(xué)生探索工程問題，進而實現(xiàn)工程設(shè)計思維培養(yǎng)；李宏偉等［9］基于設(shè)計思維與工程教育的特性，從課程內(nèi)容建構(gòu)、教學(xué)過程組織和教學(xué)方式設(shè)定3 個層面總結(jié)出以設(shè)計思維為主線的工程設(shè)計能力培養(yǎng)課程框架。工程設(shè)計思維評價的研究重點關(guān)注新手與專家工程的設(shè)計思維差異以及工程設(shè)計思維評價的操作化。例如，Atman 等［7］分析比較了工程專業(yè)學(xué)生與專家設(shè)計游樂場所時表現(xiàn)出的行為差異，結(jié)果表明專家在界定設(shè)計問題上花費的時間更多，他們通常在廣泛收集信息后再深入挖掘設(shè)計問題，以保證問題的科學(xué)性；Safoutin 等［10］基于大量設(shè)計模型和參與者話語分析發(fā)現(xiàn)，工程設(shè)計思維可被分解為問題定義、信息收集、想法生成等能力，為工程設(shè)計思維的測評提供了新思路；Lin 等［3］和Ninger 等［11］和分別嘗試對學(xué)生的設(shè)計原型、設(shè)計過程和認知流程圖進行編碼分析，結(jié)果表明這些過程性產(chǎn)出能夠清晰揭示設(shè)計者設(shè)計思想到設(shè)計實踐的具體轉(zhuǎn)變，有助于提升工程設(shè)計思維評價的準確性。

總體而言，現(xiàn)有工程設(shè)計思維培養(yǎng)主要依托于工程設(shè)計流程實現(xiàn)，其評價不僅揭示了新手與專家工程設(shè)計思維的差異，也逐漸由會話分析向認知評價靠攏。值得注意的是，上述研究雖然將工程設(shè)計與設(shè)計挑戰(zhàn)或項目學(xué)習(xí)融入到STEM 教學(xué)中，但其本質(zhì)仍立足于正向工程的視角，即從零開始構(gòu)建一項工程制品。然而，單一視角所產(chǎn)生的禁錮現(xiàn)象是直接導(dǎo)致其教學(xué)模式刻板且缺乏深度的主要原因［12］。因此，如何跳出固定限制，豐富STEM 教學(xué)中的工程設(shè)計應(yīng)用仍有待深入研究。

1.2 STEM 教育與工程設(shè)計思維培養(yǎng)的內(nèi)在聯(lián)系

STEM 教育以整合創(chuàng)新為宗旨，是一種融合多學(xué)科知識來解決現(xiàn)實問題的創(chuàng)新教學(xué)法，其引導(dǎo)學(xué)生在問題解決過程中利用工程控制流程、技術(shù)實現(xiàn)功能、科學(xué)與數(shù)學(xué)原理完成概念解釋，以此實現(xiàn)問題解決能力與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)［13］。然而，以往的STEM 教育注重科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)科的融合發(fā)展，對技術(shù)與工程的整合關(guān)注較少［14］。隨著國際化進程的加快，技術(shù)變革與工業(yè)競爭讓越來越多的國家意識到工程與技術(shù)教育是國家創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。2018 年，美國國家科學(xué)院與工程院聯(lián)合發(fā)布《以調(diào)查和設(shè)計為中心的6-12 年級科學(xué)與工程》報告，明確指出STEM 教育要注重工程設(shè)計與科學(xué)探究活動相結(jié)合，以有趣的現(xiàn)象或工程設(shè)計項目開展教學(xué)是促進學(xué)生積極參與跨學(xué)科學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。其于2020 年發(fā)布的《技術(shù)與工程素養(yǎng)標(biāo)準：STEM 教育中技術(shù)與工程的作用》更是直接利用工程設(shè)計將技術(shù)教育與工程教育兩者進行整合。可見，以工程設(shè)計的形式將工程與技術(shù)融入到STEM 教育中受到眾多研究者的青睞，這不單是STEM 教育整合發(fā)展的一劑良方，也為工程設(shè)計思維的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

1.3 工程設(shè)計與逆向工程

1.3.1 工程設(shè)計的特點

工程設(shè)計作為探究工程問題的主流方式，受到眾多機構(gòu)與學(xué)者的普遍認同。表1 為不同研究者或機構(gòu)對工程設(shè)計流程的理解。通過比較各流程的共性，Berland 等［15］總結(jié)出工程設(shè)計的四大特點：①問題定義。該特點指從廣泛、冗余的需求中挖掘出用戶的真實想法，并將其陳述為清晰、明確的工程問題；②設(shè)計解決方案。該特點指工程師依據(jù)所需條件，將工程問題與科學(xué)概念建立連接，并調(diào)動已有知識與經(jīng)驗不斷權(quán)衡、審視，以尋找方案最優(yōu)解；③建模與分析。該特點指利用數(shù)學(xué)模型模擬真實應(yīng)用場景對方案進行全面審查、剖析與調(diào)整；④迭代優(yōu)化。該特點指工程師重新回顧先前步驟，依據(jù)建模與分析結(jié)果不斷改進和完善。上述四大特點是對傳統(tǒng)工程設(shè)計流程的高度凝練，其核心是利用工程設(shè)計流程引導(dǎo)學(xué)生明確問題并構(gòu)建解決方案，進而實現(xiàn)工程設(shè)計思維的培養(yǎng)。然而，如何維持學(xué)生參與過程中的積極性尚未有很多研究，這也是導(dǎo)致教師刻板遵循流程、學(xué)生缺乏深度探索的主要原因。

Table 1 Understanding of engineering design processes by different researchers or institutions表1 不同研究者或機構(gòu)對工程設(shè)計流程的理解

1.3.2 逆向工程的內(nèi)涵與優(yōu)勢

逆向工程是以先進產(chǎn)品的實物、樣件作為研究對象，利用現(xiàn)代設(shè)計理論與方法對其進行解剖、測量與分析，以確定產(chǎn)品內(nèi)部組件及其相互關(guān)系與再創(chuàng)造的過程［22］。與正向工程相比，逆向工程的思想更符合人類認知規(guī)律，其所具有的強操作性可以更好地繼承原有產(chǎn)品優(yōu)勢，從而實現(xiàn)理論與實踐的融合創(chuàng)新。從認知角度看，逆向工程的本質(zhì)是在前人成果的基礎(chǔ)上進行局部創(chuàng)新，無需設(shè)計者經(jīng)歷從無到有的構(gòu)想，而是緊緊圍繞當(dāng)前產(chǎn)品的缺陷與不足進行再創(chuàng)造。從實踐角度看，逆向工程以生活中常見的工程實物展開設(shè)計，因此其能快速帶領(lǐng)學(xué)生進入使用者和設(shè)計者身份意識，換位思考和揣摩先前設(shè)計者的創(chuàng)作意圖，啟發(fā)學(xué)生運用發(fā)散思維追尋真問題［23］。不僅如此，可擴展性也是逆向工程的另一顯著優(yōu)勢。在高等教育中，Otto 等［24］將逆向工程與再設(shè)計進行整合，將其實施過程擴展為逆向工程、建模與分析、再設(shè)計3 個階段，以此呼吁通過逆向拆解的方法挖掘用戶需求并創(chuàng)新出更好的產(chǎn)品。該模式在德克薩斯大學(xué)、麻省理工學(xué)院和美國空軍學(xué)院中被廣泛應(yīng)用［25］。在基礎(chǔ)教育中，康斯雅等［12］將逆向工程思想融入小學(xué)機器人設(shè)計中，提出解構(gòu)復(fù)原、解構(gòu)糾錯、要素增減和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新4 類逆向工程拓展模式，以層層遞進的方式引導(dǎo)學(xué)生體驗感知、分解、設(shè)計、實施、評價全過程，幫助其實現(xiàn)知識建構(gòu)與創(chuàng)新應(yīng)用。可見，逆向工程并非徹底顛覆工程設(shè)計，而是以真實、多樣的工程問題情境激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、豐富參與體驗，推動學(xué)生在感知與實踐的基礎(chǔ)上實現(xiàn)微創(chuàng)新。

2 面向工程設(shè)計思維培養(yǎng)的STEM 教學(xué)模式

2.1 逆向工程與工程設(shè)計的融合

工程設(shè)計是嚴謹、規(guī)范的設(shè)計流程，是探索工程問題的不二之選。逆向工程作為創(chuàng)設(shè)問題情境與拓展工程模式的新方法，是豐富傳統(tǒng)工程設(shè)計的有效途徑。將兩者融合不僅能批判性地繼承彼此優(yōu)點，而且凸顯了STEM 教育實施的多樣性。具體而言，兩者整合的價值主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）以真實工程問題為起點，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。有效的問題情境是教學(xué)效果的關(guān)鍵保障，而有效的問題情境強調(diào)真實、有趣并富有意義。逆向工程與工程設(shè)計的整合是從真實工程問題出發(fā)，通過建立生活需求與設(shè)計創(chuàng)新之間的有機聯(lián)系增強工程設(shè)計活動的吸引力，從而激發(fā)學(xué)生探索、挑戰(zhàn)的本能，使其主動參與到工程問題解決過程中，有助于深度探索行為的發(fā)生。

（2）以豐富的工程模式為指導(dǎo)，滿足各類教學(xué)需求。逆向工程獨特的擴展性為彌補工程設(shè)計的單一現(xiàn)象提供了天然契機，其分別從橫向與縱向兩個維度對傳統(tǒng)工程設(shè)計流程進行創(chuàng)新應(yīng)用。從橫向上看，逆向工程的參與改變了傳統(tǒng)工程設(shè)計被正向工程壟斷的現(xiàn)狀，拓寬了工程設(shè)計的應(yīng)用范圍；從縱向上看，豐富的工程模式涵蓋了從基本概念理解到物品復(fù)原再到創(chuàng)新設(shè)計的全方位教學(xué)需求，為適配不同深度的教學(xué)目標(biāo)提供了更多選擇。

（3）以動手設(shè)計為主線，保障工程設(shè)計實踐落實。設(shè)計作為貫穿整個工程問題解決過程的主線，是解決問題的關(guān)鍵所在。然而在K-12 學(xué)段，追求完全的創(chuàng)新設(shè)計是難以實現(xiàn)的，而彌補和完善已有產(chǎn)品的不足，聚焦于局部創(chuàng)新是有效降低設(shè)計者認知與操作負擔(dān)、體驗設(shè)計樂趣的關(guān)鍵。因此，以逆向思想驅(qū)動的微創(chuàng)新是保障設(shè)計者積極參與與落實實踐的核心，是推動深度探索的重要途徑。

2.2 模式構(gòu)建

基于對工程設(shè)計思維培養(yǎng)底層邏輯的梳理，以傳統(tǒng)工程設(shè)計流程為基礎(chǔ)，將逆向工程選擇與拆解的核心環(huán)節(jié)整合到該流程中，經(jīng)歷“選擇目標(biāo)產(chǎn)品→明確需求和問題→剖析產(chǎn)品部件與結(jié)構(gòu)→提出解決方案→建模與測試→迭代優(yōu)化→評價”的漸進設(shè)計過程，形成設(shè)計與探索并重的STEM 教學(xué)模式，具體如圖1 所示。該模式由STEM 學(xué)科知識、逆向工程教學(xué)法與工程設(shè)計思維三者整合的內(nèi)循環(huán)和新工程設(shè)計的外循環(huán)組成。其中，內(nèi)循環(huán)是基于教學(xué)目標(biāo)與學(xué)習(xí)者當(dāng)前工程設(shè)計思維現(xiàn)狀，通過逆向工程教學(xué)法為STEM 教學(xué)選取合適的工程產(chǎn)品、創(chuàng)設(shè)真實問題情境，并利用工程學(xué)自身的系統(tǒng)流程優(yōu)勢將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)學(xué)科知識與具體問題情境進行有機整合的循環(huán)過程，是推動STEM 課程實施的核心；外循環(huán)則是內(nèi)循環(huán)驅(qū)動下展開的具體工程設(shè)計流程，即學(xué)生解決問題的操作步驟。兩個循環(huán)圈之間不是簡單的疊加，而是彼此交融、相互滲透，以內(nèi)循環(huán)的“需要知道”觸發(fā)外循環(huán)的“需要做”，共同實現(xiàn)基于STEM 教學(xué)的工程設(shè)計思維培養(yǎng)。

Fig.1 STEM teaching mode for the cultivation of engineering design thinking圖1 面向工程設(shè)計思維培養(yǎng)的STEM 教學(xué)模式

工程設(shè)計思維蘊含在STEM 工程設(shè)計活動的各個環(huán)節(jié)：①選擇目標(biāo)產(chǎn)品。教師作為教學(xué)的設(shè)計者和執(zhí)行者，選擇與教學(xué)目標(biāo)相統(tǒng)一的工程制品，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)設(shè)真實問題情境的關(guān)鍵。教師在該環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生觀察和體驗?zāi)繕?biāo)產(chǎn)品，鼓勵他們從多元角度發(fā)散性看待問題，并在感知與共情的基礎(chǔ)上完成信息收集與標(biāo)準制定；②明確需求和問題。該環(huán)節(jié)需對識別的需求和問題進行優(yōu)先級排序，以目標(biāo)情境和現(xiàn)實約束共同確定產(chǎn)品的核心改進點，幫助落實后續(xù)設(shè)計需解決的具體工程問題；③剖析產(chǎn)品部件與結(jié)構(gòu)。該環(huán)節(jié)給學(xué)生提供了知識建構(gòu)的契機，是推動工程問題與科學(xué)概念映射的核心環(huán)節(jié)。教師作為探究學(xué)習(xí)的促進者，帶領(lǐng)學(xué)生在明確目標(biāo)、理論與實踐的循環(huán)映射中領(lǐng)悟新知，完成信息加工與知識遷移；④提出解決方案。該環(huán)節(jié)是在經(jīng)驗與新知的相互作用下對工程問題探索的具體外顯，包括產(chǎn)出設(shè)計草圖、闡釋與分享解決方案及評估方案可行性。新的解決方案是檢驗知識習(xí)得與創(chuàng)新意識的直接證據(jù)，教師作為學(xué)習(xí)的促進者，不僅要鼓勵學(xué)生積極表達想法，還應(yīng)提供相應(yīng)的教學(xué)支持激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，給予設(shè)計認同，使其在融洽的氛圍中實現(xiàn)知識意義遷移并提升問題解決能力；⑤建模與測試。該環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，引導(dǎo)學(xué)生通過CAD 或3D 建模工具完成產(chǎn)品三維模型設(shè)計，并模擬真實使用情境對其進行多輪測試，以檢驗解決方案存在的不足；⑥迭代優(yōu)化。該環(huán)節(jié)是對產(chǎn)品設(shè)計進行持續(xù)改進。合理的迭代不僅可以更大范圍地覆蓋設(shè)計不足，為最終產(chǎn)品質(zhì)量保駕護航，也能使學(xué)生領(lǐng)會權(quán)衡與反思在設(shè)計中的重要性；⑦評價。在該環(huán)節(jié)中，學(xué)生要向老師和同學(xué)展示優(yōu)化后的最終方案，評價者可以從問題界定、流程完整性、概念映射及創(chuàng)新意識等方面給予反饋。同時，教師也要善于從學(xué)生的評價與反饋中總結(jié)活動不足，不斷修正，為培養(yǎng)工程設(shè)計思維指明方向。

3 STEM 教學(xué)案例設(shè)計與實施

3.1 案例設(shè)計

本研究以華東地區(qū)某中學(xué)為實驗基地，應(yīng)用前文構(gòu)建的STEM 教學(xué)模式，以“手持小風(fēng)扇改造”為案例展開教學(xué)。在改造過程中，學(xué)生一方面可以將日常經(jīng)驗與實驗感受相結(jié)合，討論風(fēng)力變化，領(lǐng)會電流、磁力等物理概念，探究電能與風(fēng)能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素；另一方面可通過對解決方案的迭代優(yōu)化進一步感知設(shè)計與制造之間的智慧轉(zhuǎn)化，并在總結(jié)與反思中加深對工程設(shè)計系統(tǒng)性、規(guī)范性的理解，有助于學(xué)生工程設(shè)計思維的持續(xù)提升。基于此，案例教學(xué)目標(biāo)圍繞學(xué)科核心知識、跨學(xué)科整合知識及工程設(shè)計思維層層遞進，具體如表2所示。

Table 2 Teaching objectives for handheld small fan transformation case表2 手持小風(fēng)扇改造案例教學(xué)目標(biāo)

3.2 案例實施

邀請該中學(xué)47 名九年級學(xué)生進行課程學(xué)習(xí)，共8 個課時，持續(xù)4 周。在課程開始前一周實施前測，課程結(jié)束后一周實施后測，具體教學(xué)實施流程如圖2 所示。在整個教學(xué)活動中，首先由教師選擇好恰當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品——傳統(tǒng)手持小風(fēng)扇，并基于該產(chǎn)品為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實的情境，帶領(lǐng)學(xué)生觀察風(fēng)扇外形、構(gòu)造，體驗風(fēng)扇風(fēng)力大小、噪音強弱，收集風(fēng)扇相關(guān)信息，在廣泛收集信息的基礎(chǔ)上明確核心問題；然后指導(dǎo)學(xué)生逐步完成風(fēng)扇拆解，深入剖析風(fēng)扇組件的工作原理、學(xué)習(xí)電生磁的概念，并為學(xué)生提供相應(yīng)實驗工具，包括螺絲刀、電子秤、尺子、萬能表等，引導(dǎo)其開展分組實驗。需要注意的是，在學(xué)生拆解風(fēng)扇和提出方案的過程中，教師要進行適當(dāng)指導(dǎo)，記錄拆解步驟和操作易錯點，檢查問題與概念映射關(guān)系是否正確；最后從創(chuàng)新性和價值性等方面對學(xué)生的實踐成果進行評價，幫助學(xué)生優(yōu)化解決方案、反思問題，樹立開放、辯證的設(shè)計態(tài)度。

Fig.2 Teaching implementation process of handheld small fan transformation case圖2 手持小風(fēng)扇改造案例教學(xué)實施流程

學(xué)生活動與教師活動是一一對應(yīng)的關(guān)系，在明確小風(fēng)扇改進問題后采用小組合作的形式完成風(fēng)扇拆解、概念映射和3D 建模。在該過程中，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識與自身經(jīng)驗提出解決方案，利用3D 建模探究不同扇葉材料、數(shù)量對風(fēng)力、噪音的影響，并在測試—觀察—記錄—優(yōu)化的循環(huán)過程中完成自我建構(gòu)，獲得最佳方案。在完成方案設(shè)計后進行評價與反思，每組學(xué)生依次進行成果分享交流。

3.3 效果分析

3.3.1 數(shù)據(jù)收集

研究采用問卷調(diào)查法和訪談法對學(xué)生工程設(shè)計思維發(fā)展水平進行評估，以驗證新教學(xué)模式的有效性。其中，問題解決能力問卷改編自Byun 等［26］制定的問題解決能力評價量表，包括問題感知和定義、提出方案和考慮結(jié)果、選擇方案和邏輯推理、反思方案和方案評估5 個方面；創(chuàng)新能力問卷改編自Besemer 等［27］制定的創(chuàng)新能力評價量表，包括新穎性、有效性、精密性和綜合性4 個方面；協(xié)作能力問卷改編自胡小勇等［28］提出的協(xié)作能力評價量表，包括學(xué)習(xí)態(tài)度和小組協(xié)作兩方面。整份問卷共有28 道題目，均采用李克特五點量表的形式呈現(xiàn)。經(jīng)檢驗，問卷3 個維度的Cronbach′s Alpha 系數(shù)均高于0.80，表明該問卷信度良好。同時，訪談借鑒了Ninger 等［11］提出的工程設(shè)計理解問題示例用于評價系統(tǒng)思維，包括原型制作、目標(biāo)設(shè)計、設(shè)計推理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇及流程規(guī)范6個方面。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

（1）問題解決能力。本研究對學(xué)生問題解決能力前后測數(shù)據(jù)進行了配對樣本t檢驗，結(jié)果表明，通過手持小風(fēng)扇改造案例實踐，學(xué)生的問題解決能力各維度后測成績均高于前測，具體如表3 所示?？梢姡嫦蚬こ淘O(shè)計思維培養(yǎng)的STEM 教學(xué)模式具有明顯的問題導(dǎo)向特征，有助于提升其解決問題的能力。

Table 3 Pre and post-test data for problem solving ability表3 問題解決能力前后測數(shù)據(jù)

（2）創(chuàng)新能力。如表4 所示，聚焦微創(chuàng)新后，學(xué)生的創(chuàng)新能力各維度后測成績均高于前測，其中新穎性增幅最突出，原因是聚焦后的問題十分明確，同時彰顯出極強的生活特征，學(xué)生們更容易將自身生活經(jīng)驗與科學(xué)知識聯(lián)系起來，以生活為靈感實現(xiàn)微創(chuàng)新。

Table 4 Pre and post-test data of innovation ability表4 創(chuàng)新能力前后測數(shù)據(jù)

（3）協(xié)作能力。如表5 所示，通過手持小風(fēng)扇改造案例實踐，學(xué)生的協(xié)作能力各維度后測成績均高于前測?？梢娫谛陆虒W(xué)模式的驅(qū)動下，學(xué)生作為小組成員會以更強烈的學(xué)習(xí)熱情投入其中，積極參與計劃制定與分工合作，并在討論中有意識地修正方向，規(guī)避討論偏離問題主體，共同實現(xiàn)問題解決與知識建構(gòu)。

Table 5 Pre and post-test data for collaboration capabilities表5 協(xié)作能力前后測數(shù)據(jù)

（4）系統(tǒng)思維。如圖3 所示，通過手持小風(fēng)扇改造案例實踐，學(xué)生在原型制作、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計推理和材料選取方面的能力明顯提升。同時，學(xué)生能在原型制作中正確運用概念、原理和公式對每個步驟作出清晰闡釋，實現(xiàn)了知識的遷移與應(yīng)用。

Fig.3 Comparison of pre and post-test data for systematic thinking圖3 系統(tǒng)思維前后測數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)語

工程教育是建設(shè)新時代的重要命題，工程人才培養(yǎng)是壯大新經(jīng)濟的首要途徑。本研究面向工程設(shè)計思維培養(yǎng)實際需求，以手持小風(fēng)扇改造案例為例進行實踐檢驗，論證了融合逆向工程與工程設(shè)計的新型教學(xué)模式的有效性。然而，本文研究尚存在局限之處：由于條件限制僅針對九年級學(xué)生開展實驗，缺乏大規(guī)模實踐應(yīng)用，后續(xù)還需將其應(yīng)用于不同課堂情境中不斷完善，為推進K-12 工程教育的實施提供教學(xué)操作層面的參考。