【摘 要】高中工程教育的實(shí)施有助于未來工程師的生涯規(guī)劃、知識(shí)儲(chǔ)備、技能培養(yǎng)和品格形成。江蘇無錫市第一中學(xué)在高中學(xué)段的工程教育實(shí)踐中，提出了高中工程教育的愿景，未來工程師的能力大綱和高中工程教育的12條標(biāo)準(zhǔn)。本文以“創(chuàng)意天梯”項(xiàng)目為例，具體介紹了高中工程教育理念和項(xiàng)目化教學(xué)過程，具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】高中工程教育；創(chuàng)意天梯；項(xiàng)目化教學(xué)；CDIO

【中圖分類號(hào)】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2025）03-072-03

高中工程教育理念

工程教育作為當(dāng)今全球教育改革的重要組成部分，其核心理念是通過基于真實(shí)生活情境的實(shí)踐項(xiàng)目促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程素養(yǎng)。無錫一中是江蘇省普通高中工程整合課程基地，近年來，基于CDIO理念在工程教育方面取得了初步成效。

CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果。CDIO分別代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、在課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。結(jié)合高中特點(diǎn)，參考CDIO的核心文件，無錫一中提出了高中工程教育的愿景，未來工程師的能力大綱和高中工程教育的12條標(biāo)準(zhǔn)[1]。

高中工程教育的愿景就是提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在產(chǎn)品全生命周期基礎(chǔ)上的工程教育?！皠?chuàng)意天梯”是一項(xiàng)科創(chuàng)類白名單賽事，作為一個(gè)典型的工程設(shè)計(jì)任務(wù)，要求學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)，在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、齒輪組搭建等多個(gè)方面進(jìn)行深入思考，通過實(shí)際的動(dòng)手實(shí)踐和多次迭代，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。天梯從無到有就是一個(gè)工程產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到運(yùn)作（CDIO）的全生命周期。

“創(chuàng)意天梯”的教學(xué)流程遵循高中工程教育的12條標(biāo)準(zhǔn)，主要包含：以CDIO為基本原則、實(shí)施一體化教學(xué)計(jì)劃、融入工程學(xué)入門課程、提倡學(xué)生自主學(xué)習(xí)、強(qiáng)調(diào)綜合學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、重視學(xué)生的設(shè)計(jì)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)、提供工程實(shí)踐場(chǎng)所、堅(jiān)持進(jìn)行分階段學(xué)習(xí)評(píng)估、保證每階段的學(xué)習(xí)成果可檢驗(yàn)、重視教師能力提升和培訓(xùn)、定期進(jìn)行項(xiàng)目評(píng)估、保證項(xiàng)目順利進(jìn)行。

創(chuàng)意天梯項(xiàng)目實(shí)施流程

1.發(fā)現(xiàn)與明確問題

“創(chuàng)意天梯”項(xiàng)目背景是在太空探索中如何搭建輕便的框架結(jié)構(gòu)，利用齒輪組將重物提升到最大高度。該項(xiàng)目需要學(xué)生自行設(shè)計(jì)并3D打印出連接件，設(shè)計(jì)齒輪組放大馬達(dá)輸出扭矩。因此，項(xiàng)目學(xué)習(xí)的第一步是讓學(xué)生明確核心問題，初步確定項(xiàng)目中的主要挑戰(zhàn)，并為后續(xù)設(shè)計(jì)提供研究方向。學(xué)生不僅要掌握數(shù)學(xué)、物理和工程學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，還要有分析實(shí)際問題的能力。本階段，學(xué)生的主要任務(wù)是識(shí)別和分析天梯設(shè)計(jì)中的核心問題，包括以下因素。

天梯整體結(jié)構(gòu)的承重能力：天梯實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵因素，要求學(xué)生對(duì)材料力學(xué)有一定的理解。

齒輪組的最大拉力：齒輪組是否能產(chǎn)生足夠的拉力來獲得較高的得分，又需要減小齒輪組占用的體積以降低同等高度下天梯的總重量，這要求學(xué)生掌握機(jī)械傳動(dòng)原理。

木桶原理：極限拉力受到天梯整體結(jié)構(gòu)承重能力和齒輪組最大拉力兩者中較小值的限制。

天梯的總質(zhì)量和總高度：學(xué)生需要考慮結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，以確保在滿足高度和承重需求的前提下，降低天梯的自重。

權(quán)衡：學(xué)生需要權(quán)衡各方面的關(guān)系，以獲得3種得分總和的最大化。

通過這些問題的分析，學(xué)生培養(yǎng)了基于實(shí)際情境提出問題的意識(shí)，并逐漸學(xué)會(huì)如何在復(fù)雜的條件下思考和設(shè)計(jì)合理的解決方案。學(xué)生帶著這些問題鉆研材料力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)等相關(guān)工程知識(shí)和原理，體現(xiàn)了12條標(biāo)準(zhǔn)中一體化教學(xué)計(jì)劃、融入工程學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、提倡自主學(xué)習(xí)和跨學(xué)科綜合學(xué)習(xí)等特征。

2.討論與構(gòu)思方案

在明確了問題之后，學(xué)生進(jìn)入討論與構(gòu)思階段。在這一階段，學(xué)生們需要根據(jù)他們對(duì)問題的理解，設(shè)計(jì)出合理的天梯結(jié)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)方案。如何在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，設(shè)計(jì)出重量輕、承載能力強(qiáng)的天梯框架，是本階段的重要挑戰(zhàn)。創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在有限材料的條件下，獲得較高的得分。這一階段不僅考驗(yàn)學(xué)生的創(chuàng)新思維，還需要他們?cè)趫F(tuán)隊(duì)中進(jìn)行協(xié)作討論，從而提出多種解決方案并評(píng)估其可行性。主要考慮以下因素。

天梯整體結(jié)構(gòu)的承重能力與齒輪組最大拉力的匹配：學(xué)生需要通過計(jì)算和模擬確定哪一項(xiàng)能力是限制因素，并據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承重能力：學(xué)生學(xué)習(xí)到ABS桿沿軸向的受壓能力遠(yuǎn)大于受彎能力，明白如何通過多根木條的合并設(shè)計(jì)來提升承重能力。

總質(zhì)量與總高度的平衡：學(xué)生需要明白結(jié)構(gòu)總質(zhì)量會(huì)隨著總高度的增加而增加，從而學(xué)會(huì)在設(shè)計(jì)中控制質(zhì)量，以保證天梯的穩(wěn)定性和性能。

此外，學(xué)生在討論中需要涉及齒輪傳動(dòng)比、多級(jí)齒輪組合的設(shè)計(jì)以及齒輪組與天梯框架間的連接方式等細(xì)節(jié)。這些討論不僅考驗(yàn)了學(xué)生對(duì)物理和工程學(xué)知識(shí)的理解，還培養(yǎng)了他們的邏輯思維和問題解決能力。

3.設(shè)計(jì)與建立模型

方案確定后，學(xué)生進(jìn)入設(shè)計(jì)和建立模型的階段。在這一階段，學(xué)生通過3D建模軟件將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為具體的三維模型（包括齒輪組、連接件以及承重框架等）。通過軟件建模，學(xué)生不僅能直觀地看到設(shè)計(jì)效果，還能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化。

設(shè)計(jì)齒輪組模型：根據(jù)電機(jī)輸出和拉力需求，設(shè)計(jì)出合適的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)連接件與承重框架：學(xué)生還需要設(shè)計(jì)用于連接木條和齒輪組的連接件，合理布置承重框架，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承重能力。

建立天梯整體結(jié)構(gòu)：根據(jù)ABS材料的特性，設(shè)計(jì)一個(gè)輕量化且能夠承受齒輪組工作的框架。通過將各部分模型組合，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中完成整個(gè)天梯的搭建，進(jìn)一步檢查設(shè)計(jì)的可行性。

這一階段幫助學(xué)生提高圖樣表達(dá)和三維建模能力，進(jìn)一步培養(yǎng)了他們的空間思維和工程設(shè)計(jì)能力。教師有必要及時(shí)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的模型作出初步的評(píng)估，指出明顯的錯(cuò)誤和缺陷，幫助學(xué)生節(jié)省試錯(cuò)成本，對(duì)模型進(jìn)行修改和優(yōu)化。本階段是考驗(yàn)教師工程能力和教學(xué)指導(dǎo)能力的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

4.打印與搭建天梯

模型設(shè)計(jì)完成后，可以通過3D打印將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理部件。學(xué)生將設(shè)計(jì)好的模型逐一打印出來，并進(jìn)行天梯的搭建。

選擇打印材料與優(yōu)化打印流程：學(xué)生需要根據(jù)結(jié)構(gòu)需求選擇合適的打印材料，并在模型切片時(shí)合理選擇放置角度，以減少打印支撐和材料浪費(fèi)。

處理打印誤差與搭建問題：學(xué)生可能會(huì)遇到材料收縮、打印精度不足等問題，需要在搭建過程中進(jìn)行調(diào)整和修正。通過搭建過程，學(xué)生學(xué)會(huì)如何應(yīng)對(duì)實(shí)際操作中的各種挑戰(zhàn)，并提升動(dòng)手能力。

這一階段的實(shí)踐操作幫助學(xué)生提高了物化能力，并理解了從虛擬設(shè)計(jì)到現(xiàn)實(shí)制造的復(fù)雜過程。教師主要是有效利用學(xué)校資源，配合學(xué)生打印齒輪組和連接件的模型，學(xué)生也要做好時(shí)間管理，利用碎片時(shí)間切片、打印模型，并及時(shí)進(jìn)行模型調(diào)整。

5.測(cè)試與調(diào)試結(jié)構(gòu)

天梯搭建完成后，學(xué)生進(jìn)入測(cè)試和調(diào)試階段。在這一階段，學(xué)生需要對(duì)天梯的穩(wěn)定性、齒輪組的拉力、承重框架的承重能力進(jìn)行全面測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。

測(cè)試結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：確?？蚣苣軌虺惺茏灾嘏c提升裝置的拉力。

測(cè)試齒輪組的拉力：測(cè)量齒輪組提升物體的最大能力，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。

測(cè)試承重能力：通過逐步增加負(fù)載，測(cè)試電梯框架的承重極限。

整體調(diào)試與迭代：在每次測(cè)試后，學(xué)生可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，再次打印、搭建并重新測(cè)試，直到達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。

通過這個(gè)不斷測(cè)試、優(yōu)化和迭代的過程，學(xué)生學(xué)會(huì)了如何在實(shí)際工程項(xiàng)目中進(jìn)行反思和改進(jìn)，培養(yǎng)了持續(xù)改進(jìn)的工程思維。

前述五個(gè)階段體現(xiàn)了12條標(biāo)準(zhǔn)中，重視學(xué)生的設(shè)計(jì)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，提供工程實(shí)踐場(chǎng)所，堅(jiān)持進(jìn)行分階段學(xué)習(xí)評(píng)估，保證每階段的學(xué)習(xí)成果可檢驗(yàn)等特征。

6.競賽與學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

最后階段，學(xué)生攜帶天梯參加現(xiàn)場(chǎng)競賽，通過比賽檢驗(yàn)他們的設(shè)計(jì)能力和應(yīng)變能力。在比賽中，學(xué)生不僅需要面對(duì)技術(shù)問題，還要應(yīng)對(duì)心理壓力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作挑戰(zhàn)。

心理素質(zhì)的培養(yǎng)：學(xué)生需要在有限的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，這有助于鍛煉他們的心理承受能力。

團(tuán)隊(duì)合作與應(yīng)變能力：競賽往往要求學(xué)生快速解決突發(fā)問題，這進(jìn)一步培養(yǎng)了他們的應(yīng)變能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

通過競賽，學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)成果有了更清晰的認(rèn)識(shí)，也獲得了更多關(guān)于工程項(xiàng)目的寶貴經(jīng)驗(yàn)。我們鼓勵(lì)學(xué)生賽后寫下項(xiàng)目反思。一是幫助他們反思提升工程認(rèn)知；二是給低年級(jí)選手留下經(jīng)驗(yàn)之談；三是為教師的教學(xué)留下評(píng)估資料。

創(chuàng)意天梯項(xiàng)目的成果

天梯項(xiàng)目的成果主要體現(xiàn)在師生工程能力的共同成長。我們根據(jù)未來工程師能力大綱中的四個(gè)核心能力分別討論[2]。

其一，技術(shù)知識(shí)和推理能力是未來工程師應(yīng)該具備的理論知識(shí)儲(chǔ)備。天梯項(xiàng)目中至少包含了基礎(chǔ)數(shù)學(xué)與物理知識(shí)，核心工程基礎(chǔ)知識(shí)（機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、齒輪傳動(dòng)等）、高級(jí)工程基礎(chǔ)知識(shí)工具方法（三維建模、切片打印和模型組裝等）。因此，學(xué)生經(jīng)過項(xiàng)目化學(xué)習(xí)掌握了多學(xué)科技術(shù)知識(shí)，初步具備了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砟芰Α?/p>

其二，個(gè)人技能和職業(yè)道德是未來工程師必須具備的職業(yè)素養(yǎng)。本項(xiàng)目主要培養(yǎng)了學(xué)生的分析推理和解決問題的能力，根據(jù)研究目標(biāo)構(gòu)思方案、設(shè)計(jì)建模的能力，系統(tǒng)思維的能力，面對(duì)問題時(shí)應(yīng)有的態(tài)度、思維與學(xué)習(xí)能力，項(xiàng)目實(shí)施時(shí)應(yīng)具備的工程素養(yǎng)、公平公正及責(zé)任意識(shí)等。

其三，人際交往技能和團(tuán)隊(duì)協(xié)作溝通是未來工程師必備的社交技能。為了贏得組隊(duì)比賽的勝利，學(xué)生必須分工合作，掌握必要的人際交往技巧，具備良好的溝通能力。高中生合作學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)不多，往往缺乏這方面的技能，教師的作用就尤為重要。在團(tuán)隊(duì)組建和運(yùn)營的過程中，教師要從親自指導(dǎo)的角色，逐步蛻變?yōu)橛^察者，逐步引導(dǎo)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中成長成熟。

其四，CDIO系統(tǒng)創(chuàng)新能力是未來工程師的核心素養(yǎng)。天梯項(xiàng)目的背景就是在未來太空探險(xiǎn)中如何實(shí)現(xiàn)重物提升，要求學(xué)生具備從社會(huì)進(jìn)步和企業(yè)生產(chǎn)這兩個(gè)層面進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行（CDIO）產(chǎn)品／系統(tǒng)的能力。比賽測(cè)試的角度也有多個(gè)方面，如天梯的高度、天梯自身的重量、提升重物的重量、提升重物的高度等，這些因素的考量與平衡都對(duì)整個(gè)天梯設(shè)計(jì)提出了較高的要求。學(xué)生通過持續(xù)的迭代和優(yōu)化，體驗(yàn)了工程設(shè)計(jì)中反復(fù)試錯(cuò)的過程，培養(yǎng)了應(yīng)對(duì)挫折的耐心與堅(jiān)持。這些品質(zhì)也將深刻影響他們的思維方式與學(xué)習(xí)態(tài)度。能夠順利完成天梯項(xiàng)目的學(xué)生，無疑已經(jīng)初步具備了CDIO系統(tǒng)創(chuàng)新能力。

創(chuàng)意天梯項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐反思

通過“創(chuàng)意天梯”項(xiàng)目的實(shí)踐，教師與學(xué)生對(duì)高中工程教育有了更深刻的理解。首先，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度，學(xué)生能夠主動(dòng)積極地參與到復(fù)雜問題的解決過程。其次，團(tuán)隊(duì)合作和項(xiàng)目管理能力成為了工程教育中的關(guān)鍵要素，學(xué)生在解決復(fù)雜問題時(shí)，學(xué)會(huì)了如何分工合作，如何分階段實(shí)施項(xiàng)目，如何進(jìn)行時(shí)間管理等。

當(dāng)然，項(xiàng)目學(xué)習(xí)也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，不同學(xué)生的能力水平差異較大，教師如何在教學(xué)中提供個(gè)性化的指導(dǎo)。此外，項(xiàng)目學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)涉及多個(gè)維度，如何在項(xiàng)目中進(jìn)行科學(xué)、公正的評(píng)價(jià)也是一個(gè)需要繼續(xù)探索的問題。

總之，“創(chuàng)意天梯”項(xiàng)目通過實(shí)踐與理論相結(jié)合的方式，基本達(dá)到了高中工程教育的目標(biāo)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程能力與團(tuán)隊(duì)合作能力。這一項(xiàng)目也為未來的工程教育提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與啟示。

注：本文系江蘇省普通高中課程基地項(xiàng)目“像工程師一樣實(shí)踐：普通高中工程整合課程基地”階段性成果；無錫市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度一般課題“超學(xué)科融合理念下普通高中工程教育的路徑探索與樣本建構(gòu)”（I/D/2023/21）階段成果

參考文獻(xiàn)

夏燕萍. 基于CDIO理念的高中工程教育實(shí)踐探索[J]. 中小學(xué)信息技術(shù)教育，2024 （10）： 78-81.