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【摘要】本文依据《普通高中通用技术课程标准（2017年版 2020年修订）》对工程思维素养的要求，以粤教版高中通用技术《技术与设计1》中三峡工程案例教学的局限性为切入点，引入CDIO工程教育模式，通过“圆梦航母”模型制作实践项目的应用，包括构思、设计、实现和运作四个阶段的关键要素与教学应用案例，阐述以CDIO为框架构建的学生工程思维提升策略，旨在为普通高中通用技术课程教学中工程思维的培养提供有效参考与借鉴。

【关键词】高中通用技术；CDIO；工程教育模式；工程思维

《普通高中通用技术课程标准（2017年版 2020年修订）》明确指出工程思维是通用技术学科核心素养之一，并提出了相应的落实要求。在粤教版高中通用技术《技术与设计1》中，虽以三峡工程的设计与建设为例阐述工程思维为以系统分析和比较权衡为核心的筹划性思维方式，但该案例规模宏大复杂，教师简要介绍难以让学生深入理解与实践体验，致使学生对工程思维的理解仅停留在表面，不利于其工程思维能力的建立与运用。因此，探索有效的工程思维提升策略具有重要的教学实践意义。

一、工程思维概念与课标要求

1.工程思维的内涵

工程思维是个体在从事工程活动时，凭借相关知识、经验与技能，针对问题展开系统分析、综合判断与创新设计，进而寻求最优解决方案的思维模式。此思维模式不局限于问题表象，而是深入探寻问题本质与内在联系，以形成切实可行的解决方案，着重强调对问题的系统性、实践性与创新性思考。

2.课标中的落实要求

高中通用技术课程标准针对工程思维核心素养提出多方面的落实要求。具体而言，学生需认识系统与工程的多样性与复杂性；能够运用系统分析方法对特定技术领域问题进行要素分析、整体规划，并借助模拟与简易建模等手段开展设计；领悟结构、流程、系统、控制等基本思想与方法并加以运用；具备进行简单风险评估与综合决策的能力。

二、CDIO工程教育模式概述

CDIO工程教育模式于2000年由美国麻省理工学院（MIT）与瑞典皇家理工学院等顶尖高校共同提出并发展。该模式以构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运行（Operate）为构成要素，强调学生全程参与产品从创意产生到使用维护的整个生命周期。运用CDIO模式开展大型项目，有助于学生在各阶段任务实践中构建与运用工程思维，这也成为构建教学模型的核心要点。

三、基于CDIO模式的“圆梦航母”项目教学实践

1.构思（C）：工程理念，目标导向，头脑风暴

（1）目标与任务

此阶段着重于明确工程项目的整体目标与愿景。这要求学生深入市场调研，准确把握用户需求，进行全面的要素与条件分析，涵盖技术可行性、市场需求、资源分配等多方面因素，进而提出创新性的初步创意与解决方案。

（2）思维培养策略

需求思维培养：运用目标导向性，引导学生强化市场调研和趋势分析。例如，教师可以通过研究航母模型在市场上的现有类型、消费者偏好以及其在教育和国防宣传等方面的潜在需求，确定本项目的独特需求，使学生理解从市场需求出发确定项目方向的重要性。

创新思维培养：采用“头脑风暴”法，结合项目需求与技术可行性。教师可以组织学生分组讨论，鼓励他们突破常规思维，提出各种关于航母模型的创意，如独特的外观设计、新颖的功能添加等。在讨论过程中，引导学生筛选出具有可行性和创新性的创意，激发学生的创新潜能。

（3）教学应用案例

在项目启动前，教师组织学生参观造船厂或博物馆进行实地考察，让学生直观感受航母的规模、结构和功能等。项目启动时，分组探究航母的历史发展、功能特点以及对中国国防的重要性，同时搜集船只建造基础信息，网购小型“梦想号”模型进行拼装训练与图纸研究。鼓励学生依据已有知识与个人兴趣提出初步设计思路，并通过讨论交流持续完善。在此过程中，教师助力学生理解项目长远价值并设定清晰的学习目标，如，明确要制作出具有一定教育展示价值且体现现代航母特色的模型。

2.设计（D）：系统分析，任务分解，权衡决策

（1）核心任务执行

将构思阶段的创意转化为具体的设计方案。学生运用整体构想与设计能力，把工程项目分解为多个子系统或模块，进行详细的系统架构设计。同时，在满足用户需求与成本控制之间权衡决策，确保设计方案高效经济。

（2）思维培养策略

系统思维培养：教师可以引导学生运用系统分析和设计方法，将航母制作项目视为一个完整系统。分析各子系统之间的相互关系和影响，如甲板的尺寸和形状对飞机起降的影响、指挥塔的布局对航母整体指挥功能的作用等，使学生建立起系统的思维模式，从整体角度思考设计方案。

逻辑思维与跨学科整合思维培养：教师对航母工作原理进行全面剖析，包括结构布局、动力系统、武器装备等方面，可以让学生了解每个部分的功能及其逻辑关联。同时，由于项目涉及木工制作、电子电路设计与焊接、Arduino编程、激光切割技术等多学科知识，教师可以组织跨学科小组合作，让学生在设计过程中整合不同学科知识，如，电子电路设计小组与外观设计小组合作，确保电路布局与航母外观协调统一，培养学生的跨学科整合思维。

（3）教学应用案例

在各小组完成初步设计方案后，教师引导学生运用系统分析和设计方法，将航空母舰制作项目看成一个系统，分解成若干子系统并进行详细分析与规划。每个小组负责一个子系统的设计与制作内容。在教师帮助下搭建系统模型，设计过程中不断调整和完善设计方案。然后，教师引导学生全面剖析航母工作原理，并根据学生专长和意愿进行分组，如船身制作、小战机制作、舰岛制作、电子电路设计、外观设计、统筹与协调等小组，明确成员责任分工。最后，教师组织集体评审会，邀请专家或同行给予意见和建议，促进跨组交流学习，检验方案可行性。

3.实现（I）：沟通协调，团队合作，质量控制

（1）关键环节实施

将设计方案转化为原型。各制作小组分别开展制作任务，建立有效的组间沟通渠道和机制，确保部分与部分之间协调良好，促进系统整体功能的发挥。学生需掌握科学实施与评估方法，进行原型制作、系统集成与测试验证，并不断迭代优化，确保产品满足设计要求与用户期望。

（2）思维培养策略

合作与协同思维培养：建立组间沟通机制，如，各组组长组成系统沟通小组，确立定期沟通及遇问题随时沟通机制。教师要引导学生在交流中积极表达想法、倾听他人意见，共同攻克困难。例如，在船身制作与电子电路安装过程中，两个小组需要密切沟通，确保电路安装位置与船身结构相匹配，不影响甲板的打开。

成本思维与风险思维培养：教师要引导学生通过项目进度计划与实践情况对比、成本预算与实际支出对比，让学生关注项目的成本控制和潜在风险，如材料浪费、制作失误导致的成本增加等风险。

（3）教学应用案例

各制作小组分别执行制作任务时，建立有效组间沟通渠道与机制。各组组长组成系统沟通小组，确立定期沟通及遇问题随时沟通机制，保障信息流通顺畅。教师引导学生高效表达想法、倾听他人意见，共同攻克困难。在实际操作过程中，教师强调团队合作的重要性，鼓励成员间相互支持、互补长短。当遇到分歧时，倡导理性讨论而非个人争执，寻找最佳解决方案。随着项目推进，逐步落实各个阶段的任务，直至最终完成航母模型的组装和调试工作。期间注重细节处理，确保产品质量达到预期标准。

4.运作（O）：批判思考，产品优化，展示交流

（1）任务与目标达成

让学生了解产品的运行和维护过程，通过实践理解系统各部分之间的相互作用和整体性能。引导学生对自己的作品进行客观评价，识别不足之处并思考改进措施，建立有效反馈机制，形成持续改进的思维习惯。同时，培养学生的安全与服务意识，了解产品使用过程中的潜在风险及应对措施。

（2）思维培养策略

批判思维与持续改进思维培养：基于前期反馈和自我评估结果，引导学生对航母模型进行批判思考。例如，分析外观设计是否美观、功能是否完善等。鼓励学生不断调整和完善航母模型的各项指标，如改进外观设计、增强功能性等，培养其持续改进思维。通过组织公开成果展览，让学生接受更多的外部评价，进一步激发批判思维，从他人的反馈中获取改进灵感，如根据师生的反馈意见对模型进行升级，培养迭代优化思维。

服务思维培养：在成果展览中，提供体验活动并收集体验感想与建议，让学生了解用户需求和产品使用中的问题，培养服务意识，思考如何更好地满足用户对航母模型展示、教育等功能的需求，提高产品的实用性和用户体验。

（3）教学应用案例

基于前期反馈和自我评估结果，不断调整和完善航母模型的各项指标，如改进外观设计、增强功能性等。组织公开成果展览，让学生向全校师生乃至社会各界展示他们的劳动结晶。提供体验活动并收集体验感想与建议。鼓励学生从中找到改进建议，对模型进行优化，培养他们迭代优化的思维。在航母模型展示过程中，学生收集了教师和同学的反馈意见并从中找到灵感，对模型不断进行升级，如，第二代增加了纸飞机弹射的功能，第三代增加了超声波雷达检测模式，让模型更具仿真效果和体验感。

四、基于CDIO模式提升学生工程思维的教学策略

1.项目引导，启发思维

在项目起始阶段，教师可以通过引入具有综合性和趣味性的项目主题，如“圆梦航母”，激发学生的学习兴趣和探索欲望。引导学生从多方面思考项目的目标和意义，如从国防教育、科技展示、个人兴趣培养等角度，启发学生的系统思维，让学生认识到项目是一个包含多元素相互关联的整体。

教师可以运用实地考察、资料搜集等方式，如参观造船厂或博物馆，网购模型研究等，拓宽学生的视野，为学生提供丰富的素材和灵感来源。在这个过程中，教师可以引导学生进行需求分析，如分析市场上航母模型的现状与不足，确定本项目的独特需求，培养需求思维。同时，可以组织“头脑风暴”活动，鼓励学生提出各种创意想法，培养创新思维，让学生在项目初期就积极主动地参与到思维构建过程中。

2.实践操作，强化思维

在设计和实现阶段，教师可以将项目分解为多个具体的任务和子系统，让学生在实践操作中深入理解系统各部分的功能和相互关系。例如，在航母模型制作中，学生通过设计和制作甲板、指挥塔等子系统，体会到各部分对整体功能的影响，强化系统思维。同时，在实践中教师可以要求学生运用多学科知识，如木工、电子电路、编程等，促进跨学科整合思维的发展。

教师可以建立团队合作机制，如分组合作、组长沟通小组等，让学生在与他人合作的过程中学会沟通、协调和相互支持。在遇到问题时，引导学生进行理性讨论和分析，如，分析制作过程中的分歧和困难，寻找最佳解决方案，培养合作与协同思维。通过对比项目计划与实际情况，包括进度、成本等方面，让学生关注项目的执行细节，培养成本思维和风险思维，使学生在实践中不断强化各种工程思维能力。

3.反思评价，提升思维

在项目运作阶段，教师可以组织学生对自己的作品进行展示和评价，如成果展览、用户体验收集等。引导学生从不同角度对作品进行批判思考，如分析外观、功能、实用性等方面的优缺点，培养批判思维。同时，可以要求学生根据反馈意见进行持续改进，如对航母模型进行功能升级、外观优化等，培养持续改进思维。（评价标准表如下）

教师可以通过撰写使用说明书等方式，让学生深入思考产品的使用过程和用户需求，培养服务思维。在整个反思评价过程中，学生不断总结经验教训，提升自己的工程思维水平，并且将这种思维习惯应用到未来的学习和实践中。

五、结论

笔者通过在高中通用技术教学中应用基于CDIO模式的工程思维提升策略，开展“圆梦航母”模型制作实践项目，详细阐述了项目各阶段的实施过程、教学应用案例。从项目实践中提炼出项目引导与思维启发、实践操作与思维强化、反思评价与思维提升三大教学策略。这些策略有助于提升学生的工程思维能力，包括系统思维、需求思维、创新思维、逻辑思维、跨学科整合思维、合作与协同思维、成本思维、风险思维、批判思维、持续改进思维和服务思维等。教师通过这些教学策略的应用，能够使学生在高中阶段就接触到系统的工程教育理念和方法，为他们未来在工程、技术等领域的深入学习和发展奠定扎实的基础。

[本文系2024年广州市青少年科技教育项目“STEM理念下的科技创意项目开发与实践”（任务编号：KP市2024273）研究成果]

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责任编辑    陈    洋