指向竞赛项目的普通高中工程教育实践研究

【摘要】高中工程教育的实施有助于未来工程师的生涯规划、知识储备、技能培养和品格形成。江苏无锡市第一中学在高中学段的工程教育实践中，提出了高中工程教育的愿景，未来工程师的能力大纲和高中工程教育的12条标准。本文以“创意天梯”项目为例，具体介绍了高中工程教育理念和项目化教学过程，具有一定的参考价值。【关键词】高中工程教育；创意天梯；项目化教学；CDIO高中工程教育理念工程教育作为当今全球教育改革的重要组成部分，其核心理念是通过基于真实生活情境的实践项目促进学生的创新思维和工程素养。无锡一中是江苏省普通高中工程整合课程基地，近年来，基于CDIO理念在工程教育方面取得了初步成效。CDIO工程教育模式是国际工程教育改革的最新成果。CDIO分别代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、在课程之间有机联系的方式学习工程。结合高中特点，参考CDIO的核心文件，无锡一中提出了高中工程教育的愿景，未来工程师的能力大纲和高中工程教育的12条标准[1]。高中工程教育的愿景就是提供一种强调工程基础的、建立在产品全生命周期基础上的工程教育。“创意天梯”是一项科创类白名单赛事，作为一个典型的工程设计任务，要求学生组建团队，在材料选择、结构设计、齿轮组搭建等多个方面进行深入思考，通过实际的动手实践和多次迭代，最终实现目标。天梯从无到有就是一个工程产品从构思、设计、实现到运作（CDIO）的全生命周期。“创意天梯”的教学流程遵循高中工程教育的12条标准，主要包含：以CDIO为基本原则、实施一体化教学计划、融入工程学入门课程、提倡学生自主学习、强调综合学习经验、重视学生的设计和实施经验、提供工程实践场所、坚持进行分阶段学习评估、保证每阶段的学习成果可检验、重视教师能力提升和培训、定期进行项目评估、保证项目顺利进行。创意天梯项目实施流程1.发现与明确问题“创意天梯”项目背景是在太空探索中如何搭建轻便的框架结构，利用齿轮组将重物提升到最大高度。该项目需要学生自行设计并3D打印出连接件，设计齿轮组放大马达输出扭矩。因此，项目学习的第一步是让学生明确核心问题，初步确定项目中的主要挑战，并为后续设计提供研究方向。学生不仅要掌握数学、物理和工程学的基础知识，还要有分析实际问题的能力。本阶段，学生的主要任务是识别和分析天梯设计中的核心问题，包括以下因素。天梯整体结构的承重能力：天梯实现其功能的关键因素，要求学生对材料力学有一定的理解。齿轮组的最大拉力：齿轮组是否能产生足够的拉力来获得较高的得分，又需要减小齿轮组占用的体积以降低同等高度下天梯的总重量，这要求学生掌握机械传动原理。木桶原理：极限拉力受到天梯整体结构承重能力和齿轮组最大拉力两者中较小值的限制。天梯的总质量和总高度：学生需要考虑结构的轻量化设计，以确保在满足高度和承重需求的前提下，降低天梯的自重。权衡：学生需要权衡各方面的关系，以获得3种得分总和的最大化。通过这些问题的分析，学生培养了基于实际情境提出问题的意识，并逐渐学会如何在复杂的条件下思考和设计合理的解决方案。学生带着这些问题钻研材料力学、机械传动等相关工程知识和原理，体现了12条标准中一体化教学计划、融入工程学基础知识、提倡自主学习和跨学科综合学习等特征。2.讨论与构思方案在明确了问题之后，学生进入讨论与构思阶段。在这一阶段，学生们需要根据他们对问题的理解，设计出合理的天梯结构和齿轮传动方案。如何在满足强度要求的同时，设计出重量轻、承载能力强的天梯框架，是本阶段的重要挑战。创新的结构设计可以在有限材料的条件下，获得较高的得分。这一阶段不仅考验学生的创新思维，还需要他们在团队中进行协作讨论，从而提出多种解决方案并评估其可行性。主要考虑以下因素。天梯整体结构的承重能力与齿轮组最大拉力的匹配：学生需要通过计算和模拟确定哪一项能力是限制因素，并据此优化设计。结构的稳定性和承重能力：学生学习到ABS杆沿轴向的受压能力远大于受弯能力，明白如何通过多根木条的合并设计来提升承重能力。总质量与总高度的平衡：学生需要明白结构总质量会随着总高度的增加而增加，从而学会在设计中控制质量，以保证天梯的稳定性和性能。此外，学生在讨论中需要涉及齿轮传动比、多级齿轮组合的设计以及齿轮组与天梯框架间的连接方式等细节。这些讨论不仅考验了学生对物理和工程学知识的理解，还培养了他们的逻辑思维和问题解决能力。3.设计与建立模型方案确定后，学生进入设计和建立模型的阶段。在这一阶段，学生通过3D建模软件将设计方案转化为具体的三维模型（包括齿轮组、连接件以及承重框架等）。通过软件建模，学生不仅能直观地看到设计效果，还能对设计进行微调和优化。设计齿轮组模型：根据电机输出和拉力需求，设计出合适的齿轮传动系统。设计连接件与承重框架：学生还需要设计用于连接木条和齿轮组的连接件，合理布置承重框架，确保结构的稳定性和承重能力。建立天梯整体结构：根据ABS材料的特性，设计一个轻量化且能够承受齿轮组工作的框架。通过将各部分模型组合，学生可以在虚拟环境中完成整个天梯的搭建，进一步检查设计的可行性。这一阶段帮助学生提高图样表达和三维建模能力，进一步培养了他们的空间思维和工程设计能力。教师有必要及时对学生设计的模型作出初步的评估，指出明显的错误和缺陷，帮助学生节省试错成本，对模型进行修改和优化。本阶段是考验教师工程能力和教学指导能力的关键节点。4.打印与搭建天梯模型设计完成后，可以通过3D打印将数字模型转化为实际的物理部件。学生将设计好的模型逐一打印出来，并进行天梯的搭建。选择打印材料与优化打印流程：学生需要根据结构需求选择合适的打印材料，并在模型切片时合理选择放置角度，以减少打印支撑和材料浪费。处理打印误差与搭建问题：学生可能会遇到材料收缩、打印精度不足等问题，需要在搭建过程中进行调整和修正。通过搭建过程，学生学会如何应对实际操作中的各种挑战，并提升动手能力。这一阶段的实践操作帮助学生提高了物化能力，并理解了从虚拟设计到现实制造的复杂过程。教师主要是有效利用学校资源，配合学生打印齿轮组和连接件的模型，学生也要做好时间管理，利用碎片时间切片、打印模型，并及时进行模型调整。5.测试与调试结构天梯搭建完成后，学生进入测试和调试阶段。在这一阶段，学生需要对天梯的稳定性、齿轮组的拉力、承重框架的承重能力进行全面测试，并根据测试结果进行调试和优化。测试结构稳定性：确保框架能够承受自重与提升装置的拉力。测试齿轮组的拉力：测量齿轮组提升物体的最大能力，并与设计值进行对比。测试承重能力：通过逐步增加负载，测试电梯框架的承重极限。整体调试与迭代：在每次测试后，学生可以根据测试结果进行结构的优化改进，再次打印、搭建并重新测试，直到达到最佳设计效果。通过这个不断测试、优化和迭代的过程，学生学会了如何在实际工程项目中进行反思和改进，培养了持续改进的工程思维。前述五个阶段体现了12条标准中，重视学生的设计和实施经验，提供工程实践场所，坚持进行分阶段学习评估，保证每阶段的学习成果可检验等特征。6.竞赛与学习评价最后阶段，学生携带天梯参加现场竞赛，通过比赛检验他们的设计能力和应变能力。在比赛中，学生不仅需要面对技术问题，还要应对心理压力和团队协作挑战。心理素质的培养：学生需要在有限的时间内完成任务，这有助于锻炼他们的心理承受能力。团队合作与应变能力：竞赛往往要求学生快速解决突发问题，这进一步培养了他们的应变能力和团队协作意识。通过竞赛，学生对自己的学习成果有了更清晰的认识，也获得了更多关于工程项目的宝贵经验。我们鼓励学生赛后写下项目反思。一是帮助他们反思提升工程认知；二是给低年级选手留下经验之谈；三是为教师的教学留下评估资料。创意天梯项目的成果天梯项目的成果主要体现在师生工程能力的共同成长。我们根据未来工程师能力大纲中的四个核心能力分别讨论[2]。其一，技术知识和推理能力是未来工程师应该具备的理论知识储备。天梯项目中至少包含了基础数学与物理知识，核心工程基础知识（机械机构设计、齿轮传动等）、高级工程基础知识工具方法（三维建模、切片打印和模型组装等）。因此，学生经过项目化学习掌握了多学科技术知识，初步具备了严谨的推理能力。其二，个人技能和职业道德是未来工程师必须具备的职业素养。本项目主要培养了学生的分析推理和解决问题的能力，根据研究目标构思方案、设计建模的能力，系统思维的能力，面对问题时应有的态度、思维与学习能力，项目实施时应具备的工程素养、公平公正及责任意识等。其三，人际交往技能和团队协作沟通是未来工程师必备的社交技能。为了赢得组队比赛的胜利，学生必须分工合作，掌握必要的人际交往技巧，具备良好的沟通能力。高中生合作学习机会不多，往往缺乏这方面的技能，教师的作用就尤为重要。在团队组建和运营的过程中，教师要从亲自指导的角色，逐步蜕变为观察者，逐步引导学生在团队中成长成熟。其四，CDIO系统创新能力是未来工程师的核心素养。天梯项目的背景就是在未来太空探险中如何实现重物提升，要求学生具备从社会进步和企业生产这两个层面进行构思、设计、实施和运行（CDIO）产品／系统的能力。比赛测试的角度也有多个方面，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，这些因素的考量与平衡都对整个天梯设计提出了较高的要求。学生通过持续的迭代和优化，体验了工程设计中反复试错的过程，培养了应对挫折的耐心与坚持。这些品质也将深刻影响他们的思维方式与学习态度。能够顺利完成天梯项目的学生，无疑已经初步具备了CDIO系统创新能力。创意天梯项目教学实践反思通过“创意天梯”项目的实践，教师与学生对高中工程教育有了更深刻的理解。首先，项目式学习的教学模式有效地提高了学生的学习兴趣与参与度，学生能够主动积极地参与到复杂问题的解决过程。其次，团队合作和项目管理能力成为了工程教育中的关键要素，学生在解决复杂问题