引 言

在全球挑战日益增多的时代，STEM（科学、技术、工程和数学）教育肩负起了培养综合性人才的重要使命。大量研究表明，STEM教育能够增强学生所需的21世纪技能，包括解决问题的能力、协作能力、批判性思维、创造力等。由于其巨大的教育潜力，STEM教育已被广泛视为全球学校教育的优先事项。

然而，从研究和课程设置的角度来看，缺乏一个统一的核心来促进STEM四大学科的深度融合，这引发了人们的担忧。由于工程学具有通过解决实际问题将数学和科学联系起来的天然属性，它被视为STEM实施过程中的整合纽带。《新一代科学教育标准》（NGSS）中对“科学与工程实践”“学科核心概念”和“跨学科概念”的整合就是一个突出例证。这些要素作为表现预期，明确了K-12学生为达到标准应具备的能力。

一般来说，工程实践能让学生有效解决开放性问题。基于此，土木工程——一个主要侧重于建筑物、桥梁和道路设计与建造的课程体系应运而生。其中，桥梁设计因其相对简单而受到K-12 STEM教育的青睐。在桥梁设计过程中，学生需要识别、理解并应用STEM的基本概念和原理，将自己的设计转化为产品。然而，工程实践往往错综复杂。由于工程设计具有迭代性，应鼓励学生反复探索设计过程的各个方面，以优化解决方案或产品，直至满足设计标准。特别是对于没有相关基础知识的学生而言，在有限的课时内全面考虑、分析并预测解决方案的可行性难度更大。

这就需要有效的教学方法来指导学生的工程设计表现。值得注意的是，近年来基于项目的学习（PBL）已逐步引入STEM教育中。然而，PBL要求学生从零开始，直到完成整个项目，这既需要学生有扎实的基础，也需要较长的教学周期。在此背景下，逆向工程教学法（REP）已初步在STEM教育中展现出其潜力，它允许学生从一个已完成的产品/作品入手，然后对其进行重建或优化，最终达到微创新的水平。作为核心组成部分，产品拆解能够促进学生对概念的理解，并极大地有助于提升他们的设计能力。

然而，现有研究在很大程度上集中于高等教育中的工程类课程，很少关注逆向工程项目（REP）在K-12阶段STEM教育中的作用。例如，密苏里大学罗拉分校曾尝试将逆向工程项目融入传统的计算机科学课程中。结果显示，77%的学生表示逆向工程项目强化了课堂上所讲授的概念，82%的学生期望将其融入其他课程，尤其是涉及设计的课程。此外，Younis和Tutunji介绍了费城大学将逆向工程项目整合到工程课程中的经验，包括课程目标、教学方法、课程内容和评估方式等方面。而且，宾夕法尼亚州立大学和密苏里科技大学的大三学生参与了一项咖啡壶重新设计项目，该项目证明产品拆解能够提升产品功能，并激发学生的创造力。鉴于启蒙教育在培养学生未来学习和就业所需的知识与技能方面具有关键作用，在K-12阶段的STEM教育中采用逆向工程项目并验证其效果至关重要。此外，关于逆向工程项目与基于项目的学习（PBL）之间的对比研究也较为有限。因此，本文旨在以桥梁设计项目为例，探究在小学STEM教育中逆向工程项目与基于项目的学习（PBL）的效果差异。

2 研究问题

有效的教学法应致力于减轻学生的外部认知负荷，同时提高他们的兴趣、专业知识和技能。考虑到学习兴趣、态度与沉浸感之间的正相关关系，本研究将从以下几个方面探讨真实工程问题（REP）在桥梁设计课程中对小学生的影响：认知负荷、学习态度、学习参与度、科学知识水平和工程设计技能。据此，本文将回答五个研究问题。

1. 逆向工程过程能否降低学生的认知负荷？

2. 逆向工程教学法能否改善学生的学习态度？

3. 逆向工程教学法能否提高学生的学习参与度？

4. 逆向工程教学法能否提高学生的科学知识水平？

5. 逆向工程实践能否培养学生的工程设计技能？

3 研究设计

3.1 参与者

考虑到实验的空间限制以及低年级学生（1-3年级）在桥梁搭建方面可能遇到的困难，本研究选取了中国广州市一所知名公立小学的32名四年级学生作为样本。所有学生均为自愿免费参与。这些学生此前均未修过工程学或STEM相关课程。实验前进行了学习态度调查和先前知识测验，结果显示两个班级之间没有显著差异。

在实验过程中，32名学生被随机分为两个班级。样本信息如表1所示。两个班级采用了不同的学习模式来开展桥梁设计课程：对照组采用PBL模式学习，而实验组采用REP模式学习。两个班级均以两人一组的形式合作设计并建造一座具有最佳承重能力的纸桥。

表1 样本特征

3.2 步骤

这项实验总共持续了2天。每个班级的实验时长为1天，共8小时。除了教学方法不同外，实验组和对照组使用的教学材料、授课教师以及助教都是相同的。

在第一个小时，所有学生都参加了一次先验知识测验和学习态度调查。此外，学生们自由结对，学习了与桥梁相关的知识和原理。

从第2小时到第6小时，学生们需要设计、建造并优化自己的纸桥。实验课采用了遵循以下教学步骤的REP，包括（1）体验与分析：学生体验桥梁并分析其特点；（2）分解与复原：学生分解桥梁并观察其结构；（3）重新设计与微创新：学生通过增加或减少桥梁的某些元素来实现“微创新”；（4）原型制作或再设计：学生分析现有桥梁的缺陷，并根据实际需求重建桥梁；（5）评估与反思：学生对重建的桥梁和过程进行总结与评估。

对照组采用了基于问题的学习（PBL），遵循了钟等人规定的教学步骤，包括（1）需求分析与问题定义：学生根据实际需求确定桥梁建设的目标；（2）设计备选解决方案：学生根据目标设计多种桥梁建设方案；（3）详细设计解决方案：学生通过综合评估选择并完善最优方案；（4）实施与测试：学生根据自己的设计方案建造桥梁；（5）展示与评估：学生分享并展示自己的桥梁以供评估。

在第7小时，学生们需要从科学性、独创性、美观度、经济性和稳定性这几个维度汇报并分享他们的纸桥。

第8小时进行了科学知识测验、学习态度调查、学习参与度调查、认知负荷测量以及纸桥承重测试。详细日程安排如表2所示。

表2 实验安排

3.3 材料

本研究涵盖了两类教学材料。

（1）实验工具：实验中使用了多种工具，包括：纸张、胶水、木棍、棉线、剪刀、电子秤、砝码等。电子秤和砝码主要用于承重测试，其他工具则用于纸桥的搭建。

（2）桥梁设计手册：为了监测学生的科学探究过程，我们编制了PBL手册（见图1）和REP手册（见图2），以帮助学生设计、建造和优化他们的纸桥。这些手册在每节课前分发，课后收回。

图1 PBL手册

图2  REP手册

3.4 测量

本研究采用实验设计来考察REP和PBL对学生学习表现的影响。在这项研究中，学生的学习表现从学习过程（即认知负荷、学习态度和学习参与度）和学习成果（即科学知识水平和工程设计技能）两方面进行评估。纸桥承重测试、纸桥评价标准和实验工作表被用于衡量学生的工程设计技能。所有学生均独立完成了前测和后测。

（1）认知负荷测量：研究表明，任务类型可能会影响认知发展。例如，复杂的任务包含大量相互作用的信息片段，导致较高的工作记忆负荷，这也被称为内在认知负荷。桥梁设计项目包括工程设计和施工等多项具有挑战性的流程。因此，评估学生完成纸质桥梁项目所需的认知负荷至关重要。研究采用了一个9分制的两道题量表来评估学生在完成该项目时的脑力付出和感知到的难度，其中1分代表“极低的付出/难度”，9分代表“极高的付出/难度”。

（2）学习态度调查：态度是反映学生学习状态的最重要指标之一。本研究采用经Bishop-Clark、Courte和Howard修改的五点李克特量表，以评估学生对该项目的信心、喜爱程度和重视程度。

（3）学习参与度调查：学习参与度指的是学生参与学习过程的程度。与学习态度调查类似，本研究采用了源自Fredricks等人的五点李克特量表。参与度主要体现在三个维度：行为投入、情感投入和认知投入。

（4）先验/后验知识测验：先验/后验知识测验旨在考查学生的科学知识水平。它包含来自六个维度的15个问题：桥梁基础知识、状态变化、重力、弯曲能力、工具使用和结构稳定性。例如，桥梁由哪三个部分组成？以下哪种结构不稳定？作者分别对学生的科学知识水平进行了前测和后测。

（5）纸桥承重测试：每组有四次测试其纸桥承重的机会。每次承重测试后，学生需将结果记录在承重测试表上，并对纸桥进行修改（见图2和图3中的第4部分）。承重测试的实际场景如图4所示。

图3实验设计概述

图4 纸桥承载力试验

（6）纸桥的评价标准：为全面评估学生的学习成果，作者从科学性、原创性、美观度、经济性和稳定性五个维度设计了纸桥的评价标准。

（7）实验工作表的评估标准。为了从过程角度评估学生的工程设计技能，作者通过预先设计的评估标准对已完成的工作表内容（见图1和图2）进行了量化，涉及四个维度：完整性、规范性、新颖性和一致性。

4 结果与讨论

4.1 在降低学生认知负荷方面，REP优于PBL

与先前的研究一致，我们的研究发现REP有助于减轻学生的认知负荷。因此，REP在桥梁设计课程中的益处得到了进一步验证。这一结果可以从两个方面来解释。

一方面，这可能在于支架，它在解决问题的过程中对于减轻学生的认知负荷至关重要。在我们的研究中，支架指的是现有的纸桥。具体来说，REP组的学生可以通过体验、分析、拆解、组装和重新设计现有的纸桥，尽早接触到完整的操作和功能流程。

另一方面，这可能与REP中倡导的协作学习有关。正如Okudan和Mohammed所认同的，开展解剖活动的设计团队在工作量分担和团队满意度方面表现更佳。因此，REP组学生的认知负荷低于PBL组。

4.2 PBL和REP在学生的学习态度和参与度方面没有显著差异

先前的研究表明，接受REP指导的学生表现出更好的态度。然而，在我们的研究中，PBL和REP两组学生在学习态度和参与度上没有统计学上的显著差异。这一结果可以从两个角度来解释。

首先，由于大多数学生之前没有接触过桥梁设计项目，因此设计和建造桥梁对他们来说是一件极具新鲜感的事情。此外，先前的研究表明，兴趣和新鲜感之间存在正相关关系。因此，这一结果并不令人惊讶，因为兴趣和态度之间也存在正相关关系。

其次，大多数学生只需付出适度的努力就能完成这项工作，这有助于他们在桥梁设计项目中保持积极的态度和信心。特别是，学生们会逐渐沉浸在从设计到施工的整个过程中。因此，研究性学习项目（REP）组和基于问题的学习（PBL）组的学生都能在学习过程中保持兴趣和参与度。

图5  REP与PBL两组学生所制作纸桥的承重结果对比

4.3 REP在提高学生科学知识水平方面优于PBL

随着工程学被纳入《下一代科学教育标准》，科学与工程之间在概念和方法上的联系得到了强调。我们的研究发现，REP组学生的科学知识水平显著高于PBL组。这可能是因为REP帮助学生在拆装过程中不断学习和应用相关概念。此外，REP还通过观察、体验、反思和提问来加强学生对概念的理解。

4.4 REP在提升学生工程设计技能方面优于PBL

与先前的研究一致，我们的研究发现，REP组学生的工程设计技能明显优于PBL组。同时，已有研究也表明，产品拆解为产品再设计提供了丰富的思路。在REP组中，学生可能更精准地分析设计需求，并自觉专注于微创新。然而，我们的研究发现，REP组的纸桥在科学性、美观度、经济性和稳定性方面与PBL组并无显著差异，甚至在原创性方面表现较差。通过课堂观察，REP组的学生更关注纸桥的承重能力。基于这一点，他们更倾向于分析现有作品的缺陷，以构建承重能力更高的新纸桥。特别是当学生在产品拆解过程中目睹了内部元件后，他们可能会局限于单一的解决方案。因此，REP组的学生只是在现有纸桥的基础上进行元件的增减，而非进行结构上的重塑。鉴于此，在REP实践中，应鼓励学生提出多样化的基于产品的解决方案。

5 结 论

鉴于以往的研究主要强调REP在高等教育中的应用，本研究将REP引入K-12 STEM教育，旨在积极培养学生未来学习和就业所需的必备技能。本研究以桥梁设计项目为例，采用准实验法考察REP的效果，并从认知负荷、学习态度、学习投入、科学知识水平和工程设计技能五个方面对学生的表现进行评估。

我们随机选取了两个班级进行为期两天的实验。实验班采用REP教学法，对照班采用PBL教学法。通过问卷和任务收集了相关信息。结果表明，与PBL相比，REP更有利于降低学生的认知负荷，提高他们的科学知识水平和工程设计技能。不过，REP和PBL在学生的学习态度和参与度方面效果相同。

值得注意的是，将快速原型制作（REP）引入教育领域，不仅仅是将快速原型制作过程从工业领域转移到教育领域那么简单。显然，作为面向产品的学习的一个组成部分，更应强调学生的创造力。因此，教师不仅要鼓励学生提出多样化的解决方案，还应为他们提供及时的支持。例如，在项目开发中可以使用某些快速原型制作工具（如3D打印、激光切割等）来加速结构转化。此外，在使用快速原型制作时，教师应带着同理心引导学生思考最初的设计意图，这有助于识别其缺陷并完成产品重新设计。

来源：https://mp.weixin.qq.com/s/3ASu6DBSOksghy2rIIswWg