工程思維教給你統(tǒng)籌的智慧

1、工程思維教給你統(tǒng)籌的智慧（本文改編自2016 教育年會(huì)發(fā)言）什么是工程思維呢？工程思維就是在工程的設(shè)計(jì)和研究中形成的思維, 它是一種籌劃性的思維,是運(yùn)用各種知識(shí)解決工程實(shí)踐問(wèn)題的核心 . 目前，學(xué)校的教學(xué)方式多以認(rèn)知型思維為主，那么，如何將工程思維引入我的課堂教學(xué)中呢？我在十一任教機(jī)械技術(shù)，電子工程高端課，ap 電路基礎(chǔ)課程這三門(mén)課程。這些課程有一個(gè)共同的特點(diǎn)：區(qū)別于基礎(chǔ)理論學(xué)科，屬于工程應(yīng)用學(xué)科，針對(duì)這一類(lèi)具有應(yīng)用背景的課程，非常重要的一點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，讓學(xué)生學(xué)會(huì)采用統(tǒng)籌的方法分析問(wèn)題。去年年底，在紅窗匯活動(dòng)中，白玉明與施宏建（以下簡(jiǎn)稱(chēng)小白和小施）兩位同學(xué)展示了一件他們的作品智能家居

2、控制系統(tǒng)，獲得了不少青睞。以項(xiàng)目教學(xué)為實(shí)踐方式的電子工程高端課，去年，設(shè)置的項(xiàng)目主題是智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ，當(dāng)我們討論一個(gè)東西是否智能時(shí)，我們指它能否同人一樣，能通過(guò)五官去夠感受外界的狀態(tài)，進(jìn)而用大腦作為控制核心做出判斷，并有計(jì)劃地去實(shí)現(xiàn)。那么，對(duì)于這樣一個(gè)智能控制系統(tǒng)的主題，他們?yōu)槭裁磿?huì)提出要做一個(gè)智能家居系統(tǒng)這一個(gè)對(duì)于未來(lái)房屋的構(gòu)想并實(shí)現(xiàn)的主題呢。當(dāng)接到這個(gè)任務(wù)時(shí)，這兩孩子就討論開(kāi)了：說(shuō)到智能控制，我之前參加比賽做的機(jī)器人不也就是一個(gè)典型的智能控制系統(tǒng)么？巡線機(jī)器人能夠“看”到一條直線，并且沿著直線前行。對(duì)了，學(xué)校的門(mén)禁也一樣，能夠識(shí)別校園卡是否有權(quán)限刷開(kāi)各個(gè)教室的門(mén)。這么說(shuō)來(lái)，那我

3、家用的那智能電飯鍋貌似也是一個(gè)智能控制系統(tǒng)！才第一次接觸到這個(gè)主題，我驚嘆于他們對(duì)于這個(gè)新概念的把握如此之快。但課程的目的是要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)類(lèi)似的系統(tǒng)，于是，我設(shè)置了一些問(wèn)題跟他們討論并進(jìn)行引導(dǎo)：1. 依據(jù)科技發(fā)展趨勢(shì)，或者自己的愛(ài)好，你們希望實(shí)現(xiàn)一個(gè)怎樣的智能控制系統(tǒng)。 2. 這個(gè)系統(tǒng)可以應(yīng)用在哪個(gè)方面經(jīng)過(guò)一段深入而漫長(zhǎng)的探討之后，他們拿出了自己的想法：原始的房子要靠門(mén)栓來(lái)鎖門(mén)， 而現(xiàn)在許多教室、 酒店早已采用了門(mén)禁系統(tǒng)，智能程度大大提高。而各大科幻大片的主人公一定有一個(gè)炫目先進(jìn)高級(jí)智能的家。要不，我們就從衣食住行的“住”開(kāi)始吧，設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居系統(tǒng)，讓越來(lái)越忙碌的生活中有更加便利而智能

4、的居住環(huán)境?！岸?，不錯(cuò)，確實(shí)是一個(gè)好的想法”我給他們做了點(diǎn)評(píng)，“而且現(xiàn)在智能樓宇，智慧城市的概念也越來(lái)越熱，這個(gè)想法非常貼近現(xiàn)實(shí)。在我的高端課堂中，應(yīng)用工程思維進(jìn)行教學(xué)，首要的一點(diǎn)就是引導(dǎo)學(xué)生提出有價(jià)值的問(wèn)題。那么要完成這樣一個(gè)智能家居，它具體要實(shí)現(xiàn)怎樣的功能呢？”我再一次給他們提出問(wèn)題。這問(wèn)題一出，各種腦洞大開(kāi)，各種奇思妙想層出不窮。小施同學(xué)說(shuō)：我最近好像長(zhǎng)個(gè)長(zhǎng)得比較快，我要加個(gè)進(jìn)門(mén)測(cè)身高的功能，每次進(jìn)門(mén)都能看到身高顯示。這冬天到了，我要看看室內(nèi)暖氣夠不夠熱，空氣是否干燥可以添加一個(gè)檢測(cè)室內(nèi)溫度和空氣濕度的功能吧！我希望未來(lái)的家里有個(gè)后花園，這自動(dòng)澆花的事情就交給這個(gè)智能系統(tǒng)去完成吧！我出門(mén)

5、老忘帶鑰匙，來(lái)個(gè)人臉識(shí)別系統(tǒng)，以后進(jìn)門(mén)不找鑰匙直接刷臉！小白還是個(gè)環(huán)保主義者，他說(shuō)我們可以加一個(gè)功能，檢測(cè)室內(nèi)光線強(qiáng)度，太暗了自動(dòng)開(kāi)燈，光線足夠就把燈關(guān)上！既智能還環(huán)保這樣看來(lái)這以后開(kāi)關(guān)門(mén)啊，洗衣做飯這類(lèi)事情就都能交給我們的智能家居了.學(xué)生們確實(shí)思維敏捷，能夠快速且靈活將所學(xué)的理念應(yīng)用到實(shí)際生活中。但是，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，我也必須“看住”他們的腦洞，不能太過(guò)于發(fā)散?！皁k，好了，看來(lái)大家確實(shí)深刻理解一個(gè)智能控制系統(tǒng)了，它可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的功能。然而，當(dāng)我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候我們還必須考慮到一些其他問(wèn)題，比如說(shuō)，我們是否有足夠的時(shí)間去完成這個(gè)項(xiàng)目、項(xiàng)目成本多大，是否有足夠的資金支持、實(shí)現(xiàn)項(xiàng)

6、目的技術(shù)難度是否能達(dá)到等等，鑒于這些情況，大家對(duì)自己的設(shè)計(jì)功能做一個(gè)適當(dāng)?shù)娜∩帷彼缘诙揭虝?huì)學(xué)生在進(jìn)行需求分析時(shí)學(xué)會(huì)取舍，在協(xié)助他們對(duì)每一項(xiàng)功能進(jìn)行可行性分析和論證之后，他們確定了最終的項(xiàng)目的需求：身份識(shí)別狀態(tài)監(jiān)測(cè)燈光控制液晶顯示自動(dòng)澆花開(kāi)門(mén)和窗簾的開(kāi)關(guān)那就讓電機(jī)來(lái)完成吧時(shí)間顯示經(jīng)過(guò)這一步步的梳理，學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目已有了宏觀的認(rèn)識(shí)，而對(duì)于項(xiàng)目的具體功能也有了整體的把握，那么下一步就要從技術(shù)的層面開(kāi)始設(shè)計(jì)并且實(shí)施整個(gè)項(xiàng)目。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)雖然他兩已經(jīng)完成了一個(gè)較好的方案設(shè)計(jì)，然而畢竟工程經(jīng)驗(yàn)還有所欠缺，這些方面需要我?guī)ьI(lǐng)他們進(jìn)行分析：首先，智能家居系統(tǒng)作為一個(gè)智能控制系統(tǒng)一定需要一個(gè)控制核心，而

7、這個(gè)大腦“大腦”指的就是主控器；第二，通過(guò)門(mén)禁系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別，這樣我們需要一個(gè)帶報(bào)警裝置的門(mén)禁系統(tǒng)第三，我們有狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能，即需要一個(gè)類(lèi)似人類(lèi)五官的感知器件，這些器件就是個(gè)種傳感裝置：如空氣溫度濕度傳感器、土壤濕度傳感器、 光敏電阻、超聲波傳感器等第四，我們要實(shí)現(xiàn)燈光控制，這就用兩個(gè)發(fā)光二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)吧；第五：需要一個(gè)交互系統(tǒng)來(lái)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)以及系統(tǒng)時(shí)間，因此還需要添加一塊液晶屏和數(shù)碼管；第六：自動(dòng)澆花，得來(lái)一個(gè)能抽水澆花的水泵了第七：門(mén)禁系統(tǒng)能自動(dòng)開(kāi)門(mén)，再設(shè)計(jì)一個(gè)電動(dòng)的窗簾，這里需要兩個(gè)電機(jī)了如此一來(lái)，項(xiàng)目的需求已經(jīng)變得十分明確。而學(xué)生給的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖也再一次讓我眼前一亮，從這個(gè)系統(tǒng)設(shè)

8、計(jì)圖中我能看出，他們不僅對(duì)項(xiàng)目從宏觀上準(zhǔn)確把握，具體的需求和細(xì)節(jié)也理解的十分透徹。不過(guò)這么一仔細(xì)研究這系統(tǒng)圖，他們需要研究和學(xué)習(xí)的東西還真不少：例如系統(tǒng)的硬件部分如何選擇？軟件部分，程序思路怎么設(shè)計(jì)，還有作為模擬的房屋的結(jié)構(gòu)怎么完成。因此，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能這個(gè)環(huán)節(jié)是最多反復(fù)、耗時(shí)最長(zhǎng)、也是學(xué)生收獲最多的環(huán)節(jié)。不過(guò)既然目標(biāo)、思路已經(jīng)明確，這個(gè)過(guò)程我一般以學(xué)生自學(xué) + 上網(wǎng)尋找解決方案的方式為主，教師協(xié)助的方式為輔。 并且鼓勵(lì)學(xué)生有針對(duì)性地搜集資料、學(xué)習(xí)技能、將遇到的問(wèn)題各個(gè)擊破。當(dāng)然，在電路搭建、程序調(diào)試過(guò)程中，他們還碰到過(guò)不少令人抓耳撓腮的問(wèn)題。也正是這個(gè)過(guò)程，鍛煉了學(xué)生對(duì)科研的專(zhuān)注精神和

9、一股不服輸?shù)捻g勁。在項(xiàng)目的最后，我要求學(xué)生必須通過(guò)論文的方式對(duì)整個(gè)過(guò)程和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和反思。也是加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，鞏固成果的十分重要的一環(huán)。根據(jù)這個(gè)實(shí)例能看出，電子工程高端課程是一門(mén)應(yīng)用性非常強(qiáng)的課程，與以知識(shí)性為主導(dǎo)的基礎(chǔ)類(lèi)課程不同。對(duì)這一類(lèi)課程的教學(xué)，非常重要的一點(diǎn)，是培養(yǎng)能夠讓學(xué)生站在一個(gè)全局的角度，根據(jù)已有的規(guī)律和條件去統(tǒng)籌和規(guī)劃整個(gè)項(xiàng)目的思維方式，這種方式就是我們所提到的工程思維?；仡欀暗陌咐?，整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施大概分為這幾個(gè)階段：一、提出問(wèn)題：為何完成這樣一件事情，目的是什么，應(yīng)用領(lǐng)域二、進(jìn)行需求分析項(xiàng)目要完成哪些功能，這些功能是否可以實(shí)現(xiàn)，怎么實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。三、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)進(jìn)一步的的梳理，讓學(xué)生掌握項(xiàng)目的框架，讓從全局角度對(duì)于自己的項(xiàng)目進(jìn)行掌控。 四、系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)之后，將方案細(xì)節(jié)一步步敲定，給出明確實(shí)現(xiàn)方法并付諸實(shí)施。這也是耗時(shí)最長(zhǎng)收獲最多的環(huán)節(jié)。 五、在實(shí)踐的過(guò)程中優(yōu)化先前的設(shè)計(jì)工程實(shí)踐是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，在實(shí)施過(guò)程中可能哪些地方不經(jīng)濟(jì)、哪些功能需要重新設(shè)計(jì)。如果不能直接實(shí)現(xiàn)，如何曲線救國(guó)？六、總結(jié)，提升以