相比科学思维，工程思维对学生的逻辑思维、全局考虑问题的能力以及动手能力的要求更高。在国外，面向中学生，以工程项目为内容的竞赛很多，这种训练让很多美国中学生年纪轻轻就成为“创客”。而中国的理工科学生，往往建立了良好的知识体系，也受过一定科学训练，谈起公式和计算头头是道，但涉及具体设计方案时就无从下手。在清华大学副教授顾学雍看来，这是工程思维缺失所致，是中国学生一个“致命”的劣势。
如何锻炼工程思维？在Botball国际机器人大赛中国区决赛落幕之后，记者特别采访了获胜团队的核心成员，看看这些中学生是如何在“实战”中练好自己的工程思维。
理工类的课外活动很容易成为家长们忽视的项目。我们可以很方便地找到人文类的课外活动，来培养学生的批判性思维、团队意识、多元文化沟通能力等，但却较难找到适合的工程类项目。
虽说中国学生与国外同龄学生相比，在数学、物理等学科上的优势不容否认，而这一切得益于我们扎实的基础教育。但同时，我们的学生有一个“致命”的劣势：工程思维的缺失。——他们中有些已经建立起良好的知识体系，也受过一定的科学训练，谈起抽象的公式和计算头头是道，然而涉及到设计具体方案时就会一头雾水。
顾学雍是清华大学的副教授，也是联合国教科文基金会（UNESCO）工程教育改革教席教授的特聘顾问。作为麻省理工学院工程系统博士的他，观摩和指导了不少工程类比赛。他举了一个中国学生参加比赛的例子。
“在某次机器人比赛中，有个队伍试图让自己的机器人采集本方半场的样本后，再绕到对方半场采集对方的样本，最后绕场一周回到得分区取得所有分数。从方案的设计到实现，他们从来都没有考虑对方机器人对本方行动的影响。他们从未设想过这个方案在真实环境中的影响。我们国家的基础教育中对于学生解决问题能力、动手能力以及工程思维的培养之缺失，是早已被教育工作者们认识到的事实。”
工程思维的缺失，会让学生在日后职业生涯中容易产生对问题无意识的忽略、考虑不全的情况。但更严重的是，这类个体现象若是演变成普遍现象，各类社会问题就会随之产生，——大量的石油开采、煤炭挖掘造成能源资源严重短缺；城市化建设使得环境遭到破坏、文化底蕴日渐衰退；大量企业工厂所排放的废水、废渣和废气，导致人们生活环境质量下降，疾病发病率有所上升等等；甚至豆腐渣工程，如重庆彩虹桥倒塌事件、九江大桥垮塌事件等等，都有工程思维缺失的“助推”。
那么，工程思维是什么？
“工程思维和科学思维不同，它要求我们以科学为基础在某一项具体的工程活动中，创造出自然界中从来没有过而且永远也不可能自发出现的新的存在物，”简单地说，就是以科学为基础，以工程活动的形式，创造出自己的“产品”。
谈到工程活动，顾教授立刻变得滔滔不绝起来，“工程活动是和时间、空间、资源等诸多客观条件紧密联系在一起的，它的求解具有非唯一性。因此，方案的健壮性、容错性，往往是一个工程项目中最重要的指标。”与国外教育注重各类工程项目，并常有具体实践活动相比，中国学生往往由于条件、环境等诸因，缺乏在具体工程方案设计上的能力。
如何弥补工程思维缺失的情况？如何培养学生在具体工程方案设计上的能力？
工程思维的创新来源于工程理论和实践知识“量”的积累。工程知识犹如建造房屋的材料，材料不一样最终盖成的房屋也不一样，——可是没有这些材料，一间很普通的房子都不能盖成。
目前的中国学生，已经充分准备好前期理论的“材料”，但却在实践方面缺少锻炼。只有不断在实践中进行经验总结，积累新的知识，才可能对工程的各个环节得心应手，了如指掌。
自主学习、项目设计和比赛交流，在这样具体的项目中逐步建立工程思维能力是一个不错的选择。这一点，美国做得很出色。
上世纪末，以麻省理工（MIT）为代表发起了“回归工程运动”，实践训练在工程教育中的作用得到充分强调，旨在培养学生创新能力、特别是工程设计能力的“以问题为中心”，融合“理论教学”和“研究型教学”的实践性课程得到开发。
毕业于MIT的顾教授非常了解实践对于培育工程思维的重要性，他除了在大学上课之外，也是青少年国际竞赛与交流中心的科学顾问。在和参家各类工程项目的学生长时间接触之后，他慢慢发现，很多学生在近一个多赛季渗透后，已经意识到了工程思维的重要性。
“他们已经学会用有序的讨论，进行方案创新，用工程管理方法统筹安排时间和资源，用拆分子任务的方法逐步实现方案，并进行充分测试保证方案的可靠性。”可以说，具体工程项目的实践，对培养学生工程思维的培养有一定的助益。
从机器人比赛中学会工程设计方案
前段时间，Botball国际机器人大赛中国区域赛落下帷幕，参赛的优秀学生将会获得代表中国于七月底参加美国总决赛的机会。
在美国的总决赛中，不仅会有美国本土的优秀学生，还会有来自奥地利、埃及、印度、日本、科威特、波兰、卡塔尔、阿联酋、津巴布韦、墨西哥等十多个国家的优秀选手。
来自大连理工大学附属中学的史根豪所在的团队，此次中国选拔赛中脱颖而出，将于7月前往美国参加总决赛。
史根豪从小钟情于机器人项目，第一次接触工程类竞赛项目到现在已有四年。他第一次参赛是初一，那时参加的是FLL机器人世锦赛，虽说并没有获得什么令人艳羡的好成绩，但参加这类工程类竞赛的兴趣种子早已埋下。
今年，得知了大连市普通高中创新实践学校有机器人培训的项目，他便毫不犹豫加入其中。这个学校非常特殊，没有文化课，每周更换一个学校作为实践地点。用史更豪的话说，“是一个类似科技馆的地方，学校经常会组织大连各高中同学来体验科技项目。”
在这里，史根豪得以参加VEX及Botball机器人项目，在VEX比赛获得辽宁省一等奖。今年才高一的他告诉记者，正计划前往美国就读高中，虽说还没有到具体择校的阶段，但相信工程方面的优势，对将来的学习有一定的助益。
每年年初，Botall国际机器人大赛组委会发布当年的竞赛题目，今年是机器人辅助康复任务，即设计一个全自动机器人以帮助机器人“Botguy”重新恢复行动能力。
提到比赛的具体内容，史根豪兴奋地解释起来：“比赛的规则有些复杂，我们需要设计机器人完成一系列的训练任务：如运动功能极限恢复、抬举和摆放功能恢复、抓取及搬运能力恢复、精细运动能力恢复，裁判会对选手设计的机器人作出评估，——其实就是在不同的训练项目上有不同的得分点。”
他告诉记者，机器人项目与他平时接触的其他项目有很大的不同，不仅对基本的工程知识有一定的要求，还需要打破固有的思维，并具备一定的团队协作力。
就拿此次Botball大赛来说，其任务的多样性使得史根豪团队在机器人搭建方面花了不少脑筋。由于比赛需要每个团队准备两个机器人比赛，所以在搭建时不仅需要考虑到其结构的问题，还需要两个机器人的完美配合。
整个项目最具魅力之处当属方案设定的环节了。作为一项典型的以机器人为平台的工程挑战活动，学生们可以天马行空地设计自己的解决方案，但在有限资源、有限时间的前提下，保证方案的优异和稳定是比赛的主要难点。
每一队若想取得好成绩，就不能只设定一个方案；另外，一定要在对赛制有深刻理解的基础上设定方案，举例来说：种子赛第一可能在对抗赛时遇到种子赛最后一名，但这不能保证100%获胜，说不定垫底队伍的干扰方案就是根据第一的队伍来设计的。所以这个比赛一切皆有可能，想到各种各样的方案并加以实践才能够成功！
在设计、否决、再设计方案这样的过程中，对学生逻辑性思考及思维缜密性上，都是不小的提升。练习用c语言编程也是比赛中不可缺少的一部分，这是史根豪在一般中学中是学习不到的。
团队协作必不可少。这个“最佳团队”共有7人，3人来自山西，其他来自大连。原本互不相识的中学生因为机器人比赛组成了“联队”，在讨论问题、设计方案等各个环节中不断磨合，并且逐渐形成不同的分工。史根豪在团队中担任搭建及公关的任务。“这样的活动，能锻炼我与其他的参赛队伍、组委会及同组的队友的交流能力”，他说，“对所有参赛队员来说，这样的国际性比赛也是了解其他地区同龄人的一种途径。”
顾学雍教授也观摩了此次中国赛区决赛，“这是一项具有挑战性的工程对抗赛，给我留下深刻印象的是那些参加比赛的选手们，”他说，“这些孩子在赛场内外所表现出来的积极心态、乐观精神、团队协作能力和解决问题的能力，都非常令人惊叹。”
除了锻炼团队协作能力、问题解决能力及积极的心态这样一般课外活动都能锻炼的能力之外，工程类竞赛对于学生看待世界的思维方式转变也是非常重要的。
顾教授说，比赛中的这些孩子与他平时了解的中小学生，有明显的差别，——他们显示出更积极主动的学习态度和更为成熟的解决问题的思考方式。
☞ 扩展阅读
工程类国际竞赛盘点
1.Botball国际机器人大赛
BotBall 国际机器人竞赛是一项起源于美国麻省理工大学的教育机器人活动，最初是作为MIT本科学生的课程及竞赛活动出现，受到学生的普遍认同和欢迎。自1997年起，该竞赛被推广到初高中教育阶段，成为一项以中学生为参赛主体的国际机器人竞赛。经过 16 年的发展，此项竞赛已成为美国乃至国际上具有非凡影响力的青少年机器人活动。
中国赛区组委会网址：
http://botball.itccc.org.cn/
官方网站：http://www.botball.org/
2.FLL机器人世锦赛
FLL机器人世锦赛于1998年由美国非盈利组织FIRST发起。目前参加该比赛的有10多个国家（英国、法国、德国、北欧5国家、新加坡、韩国、中国）及美国的46个州，是世界上影响最大的一项机器人比赛。该比赛每年围绕一个活动主题组织。竞赛内容包括主题研究和机器人挑战2个项目，参赛队可以有8～10周的时间准备比赛。
每年的比赛项目都会改变，2011年为“食品安全”、2012年的是“爱晚行动”、2013年是“自然之怒”。FLL每支参赛队伍由10名队员组成，队员们需要以团队形式，完成场地竞赛、技术答辩、论文撰写和答辩。
FLL赛事网：
http://www.firstlegoleague.org.cn/FLL/
3.VEX机器人大赛
VEX机器人大赛又称VEX机器人世界锦标赛（VEXRobotics Competition），由机器人教育及竞赛基金会（Robotics Education and Competition Foundation）组织，卡耐基梅隆大学（CMU）、未来基金会（TheFUTURE Foundation）、美国著名的Autodesk公司、创首Innovation First、Intelitek公司等协办，是一项旨在通过推广教育型机器人，拓展中学生和大学生对科学、技术、工程和数学领域兴趣，提高并促进青少年的团队合作精神、领导才能和解决问题的能力的世界级大赛。
VEX机器人比赛分成初中、高中和大学三个级别。要求参加比赛的代表队自行设计、制作机器人并进行编程。参赛的机器人既能自动程序控制，又能通过遥控器控制，并可以在特定的竞赛场地上，按照一定的规则要求进行的比赛活动。
大赛官网：http://www.vexrobotics.com/
4.First Tech Challenge科技挑战赛（简称FTC）
FTC是由美国FIRST非盈利性机构举办的针对14-18岁高中生的国际性机器人比赛，自2012年同济大学引入中国来，现已（在中国）举办三届，致力于推动制造业所需人才的发展。
这项赛事采用基于现实世界所需技巧拓展的方式，鼓励开放式的问题解决思路、创新能力和严谨的思考能力，而这些能力正是中国制造业实现从“中国制造”向“中国创造”的变革过程中人才培养的重点。
FTC大赛官网：
http://www.usfirst.org/roboticsprograms/ftc/
5.国际太空城市设计大赛(ISSDC)
国际太空城市设计竞赛(ISSDC)始于斯坦福大学的夏季项目，最早由美国一群对航空航天领域有兴趣的教育工作者发起。
1994年，正式举办第一届国际空间站设计大赛，迄今已有30多年历史。从2001年开始，美国波音公司及美国太空总署成为该国际赛事的赞助方。ISSDC发展到今天已经成为此领域最具影响力的顶级高中生国际赛事。每年美国、欧洲都有大量的学生组队参加。此外，每年都有在全球总决赛中脱颖而出的优秀学生被普林斯顿大学、斯坦福大学、麻省理工学院、加州理工学院等名校录取。
“太空城市设计大赛“听起来好像是个宇航和建筑方面的专业比赛。其实，在这个比赛中，参赛的选手组成一家虚拟公司，在公司中应聘各种职位，然后这家公司将接受由比赛主办机构发出的太空城市建造“标书”，选手们必须要在规定时间内，充分考虑工程设计、科学性、材料、造价、美观以及伦理等各种问题的基础上，来完成标书文档的撰写，还要通过现场对设计的讲解，综合性价比最好的设计才有可能胜出。
ISSDC中国赛区官网：
http://space.itccc.org.cn/
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