一、问题提出 习近平总书记强调，要“进一步加强科学教育、工程教育，加强拔尖创新人才自主培养，为解决我国关键核心技术攻关提供人才支撑”。[1]加强工程教育从来不只是高等教育的专利，基础教育同样肩负着培养具有工程师潜质人才的重任。开展中小学工程教育不仅是积极回应国家创新驱动发展战略、拔尖创新人才培养的关键路径，也旨在提升中小学生工程素养，为国家培养具有潜质的未来工程师筑基。发展以工程设计为核心的工程素养是国际中小学工程教育的着力点。美国《K-12科学教育框架》（A Framework for K-12 Science Education）将工程界定为“解决人类特定问题而开展的系统性设计实践”。[2]我国《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指出，工程活动的本质是“创造人工实体”“设计与物化是其中的重要环节”。[3]可见，工程设计是学生学习工程的主要实践方式，也是学生从事STEM领域工作的必备素养。而小学正是培养和发展学生工程意识、思维与能力的起始阶段。描述小学生工程设计过程的表现特征并进行有效评价是形塑和提升小学生工程素养的重要路径。研究者对工程专家、大学生、高中生等群体的工程设计过程进行了研究[4]，然而对于义务教育阶段学生的工程设计过程鲜有关注。事实上，研究低年段学生的工程设计过程对于学生工程素养的贯通培养具有重要的价值。此外，不同能力水平学生工程设计过程的表现特征依旧是一个尚未完全打开的黑箱。如何发现并凝练小学生工程设计过程的表现特征是本研究需要解决的核心问题。本研究以“我是一名小电工：请给自己的新房间设计照明电路”这一工程项目作为评价任务，探索不同能力水平的小学生在解决工程问题过程中所呈现的共性和个性，为揭示小学生工程设计学习行为表现提供证据支持，为发展学生工程设计能力提供策略方向。为此，主要包括以下两个研究问题：①不同能力水平小学生工程设计过程的整体表现特征如何？②不同能力水平小学生工程设计过程的具体要素存在哪些相同和不同之处？ 二、研究方法 （一）研究对象 本研究采用目的取样的方式，选取来自我国东部某市一所小学6位不同能力水平的四年级学生参加研究。学生的选取主要由学校科学教师基于他们平时的科学学业表现、动手实践能力等综合考虑而定。其中，男生3人，女生3人；高、中、低能力水平组各2人。本研究分别将6位学生编码为HB、HG、MB、MG、LB、LG。其中，编码H、M、L分别代表高能力水平、中等能力水平和低能力水平；编码B、G代表男生和女生。例如，HB代表高能力水平男生。本研究之所以选择小学四年级学生，是因为该年龄阶段学生思维进入快速发展阶段，表达能力、书写能力和动手能力都有明显提升，同时该校四年级学生并未系统接触过工程设计相关内容。因此，他们适合作为本研究的研究对象。 （二）测试材料 本研究以“我是一名小电工：请给自己的新房间设计照明电路”作为工程评价任务。该任务主题是基于教科版小学四年级科学教材中“模拟安装照明电路”的内容改编而成，旨在让学生作为一名电路工程师，给自己的“新房间”设计和安装照明电路，要求至少设计并安装2盏电灯，如照明灯和阅读灯，每盏灯之间相互独立、互不干扰。在任务开展之前，研究者将工程评价任务单提供给每位参与研究的学生。同时，研究者提供相关材料给学生，并要求学生提前根据自己的理解带上适合制作房间模型的鞋盒。每位学生的测试材料包括：任务单1张、鞋盒1个、彩纸若干、剪刀1把、双面胶1个、固体胶1个、尺子1把、电池盒2个、干电池2节、灯泡4个、开关5个和导线若干。 （三）研究过程 首先，研究者向每位学生介绍研究主题并说明所需完成的任务内容，并通过呈现一段“出声思维”视频，引导学生在开展工程任务过程中表达个人的思考或疑惑。其次，每位学生在完成任务的过程中，都有一名研究助手对其进行“出声思维”的访谈，引导其表达在设计和安装电路过程中的疑惑与思考。整个过程中，研究者通过录像记录每位学生的工程设计行为与出声表达。每位学生完成工程评价任务的持续时间都为1小时左右。 （四）数据分析 本研究所收集的数据包括6个记录学生开展工程项目的视频、6份“出声思维”音频文件转录成的文本和6份工程评价任务单。基于克罗斯对于工程设计的理解，以及已有研究者对工程设计过程的界定，本研究形成工程设计过程框架，包括“分析工程问题”“制定工程方案”“实现工程方案”“反思工程方案”四个环节。在工程设计过程框架的引领下，本研究对视频、访谈、文本等数据进行定性分析，尽量全面地反映不同能力水平学生的工程设计过程。 三、研究结果 （一）不同能力水平学生工程设计过程的整体表现特征 本研究发现不同能力水平学生都基于工程评价任务单开展了工程设计过程，但呈现出不同的表现特征。低能力水平学生的工程设计过程呈现经验导向的表现特征，过于依赖已有经验进行工程问题的解决，没有考虑工程任务中的限制条件，并未真正满足工程任务需求，此类学生的方案反思注重对工程产品外观的反思。中等能力水平学生的工程设计过程呈现行为导向的表现特征，通过先操作再完善的方式进行设计，且较为关注工程产品外观，其工程设计并没有全部解决工程任务中的实际限制条件，而是自行降低了工程难度，部分实现了工程需求，此类学生的方案反思注重能否尽快完成工程任务。高能力水平学生的工程设计过程呈现需求导向表现特征，明确工程任务中的限制条件，制定完整方案，并在行动过程中调整、完善和优化工程设计，此类学生的方案反思注重工程的核心需求是否得到真正满足。
