如果让学生为自己的学校设计一套太阳能方案，他们会怎么做？Tang 等人 2026 年发表在《Journal of Science Education and Technology》的研究，把这个问题搬进了七年级科学课堂。学生在 CAD 平台上完成从“寻找太阳能最佳位置”到“为学校设计太阳能阵列”的完整工程设计。研究通过设计作品、操作日志和学习体验问卷发现：学生的设计行为可以分为三种模式，只有兼顾标准与约束的“为实践而设计”，才能同时做到高抵消率与短回本年限。这项研究为中小学开展真实情境下的工程教育，提供了一个可参考的课程样本。

研究背景

可再生能源是应对气候变化和资源枯竭的重要路径。年轻一代被期待成为气候行动的主体，但已有研究提醒：如果气候教育只强调危机和恐惧，青少年容易感到无力、悲伤，反而削弱行动意愿。真正有效的课程，应当让学生看到希望，并相信自己可以带来改变。

行动导向课程因此受到关注。它把学生放进有意义的真实活动，让他们亲历“我的行动可以带来改变”。工程设计则是实现这一目标的具体路径：学生要在真实任务中反复权衡“标准（criteria）”与“约束（constraints）”。标准是方案要达成的目标，约束是现实给出的限制——预算、场地、规范、维护条件。文献指出，赋权学生平衡二者很重要，但学生往往缺少指导和练习的机会。

研究设计

研究以Papert的建构主义（Constructionism，亦译“建造主义”）为框架。它强调：知识不是教师传递的，而是学生主动建构的；当学生动手制作对个人有意义的制品时，学习才真正发生。这样的制品是“用于思考的对象（objects-to-think-with）”，能让学生把想法外化，在行动中反思、在迭代中修正。同时，知识的建构发生在社会文化情境中，作品公开分享，才能引发真实的对话与反馈。表1 呈现了这些原则如何落到课程设计中。

表1 建构主义与“太阳能学校”设计的对应关系

①七年级学生如何在行动导向课程中平衡标准与约束？

②学生的工程设计过程与设计表现之间有什么关系？

③学生如何描述自己的课程体验？

研究对象是美国东北部一所公立中学的 38 名七年级学生（17 名女生、17 名男生，4 人未透露性别），来自 4 个班，由同一位教师授课。课程持续 5 天，每天 50 分钟。

课程使用的认知工具是 Aladdin——一个集成 CAD/CAE 的模拟平台。学生可以在其中探索、搭建三维模型、分析能耗、优化方案并评价设计。课程安排如下：第 1 天，认识太阳能与工具；第 2—3 天，完成两个简化任务——寻找太阳能板的“最佳位置”，以及建造一栋节能房屋；第 4—5 天，为学校设计太阳能阵列。

图1 左：为房子安装太阳能板寻找最佳位置以获得最大输出；右：建造房子并分析其能源使用情况

图2 太阳能学校项目的校园3D模型

最终任务的约束条件：太阳能板只能安装在屋顶和停车场等“已扰动空间”，不能占用绿地；投资回收期须少于 10 年；板与板之间要留出维护通道；要避开烟囱、通风口和空调设备；还要考虑预算和校园面积。

值得注意的是，研究只把“标准”以量规的形式明确给出，而把“约束”留白——学生必须自己发现它们。这一设计，正是为了观察学生如何对待真实世界中那些不会主动开口的限制。

研究收集三类数据：学生的最终设计作品；CAD 工具记录的操作日志（38 人中 37 人有效）；以及项目结束后的开放式学习体验问卷（37 份）。

分析上，两位研究者先独立审阅作品、标注学生是否处理了标准与约束，再结合操作日志还原设计轨迹，达成一致后分组；设计表现用方差分析（ANOVA）比较；问卷则采用两轮编码的归纳分析。

研究发现

根据学生如何处理标准与约束，研究者把学生分成三组（有效样本 37 人）。

第一组是“为性能而设计”（19 人）。他们紧盯发电量这一项指标，忽视回本年限，也忽视现实约束。Bryan 是典型：他先观察房屋朝向，再把太阳能板铺满朝南屋顶，随后更换高转换效率的板型，最后干脆在校园边界外新建“太阳能农场”。他的方案抵消了 71.53% 的用电量，但回本需要 24.93 年——而且越界安装的板，实际上并不合规。

第二组是“为实践而设计”（9 人）。他们在观察、构思、修改、分析之间反复往返：避开烟囱和通风口，给维护人员留出通道，频繁查看成本明细。Jennifer 的方案只抵消 39.64%，但回本只需 5.46 年。

第三组是“为无关目标而设计”（9 人）。他们更在意方案是否好玩、好看、对自己有意义。Carter 把太阳能板选成灰色，在主楼上排成椭圆形。方案抵消 34.67%，回本 35.05 年。

表 2 各组的示例学生

结果有些反直觉：“为性能而设计”组的平均能量抵消率只有 29.66%，是三组中最低的；“为实践而设计”组达到 48.44%，显著高于前两者（p<.001；p=.04）。原因在于，装在校园边界外的板不计入统计——越是想“堆发电量”，越容易忽略规则，反而失去分数。

回本年限上，三组整体差异未达显著（p=.084），但“为实践而设计”组平均 6.67 年，显著短于“为性能而设计”组的 18.35 年（p=.030）。既能发电、又算得过账的，正是那些愿意在约束中反复迭代的学生。

表3 各组在设计标准上的表现描述统计

问卷分析得到三个主题。

第一，动手、有趣。学生说这是“科学课上做过的最有趣的事情之一”，把这种边做边学的方式称为“双赢”。

第二，与真实世界相连。有学生说，“我从没见过的角度看到了自己的学校”；也有人认为，这样学到的是“真正能用的知识”，比“单纯阅读或听讲”更有效。

第三，挑战与“看不见的约束”。学生会卡在某个活动里，影响后续进度；更关键的是，当课程不直接说明约束时，不少学生难以意识到约束的存在，也不理解它为什么重要。

研究结论

这项研究证实：工程设计、真实情境与认知工具的结合，能让学生把科学知识转化为行动。学生在权衡标准与约束的过程中，逐渐获得对设计的主导权。

但“平衡”不会自动发生。约束需要被呈现，识别约束也需要教学支架。研究者建议：教师应明确提示约束，帮助学生在更完整的因素网络中做决策，而不是只盯着一个漂亮的指标。

为什么“为实践而设计”效果最好？

1. 看得见的指标更容易被追逐。能量抵消率由工具直接给出，回本年限却要代入公式计算。学生自然倾向于追逐即时反馈的那个数字。

2. 约束是隐形的。本研究故意不直接告诉学生约束。能主动发现约束的人，才可能做出真正可行的方案。

3. 迭代产生权衡。“为实践”组频繁在观察、构思、修改、分析之间往返，每一次分析都在修正下一步，而不是一次性堆完。

4. 真实情境提供意义。为自己的学校设计，让“美观”“好玩”与“可行”有了共同的参照系，学生也更愿意为结果负责。

教育启示

1. 把项目放进真实情境，让学生用自己的知识解决“自己的”问题。

2. 标准与约束要同时摆上桌面，不能只给评分量规。

3. 约束识别不是与生俱来的能力，需要提示语和脚手架。

4. 鼓励迭代：观察—构思—修改—分析，而不是一次成型。

5. 让作品公开分享，让学生在阐述与反馈中完善方案。

职前教师培养应训练师范生设计“真实情境＋工程设计＋认知工具”的课程，并学会在学生卡住时提供恰到好处的支架，而不是替学生完成设计。

结语

气候教育的出路，不是让学生更害怕，而是让学生更能干。当学生亲手为学校算出“装多少块板、几年回本”，可再生能源才从课本概念，变成可判断、可行动的知识。

这篇文章的价值，在于它把 STEM 教育从“做一个小制作”，提升到“在真实约束中做负责任的决策”。