STEM教育中的工程思維培養(yǎng)①

(江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究室，江蘇 南京 210013)

STEM從字面理解有四個(gè)關(guān)鍵詞：科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Maths)。在我國(guó)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域內(nèi)，科學(xué)與數(shù)學(xué)長(zhǎng)期受到廣泛關(guān)注，技術(shù)近年來(lái)也日益受到重視，但對(duì)工程一詞則相對(duì)陌生。隨著小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中將“技術(shù)與工程領(lǐng)域”作為課程內(nèi)容之一、高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中將工程思維定為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，大家對(duì)于“工程”和“工程思維”開(kāi)始有所耳聞，但工程及工程思維仍未在我國(guó)基礎(chǔ)教育階段受到應(yīng)有的重視,這對(duì)STEM教育理念的體現(xiàn)、實(shí)踐的開(kāi)展及實(shí)施的效果影響極大。

1 工程思維對(duì)于STEM教育的意義

根據(jù)李伯聰提出的科學(xué)—技術(shù)—工程三元論，人類的社會(huì)活動(dòng)方式包括科學(xué)活動(dòng)、技術(shù)活動(dòng)和工程活動(dòng)三類，[1]它們有各自的特殊本性與本質(zhì)?！翱茖W(xué)活動(dòng)的本質(zhì)特征是反映客觀存在，技術(shù)活動(dòng)的本質(zhì)特征是探尋變革存在的具體方法，而工程活動(dòng)的本質(zhì)特征是創(chuàng)造存在和超越存在?！盵2]

與三種活動(dòng)相對(duì)應(yīng)，科學(xué)思維、技術(shù)思維與工程思維是三種相互聯(lián)系、相互區(qū)別又相互滲透的思維。在普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)工程思維的定義是：“工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維。學(xué)生能認(rèn)識(shí)系統(tǒng)與工程的多樣性和復(fù)雜性；運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法，針對(duì)某一具體技術(shù)領(lǐng)域的問(wèn)題進(jìn)行要素分析、整體規(guī)劃，并運(yùn)用模擬和簡(jiǎn)易建模等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；能領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)、控制等基本思想和方法并加以運(yùn)用；能進(jìn)行簡(jiǎn)單的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和綜合決策?！盵3]

在STEM教育中，“科學(xué)”“數(shù)學(xué)”以科學(xué)思維為主，“技術(shù)”以技術(shù)思維為主。從思維方法來(lái)看，這兩種思維都是理論性的，強(qiáng)調(diào)思維的邏輯性、客觀性與真理性；工程思維是實(shí)踐性的，更強(qiáng)調(diào)思維的整體性、人文性和實(shí)踐性，可以被認(rèn)為包括邏輯思維、形象思維和頓悟思維。[4]三種思維在STEM教育中的共同存在才有利于學(xué)生作為全人的思維全面提升，缺一不可。因此，在STEM教育中，工程思維具有重要而獨(dú)特的意義。

2 STEM教育中工程思維的培養(yǎng)

工程思維作為一種與科學(xué)思維、技術(shù)思維互補(bǔ)的思維，具有以下這些特征：它是籌劃性思維、規(guī)則性思維、科學(xué)性與藝術(shù)性兼容的思維、綜合集成性思維、構(gòu)建性思維、權(quán)衡性思維、殊相性思維、價(jià)值性思維、過(guò)程性思維、邏輯思維與非邏輯思維相統(tǒng)一的思維、復(fù)雜性思維。[5]這些思維綜合體現(xiàn)在工程活動(dòng)這一復(fù)雜的系統(tǒng)活動(dòng)中。工程活動(dòng)由三個(gè)階段組成：設(shè)計(jì)規(guī)劃、建設(shè)實(shí)施和消費(fèi)使用。與此相對(duì)應(yīng)，工程思維按內(nèi)在結(jié)構(gòu)也可分為三個(gè)方面：工程設(shè)計(jì)思維、工程實(shí)施思維、工程消費(fèi)思維。[6]

工程作為一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)巨系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和規(guī)劃是工程活動(dòng)的起點(diǎn)。由于這一系統(tǒng)同時(shí)涉及人、物、技術(shù)、社會(huì)，其最終成果與工程開(kāi)展過(guò)程密切相關(guān)且開(kāi)放性較大，因此規(guī)劃設(shè)計(jì)的優(yōu)劣很大程度地影響著工程的最終效果。由于我國(guó)基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生長(zhǎng)期以來(lái)受追求唯一標(biāo)準(zhǔn)答案的影響，在受教育過(guò)程中對(duì)于非良構(gòu)問(wèn)題的涉及不足，導(dǎo)致規(guī)劃設(shè)計(jì)能力相對(duì)較弱。筆者在美國(guó)訪學(xué)期間走訪了一些學(xué)校，所見(jiàn)STEM教育實(shí)踐活動(dòng)可以給我們帶來(lái)一些思考和借鑒。

NuVu是一所由麻省理工學(xué)院的博士、碩士們于2010年建立的創(chuàng)新學(xué)校，接收初中生與高中生在此進(jìn)行從數(shù)月至數(shù)年的全日制學(xué)習(xí)。學(xué)生通過(guò)基于真實(shí)情境的開(kāi)放性任務(wù)的解決，形成物化作品，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。該校雖未直接提出STEM理念，但其所持有的真實(shí)情境、非良構(gòu)問(wèn)題、開(kāi)放性答案、問(wèn)題探索、物化成果及強(qiáng)調(diào)學(xué)科融合的理念與STEM教育理念一致。

該校每?jī)芍茉O(shè)置一個(gè)主題，學(xué)生自由組合成為三到四人的小組，圍繞該主題確定項(xiàng)目、完成物化成果的設(shè)計(jì)與制作。筆者走訪該校時(shí)，項(xiàng)目主題為提高殘疾人士的生活便利性。該主題范圍較廣，具體項(xiàng)目由學(xué)生自由分組時(shí)的討論形成。如有一組決定設(shè)計(jì)制作便于殘疾人穿著的衣服，另一組則決定設(shè)計(jì)制作幫助上肢殘疾人士書(shū)寫(xiě)及使用鼠標(biāo)的助力支架。學(xué)生在確定項(xiàng)目后，首先花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行的是項(xiàng)目的詳細(xì)規(guī)劃。每個(gè)小組都配備有項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)草圖本，在該本上，學(xué)生對(duì)預(yù)期成品進(jìn)行文字描述，并對(duì)成品整體與各組成部件進(jìn)行圖樣設(shè)計(jì)。這些過(guò)程性資料可于工程實(shí)施之前即預(yù)想出項(xiàng)目的最終成果形態(tài)，同時(shí)能展現(xiàn)其設(shè)計(jì)的演進(jìn)過(guò)程。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與優(yōu)化既有小組成員的共同參與，也有該校教師的參與。教師在項(xiàng)目進(jìn)展中的職責(zé)主要有兩方面：一是作為具體技術(shù)的指導(dǎo)老師，給予學(xué)生技術(shù)上的指導(dǎo)；二是作為項(xiàng)目管理者在學(xué)生的創(chuàng)意與項(xiàng)目的可實(shí)現(xiàn)性之間找到平衡與妥協(xié)。學(xué)生及教師的行為明顯體現(xiàn)出工程思維的籌劃性、權(quán)衡性等在非工程項(xiàng)目中不易培養(yǎng)的工程思維特征。

STEM教育中的技術(shù)一般而言出現(xiàn)在工程實(shí)施階段，但關(guān)鍵技術(shù)的選擇則是工程設(shè)計(jì)階段的重要任務(wù)之一。關(guān)鍵技術(shù)的選擇與工程實(shí)施環(huán)節(jié)的常規(guī)性、穩(wěn)定性、安全性、可控制性息息相關(guān)，往往也是工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新性得以實(shí)現(xiàn)的有力保證。在NuVu，學(xué)生進(jìn)入該校的第一周為基礎(chǔ)技術(shù)學(xué)習(xí)時(shí)間，學(xué)生將接觸到在此后項(xiàng)目任務(wù)完成中可以借助的各種工具，對(duì)從先進(jìn)的激光切割、3D打印到傳統(tǒng)的金工、木工、縫紉等進(jìn)行最基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)。這種基礎(chǔ)性的學(xué)習(xí)為學(xué)生的后期技術(shù)加工、深入探索打下基礎(chǔ)，更為學(xué)生后期的工程設(shè)計(jì)提供靈感與選擇空間。

如上文所述助力支架由兩部分組成：桌面部分的托架相對(duì)簡(jiǎn)單，由激光切割的木條構(gòu)成框架，輔助以滾輪等標(biāo)準(zhǔn)件；附著于上肢的部件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，學(xué)生選擇使用3D打印制作。通過(guò)觀察其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，再考慮到每個(gè)項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)僅為兩周，如采用其他技術(shù)，無(wú)法在限定時(shí)間內(nèi)掌握加工技術(shù)并完成部件精細(xì)制作，因此3D打印技術(shù)的選擇成為該項(xiàng)目能最終完成的關(guān)鍵。

在工程活動(dòng)中，向現(xiàn)實(shí)限制的妥協(xié)是一種常態(tài)。這種現(xiàn)實(shí)限制可能來(lái)自于人力、物力、財(cái)力、時(shí)限等各個(gè)方面。在Malden Academy STEAM這所小學(xué)開(kāi)展的經(jīng)典項(xiàng)目：雞蛋保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)制作中，教師為學(xué)生提供了牛奶盒、海綿、膠帶、便簽紙等多種材料。但在提供材料的同時(shí)，教師也提供了每份材料的“價(jià)格”及每個(gè)項(xiàng)目組的項(xiàng)目總“預(yù)算”，使學(xué)生的選材總量受到一定的限制。這一體現(xiàn)工程預(yù)算、權(quán)衡、統(tǒng)籌的做法，使得學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段受制于有限的經(jīng)費(fèi)而不得不慎重取材。但材料的受限使得學(xué)生轉(zhuǎn)向考慮通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目預(yù)期功能，反而促發(fā)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)、力學(xué)等問(wèn)題進(jìn)行深入的分析與思考，從而出現(xiàn)了雙層緩沖等復(fù)雜設(shè)計(jì)，以最少的材料獲得了最優(yōu)的效果。

筆者曾作為評(píng)委參加了馬薩諸塞州Marlborough高中的STEM嘉年華，其中10年級(jí)的主題為火星移民基地的設(shè)計(jì)規(guī)劃。具體任務(wù)為由各小組為設(shè)想中的移民至火星的人類基地規(guī)劃社區(qū)。每小組最終呈現(xiàn)的基地模型是用塑料泡沫等制作，代表社區(qū)中的民宅、商業(yè)中心、市政中心、醫(yī)院、學(xué)校、監(jiān)獄等。模型的制作工藝普遍不夠精致，但每組設(shè)計(jì)圖樣的嚴(yán)謹(jǐn)程度則比模型明顯高出一籌。在學(xué)生的項(xiàng)目情況匯報(bào)中，對(duì)于前后數(shù)版設(shè)計(jì)的改進(jìn)介紹更體現(xiàn)出對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)迭代的重視。如某小組在監(jiān)獄設(shè)置的處理上，從距離人群密集地區(qū)的位置設(shè)置、按犯罪人口比例調(diào)整的容量設(shè)置，到出逃防控的考慮，無(wú)一不體現(xiàn)出設(shè)計(jì)過(guò)程中的迭代，它可以大大降低延遲至實(shí)施環(huán)節(jié)再進(jìn)行迭代而造成的高昂代價(jià)，因此在工程活動(dòng)中具有重要的意義。

工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中確定的工程方案需要在實(shí)施環(huán)節(jié)中得以貫徹和落實(shí)，工程實(shí)施環(huán)節(jié)的工程實(shí)施思維注意常規(guī)性、穩(wěn)定性、安全性和可控制性，與以創(chuàng)新性及籌劃性為主要特點(diǎn)的工程設(shè)計(jì)思維有明顯區(qū)別。在STEM教育中，一般為同組學(xué)生先后擔(dān)任設(shè)計(jì)與實(shí)施工作。此時(shí)學(xué)生應(yīng)從工程設(shè)計(jì)時(shí)的創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)向從項(xiàng)目的常規(guī)性、穩(wěn)定性、安全性、可控制性等方面進(jìn)行考慮，并選擇項(xiàng)目中涉及的非關(guān)鍵技術(shù)，保證工程實(shí)施的順利進(jìn)行。對(duì)于教師而言，在此階段應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生完成角色轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)換思考角度，這將有利于工程實(shí)施的順利進(jìn)行。

工程消費(fèi)思維體現(xiàn)在工程完工之后的消費(fèi)階段，體現(xiàn)了馬克思所說(shuō)：生產(chǎn)出的產(chǎn)品是只有在消費(fèi)中才成為現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品的，如果一條鐵路不通車，一件衣服無(wú)人穿，一間房屋無(wú)人住，那它們就只是可能性的產(chǎn)品而不是現(xiàn)實(shí)性的產(chǎn)品。[7]由于目前基礎(chǔ)教育領(lǐng)域內(nèi)大多數(shù)STEM項(xiàng)目的物化成果往往以模型為主，不具備實(shí)際使用的可能性，因此導(dǎo)致對(duì)此思維的培養(yǎng)缺乏實(shí)踐基礎(chǔ)。為體現(xiàn)工程項(xiàng)目對(duì)來(lái)自真實(shí)情境問(wèn)題的切實(shí)回應(yīng)，并使學(xué)生經(jīng)歷工程活動(dòng)的完整過(guò)程，教師在帶領(lǐng)、陪伴學(xué)生進(jìn)行STEM項(xiàng)目選擇時(shí)應(yīng)有所引導(dǎo)，使項(xiàng)目成果盡可能成品化而非模型化。來(lái)自學(xué)生身邊學(xué)習(xí)和生活環(huán)境、并能投入實(shí)際使用的項(xiàng)目可作為STEM項(xiàng)目的優(yōu)先選擇，如校園海綿景觀設(shè)計(jì)、校園智慧種植園、母親河水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目等，皆來(lái)自真實(shí)情境并回饋真實(shí)情境。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于我國(guó)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的STEM教育而言，目前工程思維培養(yǎng)的最大困難在于師資，在于STEM教師與工程相關(guān)素養(yǎng)的欠缺。中國(guó)教育科學(xué)研究院STEM教育研究中心研制的《STEM教師能力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》提出了STEM教師能力指標(biāo)體系，工程實(shí)踐已被列入其中，具體包括：理解工程學(xué)科在STEM中的價(jià)值和地位；理解工程思維的復(fù)雜性、系統(tǒng)性、目的性及價(jià)值性等特點(diǎn)；具備將工程思維貫穿應(yīng)用于STEM課程的設(shè)計(jì)、實(shí)施、評(píng)價(jià)反思過(guò)程中的意識(shí)和能力。因此，如何以該標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，提高教師工程相關(guān)素養(yǎng)，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，使學(xué)生成為具備完整科學(xué)思維、技術(shù)思維、工程思維的人才，應(yīng)成為STEM教育今后關(guān)注的重要課題。