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    基礎(chǔ)教育中的工程學(xué):與科學(xué)探究同樣重要的問(wèn)題解決途徑

    2018-03-26 15:55:30王海蘭劉恩山
    生物學(xué)通報(bào) 2018年9期
    關(guān)鍵詞:工程學(xué)工程設(shè)計(jì)概念

    王海蘭 劉恩山

    (北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875)

    21世紀(jì),科學(xué)、工程和技術(shù)幾乎滲透了現(xiàn)代生活的方方面面,而且它們也是人類(lèi)面對(duì)現(xiàn)在生活和未來(lái)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。隨著知識(shí)的迅速發(fā)展,科學(xué)教育已不可能要求學(xué)生掌握某一學(xué)科的全部?jī)?nèi)容,而應(yīng)注重在有限的基礎(chǔ)教育的時(shí)間內(nèi)為學(xué)生提供充分的學(xué)習(xí)體驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生獲取、理解和運(yùn)用知識(shí)的能力。2013年,美國(guó)頒布了《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》,其中將科學(xué)探究和工程實(shí)踐放到了同等重要的地位。2017年,我國(guó)頒布了《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》[1],其中明確提出了“技術(shù)與工程領(lǐng)域”的學(xué)習(xí)要求。在我國(guó)2018年初頒布的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中,尤其是選修模塊“生物技術(shù)與工程”,十分強(qiáng)調(diào)將科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)融入相關(guān)的課程內(nèi)容當(dāng)中[2]。隨著工程學(xué)逐漸進(jìn)入科學(xué)教育之中,對(duì)基礎(chǔ)教育中工程學(xué)的內(nèi)涵、特點(diǎn)、課程開(kāi)展方式的理解就變得尤為重要。

    1 工程學(xué)定義

    “科學(xué)”一詞起源于拉丁語(yǔ)scientia,意思是知識(shí);而“工程”一詞起源于中世紀(jì)拉丁語(yǔ)ingeniare,意思是設(shè)計(jì)和發(fā)明。對(duì)于工程學(xué)的定義,不同的研究者和研究機(jī)構(gòu)有著不同的理解。1998年,美國(guó)國(guó)家工程院主席伍爾夫(Wulf)提出,工程學(xué)是指“在限制條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)”。這里的限制條件既包括科學(xué)規(guī)律,也包括技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)及倫理等。2009年,美國(guó)K-12工程學(xué)教育委員會(huì)在《K-12教育中的工程學(xué)?》中指出,工程學(xué)是“設(shè)計(jì)人造世界的過(guò)程”。2010年,美國(guó)國(guó)家工程院在《K-12工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中指出,工程學(xué)是“為滿足人們的需求而進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。2013年,美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)在《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中指出,工程學(xué)是“參與系統(tǒng)的設(shè)計(jì),從而解決特定的人類(lèi)問(wèn)題”。

    綜上所述,工程學(xué)是指工程師以滿足人類(lèi)發(fā)展過(guò)程中的各類(lèi)需求為導(dǎo)向進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程。劉恩山教授認(rèn)為,工程學(xué)的宗旨與自然科學(xué)不同,科學(xué)的目的是揭示自然的規(guī)律,而工程學(xué)在于引發(fā)變革,因此力圖改進(jìn)是工程設(shè)計(jì)的核心[3]。

    2 工程設(shè)計(jì)的定義、過(guò)程與特點(diǎn)

    正如在《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中的定義,科學(xué)探究指的是科學(xué)家用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的多種不同途徑。相似地,工程設(shè)計(jì)指的是工程師用以解決工程難題的方法,并基于此創(chuàng)造能滿足人類(lèi)需求的設(shè)備或過(guò)程[4]。

    對(duì)于工程設(shè)計(jì)的過(guò)程,不同的研究者有著不同的定義。帕爾(Pahl,1996)等將工程設(shè)計(jì)的過(guò)程分為4個(gè)主要的步驟,分別是:①明確任務(wù)并規(guī)劃產(chǎn)品;②概念設(shè)計(jì);③具化設(shè)計(jì);④細(xì)化設(shè)計(jì)。其中,因需求而觸發(fā)工程設(shè)計(jì),明確基本問(wèn)題、建立功能標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)解決方法是完成設(shè)計(jì)的基本思路。弗倫希(French,1998)在4個(gè)步驟的基礎(chǔ)上,將工程設(shè)計(jì)的過(guò)程具體分為8個(gè)步驟,分別是:①明確需求;②分析問(wèn)題;③陳述問(wèn)題;④概念設(shè)計(jì);⑤選擇方案;⑥具化方案;⑦細(xì)化方法;⑧形成施工圖紙。其中,概念設(shè)計(jì)是最核心的,需綜合考慮科學(xué)原理、生產(chǎn)實(shí)踐、商業(yè)利益等多個(gè)方面;并指出工程設(shè)計(jì)的過(guò)程是迭代的,而非線性的。美國(guó)馬薩諸塞州率先將工程設(shè)計(jì)融入其技術(shù)教育中,在2001年頒布的《馬薩諸塞州科學(xué)、技術(shù)和工程課程框架》中,將工程設(shè)計(jì)的過(guò)程分為8個(gè)步驟,分別是:①明確需求或問(wèn)題;②研究需求或問(wèn)題;③開(kāi)發(fā)可能的解決方案;④選擇最佳的可能的解決方案;⑤構(gòu)建原型;⑥測(cè)試和評(píng)價(jià)解決方案;⑦交流和討論解決方案;⑧再設(shè)計(jì)。

    盡管目前對(duì)工程設(shè)計(jì)的過(guò)程并沒(méi)有普遍認(rèn)同的一般流程,但一些步驟被公認(rèn)為是必要和重要的[4-6]。例如,第1,明確工程難題。工程設(shè)計(jì)的發(fā)生源于實(shí)際難題、需求或欲望,一個(gè)社會(huì)性難題可引發(fā)一系列的工程難題,明確的工程難題可使工程師的工作更具有目的性。第2,收集解決這一難題的各種不同想法。工程師通常需要通過(guò)頭腦風(fēng)暴和試驗(yàn)提出一系列不同的可能的設(shè)計(jì)方案,從而進(jìn)行下一步的研究。第3,構(gòu)建并測(cè)試模型和技術(shù)原型。通過(guò)模擬和測(cè)試,工程師可獲得真實(shí)且有參考價(jià)值的測(cè)試數(shù)據(jù),并基于此分析各種潛在解決方案的優(yōu)點(diǎn)和局限性。第4,最優(yōu)化。每種解決辦法的提出都要經(jīng)過(guò)權(quán)衡工藝可行性、相競(jìng)爭(zhēng)的功能標(biāo)準(zhǔn)、成本、安全、美觀和合法性要求等過(guò)程。通常,不會(huì)只有一個(gè)正確的解決方案,而是一系列的方案,最優(yōu)方案的選擇取決于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

    3 工程學(xué)中的核心概念與基本能力

    盡管下文將分別介紹工程學(xué)中的核心概念和基本能力,但在實(shí)際的工程學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中,概念的理解和應(yīng)用與能力的提升和應(yīng)用是相互融合的,二者密切相關(guān),無(wú)法獨(dú)立分開(kāi)。

    2008年,美國(guó)國(guó)家工程院和美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)聯(lián)合委托西爾克(Silk)、彼得羅(Petrosino)等,就理解和提升K-12工程學(xué)教育所需的概念和能力分別進(jìn)行綜述研究。如上所述,工程設(shè)計(jì)的過(guò)程含有多個(gè)重要的步驟,在這些步驟中涉及到3類(lèi)概念:基礎(chǔ)的科學(xué)和數(shù)學(xué)概念、具體領(lǐng)域的工程學(xué)概念和通用的工程學(xué)概念。西爾克等綜述了美國(guó)及國(guó)際的技術(shù)和工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)及研究文章,提出了通用的工程學(xué)核心概念及其類(lèi)別下的工程學(xué)概念,其中最重要的2個(gè)核心概念為“系統(tǒng)”和“最優(yōu)化”[7]。

    系統(tǒng)是由相互協(xié)作的多個(gè)獨(dú)立組件構(gòu)成,從而共同完成一項(xiàng)功能的物體或過(guò)程,工程師需要從系統(tǒng)的角度考慮:①各個(gè)獨(dú)立組件的功能是什么?②各個(gè)獨(dú)立組件之間的關(guān)系是什么?③各個(gè)獨(dú)立組件或組件組合對(duì)于系統(tǒng)的功能有什么影響?

    系統(tǒng)中組件的結(jié)構(gòu)、它們的功能,以及行使其功能時(shí)的行為,稱(chēng)為結(jié)構(gòu)-行為-功能,簡(jiǎn)稱(chēng)SBF。研究發(fā)現(xiàn),兒童在語(yǔ)前時(shí)期已具有強(qiáng)烈的因果關(guān)系意識(shí),但低學(xué)段(2~5年級(jí))的學(xué)生尚不能自發(fā)使用因果關(guān)系[8],即他們更能夠認(rèn)識(shí)到某一物體的功能,但不能意識(shí)到物體潛在的結(jié)構(gòu)是如何行使功能的。在參與設(shè)計(jì)模型時(shí),逐漸增加模型的復(fù)雜度能培養(yǎng)和提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)-行為-功能這一概念的理解。有效的教學(xué)策略為:①指出班級(jí)所構(gòu)建模型的局限性;②當(dāng)學(xué)生自己無(wú)法發(fā)現(xiàn)更多的信息時(shí)給予適當(dāng)?shù)奶崾?;③鼓?lì)學(xué)生小組追求更具體的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

    系統(tǒng)中各組件之間因相互作用會(huì)產(chǎn)生某些特性,而在系統(tǒng)組成前的單個(gè)組件并不具有此性質(zhì),這種特性在系統(tǒng)中稱(chēng)之為涌現(xiàn)性質(zhì),是一種總體大于個(gè)體之和的概念。雷斯尼克(Resnick,1996)認(rèn)為,人類(lèi)傾向于將系統(tǒng)行為歸因于某個(gè)核心組件,而這種傾向是頑固的,甚至是天生的,而且這種傾向是理解涌現(xiàn)性質(zhì)的主要妨礙。在課堂中開(kāi)展模擬活動(dòng)有助于學(xué)生理清系統(tǒng)不同層級(jí)之間的關(guān)系,進(jìn)而幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變其固有傾向。與參與式模擬相比,基于計(jì)算機(jī)軟件的模擬更便于學(xué)生進(jìn)行操作和探索,從而能更有效地幫助學(xué)生理解涌現(xiàn)性質(zhì)等跨系統(tǒng)水平的概念。

    最優(yōu)化指的是使設(shè)計(jì)的功能或效率最大化的過(guò)程,即對(duì)多重變量的權(quán)衡過(guò)程。

    多重變量,指的是工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的各類(lèi)輸入變量,對(duì)這些變量進(jìn)行不同處理可得到最佳的解決方案。認(rèn)知負(fù)荷理論(CLT)表明,在各個(gè)年齡段,短期記憶的最大限度一般為5~7個(gè)變量。在不使用分塊、捆綁或線性處理等策略加強(qiáng)記憶時(shí),即使是有經(jīng)驗(yàn)的成年人也只能同時(shí)處理3~4個(gè)變量[9]。在K-12工程學(xué)教學(xué)中,簡(jiǎn)化任務(wù)和使用數(shù)學(xué)及物理學(xué)方法表示是有效的教學(xué)策略,具體的教學(xué)方法有構(gòu)建多變量系統(tǒng)的分析模式、構(gòu)建記憶組塊、功能式分解系統(tǒng)、數(shù)字化筆記等。

    權(quán)衡,是指對(duì)輸入變量和輸出變量的考量,當(dāng)改變某一個(gè)輸入變量影響了其他輸入變量對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的作用,權(quán)衡就發(fā)生了。權(quán)衡并不是各個(gè)輸入變量簡(jiǎn)單相加的過(guò)程,各個(gè)輸入變量之間還可能存在拮抗作用。K-12學(xué)生也許不能規(guī)范地理解變量之間的相互作用,因而也不易理解權(quán)衡的概念。用數(shù)學(xué)方法表示可明確各個(gè)變量之間的關(guān)系,讓學(xué)生參與從單個(gè)變量到多個(gè)變量連續(xù)的權(quán)衡過(guò)程,可幫助學(xué)生理解權(quán)衡的概念[10]。

    為了理解和進(jìn)行工程設(shè)計(jì),在理解工程學(xué)核心概念的同時(shí),還必須習(xí)得工程學(xué)基本能力。彼得羅[11]提出了參與工程學(xué)設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)的基本能力:定義難題,明確需求,分解系統(tǒng),提出解決方案,繪圖和創(chuàng)建模型,試驗(yàn)和測(cè)試。其中,對(duì)繪圖和創(chuàng)建模型、試驗(yàn)和測(cè)試等能力的相關(guān)研究相對(duì)較多。

    關(guān)于繪圖和創(chuàng)建模型,學(xué)生傾向于用繪圖記錄個(gè)人經(jīng)歷或表達(dá)個(gè)人情感,并傾向于認(rèn)為設(shè)計(jì)是一個(gè)線性過(guò)程,而不是繪圖-修改的迭代過(guò)程,傾向于認(rèn)為模型就是真實(shí)物體小型的簡(jiǎn)單模仿。為了培養(yǎng)學(xué)生繪圖和創(chuàng)建模型的能力,有效的教學(xué)方法包括:①在不同學(xué)段按從易到難的順序逐漸開(kāi)展合適的建模活動(dòng);②學(xué)生以小組的形式參與探究活動(dòng),并在探究活動(dòng)中強(qiáng)調(diào)建立和使用不同類(lèi)型的模型;③組織學(xué)生討論和評(píng)價(jià)自制的模型,從而提升其繪圖和創(chuàng)建模型的能力[12]。

    試驗(yàn)和測(cè)試在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中用于檢測(cè)最優(yōu)化的水平及是否滿足各類(lèi)功能標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試對(duì)象既可以是完整或部分的原型,也可以是虛擬模型。測(cè)試時(shí)常含有多個(gè)變量,學(xué)生傾向于注重結(jié)果而不是分析,傾向于一次改變多個(gè)變量且將結(jié)果的變化歸因于每個(gè)變量。在教學(xué)中,測(cè)試和評(píng)價(jià)通常是由教師進(jìn)行的,教師應(yīng)將評(píng)價(jià)與最初的設(shè)計(jì)相聯(lián)系,促進(jìn)學(xué)生元認(rèn)知的發(fā)展。此外,在教師評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,應(yīng)豐富學(xué)生所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的消費(fèi)對(duì)象,當(dāng)消費(fèi)者是學(xué)生本人或其家人時(shí),學(xué)生的表現(xiàn)會(huì)更好。

    在理解工程學(xué)核心概念和習(xí)得工程學(xué)基本能力的過(guò)程中,智力發(fā)展水平和相關(guān)知識(shí)背景是2類(lèi)主要的限制因素,但采取合適的教學(xué)方法能有效突破限制。教學(xué)過(guò)程需注意以下3點(diǎn):①保證足夠的課堂時(shí)間,開(kāi)展深入的工程設(shè)計(jì)活動(dòng);②從易到難連貫一致地進(jìn)行工程學(xué)概念的教學(xué);③有目的地迭代工程學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程,在逐步精致設(shè)計(jì)的過(guò)程中,鍛煉并提升學(xué)生的工程學(xué)能力[4]。

    4 在基礎(chǔ)教育階段開(kāi)展工程學(xué)教育的方式

    科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)都有其學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)和較長(zhǎng)的K-12課程史,與之相比,基礎(chǔ)教育中的工程學(xué)仍處于起步階段,既沒(méi)有內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn),也沒(méi)有教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展指導(dǎo),更沒(méi)有國(guó)家或州所制定的學(xué)習(xí)成就評(píng)價(jià)[3]。如何在基礎(chǔ)教育階段開(kāi)展工程學(xué)教育成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

    2006年,美國(guó)國(guó)家工程院和美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)教育中心成立了K-12工程學(xué)教育委員會(huì),在長(zhǎng)達(dá)2年的時(shí)間里,委員會(huì)召開(kāi)了5次會(huì)議,分析了現(xiàn)有的K-12工程學(xué)教育,提出了工程學(xué)課程設(shè)計(jì)的3 項(xiàng)原則[4]。

    原則1:K-12工程學(xué)教育應(yīng)強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)?!肮こ淘O(shè)計(jì)”是工程學(xué)解決問(wèn)題的基本方法。工程設(shè)計(jì)是一個(gè)潛在的有用的教學(xué)策略,工程設(shè)計(jì)的課程或活動(dòng)需具有以下的特征:工程設(shè)計(jì)必須具有高度的系統(tǒng)性迭代性,考慮多方面的限制條件,認(rèn)為難題具有多種解決辦法,為學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等重要概念提供有意義的內(nèi)容。

    原則2:K-12工程學(xué)教育應(yīng)融合與兒童認(rèn)知發(fā)展相適宜的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)的知識(shí)和技能。工程設(shè)計(jì)中包含許多科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)的跨學(xué)科概念,例如科學(xué)概念和科學(xué)探究方法可支持工程實(shí)踐活動(dòng);數(shù)學(xué)概念和計(jì)算方法可支持?jǐn)?shù)據(jù)分析和建模過(guò)程;技術(shù)概念和技術(shù)可展示工程設(shè)計(jì)的成果。

    原則3:K-12工程學(xué)教育應(yīng)促進(jìn)工程學(xué)思維。工程學(xué)思維與21世紀(jì)重要的公民技能保持一致。工程學(xué)思維包括:系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、樂(lè)觀、合作、交流、道德考慮。其中,較之于基礎(chǔ)及高等教育中工程學(xué)教育的現(xiàn)狀,原則3應(yīng)是重點(diǎn)培養(yǎng)對(duì)象。

    為了評(píng)估發(fā)展K-12工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的潛在價(jià)值和可行性,美國(guó)國(guó)家工程院于2008年贊助K-12工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)進(jìn)行了一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)2年的研究。2010年該委員會(huì)發(fā)布報(bào)告《Standards for K-12 Engineering Education? 》[13],其中總結(jié)了支持和反對(duì)開(kāi)發(fā)工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的理由,以及委員會(huì)的最終建議。

    支持開(kāi)發(fā)工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的理由包括:1)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的建立可以最有力地表明工程學(xué)的課程地位,從而提高學(xué)校開(kāi)設(shè)高質(zhì)量的工程學(xué)課程的可能性;2)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)可以為課程設(shè)計(jì)者和教師提供指導(dǎo),并促進(jìn)教學(xué)材料和教師培養(yǎng)項(xiàng)目的發(fā)展;3)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)可以為課程改革提供連續(xù)一致的知識(shí)框架,并依據(jù)最新的認(rèn)知科學(xué)的發(fā)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的工程學(xué)課程進(jìn)行改進(jìn)。

    反對(duì)開(kāi)發(fā)工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的理由包括:1)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足,既不知道如何有效指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工程設(shè)計(jì),也不知道如何科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生在工程學(xué)課程中的表現(xiàn);2)師資力量匱乏;3)學(xué)生的課程負(fù)擔(dān)已較重,為工程學(xué)開(kāi)辟獨(dú)立的時(shí)間和空間非常困難。

    綜合以上觀點(diǎn),K-12工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)委員建議暫不開(kāi)發(fā)K-12工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn),而是將工程學(xué)的核心概念和基本能力嵌入到科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等課程標(biāo)準(zhǔn)中。

    2013年,美國(guó)頒布了《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》。此前,在美國(guó)的50個(gè)州中僅有12個(gè)州明確在其課程標(biāo)準(zhǔn)中包含工程學(xué)相關(guān)內(nèi)容,但仍有14個(gè)州的課程標(biāo)準(zhǔn)中不含有相關(guān)內(nèi)容?!断乱淮茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的頒布顯著提高了美國(guó)基礎(chǔ)教育中工程學(xué)的范圍和質(zhì)量[14]。在我國(guó),隨著2017年《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》和2018年《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的頒布,工程學(xué)已正式進(jìn)入基礎(chǔ)教育。這將有效推進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)教育中的工程學(xué)教育逐步走向正規(guī)。然而,學(xué)生、教師,以及各級(jí)政策決定人員如何理解工程學(xué)的價(jià)值,學(xué)校如何解決資源匱乏、經(jīng)驗(yàn)不足的難題,社會(huì)資源如何有效融入并促進(jìn)工程學(xué)教育活動(dòng)的開(kāi)展……這些都是目前推進(jìn)工程學(xué)教育所面臨的巨大挑戰(zhàn),如何全面有效地推進(jìn)工程學(xué)教育,仍然需要進(jìn)一步摸索和努力。

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