工程教育的現(xiàn)代審視：STEM課程活動(dòng)的視角

侯 甜 李靜靜

（陜西師范大學(xué) 教育學(xué)院，陜西 西安710062）

一、工程思維：STEM教育的必要思維能力

STEM（Science、Technology、Engineering and Math）教育起源于美國，是關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的綜合教育。它以其跨學(xué)科融合為顯著特征，但不是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)簡(jiǎn)單相加作以課程內(nèi)容呈現(xiàn)，而是將各個(gè)領(lǐng)域有機(jī)融合構(gòu)成一個(gè)完整整體。

目前，國內(nèi)外關(guān)于STEM 教育方面的研究較為豐富，最初主要集中在STEM 教育教學(xué)方式、STEM 教育政策、STEM 教育的理論知識(shí)及STEM 教育中的工程和科學(xué)素養(yǎng)等方面，現(xiàn)在主要集中于STEM 師資培養(yǎng)、STEM 教育與創(chuàng)客教育、STEM 教育與核心素養(yǎng)等方面。在此時(shí)代背景之下，國內(nèi)STEM 教學(xué)活動(dòng)也在如火如荼的開展，與此相關(guān)的機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育等也呈大好之勢(shì)。STEM 教 育 中 的“S（science）”“M（math）”“T（technolo?gy）”都有相應(yīng)的課程作以支撐，如科學(xué)課程、數(shù)學(xué)課程、技術(shù)教育等，但在具體教學(xué)實(shí)踐過程中，工程教育卻缺乏相應(yīng)課程支持，在“E（engineer）”這一方面相對(duì)薄弱。因此，如何增強(qiáng)工程教育的培養(yǎng)，以便優(yōu)化STEM 教育活動(dòng)質(zhì)量尤為重要。

許多教育科學(xué)方面的研究證實(shí)，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)恰恰有利于這一問題的解決。工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的決策和解決問題的過程。它需要科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)知識(shí)的應(yīng)用，以最優(yōu)地利用資源來解決結(jié)構(gòu)不良的問題。此外，在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，高階思維能力對(duì)于分析問題因素、預(yù)測(cè)不同解決方案的可行性、評(píng)估結(jié)果和優(yōu)化解決方案是必不可少的。具體來說，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了一個(gè)真實(shí)的環(huán)境，通過它來指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用綜合的跨學(xué)科知識(shí)和發(fā)展高層次思維能力。而在此實(shí)踐過程中，最核心的問題就是學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，即工程思維，本文就是圍繞工程思維，探究在STEM 課程活動(dòng)中如何體現(xiàn)以及培養(yǎng)工程思維。

二、工程思維的外顯形態(tài)——工程教育

（一）工程教育的本質(zhì)核心：工程思維

1.“工程”和“思維”

可以看出，工程是一種針對(duì)人造世界的活動(dòng)，目的是生產(chǎn)出滿足特定需要的產(chǎn)品。由此可以將工程理解為以人的目的和社會(huì)價(jià)值實(shí)現(xiàn)為前提的、包含了設(shè)計(jì)和制造的創(chuàng)造性生產(chǎn)活動(dòng)。思維是人類社會(huì)誕生以來所特有的一種極為復(fù)雜的心理現(xiàn)象，是人腦對(duì)客觀事物能動(dòng)地、間接地和概括地反映，體現(xiàn)了人類對(duì)客觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)過程和反映過程[2]。

本文認(rèn)為思維方式是指人腦處理復(fù)雜信息的一種操作系統(tǒng)，包括兩個(gè)方面：一是用以建構(gòu)的理論思維，二是用以設(shè)計(jì)工程的工程思維。

2.工程思維內(nèi)涵

美國國家工程科學(xué)院（NAE）在《K-12 教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來》報(bào)告中指出工程思維即：工程的“思維習(xí)慣”，具體而言包括：系統(tǒng)思維；創(chuàng)造力；樂觀主義；合作；交流溝通；倫理考慮[3]。

工程思維是工程活動(dòng)的主體在解決工程實(shí)際問題中所運(yùn)用的思維，是工程的主體必須具備的核心能力，能否在工程活動(dòng)中建立適應(yīng)工程內(nèi)在發(fā)展規(guī)律的思維方式，是一名工程工作者能否成為卓越工程人才的關(guān)鍵[4]。

工程思維以籌劃為價(jià)值目的。它是一種價(jià)值化的思維方式。而理論思維以認(rèn)知為價(jià)值目的。它是一種半價(jià)值化的思維方式。或者說它是一種內(nèi)部非價(jià)值化的思維方式。理論思維力求有約束力的客觀道理。工程思維力求有操作性的主觀設(shè)計(jì)[5]。

在我國“工程思維”被深入、系統(tǒng)地研究始于徐長(zhǎng)福博士的一系列探討理論思維與工程思維的文章和著作，隨后，殷瑞錢、汪應(yīng)洛、李伯聰?shù)热嗽凇豆こ陶軐W(xué)》一書中又對(duì)工程思維進(jìn)行了探討。徐長(zhǎng)福從區(qū)分理論思維與工程思維出發(fā)，對(duì)工程思維進(jìn)行了詳細(xì)論述。殷瑞枉、汪應(yīng)洛、李伯聰?shù)热藦目茖W(xué)、技術(shù)、工程三元論的角度出發(fā)論述工程思維。按照科學(xué)、技術(shù)、工程三元論的觀點(diǎn)，工程就是將科學(xué)和技術(shù)知識(shí)綜合運(yùn)用到實(shí)踐中去，并得到一種人工產(chǎn)品或技術(shù)服務(wù)的實(shí)踐活動(dòng)。

綜上所述，本文中的工程思維是指在人們進(jìn)行工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中形成的一種思維方式，而工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是針對(duì)真實(shí)環(huán)境中的問題，為了滿足特定需要的一種復(fù)雜的設(shè)計(jì)活動(dòng)。在此過程中形成的工程思維不涉及具體領(lǐng)域中較為專業(yè)的工程思維，其主要特點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)性、創(chuàng)造性及復(fù)雜性?，F(xiàn)實(shí)性主要體現(xiàn)在工程思維旨在滿足價(jià)值主體的需求，通過整個(gè)工程實(shí)踐過程，設(shè)計(jì)出滿足需求的產(chǎn)品；工程思維的首要本質(zhì)便是其創(chuàng)造性，工程活動(dòng)的本質(zhì)特征就是創(chuàng)造出一個(gè)世界上本不存在的人工實(shí)體；工程是由各種因素組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在許多不確定因素及限制性因素，所以，工程思維具備復(fù)雜性。

耳石癥是造成耳源性眩暈癥的主要原因,又被稱為良性發(fā)作性位置性眩暈,是一種由前庭功能失衡導(dǎo)致的內(nèi)耳機(jī)械性疾病[1],主要癥狀為當(dāng)頭部快速移到某一位置時(shí)出現(xiàn)眩暈與眼震。目前認(rèn)為耳石癥的發(fā)生與耳石器中的耳石脫落有關(guān),當(dāng)頭部快速移動(dòng)時(shí),耳石滾動(dòng)到其它平衡結(jié)構(gòu)內(nèi),引起眩暈。因此為了使耳石回到原來的位置通常采用手法復(fù)位的方法進(jìn)行治療,Epley手法復(fù)位和Barbecue翻滾手法復(fù)位是當(dāng)前臨床上較為常見的用于治療耳石癥的復(fù)位手法。本文旨在對(duì)比分析Epley手法復(fù)位和Barbecue翻滾手法復(fù)位治療耳石癥的臨床效果。

（二）工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)

工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的決策和解決問題的過程。它需要科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)知識(shí)的應(yīng)用，以最優(yōu)地利用資源來解決真實(shí)情境中的問題。此外，在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，高階思維能力對(duì)于分析問題因素、預(yù)測(cè)不同解決方案的可行性、評(píng)估結(jié)果和優(yōu)化解決方案是必不可少的[6]。

工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)高度社會(huì)化、迭代化的過程，在這個(gè)過程中，通常不存在唯一正確的標(biāo)準(zhǔn)答案[7]?？梢钥闯觯こ添?xiàng)目設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、內(nèi)容豐富。與此同時(shí)，它也涵蓋了科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)等領(lǐng)域知識(shí)，同時(shí)要求具備學(xué)生發(fā)散思維、系統(tǒng)思維、設(shè)計(jì)思維等各項(xiàng)思維能力，以便得出更好的設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)作品。

目前，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)已經(jīng)成為K-12（kindergarten through twelfth grade）學(xué)生參與科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）學(xué)習(xí)的重要途徑，參與工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的學(xué)生可以通過解決問題，使所學(xué)的知識(shí)和技能之間產(chǎn)生聯(lián)系，最終實(shí)現(xiàn)知識(shí)的意義建構(gòu)。在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，當(dāng)學(xué)生將一個(gè)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)目的，然后再轉(zhuǎn)化為一個(gè)行動(dòng)時(shí)，他們需要具備適當(dāng)?shù)腟TEM 概念知識(shí)、技術(shù)技能和工程設(shè)計(jì)能力，以迎接項(xiàng)目設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)。

（三）工程思維與工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)

工程思維與工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一種相互交融、相輔相成的關(guān)系。在一個(gè)完整的工程活動(dòng)中，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)尤其關(guān)鍵，起著縱觀全局、設(shè)計(jì)藍(lán)圖的作用，既要把握“航向”即完成產(chǎn)品需求，又要考慮整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)要素及不確定性。而工程思維則是進(jìn)行工程決策、工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和工程運(yùn)行的過程中形成的一種思維方式，可以說，工程思維貫穿于整個(gè)工程活動(dòng)中，同時(shí)不斷發(fā)展、不斷變化。

三、工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)：基于STEM課程活動(dòng)

工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)合STEM 教學(xué)方法可以提高學(xué)生對(duì)科學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用的學(xué)習(xí)。這樣就無需增設(shè)工程課程，將工程設(shè)計(jì)思想貫穿于整個(gè)STEM 教學(xué)活動(dòng)中，通過具體的工程設(shè)計(jì)活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，同時(shí)也進(jìn)一步應(yīng)用科學(xué)及數(shù)學(xué)相關(guān)知識(shí)概念。

（一）工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)課程要素

關(guān)于工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)課程要素存在多種說法，具體如下。

Lewis 等認(rèn)為工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)課程的核心要素包括系統(tǒng)思維、約束識(shí)別、預(yù)測(cè)；Mentzer 認(rèn)可了工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的六個(gè)關(guān)鍵要素，包括問題定義、解決方案的開發(fā)、分析/建模、實(shí)驗(yàn)、決策和團(tuán)隊(duì)合作；Burghardt 和Hacker 強(qiáng)調(diào)了一個(gè)讓學(xué)生參與工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程的知情設(shè)計(jì)周期，包括明確設(shè)計(jì)規(guī)范和約束、研究和調(diào)查問題、生成替代設(shè)計(jì)、選擇并證明最優(yōu)設(shè)計(jì)、開發(fā)一個(gè)原型、測(cè)試和評(píng)估設(shè)計(jì)方案、通過修改重新設(shè)計(jì)解決方案并交流成果。Householder 和Hailey 還指出，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期包括九個(gè)步驟：識(shí)別需求或問題、研究需求或問題、發(fā)展可能的解決方案、選擇可能的最佳解決方案、構(gòu)建一個(gè)原型、測(cè)試和評(píng)估解決方案、溝通解決方案、重新設(shè)計(jì)、最后完成設(shè)計(jì)[8]。

由于工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一種有目的的、系統(tǒng)的、迭代的和創(chuàng)造性的方法，它開發(fā)各種可能的解決方案并配置優(yōu)化以滿足特定的需求。因此，筆者較認(rèn)同的是House?holder and Hailey 九步驟的說法，將工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期劃分為九個(gè)步驟，每個(gè)步驟之間相互聯(lián)系，迭代循環(huán)，最終完成設(shè)計(jì)。在進(jìn)行工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，要牢牢遵循工程設(shè)計(jì)活動(dòng)應(yīng)建立在數(shù)學(xué)和科學(xué)原理的基礎(chǔ)之上。設(shè)計(jì)的迭代必須建立在一個(gè)合理的理論基礎(chǔ)之上，并對(duì)早期試驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而不是依賴于簡(jiǎn)單的試驗(yàn)和檢錯(cuò)。

（二）整合工程思維的STEM課程活動(dòng)

在工程設(shè)計(jì)過程中，需具備理解物理關(guān)系的科學(xué)基礎(chǔ)和指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在進(jìn)行相應(yīng)的課程活動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，能夠滿足高中水平真實(shí)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，同時(shí)以基于標(biāo)準(zhǔn)的STEM 內(nèi)容為目標(biāo)，是最為理想的。為學(xué)生創(chuàng)造豐富、刺激的工程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的教育者需要考慮工程設(shè)計(jì)活動(dòng)的特點(diǎn)，包括思考和行動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)、過程、習(xí)慣，以及學(xué)習(xí)環(huán)境的特征，使學(xué)生能夠參與工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以滿足學(xué)習(xí)結(jié)果。關(guān)于如何有效整合工程思維的STEM 課程活動(dòng)，國外也存在相應(yīng)研究及成果，通過對(duì)比其應(yīng)用效果及影響力，Szu-Chun Fan 等人提出的高中工程設(shè)計(jì)課程框架較為典型，故作以詳細(xì)介紹，以下是其詳細(xì)內(nèi)容（如圖1所示）[9]。

圖1 高中工程設(shè)計(jì)課程框架

這個(gè)框架是在Householder and Hailey 工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的九步驟基礎(chǔ)之上形成的。此框架環(huán)形齒輪部分由Sci?ence Inquiry（科學(xué)探究）、Math Analysis（數(shù)學(xué)分析）、Technology Technique（技術(shù)工藝）等組成，齒輪的外圍則是工程設(shè)計(jì)的步驟，即闡明問題和約束、收集信息、發(fā)展可能的解決方案、預(yù)測(cè)分析、選擇解決方案、模型構(gòu)建及測(cè)試、評(píng)估和修改、優(yōu)化、最后完成設(shè)計(jì)。中心齒輪則是技術(shù)與工程問題情境。這個(gè)框架將STEM 四個(gè)方面巧妙地結(jié)合在一起，以科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)為核心將工程設(shè)計(jì)滲透其中。同時(shí)也可以看出，環(huán)形齒輪完全指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的過程,而中心齒輪提供了學(xué)習(xí)環(huán)境。

課程框架中的幾個(gè)要素將通過設(shè)計(jì)STEM 教學(xué)活動(dòng)得到強(qiáng)調(diào)。因此，在進(jìn)行整合工程思維的STEM 課程活動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

首先，闡明問題和約束構(gòu)成了一種重要的能力。問題定義是設(shè)計(jì)思維的關(guān)鍵步驟，它是工程設(shè)計(jì)的第一階段，為開發(fā)解決方案奠定了基礎(chǔ)。因此，明晰問題本質(zhì)、了解問題的局限性及約束條件尤為重要。

第二，開發(fā)解決方案的能力需要適當(dāng)?shù)腟TEM 知識(shí)和創(chuàng)造力。在工程教育和其他STEM 學(xué)科中，許多活動(dòng)完全集中在聚合思維上，其中的重點(diǎn)是推理和使用系統(tǒng)的分析方法來達(dá)到一個(gè)可驗(yàn)證的解決方案。所有問題局限于一種標(biāo)準(zhǔn)答案，這種現(xiàn)象較為普遍。然而，在面對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)時(shí)，思考問題的發(fā)散性和靈活性尤為關(guān)鍵。在工程項(xiàng)目過程中，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維會(huì)幫助學(xué)生打破慣性思維，以免局限于某一狹小范圍，為他自動(dòng)排除或者忽略排除其他選擇。

第三，預(yù)測(cè)分析在決定實(shí)施前的最佳解決方案方面起著重要的作用。在明確問題及選擇適合的解決方案之后，就要對(duì)預(yù)期結(jié)果作預(yù)測(cè)，既要考慮項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中的不確定或意外因素，也要對(duì)預(yù)期效果或者完成程度有著明確的把握。

第四，對(duì)原型進(jìn)行建模和測(cè)試是評(píng)估解決方案結(jié)果的重要能力。在預(yù)測(cè)分析、建模、測(cè)試、修改和優(yōu)化的過程中，學(xué)生應(yīng)該使用科學(xué)原理、數(shù)學(xué)或技術(shù)輔助（如計(jì)算機(jī)模擬、物理模型）在不同的條件下測(cè)試解決方案，并記錄和分析結(jié)果，而不是簡(jiǎn)單地使用反復(fù)試驗(yàn)。當(dāng)學(xué)生通過設(shè)計(jì)評(píng)估來重新設(shè)計(jì)STEM 學(xué)習(xí)過程時(shí)，修改和反復(fù)嘗試是確保成功的有效方法。

最后，優(yōu)化需要細(xì)化、修改或重新設(shè)計(jì)結(jié)果，以找到最合適的解決方案。

四、思考與討論

工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)是以科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，可以說，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程有效的將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)領(lǐng)域串聯(lián)起來。學(xué)生在進(jìn)行工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)設(shè)計(jì)問題，在解決問題過程中，有效調(diào)動(dòng)起各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，如在對(duì)問題進(jìn)行探究時(shí)，運(yùn)用科學(xué)相關(guān)的知識(shí)；在進(jìn)行相關(guān)值的運(yùn)算或臨界值的確定時(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)相關(guān)的知識(shí)；在對(duì)設(shè)計(jì)作品進(jìn)行建模時(shí)，運(yùn)用技術(shù)相關(guān)的知識(shí)。

教師可在整個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中使用不同層次的腳手架，而這取決于學(xué)生對(duì)開放式問題的經(jīng)驗(yàn)、內(nèi)容領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)以及克服障礙所需的支持程度，而這其中的關(guān)鍵要素如下。

（一）激活相關(guān)先驗(yàn)知識(shí)

在闡明問題階段，學(xué)生首先會(huì)調(diào)動(dòng)腦中知識(shí)庫的內(nèi)容，搜尋是否具有解決此問題的途徑與方法。有意義學(xué)習(xí)產(chǎn)生的條件就是已有知識(shí)與新知識(shí)聯(lián)系在一起，學(xué)習(xí)者將知識(shí)進(jìn)行歸類加工，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的意義建構(gòu)。因此，能否有效激活相關(guān)先驗(yàn)知識(shí)就很關(guān)鍵，決定著問題闡明的效率和學(xué)習(xí)活動(dòng)的質(zhì)量。

（二）注意概念關(guān)鍵特征

工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)涉及科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)等多個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，所以，在面對(duì)一個(gè)知識(shí)概念時(shí)，應(yīng)該快速將概念歸類于某一領(lǐng)域，明晰其關(guān)鍵特征，采用這一領(lǐng)域的常用策略或者方法，同時(shí)其他領(lǐng)域知識(shí)作以輔助作用，共同完成問題解決的過程。

（三）迭代循環(huán)設(shè)計(jì)過程

整個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代循環(huán)的過程，每一步都需要反復(fù)檢查與修正，以期獲得最適合的解決方案。所以，在此過程中，既要考慮學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中可能遇到的困難與阻礙、也要提前準(zhǔn)備預(yù)備方案以防不確定事件或意外的發(fā)生。

五、結(jié)語

STEM 教育可以消除傳統(tǒng)學(xué)科之間的界限，從而將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)構(gòu)建成一個(gè)完整的課程。在國內(nèi)，與其他領(lǐng)域相比，對(duì)工程教育的關(guān)注就顯得比較薄弱。2001年，馬薩諸塞州是第一個(gè)為所有的K-12學(xué)生開發(fā)與實(shí)施工程和技術(shù)課程框架和評(píng)估的州；科學(xué)教育框架草案于2010年在新的國家科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中增加了工程設(shè)計(jì)部分。這種對(duì)STEM 的關(guān)注表明，在STEM 中重視工程教育，將工程思維融入到STEM 課程活動(dòng)中至關(guān)重要。