STEM教育中的工程思維培養①

(江蘇省中小學教學研究室，江蘇 南京 210013)

STEM從字面理解有四個關鍵詞：科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Maths)。在我國基礎教育領域內，科學與數學長期受到廣泛關注，技術近年來也日益受到重視，但對工程一詞則相對陌生。隨著小學科學課程標準中將“技術與工程領域”作為課程內容之一、高中通用技術課程標準中將工程思維定為學科核心素養之一，大家對于“工程”和“工程思維”開始有所耳聞，但工程及工程思維仍未在我國基礎教育階段受到應有的重視,這對STEM教育理念的體現、實踐的開展及實施的效果影響極大。

1 工程思維對于STEM教育的意義

根據李伯聰提出的科學—技術—工程三元論，人類的社會活動方式包括科學活動、技術活動和工程活動三類，[1]它們有各自的特殊本性與本質?！翱茖W活動的本質特征是反映客觀存在，技術活動的本質特征是探尋變革存在的具體方法，而工程活動的本質特征是創造存在和超越存在?！盵2]

與三種活動相對應，科學思維、技術思維與工程思維是三種相互聯系、相互區別又相互滲透的思維。在普通高中通用技術課程標準中，對工程思維的定義是：“工程思維是以系統分析和比較權衡為核心的一種籌劃性思維。學生能認識系統與工程的多樣性和復雜性；運用系統分析的方法，針對某一具體技術領域的問題進行要素分析、整體規劃，并運用模擬和簡易建模等方法進行設計；能領悟結構、流程、系統、控制等基本思想和方法并加以運用；能進行簡單的風險評估和綜合決策?！盵3]

在STEM教育中，“科學”“數學”以科學思維為主，“技術”以技術思維為主。從思維方法來看，這兩種思維都是理論性的，強調思維的邏輯性、客觀性與真理性；工程思維是實踐性的，更強調思維的整體性、人文性和實踐性，可以被認為包括邏輯思維、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特的意義。

2 STEM教育中工程思維的培養

工程思維作為一種與科學思維、技術思維互補的思維，具有以下這些特征：它是籌劃性思維、規則性思維、科學性與藝術性兼容的思維、綜合集成性思維、構建性思維、權衡性思維、殊相性思維、價值性思維、過程性思維、邏輯思維與非邏輯思維相統一的思維、復雜性思維。[5]這些思維綜合體現在工程活動這一復雜的系統活動中。工程活動由三個階段組成：設計規劃、建設實施和消費使用。與此相對應，工程思維按內在結構也可分為三個方面：工程設計思維、工程實施思維、工程消費思維。[6]

工程作為一個復雜的社會巨系統，設計和規劃是工程活動的起點。由于這一系統同時涉及人、物、技術、社會，其最終成果與工程開展過程密切相關且開放性較大，因此規劃設計的優劣很大程度地影響著工程的最終效果。由于我國基礎教育階段的學生長期以來受追求唯一標準答案的影響，在受教育過程中對于非良構問題的涉及不足，導致規劃設計能力相對較弱。筆者在美國訪學期間走訪了一些學校，所見STEM教育實踐活動可以給我們帶來一些思考和借鑒。

NuVu是一所由麻省理工學院的博士、碩士們于2010年建立的創新學校，接收初中生與高中生在此進行從數月至數年的全日制學習。學生通過基于真實情境的開放性任務的解決，形成物化作品，培養了創新能力。該校雖未直接提出STEM理念，但其所持有的真實情境、非良構問題、開放性答案、問題探索、物化成果及強調學科融合的理念與STEM教育理念一致。

該校每兩周設置一個主題，學生自由組合成為三到四人的小組，圍繞該主題確定項目、完成物化成果的設計與制作。筆者走訪該校時，項目主題為提高殘疾人士的生活便利性。該主題范圍較廣，具體項目由學生自由分組時的討論形成。如有一組決定設計制作便于殘疾人穿著的衣服，另一組則決定設計制作幫助上肢殘疾人士書寫及使用鼠標的助力支架。學生在確定項目后，首先花費大量時間進行的是項目的詳細規劃。每個小組都配備有項目規劃設計草圖本，在該本上，學生對預期成品進行文字描述，并對成品整體與各組成部件進行圖樣設計。這些過程性資料可于工程實施之前即預想出項目的最終成果形態，同時能展現其設計的演進過程。項目的設計與優化既有小組成員的共同參與，也有該校教師的參與。教師在項目進展中的職責主要有兩方面：一是作為具體技術的指導老師，給予學生技術上的指導；二是作為項目管理者在學生的創意與項目的可實現性之間找到平衡與妥協。學生及教師的行為明顯體現出工程思維的籌劃性、權衡性等在非工程項目中不易培養的工程思維特征。

STEM教育中的技術一般而言出現在工程實施階段，但關鍵技術的選擇則是工程設計階段的重要任務之一。關鍵技術的選擇與工程實施環節的常規性、穩定性、安全性、可控制性息息相關，往往也是工程設計創新性得以實現的有力保證。在NuVu，學生進入該校的第一周為基礎技術學習時間，學生將接觸到在此后項目任務完成中可以借助的各種工具，對從先進的激光切割、3D打印到傳統的金工、木工、縫紉等進行最基礎的學習。這種基礎性的學習為學生的后期技術加工、深入探索打下基礎，更為學生后期的工程設計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簡單，由激光切割的木條構成框架，輔助以滾輪等標準件；附著于上肢的部件結構相對復雜，學生選擇使用3D打印制作。通過觀察其結構的復雜程度，再考慮到每個項目時長僅為兩周，如采用其他技術，無法在限定時間內掌握加工技術并完成部件精細制作，因此3D打印技術的選擇成為該項目能最終完成的關鍵。

在工程活動中，向現實限制的妥協是一種常態。這種現實限制可能來自于人力、物力、財力、時限等各個方面。在Malden Academy STEAM這所小學開展的經典項目：雞蛋保護裝置的設計制作中，教師為學生提供了牛奶盒、海綿、膠帶、便簽紙等多種材料。但在提供材料的同時，教師也提供了每份材料的“價格”及每個項目組的項目總“預算”，使學生的選材總量受到一定的限制。這一體現工程預算、權衡、統籌的做法，使得學生在項目設計階段受制于有限的經費而不得不慎重取材。但材料的受限使得學生轉向考慮通過結構的優化實現項目預期功能，反而促發了學生對結構、力學等問題進行深入的分析與思考，從而出現了雙層緩沖等復雜設計，以最少的材料獲得了最優的效果。

筆者曾作為評委參加了馬薩諸塞州Marlborough高中的STEM嘉年華，其中10年級的主題為火星移民基地的設計規劃。具體任務為由各小組為設想中的移民至火星的人類基地規劃社區。每小組最終呈現的基地模型是用塑料泡沫等制作，代表社區中的民宅、商業中心、市政中心、醫院、學校、監獄等。模型的制作工藝普遍不夠精致，但每組設計圖樣的嚴謹程度則比模型明顯高出一籌。在學生的項目情況匯報中，對于前后數版設計的改進介紹更體現出對項目設計環節迭代的重視。如某小組在監獄設置的處理上，從距離人群密集地區的位置設置、按犯罪人口比例調整的容量設置，到出逃防控的考慮，無一不體現出設計過程中的迭代，它可以大大降低延遲至實施環節再進行迭代而造成的高昂代價，因此在工程活動中具有重要的意義。

工程設計環節中確定的工程方案需要在實施環節中得以貫徹和落實，工程實施環節的工程實施思維注意常規性、穩定性、安全性和可控制性，與以創新性及籌劃性為主要特點的工程設計思維有明顯區別。在STEM教育中，一般為同組學生先后擔任設計與實施工作。此時學生應從工程設計時的創新思維轉向從項目的常規性、穩定性、安全性、可控制性等方面進行考慮，并選擇項目中涉及的非關鍵技術，保證工程實施的順利進行。對于教師而言，在此階段應引導學生完成角色轉變，轉換思考角度，這將有利于工程實施的順利進行。

工程消費思維體現在工程完工之后的消費階段，體現了馬克思所說：生產出的產品是只有在消費中才成為現實的產品的，如果一條鐵路不通車，一件衣服無人穿，一間房屋無人住，那它們就只是可能性的產品而不是現實性的產品。[7]由于目前基礎教育領域內大多數STEM項目的物化成果往往以模型為主，不具備實際使用的可能性，因此導致對此思維的培養缺乏實踐基礎。為體現工程項目對來自真實情境問題的切實回應，并使學生經歷工程活動的完整過程，教師在帶領、陪伴學生進行STEM項目選擇時應有所引導，使項目成果盡可能成品化而非模型化。來自學生身邊學習和生活環境、并能投入實際使用的項目可作為STEM項目的優先選擇，如校園海綿景觀設計、校園智慧種植園、母親河水質檢測項目等，皆來自真實情境并回饋真實情境。

3 結語

對于我國基礎教育領域的STEM教育而言，目前工程思維培養的最大困難在于師資，在于STEM教師與工程相關素養的欠缺。中國教育科學研究院STEM教育研究中心研制的《STEM教師能力等級標準(試行)》提出了STEM教師能力指標體系，工程實踐已被列入其中，具體包括：理解工程學科在STEM中的價值和地位；理解工程思維的復雜性、系統性、目的性及價值性等特點；具備將工程思維貫穿應用于STEM課程的設計、實施、評價反思過程中的意識和能力。因此，如何以該標準為依據，提高教師工程相關素養，從而培養學生的工程思維，使學生成為具備完整科學思維、技術思維、工程思維的人才，應成為STEM教育今后關注的重要課題。