工程教育的現(xiàn)代審視：STEM課程活動的視角

侯 甜 李靜靜

（陜西師范大學 教育學院，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、技術(shù)、工程和數(shù)學領(lǐng)域的綜合教育。它以其跨學科融合為顯著特征，但不是將科學、技術(shù)、工程和數(shù)學知識簡單相加作以課程內(nèi)容呈現(xiàn)，而是將各個領(lǐng)域有機融合構(gòu)成一個完整整體。

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 教育教學方式、STEM 教育政策、STEM 教育的理論知識及STEM 教育中的工程和科學素養(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。在此時代背景之下，國內(nèi)STEM 教學活動也在如火如荼的開展，與此相關(guān)的機器人教育、創(chuàng)客教育等也呈大好之勢。STEM 教 育 中 的“S（science）”“M（math）”“T（technolo?gy）”都有相應(yīng)的課程作以支撐，如科學課程、數(shù)學課程、技術(shù)教育等，但在具體教學實踐過程中，工程教育卻缺乏相應(yīng)課程支持，在“E（engineer）”這一方面相對薄弱。因此，如何增強工程教育的培養(yǎng)，以便優(yōu)化STEM 教育活動質(zhì)量尤為重要。

許多教育科學方面的研究證實，工程項目設(shè)計恰恰有利于這一問題的解決。工程項目設(shè)計是一個復(fù)雜的決策和解決問題的過程。它需要科學、數(shù)學、工程和技術(shù)知識的應(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，在工程項目設(shè)計過程中，高階思維能力對于分析問題因素、預(yù)測不同解決方案的可行性、評估結(jié)果和優(yōu)化解決方案是必不可少的。具體來說，工程項目設(shè)計提供了一個真實的環(huán)境，通過它來指導(dǎo)學生應(yīng)用綜合的跨學科知識和發(fā)展高層次思維能力。而在此實踐過程中，最核心的問題就是學生思維能力的培養(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，工程是一種針對人造世界的活動，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價值實現(xiàn)為前提的、包含了設(shè)計和制造的創(chuàng)造性生產(chǎn)活動。思維是人類社會誕生以來所特有的一種極為復(fù)雜的心理現(xiàn)象，是人腦對客觀事物能動地、間接地和概括地反映，體現(xiàn)了人類對客觀物質(zhì)世界的認識過程和反映過程[2]。

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

2.工程思維內(nèi)涵

美國國家工程科學院（NAE）在《K-12 教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來》報告中指出工程思維即：工程的“思維習慣”，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的主體在解決工程實際問題中所運用的思維，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值目的。它是一種價值化的思維方式。而理論思維以認知為價值目的。它是一種半價值化的思維方式。或者說它是一種內(nèi)部非價值化的思維方式。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[5]。

在我國“工程思維”被深入、系統(tǒng)地研究始于徐長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》一書中又對工程思維進行了探討。徐長福從區(qū)分理論思維與工程思維出發(fā)，對工程思維進行了詳細論述。殷瑞枉、汪應(yīng)洛、李伯聰?shù)热藦目茖W、技術(shù)、工程三元論的角度出發(fā)論述工程思維。按照科學、技術(shù)、工程三元論的觀點，工程就是將科學和技術(shù)知識綜合運用到實踐中去，并得到一種人工產(chǎn)品或技術(shù)服務(wù)的實踐活動。

綜上所述，本文中的工程思維是指在人們進行工程項目設(shè)計過程中形成的一種思維方式，而工程項目設(shè)計是針對真實環(huán)境中的問題，為了滿足特定需要的一種復(fù)雜的設(shè)計活動。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，其主要特點是現(xiàn)實性、創(chuàng)造性及復(fù)雜性。現(xiàn)實性主要體現(xiàn)在工程思維旨在滿足價值主體的需求，通過整個工程實踐過程，設(shè)計出滿足需求的產(chǎn)品；工程思維的首要本質(zhì)便是其創(chuàng)造性，工程活動的本質(zhì)特征就是創(chuàng)造出一個世界上本不存在的人工實體；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)耳機械性疾病[1],主要癥狀為當頭部快速移到某一位置時出現(xiàn)眩暈與眼震。目前認為耳石癥的發(fā)生與耳石器中的耳石脫落有關(guān),當頭部快速移動時,耳石滾動到其它平衡結(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)位的方法進行治療,Epley手法復(fù)位和Barbecue翻滾手法復(fù)位是當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）工程項目設(shè)計

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

工程項目設(shè)計是一個高度社會化、迭代化的過程，在這個過程中，通常不存在唯一正確的標準答案[7]。可以看出，工程項目設(shè)計過程復(fù)雜、內(nèi)容豐富。與此同時，它也涵蓋了科學、數(shù)學、工程和技術(shù)等領(lǐng)域知識，同時要求具備學生發(fā)散思維、系統(tǒng)思維、設(shè)計思維等各項思維能力，以便得出更好的設(shè)計方案及設(shè)計作品。

目前，工程項目設(shè)計已經(jīng)成為K-12（kindergarten through twelfth grade）學生參與科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）學習的重要途徑，參與工程項目設(shè)計的學生可以通過解決問題，使所學的知識和技能之間產(chǎn)生聯(lián)系，最終實現(xiàn)知識的意義建構(gòu)。在工程項目設(shè)計中，當學生將一個問題轉(zhuǎn)化為一個目的，然后再轉(zhuǎn)化為一個行動時，他們需要具備適當?shù)腟TEM 概念知識、技術(shù)技能和工程設(shè)計能力，以迎接項目設(shè)計帶來的挑戰(zhàn)。

（三）工程思維與工程項目設(shè)計

工程思維與工程項目設(shè)計是一種相互交融、相輔相成的關(guān)系。在一個完整的工程活動中，工程項目設(shè)計尤其關(guān)鍵，起著縱觀全局、設(shè)計藍圖的作用，既要把握“航向”即完成產(chǎn)品需求，又要考慮整個系統(tǒng)中的各個要素及不確定性。而工程思維則是進行工程決策、工程項目設(shè)計和工程運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工程活動中，同時不斷發(fā)展、不斷變化。

三、工程項目設(shè)計：基于STEM課程活動

工程項目設(shè)計結(jié)合STEM 教學方法可以提高學生對科學和數(shù)學知識應(yīng)用的學習。這樣就無需增設(shè)工程課程，將工程設(shè)計思想貫穿于整個STEM 教學活動中，通過具體的工程設(shè)計活動培養(yǎng)學生的工程思維，同時也進一步應(yīng)用科學及數(shù)學相關(guān)知識概念。

（一）工程項目設(shè)計課程要素

關(guān)于工程項目設(shè)計課程要素存在多種說法，具體如下。

Lewis 等認為工程項目設(shè)計課程的核心要素包括系統(tǒng)思維、約束識別、預(yù)測；Mentzer 認可了工程項目設(shè)計的六個關(guān)鍵要素，包括問題定義、解決方案的開發(fā)、分析/建模、實驗、決策和團隊合作；Burghardt 和Hacker 強調(diào)了一個讓學生參與工程項目設(shè)計過程的知情設(shè)計周期，包括明確設(shè)計規(guī)范和約束、研究和調(diào)查問題、生成替代設(shè)計、選擇并證明最優(yōu)設(shè)計、開發(fā)一個原型、測試和評估設(shè)計方案、通過修改重新設(shè)計解決方案并交流成果。Householder 和Hailey 還指出，工程項目設(shè)計周期包括九個步驟：識別需求或問題、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)建一個原型、測試和評估解決方案、溝通解決方案、重新設(shè)計、最后完成設(shè)計[8]。

由于工程項目設(shè)計是一種有目的的、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，筆者較認同的是House?holder and Hailey 九步驟的說法，將工程項目設(shè)計周期劃分為九個步驟，每個步驟之間相互聯(lián)系，迭代循環(huán)，最終完成設(shè)計。在進行工程項目設(shè)計過程中，要牢牢遵循工程設(shè)計活動應(yīng)建立在數(shù)學和科學原理的基礎(chǔ)之上。設(shè)計的迭代必須建立在一個合理的理論基礎(chǔ)之上，并對早期試驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行分析，而不是依賴于簡單的試驗和檢錯。

（二）整合工程思維的STEM課程活動

在工程設(shè)計過程中，需具備理解物理關(guān)系的科學基礎(chǔ)和指導(dǎo)工程設(shè)計模型的數(shù)學基礎(chǔ)。在進行相應(yīng)的課程活動設(shè)計時，能夠滿足高中水平真實工程設(shè)計標準的工程設(shè)計挑戰(zhàn)，同時以基于標準的STEM 內(nèi)容為目標，是最為理想的。為學生創(chuàng)造豐富、刺激的工程設(shè)計學習經(jīng)驗的教育者需要考慮工程設(shè)計活動的特點，包括思考和行動的標準、過程、習慣，以及學習環(huán)境的特征，使學生能夠參與工程設(shè)計挑戰(zhàn)，以滿足學習結(jié)果。關(guān)于如何有效整合工程思維的STEM 課程活動，國外也存在相應(yīng)研究及成果，通過對比其應(yīng)用效果及影響力，Szu-Chun Fan 等人提出的高中工程設(shè)計課程框架較為典型，故作以詳細介紹，以下是其詳細內(nèi)容（如圖1所示）[9]。

圖1 高中工程設(shè)計課程框架

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

課程框架中的幾個要素將通過設(shè)計STEM 教學活動得到強調(diào)。因此，在進行整合工程思維的STEM 課程活動設(shè)計時，應(yīng)注意以下幾點。

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)計思維的關(guān)鍵步驟，它是工程設(shè)計的第一階段，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?shù)腟TEM 知識和創(chuàng)造力。在工程教育和其他STEM 學科中，許多活動完全集中在聚合思維上，其中的重點是推理和使用系統(tǒng)的分析方法來達到一個可驗證的解決方案。所有問題局限于一種標準答案，這種現(xiàn)象較為普遍。然而，在面對工程項目設(shè)計挑戰(zhàn)時，思考問題的發(fā)散性和靈活性尤為關(guān)鍵。在工程項目過程中，鼓勵學生發(fā)散思維會幫助學生打破慣性思維，以免局限于某一狹小范圍，為他自動排除或者忽略排除其他選擇。

第三，預(yù)測分析在決定實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，就要對預(yù)期結(jié)果作預(yù)測，既要考慮項目設(shè)計過程中的不確定或意外因素，也要對預(yù)期效果或者完成程度有著明確的把握。

第四，對原型進行建模和測試是評估解決方案結(jié)果的重要能力。在預(yù)測分析、建模、測試、修改和優(yōu)化的過程中，學生應(yīng)該使用科學原理、數(shù)學或技術(shù)輔助（如計算機模擬、物理模型）在不同的條件下測試解決方案，并記錄和分析結(jié)果，而不是簡單地使用反復(fù)試驗。當學生通過設(shè)計評估來重新設(shè)計STEM 學習過程時，修改和反復(fù)嘗試是確保成功的有效方法。

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

四、思考與討論

工程項目設(shè)計中的挑戰(zhàn)是以科學、技術(shù)和數(shù)學為基礎(chǔ)，可以說，工程項目設(shè)計過程有效的將科學、技術(shù)、工程、數(shù)學四個領(lǐng)域串聯(lián)起來。學生在進行工程項目設(shè)計時，針對設(shè)計問題，在解決問題過程中，有效調(diào)動起各個領(lǐng)域的知識，如在對問題進行探究時，運用科學相關(guān)的知識；在進行相關(guān)值的運算或臨界值的確定時，運用數(shù)學相關(guān)的知識；在對設(shè)計作品進行建模時，運用技術(shù)相關(guān)的知識。

教師可在整個工程項目設(shè)計過程中使用不同層次的腳手架，而這取決于學生對開放式問題的經(jīng)驗、內(nèi)容領(lǐng)域的優(yōu)勢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)先驗知識

在闡明問題階段，學生首先會調(diào)動腦中知識庫的內(nèi)容，搜尋是否具有解決此問題的途徑與方法。有意義學習產(chǎn)生的條件就是已有知識與新知識聯(lián)系在一起，學習者將知識進行歸類加工，從而實現(xiàn)知識的意義建構(gòu)。因此，能否有效激活相關(guān)先驗知識就很關(guān)鍵，決定著問題闡明的效率和學習活動的質(zhì)量。

（二）注意概念關(guān)鍵特征

工程項目設(shè)計涉及科學、技術(shù)和數(shù)學等多個知識領(lǐng)域，所以，在面對一個知識概念時，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，同時其他領(lǐng)域知識作以輔助作用，共同完成問題解決的過程。

（三）迭代循環(huán)設(shè)計過程

整個工程項目設(shè)計是一個迭代循環(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，既要考慮學生在項目實施過程中可能遇到的困難與阻礙、也要提前準備預(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)學科之間的界限，從而將科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學構(gòu)建成一個完整的課程。在國內(nèi)，與其他領(lǐng)域相比，對工程教育的關(guān)注就顯得比較薄弱。2001年，馬薩諸塞州是第一個為所有的K-12學生開發(fā)與實施工程和技術(shù)課程框架和評估的州；科學教育框架草案于2010年在新的國家科學標準中增加了工程設(shè)計部分。這種對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 課程活動中至關(guān)重要。