職前教師工程思維培養(yǎng)路徑的循證研究

摘" "要：工程科技人才是應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的中堅(jiān)力量，工程思維是其靈魂。教育碩士承擔(dān)著教書育人的根本使命，他們的工程思維直接影響中小學(xué)生的工程素養(yǎng)，為教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)蓄力。借助分析“新工科”背景下工程思維培養(yǎng)的演進(jìn)特征，通過課程目標(biāo)、育人途徑與評(píng)價(jià)模式的全面升級(jí)來探究其實(shí)踐取向。然后基于腦電神經(jīng)生理證據(jù)的多案例比較研究法，對(duì)比不同教學(xué)模式對(duì)教育碩士學(xué)習(xí)難易程度不同的工程問題的影響，探究工程思維培養(yǎng)的有效策略。實(shí)驗(yàn)先行：教學(xué)方式影響新手解決問題的策略選擇；打破束縛：突破學(xué)科思維定勢(shì)才能解決新問題；專業(yè)壁壘：?jiǎn)栴}難易影響職前教師工程思維的運(yùn)用；隨機(jī)應(yīng)變：工程思維塑造大腦的變式能力。基于此對(duì)教育碩士工程思維培養(yǎng)路徑提出優(yōu)化：一是摒棄重科研、輕實(shí)踐的觀念，拓寬實(shí)踐創(chuàng)新的培育策略；二是突破思維定勢(shì)，多維評(píng)估職前教師的學(xué)業(yè)表現(xiàn)；三是基于真實(shí)情境設(shè)置高階思維實(shí)踐問題，循證養(yǎng)成工程思維；四是為工程活動(dòng)搭建系統(tǒng)思維支架，塑造問題解決的變式思維。

關(guān)鍵詞：教育碩士；職前教師；工程思維；高等工程教育；多案例比較；腦電研究

中圖分類號(hào)：G434" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號(hào)：1673-8454（2024）12-0080-09

黨的二十大報(bào)告提出加快建設(shè)高質(zhì)量教育體系和培養(yǎng)國(guó)家戰(zhàn)略人才，努力培養(yǎng)造就卓越工程師，實(shí)現(xiàn)教育強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)和人才強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)。我國(guó)工程教育改革已進(jìn)入攻堅(jiān)階段，必須重視工程教育學(xué)科建設(shè)，有效培養(yǎng)高層次工程人才。習(xí)近平總書記在湖北武漢考察時(shí)強(qiáng)調(diào)科技自立自強(qiáng)是國(guó)家強(qiáng)盛之基、安全之要，發(fā)展“領(lǐng)跑型”戰(zhàn)略前沿技術(shù)和解決關(guān)鍵“卡脖子”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，亟待加強(qiáng)高層次工程科技人才培養(yǎng)和戰(zhàn)略儲(chǔ)備。[1]在工程教育中，工程思維培養(yǎng)是最核心的任務(wù)和內(nèi)容之一。[2]教育碩士研究生作為職前教師承擔(dān)著教書育人的根本使命，他們的工程思維直接影響中小學(xué)生的工程素養(yǎng)。基于此，本研究系統(tǒng)分析工程思維培養(yǎng)的實(shí)踐取向，結(jié)合腦電的神經(jīng)生理證據(jù)對(duì)職前教師工程思維發(fā)展的關(guān)鍵路徑進(jìn)行多案例比較，從高等院校教學(xué)模式、工科學(xué)業(yè)成就評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、工程實(shí)踐課程改革三方面為“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）的中小學(xué)后備師資培育提供啟示。

一、工程思維培養(yǎng)的實(shí)踐取向：課程目標(biāo)、育人途徑與評(píng)價(jià)模式的全面升級(jí)

工程教育的核心是工程思維，工程人才培養(yǎng)的靈魂也是工程思維，實(shí)踐取向的工程思維培養(yǎng)是新工科背景下課程改革目標(biāo)追求、育人途徑變革與評(píng)價(jià)模式升級(jí)的有效實(shí)踐路徑。

（一）實(shí)驗(yàn)技能是高等工程教育的主流課程目標(biāo)

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，高等工程教育面臨新挑戰(zhàn)與機(jī)遇，人才需求向跨領(lǐng)域、多學(xué)科、智能化方向發(fā)展。高等工程教育應(yīng)該呼應(yīng)時(shí)代需求，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、工程思維為目標(biāo)，提高學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。相比以事件為導(dǎo)向的理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力、科學(xué)開發(fā)能力，以及綜合分析和解決問題能力方面具有不可替代的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，發(fā)展復(fù)雜的科學(xué)本質(zhì)觀念，促進(jìn)他們解決真實(shí)生活情境中復(fù)雜問題的能力，以及團(tuán)隊(duì)合作能力，能夠培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力、創(chuàng)造能力、解決問題能力和同理心。[3]實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生根據(jù)對(duì)“實(shí)驗(yàn)樣例”的學(xué)習(xí)，建立對(duì)應(yīng)的“原型”，當(dāng)學(xué)生面對(duì)實(shí)際問題的解決時(shí)，將“樣例”與“原型”進(jìn)行匹配，從而創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題。高等工程教育的目標(biāo)是培養(yǎng)能夠解決各種工程問題的人才，理論教學(xué)可以建立和豐富學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能是提高學(xué)生問題解決能力的最直接途徑，面對(duì)智能時(shí)代的新變化與新挑戰(zhàn)，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、加快從“重理論”向“重應(yīng)用”“重實(shí)踐”轉(zhuǎn)變成為高等工程教育課程改革的重要目標(biāo)。

（二）科學(xué)實(shí)踐是培養(yǎng)工程思維的關(guān)鍵育人途徑

美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（Next Generation Science Standards， NGSS）強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科概念，包括科學(xué)與工程實(shí)踐、橫斷性科學(xué)主題和跨學(xué)科思維，在NGSS中，科學(xué)實(shí)踐被視為學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的核心活動(dòng)，被強(qiáng)調(diào)為科學(xué)教育的重要組成部分。科學(xué)實(shí)踐經(jīng)歷科學(xué)創(chuàng)制的過程，運(yùn)用多種活動(dòng)方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，不是簡(jiǎn)單機(jī)械、靜觀、被動(dòng)地記憶背誦練習(xí)，而是參與豐富多彩的科學(xué)活動(dòng)，開展基于科學(xué)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，即“做科學(xué)”而不是“學(xué)科學(xué)”。[4]2020年美國(guó)發(fā)布《技術(shù)與工程素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)和工程在STEM教育中的作用》（Standards for Technological and Engineering Literacy： The Role of Technology and Engineering in STEM Education， STEL），STEL為學(xué)生提供成為具有技術(shù)和工程素養(yǎng)公民所需的八大核心標(biāo)準(zhǔn)、八大技術(shù)與工程實(shí)踐以及八大場(chǎng)景，其中STEL的八大實(shí)踐領(lǐng)域由系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、制造與操作、批判性思維、樂觀、交流、合作、道德關(guān)注構(gòu)成，在這八種實(shí)踐中，制作與操作是核心，通過制作與操作學(xué)生可以經(jīng)歷其他七種實(shí)踐，并且這種實(shí)踐是以創(chuàng)造力為導(dǎo)向的，也就是說實(shí)踐是培養(yǎng)系統(tǒng)思維、批判性思維等高階思維的基礎(chǔ)，通過實(shí)踐可以“生出”一系列高階思維，而高階思維能力在科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展中起到核心推動(dòng)作用。[5]STEL實(shí)踐領(lǐng)域不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力，還能在學(xué)生情感、行為的特質(zhì)方面具有較強(qiáng)的塑造作用，培育創(chuàng)新人才方面實(shí)現(xiàn)知識(shí)、技能和品格的整體性推進(jìn)。

（三）科技賦能實(shí)踐教學(xué)是新工科發(fā)展的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)模式

“卓越計(jì)劃”啟動(dòng)以來，學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力備受關(guān)注，涌現(xiàn)出一批高質(zhì)量、高產(chǎn)出的工程人才。由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所高校創(chuàng)立的CDIO工程教育模式，是現(xiàn)代工程教育領(lǐng)域中最具代表性的教育方式之一，即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）。CDIO基于工程實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)“自我合作、團(tuán)隊(duì)合作、創(chuàng)新能力和全球視野”，通過“深入學(xué)習(xí)、廣泛設(shè)計(jì)、實(shí)踐運(yùn)用和個(gè)性化評(píng)估”四個(gè)基本環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程人才的高質(zhì)量培養(yǎng)。新工科建設(shè)在“卓越計(jì)劃”的基礎(chǔ)上，調(diào)整和轉(zhuǎn)變學(xué)科專業(yè)建設(shè)思路，將工程教育改革拓展到多學(xué)科交叉領(lǐng)域。[6]近年來，不管是對(duì)傳統(tǒng)工科如電氣、化工，還是新工科如計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程改革，研究者更多地將傳統(tǒng)理論教學(xué)改進(jìn)為理論與實(shí)踐相結(jié)合的模式，強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程中貫穿工程思維的培育。與靜觀學(xué)習(xí)相對(duì)，STEL認(rèn)為技術(shù)與工程的學(xué)習(xí)需要以學(xué)生的動(dòng)覺學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，并借助計(jì)算機(jī)軟件或其他方法設(shè)計(jì)和制造技術(shù)產(chǎn)品與系統(tǒng)。[7]隨著人工智能的發(fā)展，新興科學(xué)手段和工具不斷創(chuàng)新工程培養(yǎng)模式，如智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)和算法使學(xué)生能夠基于虛擬實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的學(xué)習(xí)，促進(jìn)高階思維能力提升，實(shí)時(shí)診斷評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程和效果，并給予個(gè)性化指導(dǎo)。[8]

目前，職前教師工程思維培養(yǎng)的研究多從群體視角出發(fā)探討實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值，有可能忽略個(gè)體差異和經(jīng)驗(yàn)，案例研究能夠從質(zhì)性分析視角深入了解特定個(gè)體行為、認(rèn)知和情緒，輔以腦科學(xué)的生理證據(jù)，有助于工程思維研究多模態(tài)證據(jù)的三角互證。腦電圖（EEG）能夠捕捉大腦活動(dòng)的實(shí)時(shí)變化，被國(guó)際學(xué)界有效地應(yīng)用于工程學(xué)習(xí)研究，因此基于多案例比較研究和神經(jīng)生理證據(jù)有助于探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)職前教師工程思維發(fā)展過程路徑的作用，多模態(tài)的循證研究結(jié)果可以為教育政策制定、機(jī)構(gòu)與學(xué)校管理人員提供有效決策參考。

二、多案例比較研究方法

（一）多案例比較的樣本選擇

多案例比較是一種交叉學(xué)科的研究方法，旨在探索多個(gè)案例的表現(xiàn)特征、繪制共同的模式，以及弄清案例間的關(guān)系和差異。該研究設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)案例共同存在的焦點(diǎn)現(xiàn)象，以及案例之間的異同，多案例分析包括案例內(nèi)分析和跨案例分析，以清晰地呈現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)念間的關(guān)系，案例內(nèi)分析即對(duì)每個(gè)案例進(jìn)行詳盡描述，跨案例分析即從不同維度對(duì)雙案例進(jìn)行比較。

本研究選擇7位教育碩士作為多案例研究的對(duì)象，包括來自工科專業(yè)的學(xué)生4名，即現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)的職前教師M、Q、X、Y，以及非工科專業(yè)的學(xué)生3名，即學(xué)科教學(xué)（物理）的職前教師K、Z、R。案例一進(jìn)行內(nèi)在分析，即職前教師X在講授教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件下問題解決時(shí)腦電功率譜比較。案例二、三、四進(jìn)行跨案例分析，即從不同維度對(duì)雙案例進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)通過控制、排除與研究問題不相關(guān)因素干擾，關(guān)注核心變量，將分析過程出現(xiàn)的核心問題進(jìn)行抽象和提煉，選取的研究對(duì)象包括工科和非工科的教育碩士，關(guān)注變量有問題難易程度、問題解決策略，通過案例內(nèi)分析和跨案例分析探索不同背景學(xué)生在面對(duì)困難問題和簡(jiǎn)單問題時(shí)的解決策略，以及教學(xué)模式（講授式和實(shí)驗(yàn)式）的影響。

（二）工程思維維度劃分與評(píng)定

國(guó)際技術(shù)與工程教育協(xié)會(huì)（The International Technology and Engineering Educators Association， ITEEA）將技術(shù)與工程素養(yǎng)概括為認(rèn)知、思維和實(shí)踐三個(gè)維度。其中，認(rèn)知包括獲取信息、組織信息、理解事實(shí)和概念關(guān)系；思維包括通過提問、分析和決策來理解信息等；實(shí)踐包括應(yīng)用技術(shù)和工程方法，如設(shè)計(jì)、制作/建造、生產(chǎn)和評(píng)估。工程設(shè)計(jì)流程與問題解決過程相似，工程思維中的系統(tǒng)思維、設(shè)計(jì)思維都屬于高階思維，往往體現(xiàn)在復(fù)雜認(rèn)知活動(dòng)中。2014年，英國(guó)皇家工程院構(gòu)建六項(xiàng)工程思維結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)思考、發(fā)現(xiàn)問題、可視化、改進(jìn)、創(chuàng)造性解決問題、適應(yīng)。[9]工程思維是指通過若干層面理論的非邏輯性整合，進(jìn)行知識(shí)固化、理論化、規(guī)范化，建立可重復(fù)使用的最優(yōu)活動(dòng)過程。[10]它是內(nèi)涵豐富的思維，既有數(shù)學(xué)和科學(xué)思維的成分，也有藝術(shù)思維的成分；有邏輯思維的推理（歸納、演繹），也有形象思維的創(chuàng)造性過程，以及工程特有的“外展”（abduction）。[11]基于此，本研究將工程思維的結(jié)構(gòu)劃分為五個(gè)維度，即循證提出問題、根據(jù)推理進(jìn)行假設(shè)、建模設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與生成數(shù)據(jù)、解釋數(shù)據(jù)得出結(jié)論加以驗(yàn)證、元認(rèn)知知識(shí)與元認(rèn)知控制。

（三）評(píng)價(jià)內(nèi)容設(shè)計(jì)和分析框架

電氣專業(yè)是典型的工科專業(yè)，學(xué)生需要掌握電路論、電力電子技術(shù)等，是最為基礎(chǔ)與核心的知識(shí)體系；力學(xué)在航空航天、船舶、機(jī)械、土木工程等方面與工程日益緊密，成為工程人才不可或缺的知識(shí)基礎(chǔ)，基于此，本研究選取“電路”和“浮力”兩大知識(shí)領(lǐng)域，通過自編工程思維的測(cè)評(píng)工具來考查學(xué)生的工程思維水平。該測(cè)評(píng)工具經(jīng)過Rasch檢驗(yàn)，整體質(zhì)量較為理想。該測(cè)評(píng)工具由五道任務(wù)題組成，每道題目對(duì)應(yīng)工程思維的一個(gè)維度，具有整體性且循序漸進(jìn)，符合工程思維的系統(tǒng)性特征，根據(jù)學(xué)生對(duì)五道任務(wù)題的問題解決結(jié)果和各維度得分情況，對(duì)學(xué)生的工程思維水平進(jìn)行評(píng)定。參與者為北京某雙一流高校3名學(xué)科教學(xué)（物理）和4名現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)的教育碩士，前者為非工科專業(yè)，后者為工科專業(yè)，在參與者進(jìn)行工程思維任務(wù)題測(cè)試后，對(duì)其進(jìn)行一對(duì)一的半結(jié)構(gòu)化訪談，以獲得參與者對(duì)自我工程思維的主觀評(píng)價(jià)，并通過腦科學(xué)手段挖掘其工程思維學(xué)習(xí)的生理學(xué)證據(jù)。腦電圖是一種非侵入性的腦成像技術(shù)，通過精密的電子儀器，從頭皮上將腦部的自發(fā)性生物電位加以放大記錄而獲得的圖形，能夠測(cè)量大腦在不同認(rèn)知任務(wù)下的電活動(dòng)，具有高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，能夠精準(zhǔn)捕捉大腦活動(dòng)的時(shí)間特性和動(dòng)態(tài)變化，因此在不同工程教學(xué)模式下收集參與者的腦電信號(hào)，結(jié)合行為學(xué)研究可以精準(zhǔn)揭示其工程思維的學(xué)習(xí)機(jī)制。為保護(hù)參與者的隱私及匿名性，已經(jīng)將參與者姓名使用“字母”方式進(jìn)行編碼，本研究通過專業(yè)化的倫理審查，所有研究資料均經(jīng)參與者知情同意僅用于學(xué)術(shù)研究。

三、職前教師工程思維培養(yǎng)的有效策略探析

認(rèn)知水平直接影響職前教師工程思維發(fā)展，工程知識(shí)是其基礎(chǔ)，思維模式是其內(nèi)核，即思維習(xí)慣和工程方法等，學(xué)習(xí)策略是其保障，表現(xiàn)為算法策略、啟發(fā)式策略等。工程思維學(xué)習(xí)過程中不同腦區(qū)也在發(fā)揮著作用，結(jié)合參與者在不同教學(xué)模式下工程思維學(xué)習(xí)過程中的行為學(xué)表現(xiàn)、腦電數(shù)據(jù)和訪談資料，通過案例內(nèi)和跨案例分析，提出工程思維培養(yǎng)的有效策略。

（一）實(shí)驗(yàn)先行：教學(xué)方式影響新手解決問題的策略選擇

當(dāng)面對(duì)新問題時(shí)，不管是知識(shí)儲(chǔ)備或者問題解決策略方面都屬于“資源有限”的狀態(tài)，是否能夠恰當(dāng)表征問題以及選擇、應(yīng)用策略，都與之前習(xí)得的教育方式高度相關(guān)。接受學(xué)習(xí)是一種由教師引導(dǎo)學(xué)生直接接受事物意義的學(xué)習(xí)，以概念、定義等定論形式講授給學(xué)生；實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)讓學(xué)生親自操作、觀察和思考，培養(yǎng)其實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。結(jié)合圖1現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)職前教師X的腦電功率譜可知，在接受講授教學(xué)過程中，其前額葉和枕葉有明顯激活，采取回憶和再認(rèn)的方式來識(shí)別問題、表征問題，并對(duì)新問題與長(zhǎng)時(shí)記憶中已有知識(shí)進(jìn)行比較，更多基于語義層面進(jìn)行工程問題解決。而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式中，X的頂葉有較強(qiáng)的激活，說明其試圖對(duì)視覺和空間信息進(jìn)行整合，嘗試使用綜合性的問題解決方式。由此可知，不同教學(xué)方式會(huì)對(duì)學(xué)生解決問題的策略選擇產(chǎn)生差異化影響。當(dāng)采用講授式教學(xué)時(shí)，學(xué)生更多采用語義提取，基于理論、定義、概念的方式進(jìn)行問題解決，不斷提取長(zhǎng)時(shí)記憶中的信息；當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生則可以更好地監(jiān)控各腦區(qū)的活動(dòng)，整合視空信息與擴(kuò)展思考內(nèi)容廣度，有助于提高真實(shí)工程問題解決的質(zhì)量。

（二）打破束縛：突破學(xué)科思維定勢(shì)才能解決新問題

學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)是主動(dòng)地形成認(rèn)知結(jié)構(gòu)，有意義學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)是符號(hào)所代表的新知識(shí)與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的適當(dāng)觀念建立非任意的、實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，條件是學(xué)習(xí)者必須具備有意義學(xué)習(xí)的心向，也就是主動(dòng)將問題所涉及的新知識(shí)與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有知識(shí)加以聯(lián)系。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和講授教學(xué)中，現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)職前教師Y不論是面對(duì)復(fù)雜問題還是簡(jiǎn)單問題均采用相同的思維策略。結(jié)合圖2左側(cè)腦電地形圖，Y的Alpha波在大腦頂葉激活減弱，頂葉是認(rèn)知和問題解決的重要區(qū)域，而Alpha波的減弱與認(rèn)知資源的分配有關(guān)，該職前教師提取了空間信息等專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行決策制定、推理等問題解決；同樣，對(duì)于學(xué)科教學(xué)（物理）的Z來說，在接受兩種不同教學(xué)模式中，面對(duì)不同難度的問題也采用相同的思維策略，結(jié)合圖2右側(cè)腦電地形圖，在面對(duì)復(fù)雜和簡(jiǎn)單問題時(shí)，其大腦前額葉和枕葉區(qū)域活動(dòng)增加，試圖努力嘗試有計(jì)劃地控制自我思考，并不斷回憶教學(xué)內(nèi)容，包括語義、概念和規(guī)則等。雖然學(xué)生Y和Z面對(duì)問題所采取的腦部活動(dòng)模式不同，但是對(duì)于Y來說，即使教學(xué)模式與問題解決難度不同，其仍然采取相同的思維策略，由此可知該同學(xué)有較強(qiáng)的工程思維定勢(shì)，習(xí)慣使用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)直接進(jìn)行工程問題解決，缺乏系統(tǒng)的工程思維和創(chuàng)新思維；而對(duì)于Z來說，作為一名非工科學(xué)生，也無法突破學(xué)科思維定式來進(jìn)行工程問題的解決。從工程問題解決的質(zhì)量上看，兩者的工程思維水平均不高。因此，不管學(xué)生的專業(yè)屬性如何，突破學(xué)科思維定勢(shì)才有可能解決新的工程問題，生成創(chuàng)造性的工程問題解決方案。

（三）專業(yè)壁壘：?jiǎn)栴}難易影響職前教師工程思維的運(yùn)用

現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)Q與學(xué)科教學(xué)（物理）的K在接受相同的講授教學(xué)模式時(shí)，面對(duì)簡(jiǎn)單問題能夠成功提取記憶中已有的知識(shí)和講授過程中的內(nèi)容，所采用的問題解決策略相同，結(jié)合圖3腦電地形圖可知，專業(yè)學(xué)生Q的右側(cè)頂葉激活較強(qiáng)，表征出對(duì)空間的感知與處理以及注意的控制；非專業(yè)學(xué)生K頂葉激活較強(qiáng)，該同學(xué)基于已有知識(shí)不斷嘗試進(jìn)行問題解決，并能夠很好地進(jìn)行注意控制；但是面對(duì)復(fù)雜問題時(shí)，兩位的問題解決策略產(chǎn)生明顯差異，Q雖然面對(duì)復(fù)雜的工程問題沒用已有的辦法直接解決，但是其前額葉和枕葉激活，說明各腦區(qū)得到很好監(jiān)控，枕葉激活說明其通過不斷回憶語義對(duì)問題進(jìn)行識(shí)別，前額葉激活說明在積極針對(duì)問題尋找解決方案；反觀K在面對(duì)復(fù)雜問題時(shí)腦區(qū)沒有明顯激活區(qū)域，其在面對(duì)專業(yè)外的工程問題時(shí)幾乎處于束手無策的狀態(tài)，各腦區(qū)無法進(jìn)行有效的聯(lián)結(jié)，從而無法形成一個(gè)整體的問題解決方案。

（四）隨機(jī)應(yīng)變：工程思維塑造大腦的變式能力

工程問題是一個(gè)多因素、多約束、多目標(biāo)、多變性和多階段的復(fù)雜系統(tǒng)，為使工科學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力，應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)工程思維能力，讓其能夠按照科學(xué)、系統(tǒng)的思維方式去分析和處理問題，[12]這也是工程思維的核心要素之一。要達(dá)成復(fù)雜工程的系統(tǒng)思維離不開學(xué)生對(duì)不同問題隨機(jī)應(yīng)變的解決思路，這就要求其腦部運(yùn)作方式具備靈活適應(yīng)性和高度監(jiān)控性。結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)具備高水平工程思維的學(xué)生R面對(duì)簡(jiǎn)單和復(fù)雜問題情境采用不同認(rèn)知策略，即面對(duì)簡(jiǎn)單問題時(shí)采取空間視覺信息整合策略，面對(duì)復(fù)雜問題時(shí)采取語義策略；而不具備高水平工程思維學(xué)生M面對(duì)簡(jiǎn)單和復(fù)雜問題情境都采用了空間視覺信息整合，且需要更多認(rèn)知努力，即面對(duì)本專業(yè)問題依然不能隨機(jī)應(yīng)變，針對(duì)不同問題情境不能靈活采取不同的解決方案，大腦的思考運(yùn)作模式保持一致。

四、“新工科”背景下職前教師工程思維培養(yǎng)的可能路徑

新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的變革浪潮激活傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)展模式，使新型工業(yè)化思想重塑工程教育，從頂層設(shè)計(jì)到落地實(shí)施均與數(shù)字化背景密切聯(lián)系。[13]因此，循證分析職前教師工程思維的培養(yǎng)策略有助于深度解析“新工科”背景下工程創(chuàng)新人才的有效培育路徑。

（一）摒棄重科研、輕實(shí)踐的觀念，拓寬實(shí)踐創(chuàng)新的培育策略

加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、提高創(chuàng)新能力是新興工程教育的重點(diǎn)任務(wù)之一。在高等工程教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性不言而喻，理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方式能夠?yàn)閷W(xué)生提供深入學(xué)習(xí)和體驗(yàn)真實(shí)工程場(chǎng)景的具身實(shí)踐，通過對(duì)7位教育碩士生的多案例比較研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于講授教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，不僅能給學(xué)生提供多維信息，還可以在解決新問題時(shí)提供范例，易于整合已有空間信息和理論知識(shí)，同時(shí)更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，促使他們以創(chuàng)新的方式解決問題。另外，實(shí)驗(yàn)還有助于培養(yǎng)其在共享領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)合作和溝通能力。工程思維不僅包括理論邏輯、實(shí)踐邏輯以及非邏輯的科學(xué)思維方法，還包含體驗(yàn)、想象、頓悟、情感等多重結(jié)構(gòu)的相互疊加，且更為關(guān)注現(xiàn)實(shí)性的行動(dòng)邏輯，側(cè)重解決“應(yīng)當(dāng)如何做”的問題，[14]體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在職前教師工程思維發(fā)展中的重要作用。

（二）突破思維定勢(shì)，多維評(píng)估職前教師的學(xué)業(yè)表現(xiàn)

思維定勢(shì)非常容易讓學(xué)生產(chǎn)生思維防性，從而養(yǎng)成一種死板、機(jī)械、千篇一律的問題解決模式，因此思維定勢(shì)將是工程領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)造的一大屏障，不利于職前教師工程思維發(fā)展。應(yīng)在實(shí)踐教學(xué)或?qū)嶒?yàn)過程中，鼓勵(lì)職前教師提出大膽設(shè)想，對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)、現(xiàn)象進(jìn)行積極思考，采取“發(fā)散—收斂”的思維方式進(jìn)行工程問題解決。此外，“工科理科化”是指采用或接近理科的評(píng)價(jià)方式對(duì)工科學(xué)生進(jìn)行學(xué)業(yè)表現(xiàn)評(píng)價(jià)，即采用基礎(chǔ)理論的方法解決實(shí)際生活中的工程問題，打破這種評(píng)價(jià)傾向需要將評(píng)價(jià)的重點(diǎn)從論文數(shù)量轉(zhuǎn)移到學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)表現(xiàn)和能力上，應(yīng)該更多關(guān)注職前教師的項(xiàng)目作業(yè)、參與度、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面的綜合素養(yǎng)表現(xiàn)，多維評(píng)估可以更全面地反映他們的綜合能力，鼓勵(lì)他們?cè)趦?yōu)勢(shì)方向上的工程思維發(fā)展。

（三）基于真實(shí)情境設(shè)置高階思維實(shí)踐問題，循證養(yǎng)成工程思維

根據(jù)耶基斯—多德森（Yerkes-Dodson）的動(dòng)機(jī)倒U型曲線理論，任務(wù)的難易程度與問題解決的內(nèi)部動(dòng)機(jī)之間存在一定的關(guān)系，具體來說難度過高或者過低都會(huì)降低個(gè)體解決問題的動(dòng)機(jī)，而難度適中的問題或知識(shí)內(nèi)容會(huì)激發(fā)個(gè)體的創(chuàng)新和解決問題的能力，過于簡(jiǎn)單的問題可能會(huì)限制創(chuàng)新的空間，因?yàn)閭€(gè)體傾向于采用已知的、常規(guī)的方法來解決問題，而過于困難的問題會(huì)導(dǎo)致個(gè)體在嘗試解決問題時(shí)感到沮喪和無助，反而會(huì)影響創(chuàng)新思維。高等工程教育應(yīng)當(dāng)注重工程問題的實(shí)踐應(yīng)用，[15]在教學(xué)過程中選取難度適當(dāng)?shù)膶?shí)踐問題并采用高階思維教學(xué)模式，該問題應(yīng)緊密結(jié)合工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，讓職前教師能夠感受到工程學(xué)科的真實(shí)性和有用性，更加深刻地認(rèn)同工程思維的實(shí)際價(jià)值。

（四）為工程活動(dòng)搭建系統(tǒng)思維支架，塑造問題解決的變式思維

工程思維重視在特定約束條件下制定出一個(gè)能夠從初始狀態(tài)經(jīng)過一系列中間狀態(tài)而達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的操作程序，即問題解決。問題解決過程需要將問題“拆解”成元素、“重裝”成系統(tǒng)，必須看到整體與元素的關(guān)系，因此系統(tǒng)思維被看成是工程思維的本質(zhì)屬性。[16]這種整合思維不僅適用于當(dāng)前問題的解決方案，還包含創(chuàng)造性成分，即從原始角度看待已知解決方案并觀察新的選擇，這樣工程思維的另一本質(zhì)結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)思維。設(shè)計(jì)思維旨在解決不明確問題，將以人為中心和原型驅(qū)動(dòng)的方法應(yīng)用于不同的真實(shí)情境，從而培養(yǎng)創(chuàng)造力并促進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作。[17]由于系統(tǒng)思維和設(shè)計(jì)思維都指向復(fù)雜問題的解決，二者通常被看成是工程思維的本質(zhì)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)思維作為解決復(fù)雜問題的基本技能，與理解力、能力和框架相關(guān)，包括跨學(xué)科能力、社會(huì)技術(shù)思維、設(shè)計(jì)的整體語境框架。[18]因此，應(yīng)該為職前教師提供跨學(xué)科的工程活動(dòng)設(shè)計(jì)，搭建系統(tǒng)思維支架，循序漸進(jìn)地培育其真實(shí)問題解決過程中的變式思維。

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Evidence-based Research on Pre-service Teachers’ Pathways to Engineering Thinking：

A Multi-case Comparison Based on Evidence from Educational Neuroscience

Jingying WANG1， Nan KONG2， Danhua ZHOU1， Zhenshan RONG1， Yanmei ZHU3， Yu LU1

（1.Faculty of Education， Beijing Normal University， Beijing 100875;

2.School of Humanities and Social Sciences， Beihang University， Beijing 100191;

3.College of Early Childhood Teacher Training， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing 210017， Jiangsu）

Abstract： Engineering and technology talents are the backbone to cope with the new round of scientific and technological revolution and industrial change， and engineering thinking is their soul. Master of Education undertakes the fundamental mission of teaching and educating people， and their engineering thinking directly affects the engineering literacy of primary and secondary school students， and builds up strength for the construction of a strong educational country. With the help of analyzing the evolution characteristics of engineering thinking cultivation under the background of “New Engineering”， the paper explores its practical orientation through the comprehensive upgrading of curriculum objectives， cultivation pathways and evaluation modes. Then， based on the multi-case comparative research method of EEG neurophysiological evidence， the paper compares the effects of different teaching modes on engineering problems with different degrees of difficulty in M.Ed. and explores the effective strategies of engineering thinking cultivation， i.e.， experiments first： the teaching mode influences the selection of problem solving strategies for novices， breaking the constraints; breaking through the thinking of disciplines in order to solve new problems， professional barriers; the difficulty of problems influences the application of engineering thinking， and improvisation： engineering thinking can only be solved through the use of new engineering problems by the students. application， and improvisation： engineering thinking shapes the brain’s ability to change its form. Based on this， we propose to optimize the cultivation path of engineering thinking in Master of Education： first， abandon the concept of emphasizing scientific research and neglecting practice， and broaden the cultivation strategy of practice and innovation; second， guide students to break through thinking stereotypes， and multidimensionally assess the academic performance of engineering students; third， set up higher-order thinking practice problems based on real situations， and develop engineering thinking evidence-based; and lastly， set up a systematic thinking scaffolding for engineering activities， and shape the variant thinking of problem solving. thinking.

Keywords： Master of education; Pre-service teachers; Engineering thinking; Higher engineering education; Multi-case comparison; EEG study

編輯：王天鵬" "校對(duì)：王曉明