徐冉冉+占小紅

摘要：在基礎(chǔ)教育階段，科學(xué)課程中整合工程設(shè)計實踐，是實施基礎(chǔ)工程教育的基本途徑。分析高等教育工程實踐與美國K-12科學(xué)課程文件中工程設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，探討基礎(chǔ)科學(xué)課程中整合工程實踐的目標(biāo)和過程模式，為我國基礎(chǔ)工程教育提供參考。

關(guān)鍵詞：工程實踐；科學(xué)課程；整合；課程目標(biāo)

文章編號：1005–6629（2017）2–0016–06 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

工程教育起源于技術(shù)教育，是一項古老的教育活動。中國的工程教育發(fā)端于第二次鴉片戰(zhàn)爭之后，由于缺乏系統(tǒng)的學(xué)校教育制度，教學(xué)效率及質(zhì)量一直很低。近年來，中國的工程教育開始關(guān)注歐美工程教育模式的改革與創(chuàng)新，嘗試與國際接軌，開啟高等工程教育多元化發(fā)展的新時代。但是，由于基礎(chǔ)教育階段工程教育的缺位，使得學(xué)生對工程領(lǐng)域知之甚少，在學(xué)科認識與專業(yè)選擇上存在諸多困惑，進而直接影響了高等工程教育的發(fā)展及人才培養(yǎng)。因此，在基礎(chǔ)教育階段開展工程教育是當(dāng)前備受關(guān)注和亟待解決的問題。

STEM是以問題解決驅(qū)動的跨學(xué)科理科教育，提倡通過工程方法來解決科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的問題，促使未來人才適應(yīng)當(dāng)今知識經(jīng)濟全球化水平、復(fù)雜性和合作性不斷增強的趨勢。21世紀初期，STEM教育逐漸走入基礎(chǔ)教育，圍繞與日常生活息息相關(guān)的工程領(lǐng)域設(shè)計與開發(fā)一系列工程教育活動，旨在幫助學(xué)生了解生活中科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生分析實際問題和動手實踐的能力，加深其對科學(xué)概念及工程技術(shù)的理解。最具代表性的是美國2011年頒布的《K-12年級科學(xué)教育的框架：實踐、交叉概念、以及核心觀念》（A Framework for K-12 Science Education，以下簡稱“框架”）與2013年頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，以下簡稱“新標(biāo)準(zhǔn)”）中，整合了STEM教育理念，并引入“科學(xué)和工程實踐”作為科學(xué)教育的三個維度之一。在基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)課程中整合工程教育，為學(xué)生提供工程實踐的機會成為基礎(chǔ)科學(xué)教育改革的必然趨勢。我國基礎(chǔ)科學(xué)課程中如何合理引入工程教育，其目標(biāo)要求以及過程模式的特征如何，這些問題的回答是基礎(chǔ)教育階段開展工程教育的前提。為此，本文在梳理工程教育與科學(xué)教育的關(guān)系基礎(chǔ)上，通過分析現(xiàn)階段高等工程教育的課程目標(biāo)、內(nèi)容與形式，并聯(lián)系真實工程作業(yè)環(huán)境中的工程設(shè)計實踐活動的要求與特征，結(jié)合美國科學(xué)課程綱領(lǐng)性文件中的工程設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，探討基礎(chǔ)科學(xué)課程中整合工程教育的目標(biāo)和過程模式；并對我國基礎(chǔ)工程教育實踐形成啟示。

1 工程教育與科學(xué)教育的關(guān)系認識

課程整合是以共同的功能基礎(chǔ)和價值取向為前提的，科學(xué)課程中整合工程實踐是否具有可行性，我們需要通過認識工程、工程教育及其與科學(xué)教育的關(guān)系來理解。

關(guān)于工程的定義眾說紛壇，張錫純在談到工程特點時指出“工程是科學(xué)、技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的最后階段。工程活動的結(jié)果，總是完成符合某種社會目的的人工自然物”，強調(diào)工程活動的應(yīng)用性與目的性。美國工程教育協(xié)會（ASEE）認為工程是一項藝術(shù)，“是應(yīng)用科學(xué)、數(shù)學(xué)原理、經(jīng)驗，判斷和嘗試以造福人類的一種藝術(shù)，生產(chǎn)某種技術(shù)產(chǎn)品的過程或滿足特定需要的體系”，突出了工程活動的創(chuàng)造性本質(zhì)。清華大學(xué)羅福午教授給出了工程的完整概念，“工程是運用科學(xué)原理、技術(shù)手段、實踐經(jīng)驗，利用和改造自然，生產(chǎn)、開發(fā)對社會有用產(chǎn)品的實踐活動的總稱”，強調(diào)工程活動是一項改造自然、服務(wù)社會的生產(chǎn)活動，突出其實踐性特征。綜合可見，工程活動的開展是以掌握一定的科學(xué)、數(shù)學(xué)原理與技術(shù)手段為基礎(chǔ)的；工程活動的目標(biāo)是生產(chǎn)出符合社會需要的人工產(chǎn)物；從目標(biāo)向結(jié)果的轉(zhuǎn)化過程需要“開發(fā)、改造、生產(chǎn)”的實踐過程，這類實踐活動不是將條件、目標(biāo)進行簡單的拼接組合，而是從自然和社會因素的雙重角度出發(fā)，在考慮現(xiàn)實的各種限制因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)思解決方案并付諸實施的。概括而言，工程是以科學(xué)、技術(shù)的應(yīng)用為主線，在生產(chǎn)生活中產(chǎn)生、發(fā)現(xiàn)、提出問題，考慮多種自然和社會因素的制約影響和工程設(shè)計原則設(shè)計解決方案，通過實踐活動生產(chǎn)出符合社會需求的人工產(chǎn)物（包括實物硬件和非實物軟件）的創(chuàng)新活動。工程的創(chuàng)造性本質(zhì)決定了工程教育的屬性。工程教育作為培養(yǎng)工程人才的教育活動，是學(xué)校和工作單位在社會環(huán)境中所進行的創(chuàng)造性專業(yè)教育。它的目的是使受教育者為滿足社會需要而從事科學(xué)和技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，通過創(chuàng)造“人工產(chǎn)物”的活動，成為各個工程領(lǐng)域所需的工程人才。

通過對科學(xué)與工程學(xué)科特點的分析發(fā)現(xiàn)，科學(xué)是解釋世界的理論層次，強調(diào)科學(xué)知識的形成與發(fā)展；工程屬于改造世界的實踐層次，關(guān)注活動過程的體驗和結(jié)果的形成。二者又彼此交叉融合，前者的認知構(gòu)建可以基于一定的工程情境中，工程實踐也離不開通過科學(xué)認識過程獲得依據(jù)。根據(jù)工程與科學(xué)的關(guān)系，我們不難發(fā)現(xiàn)，工程教育與科學(xué)教育具有著本質(zhì)的聯(lián)系。科學(xué)教育活動中學(xué)生進行的認知活動都是建立在已有的科學(xué)解釋的基礎(chǔ)上，即通過各種教育教學(xué)活動去認識科學(xué)世界；工程教育則需要以科學(xué)教育為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新活動為載體，讓學(xué)生在活動中運用所學(xué)的科學(xué)知識與原理解決現(xiàn)實問題。科學(xué)教育強調(diào)學(xué)習(xí)結(jié)果，即科學(xué)知識的獲得和技能的訓(xùn)練，而工程教育更為關(guān)注學(xué)生實踐過程和產(chǎn)品設(shè)計的生命周期的體驗。

2 科學(xué)課程中整合工程設(shè)計實踐的目標(biāo)和過程模式

工程實踐是指工程師所從事的工程構(gòu)想、設(shè)計、實現(xiàn)和運行工作。其中，工程設(shè)計貫穿于產(chǎn)品孕育至消亡的全壽命周期，起到了促進科學(xué)研究、生產(chǎn)經(jīng)營和社會需求之間互動的中介作用，因此，工程設(shè)計實踐成為了工程教育領(lǐng)域的核心，基礎(chǔ)科學(xué)課程中整合工程教育主要表現(xiàn)為科學(xué)與工程設(shè)計實踐的整合。

以下我們將在對比分析現(xiàn)實的工程實踐與高等教育的工程實踐的目標(biāo)和過程基礎(chǔ)上，參考美國“新標(biāo)準(zhǔn)”中對于工程設(shè)計實踐的相關(guān)規(guī)定，探討我國基礎(chǔ)教育階段工程設(shè)計實踐的要求和過程特征。

2.1 真實的工程實踐及其過程

工程活動從需求出發(fā)，明確任務(wù)，選定目標(biāo)，依靠人類文明積累起來的科學(xué)技術(shù)知識和實踐經(jīng)驗，協(xié)調(diào)諸多現(xiàn)實制約中的矛盾，去構(gòu)成一個有效、可靠、實用且系統(tǒng)化的信息加工過程。其實質(zhì)是運用現(xiàn)代工程系統(tǒng)設(shè)計的基本原理和方法，將工程系統(tǒng)任務(wù)要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)技術(shù)要求和系統(tǒng)最優(yōu)配置的過程，是一個以信息為主的輸入輸出轉(zhuǎn)換過程。

真實的工程實踐一般都遵循一套基本的思考程序流程，基本步驟表現(xiàn)為：①分析需求，明確目標(biāo)：通過對環(huán)境的辨識，正確地分析社會需求，明確應(yīng)該做什么，解決什么樣的問題，特別強調(diào)目標(biāo)的準(zhǔn)確度；②發(fā)散綜合，產(chǎn)生方案：使用發(fā)散思維，通過類比、聯(lián)想等多種方式，尋求解決問題的辦法，提出盡可能多的備選方案，以資比較；③收斂分析，比較方案：從技術(shù)、經(jīng)濟、人與社會等多個角度，對產(chǎn)生的諸方案進行分析比較，找出各個方案存在的優(yōu)勢與不足；④綜合評價，決策選優(yōu)：依據(jù)一定的評價準(zhǔn)則，找出應(yīng)使用的評價特征，對各個方案進行綜合評價，權(quán)衡利弊得失，選出最佳方案。顯然，真實環(huán)境中的工程實踐將面對復(fù)雜的外界環(huán)境和社會需求，需要綜合多元的標(biāo)準(zhǔn)和限制條件，進行充分的事先評價及利弊衡量促成方案選擇或優(yōu)化，這是一個系統(tǒng)復(fù)雜的過程。

2.2 高等教育的工程實踐目標(biāo)及過程

2.2.1 高等教育的工程實踐目標(biāo)

高等工程教育是以培養(yǎng)能將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的工程師為基本任務(wù)的專業(yè)教育?，F(xiàn)行的高等工程教育具有多種人才培養(yǎng)模式，不同的培養(yǎng)模式中包含了不同的工程實踐目標(biāo)和過程，現(xiàn)以近年來國際工程教育改革中較為推崇的卓越工程師教育培養(yǎng)計劃（以下簡稱“卓越計劃”）和CDIO模式為例，簡述其培養(yǎng)目標(biāo)和過程。

“卓越計劃”是國家教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》的重大改革項目，對我國高等工程教育乃至整個高等教育的改革與發(fā)展都起到了重要的示范、引領(lǐng)和推動作用?！白吭接媱潯币笤谛袠I(yè)、企業(yè)深度參與下，綜合通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定工程人才培養(yǎng)方案和目標(biāo)，充分遵循工程的實踐、集成與創(chuàng)新的特征，以強化學(xué)生的工程實踐能力、工程設(shè)計能力與工程創(chuàng)新能力為核心，培養(yǎng)復(fù)合型、高素質(zhì)、滿足未來需要的優(yōu)秀工程型人才。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是在“回歸工程實踐”的背景下，由麻省理工學(xué)院和瑞典查爾摩斯工業(yè)大學(xué)等四所大學(xué)經(jīng)過四年的探索研究，提出的工程教育理念，開創(chuàng)了工程教育課程改革實踐的新模式。CDIO模式的教育目標(biāo)是指通過在實際系統(tǒng)和產(chǎn)品的“構(gòu)思-設(shè)計-實施-運行”的背景環(huán)境下強調(diào)工程基礎(chǔ)的工程教育，學(xué)生能夠掌握深厚的技術(shù)基礎(chǔ)知識，領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)與運行，理解工程技術(shù)的研究與發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響。CDIO教學(xué)大綱的培養(yǎng)目標(biāo)具體包含以下四個層面：

（1）學(xué)科知識和推理。為了發(fā)展復(fù)雜、高附加值的工程系統(tǒng)，學(xué)生需要掌握工程教育所必備的學(xué)科基礎(chǔ)知識，包括基礎(chǔ)科學(xué)知識、高級的工程基本原理和核心的工程基本原理。其中，推理是工程過程中知識形成過程的基本形式。

（2）個人的和職業(yè)的技能與態(tài)度。涵蓋工程思維（工程推理和解決問題）、科學(xué)思維（實驗和知識發(fā)現(xiàn)）、系統(tǒng)思維、職業(yè)技能和態(tài)度與個人技能和態(tài)度五個方面。在高等教育階段，學(xué)生不僅需要在知識的形成和應(yīng)用（工程推理）上獲得成長，更要在心理和社會意識上得到發(fā)展。

（3）團隊合作和交流的人際關(guān)系技能。包括團隊工作、溝通和外語交流三個方面，其重要性在它是產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)建造知識和能力在社會和企業(yè)環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行產(chǎn)品和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

（4）在企業(yè)和社會環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行系統(tǒng)。學(xué)生通過體驗完整且真實的工程實踐過程，理解研究和技術(shù)發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響，理解工程師的努力對產(chǎn)品或系統(tǒng)的實際影響。

無論是“卓越計劃”亦或是CDIO模式的人才培養(yǎng)目標(biāo)，都較為一致地反映出高等工程教育以“企業(yè)、社會及學(xué)校”三位一體培養(yǎng)機制為核心的特征，它參照企業(yè)或設(shè)計的工程建設(shè)要求創(chuàng)設(shè)真實的或仿現(xiàn)實的工程實踐任務(wù)，要求學(xué)生通過在真實的問題情境中運用所學(xué)知識和技術(shù)，設(shè)計和開發(fā)滿足工業(yè)及社會需求的產(chǎn)品，提高自身的工程能力與創(chuàng)新能力。

2.2.2 高等教育中工程實踐的過程

工程實踐作為工程教育的實現(xiàn)途徑，在高等工程教育中具有舉足輕重的地位，它的基本過程涉及如下四個階段：

（1）構(gòu)思階段。建立在個人的和職業(yè)的技能的基礎(chǔ)上，進行判斷和定性分析工程問題，主要表現(xiàn)為確定客戶需求，考慮技術(shù)，企業(yè)戰(zhàn)略和有關(guān)規(guī)定，開發(fā)理念、技術(shù)和商業(yè)計劃。

（2）設(shè)計階段。標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計需要從多個角度考慮工程對社會與環(huán)境的影響、參考相應(yīng)的歷史和文化背景、考慮工程項目的財務(wù)與經(jīng)濟學(xué)以及企業(yè)的利益相關(guān)者、戰(zhàn)略與目標(biāo)等，設(shè)計環(huán)節(jié)集中表現(xiàn)為創(chuàng)建設(shè)計，包括計劃、圖紙和描述產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)實施的方法和算法。

（3）實施階段。完成從設(shè)計到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過程，包括硬件制造、軟件編程、測試和驗證。通過硬件制造與軟件實現(xiàn)的集成，完成可持續(xù)的實施過程，并測試、證實、驗證與認證工程設(shè)計。

（4）運行階段。通過產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)為用戶提供預(yù)期的價值，以及對系統(tǒng)的維護、改造、回收和報廢。

與真實工程設(shè)計實踐相較，高等教育中的工程實踐旨在通過各種工程實踐活動培養(yǎng)該領(lǐng)域?qū)W生達到特定的培養(yǎng)目標(biāo)，即其作為一種教育活動，實現(xiàn)培養(yǎng)工程人才的最終目的；而真實工程設(shè)計實踐則是使具備工程能力與創(chuàng)新能力的人才創(chuàng)造出符合社會需求的人工產(chǎn)物。此外，就所面對的工程實踐任務(wù)而言，高等教育中的工程實踐任務(wù)是通過對現(xiàn)實中的工程實踐任務(wù)進行必要的改造和調(diào)整而形成的，與培養(yǎng)目標(biāo)及其階段性相適應(yīng)；至于其實踐過程，高等教育的工程實踐與真實工程實踐過程相似，盡可能地為學(xué)生創(chuàng)造體驗真實完整實踐過程的機會。

2.3 美國K-12科學(xué)課程中的工程設(shè)計實踐

美國在科學(xué)教育綱領(lǐng)性文件“框架”中，用“實踐”一詞取代原標(biāo)準(zhǔn)中的“探究”，將科學(xué)和工程實踐作為三個維度之一，通過在科學(xué)課程中整合工程設(shè)計實踐的方式，組織和實施基礎(chǔ)工程教育，這是一項具有戰(zhàn)略性意義的科學(xué)教育變革和創(chuàng)新?！翱蚣堋闭J為，K-12教育的實踐應(yīng)取材于科學(xué)家和工程師的日常工作。通過實踐，學(xué)生了解科學(xué)知識是如何逐步發(fā)展的，通過一系列方法去探究、建模和解釋世界，通過了解科學(xué)家和工程師的工作，厘清科學(xué)和工程之間的區(qū)別與聯(lián)系，并能從跨學(xué)科和單獨學(xué)科的角度，更深層次地理解學(xué)科和工程領(lǐng)域的知識與意義，從而激發(fā)學(xué)生好奇心、吸引學(xué)習(xí)興趣、鼓勵學(xué)生在該領(lǐng)域繼續(xù)學(xué)習(xí)。可見，“框架”強調(diào)基礎(chǔ)科學(xué)課程中通過整合科學(xué)和工程兩種實踐活動，貫通科學(xué)知識與基礎(chǔ)工程知識學(xué)習(xí)的通道，幫助學(xué)生初步了解科學(xué)研究和工程實踐，促成學(xué)生跨學(xué)科視野與思維方式的形成?！翱蚣堋边€提煉了科學(xué)探究實踐和工程實踐的共同要素，據(jù)此劃分并闡明了K-12階段科學(xué)課堂的實踐的8個環(huán)節(jié)，分別為：①提出、定義問題；②開發(fā)并使用模型；③計劃并實施研究；④分析并解釋數(shù)據(jù)；⑤運用數(shù)學(xué)、信息及計算機技術(shù)及計算機思維；⑥建立解釋、構(gòu)建解決方案；⑦參與基于事實的論證；⑧獲取、評價并交流信息。其中，在步驟①、⑥中明確區(qū)分科學(xué)實踐與工程實踐的區(qū)別，即科學(xué)側(cè)重問題的提出，工程側(cè)重對問題的定義；在解決問題方面，科學(xué)側(cè)重于建立解釋，而工程更側(cè)重于構(gòu)建解決方案，這與前文分析的科學(xué)教育與工程教育特征相吻合。

在“框架”提出的“學(xué)科核心概念”、“跨學(xué)科概念”和“科學(xué)和工程實踐”三個維度基礎(chǔ)上，美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)圍繞工程設(shè)計這一主題，按照不同學(xué)段學(xué)生認知水平和能力水平，提出學(xué)生在工程實踐的8個環(huán)節(jié)中應(yīng)該達到的表現(xiàn)期望，見表1。

綜合分析“框架”與“新標(biāo)準(zhǔn)”中K-12階段工程實踐要素及其具體要求，并與高等教育的工程實踐培養(yǎng)目標(biāo)與過程作比較，不難發(fā)現(xiàn)，無論是哪一個教育階段的工程實踐，都要求含有與真實的工程實踐相一致的過程要素，即涵蓋了問題分析，尋求、比較與優(yōu)化解決方案，構(gòu)建模型或原型以表征解決方案，運行與修訂產(chǎn)品設(shè)計。但由于不同階段學(xué)生學(xué)科知識水平、思維能力水平以及在該領(lǐng)域的各項技能水平的限制，使得不同階段工程實踐的培養(yǎng)目標(biāo)、任務(wù)復(fù)雜度與過程存在較大差異，具體表現(xiàn)如下：

（1）培養(yǎng)目標(biāo)。高等工程教育以培養(yǎng)將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的專業(yè)人才——工程師為宗旨。與此相較，K-12階段工程教育的首要目標(biāo)為：①強調(diào)工程設(shè)計；②融合重要的且與發(fā)展階段相適應(yīng)的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)知識和技能；③形成工程思維習(xí)慣。

（2）任務(wù)復(fù)雜度。任務(wù)復(fù)雜度主要是從任務(wù)是否需要分解和所涉及的領(lǐng)域知識來看的。高等教育工程實踐任務(wù)強調(diào)真實性，因此往往包含復(fù)雜的問題解決過程，需要進行任務(wù)分解才能得以完成；而基礎(chǔ)工程實踐關(guān)注過程體驗，對實踐任務(wù)會作適當(dāng)?shù)暮喕?。因此，在高等教育的工程活動中，學(xué)生需要掌握工程教育所必備的學(xué)科基礎(chǔ)知識，包括基礎(chǔ)科學(xué)知識、高級的工程基本原理和核心的工程基本原理；相比而言，K-12階段的工程實踐所要求的科學(xué)知識與該學(xué)段相對應(yīng)，一般不要求以完備的工程原理為基礎(chǔ)。

（3）過程差異。高等工程教育要求學(xué)生能夠分析需求和現(xiàn)實的約束，在對問題進行專業(yè)性和倫理性的理解的基礎(chǔ)上，運用數(shù)學(xué)、技術(shù)、科學(xué)、工程知識，使用技術(shù)、技能和當(dāng)代工程工具設(shè)計并進行實踐，分析并解釋數(shù)據(jù)，解決工程問題，并且，高等工程教育的設(shè)計環(huán)節(jié)是一個螺旋優(yōu)化的過程，其過程遠比K-12階段復(fù)雜。對于K-12階段的學(xué)生而言，強調(diào)“更加精確地定義問題，在選擇最佳解決方案時能夠設(shè)計一個更為周密的過程，優(yōu)化最終設(shè)計”，即側(cè)重“定義問題”、“開發(fā)方案”和“優(yōu)化設(shè)計”三個階段的體驗。其中，開發(fā)方案主要表現(xiàn)為考慮約束和現(xiàn)實限制條件，并利用科學(xué)知識，形成解決問題的方案，凸顯知識的應(yīng)用，對設(shè)計的要求并不高。

3 對我國基礎(chǔ)工程教育的啟示

當(dāng)前我國工學(xué)門類本科招生人數(shù)日益增長，但工程類人才卻明顯存在供不應(yīng)求的現(xiàn)象，這主要源于基礎(chǔ)工程教育缺位，學(xué)生在接受高等教育之前很少有參與工程學(xué)習(xí)的機會，對于該領(lǐng)域陌生難免會降低學(xué)生對工學(xué)門類學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。我們通過對美國科學(xué)課程相關(guān)綱領(lǐng)性文件的分析，看到科學(xué)與工程的整合教育是未來我國基礎(chǔ)教育階段開展工程教育的突破口，探索與之相匹配的目標(biāo)定位和實踐過程模式是基礎(chǔ)工程教育的需要。

（1）培養(yǎng)目標(biāo)方面。通過對高等工程教育人才培養(yǎng)模式及目標(biāo)與美國科學(xué)課程文件K-12階段工程教育表現(xiàn)期望的解讀，為我國基礎(chǔ)教育階段工程教育的培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)計提供了重要的參考。我們需要結(jié)合我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的現(xiàn)實條件，把握工程教育的兩個基本的目標(biāo)維度：體現(xiàn)工程領(lǐng)域特色的能力與態(tài)度（工程意識、工程思維、全球化和創(chuàng)新性意識、合作與實踐的能力等）；發(fā)展在整合背景下的與階段相適應(yīng)的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)知識和技能。在此基礎(chǔ)上，再進行地域化或校本化的課程設(shè)計與實踐。

（2）過程要素及特征方面。目前我國學(xué)者在美國K-12基礎(chǔ)工程教育實踐要素和要求的基礎(chǔ)上，探索構(gòu)建了諸多更為詳細且符合真實情境的工程實踐步驟，但單純的借鑒或簡單的移植拼接痕跡明顯。針對美國課程文件以及相關(guān)的主要研究中提出的工程實踐的主要環(huán)節(jié)：“定義問題、構(gòu)建解決方案、構(gòu)建模型或原型、優(yōu)化與完善”，我們需要做進一步的辨析和演繹，比如“定義問題”中“定義”存在一定的模糊性，考慮到此環(huán)節(jié)旨在明確工程活動的目的所在和尋找限制問題解決的可能因素，因此將“定義問題”調(diào)整為“構(gòu)思問題”更為貼切?！靶聵?biāo)準(zhǔn)”在“構(gòu)建解決方案”環(huán)節(jié)降低了對學(xué)生設(shè)計層面的要求，將工程設(shè)計和解決工程問題等同，但這會影響學(xué)生對設(shè)計要求和過程的體驗，因此我們可以考慮保留但降低設(shè)計的要求，并分解為“開發(fā)、形成與優(yōu)化解決方案”與“構(gòu)建模型或原型”兩個階段，幫助學(xué)生深刻地認識設(shè)計在工程活動中的重要性，深入了解設(shè)計的基本程序和要義。此外，關(guān)注學(xué)生在構(gòu)建問題和設(shè)計方案之間的信息收集體驗，設(shè)置“學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識并收集信息”環(huán)節(jié)，要求學(xué)生根據(jù)自己所規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)和約束條件，結(jié)合已知的知識或信息，對需要補充的加以收集。至此，我們初步提出了適應(yīng)性的工程實踐環(huán)節(jié)：①構(gòu)思問題；②學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識并收集信息；③開發(fā)、形成與優(yōu)化解決方案；④創(chuàng)建模型或原型；⑤測試模型或原型，記錄并處理數(shù)據(jù)；⑥交流與評價；⑦迭代循環(huán)，優(yōu)化設(shè)計。需要指出的是，在開展工程實踐活動時，上述環(huán)節(jié)可以有所側(cè)重，關(guān)鍵在于讓學(xué)生了解工程實踐的基本過程和要求，在實踐基礎(chǔ)上發(fā)展相應(yīng)的能力。

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