王海蘭 劉恩山

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

21世紀(jì)，科學(xué)、工程和技術(shù)幾乎滲透了現(xiàn)代生活的方方面面，而且它們也是人類(lèi)面對(duì)現(xiàn)在生活和未來(lái)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。隨著知識(shí)的迅速發(fā)展，科學(xué)教育已不可能要求學(xué)生掌握某一學(xué)科的全部?jī)?nèi)容，而應(yīng)注重在有限的基礎(chǔ)教育的時(shí)間內(nèi)為學(xué)生提供充分的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生獲取、理解和運(yùn)用知識(shí)的能力。2013年，美國(guó)頒布了《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，其中將科學(xué)探究和工程實(shí)踐放到了同等重要的地位。2017年，我國(guó)頒布了《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》［1］，其中明確提出了“技術(shù)與工程領(lǐng)域”的學(xué)習(xí)要求。在我國(guó)2018年初頒布的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，尤其是選修模塊“生物技術(shù)與工程”，十分強(qiáng)調(diào)將科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)融入相關(guān)的課程內(nèi)容當(dāng)中［2］。隨著工程學(xué)逐漸進(jìn)入科學(xué)教育之中，對(duì)基礎(chǔ)教育中工程學(xué)的內(nèi)涵、特點(diǎn)、課程開(kāi)展方式的理解就變得尤為重要。

1 工程學(xué)定義

“科學(xué)”一詞起源于拉丁語(yǔ)scientia，意思是知識(shí)；而“工程”一詞起源于中世紀(jì)拉丁語(yǔ)ingeniare，意思是設(shè)計(jì)和發(fā)明。對(duì)于工程學(xué)的定義，不同的研究者和研究機(jī)構(gòu)有著不同的理解。1998年，美國(guó)國(guó)家工程院主席伍爾夫（Wulf）提出，工程學(xué)是指“在限制條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)”。這里的限制條件既包括科學(xué)規(guī)律，也包括技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)及倫理等。2009年，美國(guó)K-12工程學(xué)教育委員會(huì)在《K-12教育中的工程學(xué)？》中指出，工程學(xué)是“設(shè)計(jì)人造世界的過(guò)程”。2010年，美國(guó)國(guó)家工程院在《K-12工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中指出，工程學(xué)是“為滿足人們的需求而進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。2013年,美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)在《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中指出，工程學(xué)是“參與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而解決特定的人類(lèi)問(wèn)題”。

綜上所述，工程學(xué)是指工程師以滿足人類(lèi)發(fā)展過(guò)程中的各類(lèi)需求為導(dǎo)向進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程。劉恩山教授認(rèn)為，工程學(xué)的宗旨與自然科學(xué)不同，科學(xué)的目的是揭示自然的規(guī)律，而工程學(xué)在于引發(fā)變革，因此力圖改進(jìn)是工程設(shè)計(jì)的核心［3］。

2 工程設(shè)計(jì)的定義、過(guò)程與特點(diǎn)

正如在《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中的定義，科學(xué)探究指的是科學(xué)家用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的多種不同途徑。相似地，工程設(shè)計(jì)指的是工程師用以解決工程難題的方法，并基于此創(chuàng)造能滿足人類(lèi)需求的設(shè)備或過(guò)程［4］。

對(duì)于工程設(shè)計(jì)的過(guò)程，不同的研究者有著不同的定義。帕爾（Pahl，1996）等將工程設(shè)計(jì)的過(guò)程分為4個(gè)主要的步驟，分別是：①明確任務(wù)并規(guī)劃產(chǎn)品；②概念設(shè)計(jì)；③具化設(shè)計(jì)；④細(xì)化設(shè)計(jì)。其中，因需求而觸發(fā)工程設(shè)計(jì)，明確基本問(wèn)題、建立功能標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)解決方法是完成設(shè)計(jì)的基本思路。弗倫希（French，1998）在4個(gè)步驟的基礎(chǔ)上，將工程設(shè)計(jì)的過(guò)程具體分為8個(gè)步驟，分別是：①明確需求；②分析問(wèn)題；③陳述問(wèn)題；④概念設(shè)計(jì)；⑤選擇方案；⑥具化方案；⑦細(xì)化方法；⑧形成施工圖紙。其中，概念設(shè)計(jì)是最核心的，需綜合考慮科學(xué)原理、生產(chǎn)實(shí)踐、商業(yè)利益等多個(gè)方面；并指出工程設(shè)計(jì)的過(guò)程是迭代的，而非線性的。美國(guó)馬薩諸塞州率先將工程設(shè)計(jì)融入其技術(shù)教育中，在2001年頒布的《馬薩諸塞州科學(xué)、技術(shù)和工程課程框架》中，將工程設(shè)計(jì)的過(guò)程分為8個(gè)步驟，分別是：①明確需求或問(wèn)題；②研究需求或問(wèn)題；③開(kāi)發(fā)可能的解決方案；④選擇最佳的可能的解決方案；⑤構(gòu)建原型；⑥測(cè)試和評(píng)價(jià)解決方案；⑦交流和討論解決方案；⑧再設(shè)計(jì)。

盡管目前對(duì)工程設(shè)計(jì)的過(guò)程并沒(méi)有普遍認(rèn)同的一般流程，但一些步驟被公認(rèn)為是必要和重要的［4-6］。例如，第1，明確工程難題。工程設(shè)計(jì)的發(fā)生源于實(shí)際難題、需求或欲望，一個(gè)社會(huì)性難題可引發(fā)一系列的工程難題，明確的工程難題可使工程師的工作更具有目的性。第2，收集解決這一難題的各種不同想法。工程師通常需要通過(guò)頭腦風(fēng)暴和試驗(yàn)提出一系列不同的可能的設(shè)計(jì)方案，從而進(jìn)行下一步的研究。第3，構(gòu)建并測(cè)試模型和技術(shù)原型。通過(guò)模擬和測(cè)試，工程師可獲得真實(shí)且有參考價(jià)值的測(cè)試數(shù)據(jù)，并基于此分析各種潛在解決方案的優(yōu)點(diǎn)和局限性。第4，最優(yōu)化。每種解決辦法的提出都要經(jīng)過(guò)權(quán)衡工藝可行性、相競(jìng)爭(zhēng)的功能標(biāo)準(zhǔn)、成本、安全、美觀和合法性要求等過(guò)程。通常，不會(huì)只有一個(gè)正確的解決方案，而是一系列的方案，最優(yōu)方案的選擇取決于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 工程學(xué)中的核心概念與基本能力

盡管下文將分別介紹工程學(xué)中的核心概念和基本能力，但在實(shí)際的工程學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，概念的理解和應(yīng)用與能力的提升和應(yīng)用是相互融合的，二者密切相關(guān)，無(wú)法獨(dú)立分開(kāi)。

2008年，美國(guó)國(guó)家工程院和美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)聯(lián)合委托西爾克（Silk）、彼得羅（Petrosino）等，就理解和提升K-12工程學(xué)教育所需的概念和能力分別進(jìn)行綜述研究。如上所述，工程設(shè)計(jì)的過(guò)程含有多個(gè)重要的步驟，在這些步驟中涉及到3類(lèi)概念：基礎(chǔ)的科學(xué)和數(shù)學(xué)概念、具體領(lǐng)域的工程學(xué)概念和通用的工程學(xué)概念。西爾克等綜述了美國(guó)及國(guó)際的技術(shù)和工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)及研究文章，提出了通用的工程學(xué)核心概念及其類(lèi)別下的工程學(xué)概念，其中最重要的2個(gè)核心概念為“系統(tǒng)”和“最優(yōu)化”［7］。

系統(tǒng)是由相互協(xié)作的多個(gè)獨(dú)立組件構(gòu)成，從而共同完成一項(xiàng)功能的物體或過(guò)程，工程師需要從系統(tǒng)的角度考慮：①各個(gè)獨(dú)立組件的功能是什么？②各個(gè)獨(dú)立組件之間的關(guān)系是什么？③各個(gè)獨(dú)立組件或組件組合對(duì)于系統(tǒng)的功能有什么影響？

系統(tǒng)中組件的結(jié)構(gòu)、它們的功能，以及行使其功能時(shí)的行為，稱為結(jié)構(gòu)-行為-功能，簡(jiǎn)稱SBF。研究發(fā)現(xiàn)，兒童在語(yǔ)前時(shí)期已具有強(qiáng)烈的因果關(guān)系意識(shí)，但低學(xué)段（2～5年級(jí)）的學(xué)生尚不能自發(fā)使用因果關(guān)系［8］，即他們更能夠認(rèn)識(shí)到某一物體的功能，但不能意識(shí)到物體潛在的結(jié)構(gòu)是如何行使功能的。在參與設(shè)計(jì)模型時(shí)，逐漸增加模型的復(fù)雜度能培養(yǎng)和提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)-行為-功能這一概念的理解。有效的教學(xué)策略為：①指出班級(jí)所構(gòu)建模型的局限性；②當(dāng)學(xué)生自己無(wú)法發(fā)現(xiàn)更多的信息時(shí)給予適當(dāng)?shù)奶崾?；③鼓?lì)學(xué)生小組追求更具體的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)中各組件之間因相互作用會(huì)產(chǎn)生某些特性，而在系統(tǒng)組成前的單個(gè)組件并不具有此性質(zhì)，這種特性在系統(tǒng)中稱之為涌現(xiàn)性質(zhì)，是一種總體大于個(gè)體之和的概念。雷斯尼克（Resnick，1996）認(rèn)為，人類(lèi)傾向于將系統(tǒng)行為歸因于某個(gè)核心組件，而這種傾向是頑固的，甚至是天生的，而且這種傾向是理解涌現(xiàn)性質(zhì)的主要妨礙。在課堂中開(kāi)展模擬活動(dòng)有助于學(xué)生理清系統(tǒng)不同層級(jí)之間的關(guān)系，進(jìn)而幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變其固有傾向。與參與式模擬相比，基于計(jì)算機(jī)軟件的模擬更便于學(xué)生進(jìn)行操作和探索，從而能更有效地幫助學(xué)生理解涌現(xiàn)性質(zhì)等跨系統(tǒng)水平的概念。

最優(yōu)化指的是使設(shè)計(jì)的功能或效率最大化的過(guò)程，即對(duì)多重變量的權(quán)衡過(guò)程。

多重變量，指的是工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的各類(lèi)輸入變量，對(duì)這些變量進(jìn)行不同處理可得到最佳的解決方案。認(rèn)知負(fù)荷理論（CLT）表明，在各個(gè)年齡段，短期記憶的最大限度一般為5～7個(gè)變量。在不使用分塊、捆綁或線性處理等策略加強(qiáng)記憶時(shí)，即使是有經(jīng)驗(yàn)的成年人也只能同時(shí)處理3～4個(gè)變量［9］。在K-12工程學(xué)教學(xué)中，簡(jiǎn)化任務(wù)和使用數(shù)學(xué)及物理學(xué)方法表示是有效的教學(xué)策略，具體的教學(xué)方法有構(gòu)建多變量系統(tǒng)的分析模式、構(gòu)建記憶組塊、功能式分解系統(tǒng)、數(shù)字化筆記等。

權(quán)衡，是指對(duì)輸入變量和輸出變量的考量，當(dāng)改變某一個(gè)輸入變量影響了其他輸入變量對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的作用，權(quán)衡就發(fā)生了。權(quán)衡并不是各個(gè)輸入變量簡(jiǎn)單相加的過(guò)程，各個(gè)輸入變量之間還可能存在拮抗作用。K-12學(xué)生也許不能規(guī)范地理解變量之間的相互作用，因而也不易理解權(quán)衡的概念。用數(shù)學(xué)方法表示可明確各個(gè)變量之間的關(guān)系，讓學(xué)生參與從單個(gè)變量到多個(gè)變量連續(xù)的權(quán)衡過(guò)程，可幫助學(xué)生理解權(quán)衡的概念［10］。

為了理解和進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，在理解工程學(xué)核心概念的同時(shí)，還必須習(xí)得工程學(xué)基本能力。彼得羅［11］提出了參與工程學(xué)設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)的基本能力：定義難題，明確需求，分解系統(tǒng)，提出解決方案，繪圖和創(chuàng)建模型，試驗(yàn)和測(cè)試。其中，對(duì)繪圖和創(chuàng)建模型、試驗(yàn)和測(cè)試等能力的相關(guān)研究相對(duì)較多。

關(guān)于繪圖和創(chuàng)建模型，學(xué)生傾向于用繪圖記錄個(gè)人經(jīng)歷或表達(dá)個(gè)人情感，并傾向于認(rèn)為設(shè)計(jì)是一個(gè)線性過(guò)程，而不是繪圖-修改的迭代過(guò)程，傾向于認(rèn)為模型就是真實(shí)物體小型的簡(jiǎn)單模仿。為了培養(yǎng)學(xué)生繪圖和創(chuàng)建模型的能力，有效的教學(xué)方法包括：①在不同學(xué)段按從易到難的順序逐漸開(kāi)展合適的建模活動(dòng)；②學(xué)生以小組的形式參與探究活動(dòng)，并在探究活動(dòng)中強(qiáng)調(diào)建立和使用不同類(lèi)型的模型；③組織學(xué)生討論和評(píng)價(jià)自制的模型，從而提升其繪圖和創(chuàng)建模型的能力［12］。

試驗(yàn)和測(cè)試在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中用于檢測(cè)最優(yōu)化的水平及是否滿足各類(lèi)功能標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試對(duì)象既可以是完整或部分的原型，也可以是虛擬模型。測(cè)試時(shí)常含有多個(gè)變量，學(xué)生傾向于注重結(jié)果而不是分析，傾向于一次改變多個(gè)變量且將結(jié)果的變化歸因于每個(gè)變量。在教學(xué)中，測(cè)試和評(píng)價(jià)通常是由教師進(jìn)行的，教師應(yīng)將評(píng)價(jià)與最初的設(shè)計(jì)相聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生元認(rèn)知的發(fā)展。此外，在教師評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，應(yīng)豐富學(xué)生所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的消費(fèi)對(duì)象，當(dāng)消費(fèi)者是學(xué)生本人或其家人時(shí)，學(xué)生的表現(xiàn)會(huì)更好。

在理解工程學(xué)核心概念和習(xí)得工程學(xué)基本能力的過(guò)程中，智力發(fā)展水平和相關(guān)知識(shí)背景是2類(lèi)主要的限制因素，但采取合適的教學(xué)方法能有效突破限制。教學(xué)過(guò)程需注意以下3點(diǎn)：①保證足夠的課堂時(shí)間，開(kāi)展深入的工程設(shè)計(jì)活動(dòng)；②從易到難連貫一致地進(jìn)行工程學(xué)概念的教學(xué)；③有目的地迭代工程學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程，在逐步精致設(shè)計(jì)的過(guò)程中，鍛煉并提升學(xué)生的工程學(xué)能力［4］。

4 在基礎(chǔ)教育階段開(kāi)展工程學(xué)教育的方式

科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)都有其學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)和較長(zhǎng)的K-12課程史，與之相比，基礎(chǔ)教育中的工程學(xué)仍處于起步階段，既沒(méi)有內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有教師專業(yè)發(fā)展指導(dǎo)，更沒(méi)有國(guó)家或州所制定的學(xué)習(xí)成就評(píng)價(jià)［3］。如何在基礎(chǔ)教育階段開(kāi)展工程學(xué)教育成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

2006年，美國(guó)國(guó)家工程院和美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)教育中心成立了K-12工程學(xué)教育委員會(huì)，在長(zhǎng)達(dá)2年的時(shí)間里，委員會(huì)召開(kāi)了5次會(huì)議，分析了現(xiàn)有的K-12工程學(xué)教育，提出了工程學(xué)課程設(shè)計(jì)的3 項(xiàng)原則［4］。

原則1：K-12工程學(xué)教育應(yīng)強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)?！肮こ淘O(shè)計(jì)”是工程學(xué)解決問(wèn)題的基本方法。工程設(shè)計(jì)是一個(gè)潛在的有用的教學(xué)策略，工程設(shè)計(jì)的課程或活動(dòng)需具有以下的特征：工程設(shè)計(jì)必須具有高度的系統(tǒng)性迭代性，考慮多方面的限制條件，認(rèn)為難題具有多種解決辦法，為學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等重要概念提供有意義的內(nèi)容。

原則2：K-12工程學(xué)教育應(yīng)融合與兒童認(rèn)知發(fā)展相適宜的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)的知識(shí)和技能。工程設(shè)計(jì)中包含許多科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)的跨學(xué)科概念，例如科學(xué)概念和科學(xué)探究方法可支持工程實(shí)踐活動(dòng)；數(shù)學(xué)概念和計(jì)算方法可支持?jǐn)?shù)據(jù)分析和建模過(guò)程；技術(shù)概念和技術(shù)可展示工程設(shè)計(jì)的成果。

原則3：K-12工程學(xué)教育應(yīng)促進(jìn)工程學(xué)思維。工程學(xué)思維與21世紀(jì)重要的公民技能保持一致。工程學(xué)思維包括：系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、樂(lè)觀、合作、交流、道德考慮。其中，較之于基礎(chǔ)及高等教育中工程學(xué)教育的現(xiàn)狀，原則3應(yīng)是重點(diǎn)培養(yǎng)對(duì)象。

為了評(píng)估發(fā)展K-12工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的潛在價(jià)值和可行性，美國(guó)國(guó)家工程院于2008年贊助K-12工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)進(jìn)行了一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)2年的研究。2010年該委員會(huì)發(fā)布報(bào)告《Standards for K-12 Engineering Education？ 》［13］，其中總結(jié)了支持和反對(duì)開(kāi)發(fā)工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的理由，以及委員會(huì)的最終建議。

支持開(kāi)發(fā)工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的理由包括：1）內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的建立可以最有力地表明工程學(xué)的課程地位，從而提高學(xué)校開(kāi)設(shè)高質(zhì)量的工程學(xué)課程的可能性；2）內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)可以為課程設(shè)計(jì)者和教師提供指導(dǎo)，并促進(jìn)教學(xué)材料和教師培養(yǎng)項(xiàng)目的發(fā)展；3）內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)可以為課程改革提供連續(xù)一致的知識(shí)框架，并依據(jù)最新的認(rèn)知科學(xué)的發(fā)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的工程學(xué)課程進(jìn)行改進(jìn)。

反對(duì)開(kāi)發(fā)工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的理由包括：1）實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，既不知道如何有效指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，也不知道如何科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生在工程學(xué)課程中的表現(xiàn)；2）師資力量匱乏；3）學(xué)生的課程負(fù)擔(dān)已較重，為工程學(xué)開(kāi)辟獨(dú)立的時(shí)間和空間非常困難。

綜合以上觀點(diǎn)，K-12工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)委員建議暫不開(kāi)發(fā)K-12工程學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，而是將工程學(xué)的核心概念和基本能力嵌入到科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等課程標(biāo)準(zhǔn)中。

2013年，美國(guó)頒布了《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》。此前，在美國(guó)的50個(gè)州中僅有12個(gè)州明確在其課程標(biāo)準(zhǔn)中包含工程學(xué)相關(guān)內(nèi)容，但仍有14個(gè)州的課程標(biāo)準(zhǔn)中不含有相關(guān)內(nèi)容?！断乱淮茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的頒布顯著提高了美國(guó)基礎(chǔ)教育中工程學(xué)的范圍和質(zhì)量［14］。在我國(guó)，隨著2017年《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》和2018年《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的頒布，工程學(xué)已正式進(jìn)入基礎(chǔ)教育。這將有效推進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)教育中的工程學(xué)教育逐步走向正規(guī)。然而，學(xué)生、教師，以及各級(jí)政策決定人員如何理解工程學(xué)的價(jià)值，學(xué)校如何解決資源匱乏、經(jīng)驗(yàn)不足的難題，社會(huì)資源如何有效融入并促進(jìn)工程學(xué)教育活動(dòng)的開(kāi)展……這些都是目前推進(jìn)工程學(xué)教育所面臨的巨大挑戰(zhàn)，如何全面有效地推進(jìn)工程學(xué)教育，仍然需要進(jìn)一步摸索和努力。