黃 樺

（1.上海師范大學 教育學院，上海 200234；2.嶺南師范學院 物理科學與技術學院，廣東湛江 524048）

一、引言

近年來，國際教育領域在STEM 教育思路的引領下，工程實踐融入科學教育這一創(chuàng)新范式，開啟了各國新一輪的科學教育改革。美國2012年頒布的《K-12 科學教育框架》（以下簡稱《框架》）以及2013年發(fā)布的《下一代科學教育標準》（以下簡稱NGSS），前所未有地將工程學科的內(nèi)容融入到K-12 科學教育中，形成“科學與工程實踐”與“學科核心概念”、“跨學科概念”有效整合的三維學習架構，并明確提出了科學與工程實踐的表現(xiàn)性期望、類型、內(nèi)容以及具體的學習目標。[1]NGSS 以跨學科整合型的STEM教育思想，建立了科學與工程實踐相結合的、新的人才培養(yǎng)路徑，體現(xiàn)全球經(jīng)濟和貿(mào)易自由化背景下的科學教育新方向，為世界各國的課程改革和科學教育提供了一定借鑒和參考。[2]

對NGSS 的研究表明，科學與工程之間的關系需要被理解，這樣才能確保課程的連貫實施。[3]工程為學生提供了新的教育機會，但也對如何“概念化”工程學科領域的學科核心概念、跨學科概念以及科學與工程實踐提出了挑戰(zhàn)。而對于沒有修過工程學課程的科學教師來說，教授工程內(nèi)容是極大的挑戰(zhàn)，并且他們往往對工程學科存在誤解。[4]比如，許多教師和學生無法充分區(qū)分科學和工程；許多教師和學生錯誤地將工程師視為諸如建筑工人、汽車機械師等熟練工人。[5-6]

不少研究者表達了對將工程學納入科學課程可能會導致這兩門學科合并的擔憂，因為它們的本體論和認識論假設其實非常不同。[7]為了避免科學與工程的混淆，教師和學生必須了解工程學科的結構，包括它與科學的關系，才能更好地開展基于工程本質(zhì)和科學本質(zhì)的STEM 教學。許多國家的工程標準，包含了對工程和工程設計的簡明定義，有些還討論了某些工程領域，但工程本質(zhì)在這些標準中并沒有突出的地位。[8]例如，NGSS 幾乎完全用設計實踐來描述工程，工程實踐固然是重要的，但學習一門學科的實踐，并不一定會實現(xiàn)理解該學科的本質(zhì)。[9]因此，理解工程的本質(zhì)必須被視為STEM 教育獨特的學習目標，在“K-12 工程教育”中給予更多的關注。

毋庸置疑，NGSS 提出的工程實踐融入科學教育，是指通過工程實踐豐富學生的科學學習，使學生更好地學習科學概念，實現(xiàn)跨學科整合型的STEM教育，以提高學生解決實際問題的能力。這意味著，教師需要通過不同的方式來教授工程，以使其和科學教學區(qū)分開來；同時，這種教學方式有助于學生理解工程的本質(zhì)。顯然，NGSS 并沒有明確提出融入工程實踐的科學教學應該怎樣教。

為了彌補這一缺陷，美國國家科學院、工程院和醫(yī)學院（簡稱NASEM）于2018年發(fā)布了新報告《以調(diào)查和設計為中心的6-12年級科學與工程》（Science and Engineering for Grades 6-12：Investigation and Design at the Center，以下簡稱《新報告》），明確提出科學調(diào)查與工程設計，應成為科學與工程教學的核心路徑，教師應圍繞有趣的現(xiàn)象或設計項目安排教學，并利用學生的好奇心使他們參與科學和工程的學習。[10]

《新報告》的出臺，源于全球生物科技巨頭安進公司成立的“安進基金會”（Amgen Foundation）和紐約卡內(nèi)基公司要求NASEM 召集一個委員會，重新審視2006年美國國家科學院發(fā)布的《美國實驗室報告：高中科學實驗室的調(diào)查》（以下簡稱《美國實驗室報告》）。委員會被要求考慮2012年《K-12 科學教育框架》、2013年《下一代科學教育標準》的新理念，以及過去十年K-12 階段科學調(diào)查與工程設計教學取得的成績。此外，該委員會還被要求考慮中學的需求，而不僅僅是關注高中，并探索在這些年級向?qū)W生教授工程學和科學的方法。因此，NASEM 在科學教育委員會的指導下，對《美國實驗室報告》進行了修訂，以體現(xiàn)《框架》和NGSS 的科學教育新愿景，并確定以“科學調(diào)查和工程設計作為科學課程教學的中心”這一理念。

美國一直致力于維護其全球科技創(chuàng)新領域的霸主地位，不僅在課程標準中明確提出將工程教育融入K-12科學教育，歷屆政府更是先后發(fā)布了多份影響力極大的STEM 政策文件，以強化美國STEM人才的培養(yǎng)。比如，美國白宮2018年底出臺了“STEM 戰(zhàn)略五年規(guī)劃”，明確提出“所有美國公民都將終身受益于高質(zhì)量的STEM 教育”的愿景，意在保持其在全球科技創(chuàng)新領域的核心位置。[11]相比之下，我國關于工程實踐融入科學教育的研究與實踐剛剛起步，只有零星幾篇文獻，并且政府部門尚未出臺強有力的政策文件。

為此，我們需要有強烈的緊迫感，加強我國基礎教育階段工程教育的理論和實踐研究，進一步推動教育體制與機制變革，以贏得全球工程、科技人才培養(yǎng)的制高點。因此，有必要分析《新報告》提出的“以工程設計作為‘K-12 工程教育’核心實踐”的思想，以便為國內(nèi)學者從事相關研究，提供一些借鑒。

二、工程設計融入K-12 教育的發(fā)展歷程及相關研究回溯

自工程教育融入K-12 教育以來，在多年的發(fā)展歷程中不斷成熟和完善，陸續(xù)被多國認可并納入K-12 教育課程體系中。同時，眾多研究者對“K-12 工程教育”進行大量的研究，取得了豐碩成果。[12]通過回顧工程設計融入K-12 教育的發(fā)展歷程及相關研究，一方面，為本研究的開展提供了有價值的依據(jù)；另一方面，通過分析已有研究的不足，有助于尋找突破口。

（一）工程設計作為教學方法，形成“設計—探究”的科學教學方法

20世紀末，工程教育開始進入K-12 教育，工程設計作為一種科學教學方法，與科學探究一起，形成一種新的科學教學方法：設計—探究。這一教學方法通常包括工程設計和科學探究兩部分，強調(diào)二者并重的整合以及過程比例和重要性的均衡，形成“設計與探究為一體”的格局。如圖1所示，“設計—探究”在實踐中出現(xiàn)了多種形式，代表性的有通過設計的學習（Learning By DesignTM，簡稱LBD）、基于設計的學習（Design-Based Learning，簡稱DBL）、基于設計的科學（Design-Based Science，簡稱DBS）。

圖1 K-12 工程設計教育中的“設計—探究”教學方法

1.LBD 教學方法

基于對學習遷移理論以及關于設計研究文獻的分析，喬治亞理工學院的學習科學家和認知科學家克羅德納（Janet Kolodner）等人，提出了LBD 教學方法。LBD 是最早運用于科學和工程實踐的教學法之一。雖然LBD 是問題導向的學習和基于案例推理的交叉融合，卻是作為基于項目的探究方法引入科學教育的。如圖1（a）所示，LBD 包括“設計—重新設計”和科學探究兩部分，強調(diào)設計和探究的相互聯(lián)系。LBD 通過解決復雜、結構不良的問題，在循環(huán)、協(xié)作和討論的過程中，讓學生開展決策、識別和運用證據(jù)進行論證、設計，并開展調(diào)查、交流想法和實驗結果分析等有意義的學習和設計實踐。[13]

2.DBL 教學方法

匹茲堡大學的學習科學家Apedoe 和Reynolds提出了DBL 教學方法。它主要通過工程設計項目激發(fā)高中生的工程職業(yè)追求，并整合科學探究和工程設計，促進抽象科學概念的理解，發(fā)展學生的STEM綜合素養(yǎng)。已有的研究表明，與其它教學模式相比，和科學探究或者其它傳統(tǒng)科學教育方法結合的DBL教學方法，更有助于學生深度理解科學知識和概念。比如，面向高中生的《加熱和冷卻系統(tǒng)》單元，學生通過開展持續(xù)8 周的基于設計的學習，理解了原子的相互作用、化學反應、能量轉(zhuǎn)換等難以理解的化學概念。[14]與LBD 類似，DBL 也是一種基于項目的學習方法，旨在促進學生的學科概念理解和科學實踐、設計實踐；所不同的是，如圖1（b）所示，DBL 教學方法強調(diào)設計與科學的公共對話，即設計與科學的共同屬性，而LBD 強調(diào)的是設計與探究的相互影響。

3.DBS 教學方法

DBS 教學方法是密歇根大學科學教育研究者福特尤斯（Fortus D.）等人提出的，它主要通過基于設計的教學，以促進基于探究的科學學習。在教學中，DBS 往往將設計作為學生學習科學的工具，讓學生制作科學作品，重點發(fā)展學生的建模和表征能力。如圖1（c）所示，DBS 圍繞動手制作作品和模型，通過“以學生為中心”的學習環(huán)，以定義問題情境開始，強調(diào)背景研究、協(xié)作和反饋，幫助學生在多種教學情境進行概念理解和學習遷移，解決真實世界、結構不良的科學問題，并進行元認知反思。福特尤斯通過科學知識測試以及學生作品評估，發(fā)現(xiàn)DBS 教學方法有助于學生更牢固地掌握科學知識。[15]

從以上分析我們可以看出，工程設計作為一種教學方法，可以與科學探究一起，組成整合性的科學與工程實踐。一方面，科學探究有利于學生對科學概念的理解和規(guī)律的掌握；另一方面，工程設計通過產(chǎn)品設計、制造和測試等，不斷深化學生對科學概念的理解，以及理解真實世界中科學規(guī)律的運用。但必須注意的是，工程設計需要融入科學概念的學習以及基于證據(jù)的決策，否則極容易變成手工課或者藝術課?；谏鲜鲞@三種教學方法，我們可以從整合目的、內(nèi)容占比和組織交聯(lián)方式三個維度出發(fā)，形成應用延伸、工程框架、設計即探究等三種工程實踐融入基礎科學教育的整合思路。[16]

（二）工程設計作為學科實踐，融入科學教學或游離于科學課程外

2009年，為了彌補“K-12 工程教育”的長期缺失，培養(yǎng)工程類人才，美國陸續(xù)頒布了《K-12 工程教育：現(xiàn)狀及未來》、《K-12 工程教育標準》等和工程教育相關的報告和文件，不僅揭示了美國基礎教育階段工程教育的現(xiàn)狀，也描繪了工程教育的發(fā)展藍圖。明確提出工程設計作為一種學科實踐，產(chǎn)生了“Engineering is Elementary（簡稱EiE）”、“Picture STEM”、“Engineer Your World（簡稱EYW）”等一批工程教育項目和課程（如圖2所示）。

“EiE”是波士頓科學博物館為了促進工程設計教學、幫助學生形成對工程師的積極認識，通過整合工程和科學學科所形成的一個小學教學單元，開創(chuàng)了小學工程設計教育的先河；“Picture STEM”是明尼蘇達大學和普渡大學研究者開發(fā)的虛擬仿真課程；“EYW”則是德克薩斯大學奧斯汀分校工程教育團隊研發(fā)的一門高中工程教育課程，該課程作為大學的先修課程，通過將數(shù)學和科學作為設計的工具，讓高中生參與基于項目的學習。主要目的是發(fā)展學生的工程和計算技能，當學生完成學習后，可以獲得對應的學分。

盡管LBD、DBL、DBS 三種教學方法都會促進科學與工程實踐的實施，但由于缺乏工程設計的認識論基礎，存在著很大的限制。正如缺乏認識論基礎的科學探究在科學教育改革中曾面臨的困境一樣，基于設計的學習也會遇到這樣的問題?！犊蚣堋愤^于簡單地將工程定義為科學和數(shù)學的運用，強調(diào)工程的分析性和證據(jù)驅(qū)動本質(zhì)。但是，工程設計也包括用戶的滿意，并受到經(jīng)濟、社會、法律、環(huán)境等因素的制約。正如科學不單單是證據(jù)驅(qū)動和科學決策，也包括價值觀和道德的判斷。基于設計的教學方法強調(diào)證據(jù)、共同對話和協(xié)作學習，但往往缺少了對客戶或用戶的深度了解，以及比如成本等非技術因素的考慮。因此，設計實踐必須融入用戶或客戶的參與，需要強調(diào)設計的真實性和情境性。

在前一階段中，工程設計只是作為輔助科學探究的一種教學方法，并沒有在科學課程中得到突出的表現(xiàn)。僅僅作為科學教學的一種教學方法，無法真正影響學生的工程專業(yè)追求和職業(yè)取向。而作為學科實踐的工程設計，必然要求“K-12 工程教育”體現(xiàn)工程本質(zhì)教學，形成具有獨特課程價值、目標和實施路徑的工程教育項目或課程。如圖2所示，在這些案例的課程設計中，工程是課程的主要內(nèi)容，而設計是學科實踐，同時融入科學、技術、藝術等學科內(nèi)容的學習。在這一發(fā)展階段，形成了設計作為學科實踐以及作為教學方法并存的STEM 教學思路，而且“設計”轉(zhuǎn)變?yōu)榧墒絊TEM 教育的關鍵，也形成了工程設計融入科學教學或游離于科學課程外的教學局面。

圖2 K-12 課程中工程設計過程模型的表征

（三）工程設計作為學科核心觀念，成為科學課程的一部分

2012年和2013年，美國先后發(fā)布了《框架》和NGSS，明確提出將“科學與工程實踐”作為K-12 科學教育的三個維度之一，并將工程設計作為核心學科觀念；2018年發(fā)布的《新報告》，則指出工程教育要以設計為核心。至此，工程設計以“學科實踐”與“核心觀念”的雙重身份，進入美國K-12 科學教育。比如，《框架》提出了工程與技術兩個方面的學科核心觀念：標準和制約、建模和分析、優(yōu)化和權衡的工程設計專業(yè)知識；工程、技術、科學與社會之間的聯(lián)系。這就要求學生和教師對工程設計實踐有深刻的理解。

目前，關于學生理解工程設計專業(yè)知識的價值和意義的研究并不多。學生能否理解工程問題是如何定義和界定的？學生能否了解如何使用原型和數(shù)學模型來開發(fā)、測試和改進替代解決方案？學生能理解優(yōu)化和權衡利弊嗎？學生能否了解決策和優(yōu)化設計方案所必需的專業(yè)工具和方法、目的？教師在多大程度上熟悉這些核心觀念？這些問題都需要通過研究來回答。

對此，《新報告》運用已有研究成果，對《框架》提出的工程設計的三個核心觀念進行了充分解讀。

1.定義和界定工程問題

已有的研究表明，在工程問題定義和界定方面，學生和老師都難以理解標準和制約條件。有研究者通過讓小學生評估一個卡通人物的設計過程，進而了解小學生對設計的理解。結果發(fā)現(xiàn)，在正式的工程教育之前，學生對建構和重構的重要性已經(jīng)有一定的了解，雖然他們沒有認識到提問的重要性和理解問題的必要性，但可以理解問題定義和得出多種解決方案同等重要。[17]意識到要在發(fā)展解決方案之前理解和界定問題范圍，這也是專家型設計者和新手設計者之間的差別。但是，當面臨有意義的真實挑戰(zhàn)時，學生可以優(yōu)化標準、關注并表達虛擬客戶的需求等工程問題的定義和界定?？梢姡谟姓鎸嵖蛻舻捻椖恐?，學生更容易對問題進行界定。

2.發(fā)展可能的解決方案

在工程中，建模和分析尤為重要。工程模型支持協(xié)商和決策，是技術論證的關鍵組成部分。事實上，原型和模型不僅僅是表征，作為實踐分享的一部分，它們支持工程設計人員使用特殊工具和詞匯進行交流、推理和決策。在發(fā)展解決方案和原型時，學生可能更關注表面形式和物理外觀，而不是功能和結構。因此，課程需要較少聚焦對原型外觀的關注，而把重點放在任務、精化和論證等設計細節(jié)上。Svarovsky發(fā)現(xiàn)，可以通過檢查學生在論述和描述客戶需求時所使用的專業(yè)技術詞匯，來評估學生的工程知識。[18]同樣，虛擬模型以及計算機輔助設計軟件，可以有效促進學生的設計和科學實踐，幫助學生理解設計這一學科的核心觀念。

Glancy 等人發(fā)現(xiàn)，小學生在數(shù)據(jù)分析和測量方面存在著挑戰(zhàn)，比如，正確使用測量設備、誤差分析等。[19]還有研究發(fā)現(xiàn)，在設計任務中，高中生對設計定性方面的理解，比如，和用戶面談的數(shù)據(jù)，要好于定量方面；但是，學生在數(shù)學建模和系統(tǒng)比較設計解決方案方面還有困難。在有客戶的真實項目中，設計解決方案的優(yōu)劣，很可能取決于知情的設計實踐。但是，必須注意，這種項目的焦點不僅僅是交付原型或工件了事。例如，Mentzer 比較了上網(wǎng)收集信息的高中生的設計方案和沒有上網(wǎng)的學生的設計方案，發(fā)現(xiàn)學生在游樂場設計的挑戰(zhàn)項目中，收集信息的時間并沒有影響他們的解決方案質(zhì)量。[20]因此，僅僅獲得信息是不夠的，決定解決方案質(zhì)量的是參數(shù)和用戶需求的結合，而不僅僅在于它的可行性。

3.優(yōu)化設計方案

在工程實踐中，優(yōu)化是一個重要而富有挑戰(zhàn)性的概念。已有研究案例表明，小學生可以參與優(yōu)化。戈爾茨坦（Goldstein）等人的研究發(fā)現(xiàn)，學生在“先設計活動后設計策略”的優(yōu)先級別探究中，“權衡利弊”成為統(tǒng)計意義上對學生更重要的概念。但是，學生仍然難以理解這一術語，這意味著設計術語需要在課堂上明確地教授。[21]Purzer 等人提出了另一種方法，來支持學生對優(yōu)化的理解。他們認為，學生的優(yōu)化能力可以通過對兩個相互競爭的標準的權衡來發(fā)展，比如，重復實驗所需的成本和效率。為了降低成本或者提高效率，通過重復的、集中的測試和診斷，學生不斷改進“雞蛋撞地球”的實驗方案，決定要改進什么，重新設計什么，或者試圖同時考慮這兩方面。使用專業(yè)工具，如，加權決策矩陣和層次分析法，可以幫助優(yōu)化設計方案，并使學生了解優(yōu)化這個概念。他們還發(fā)現(xiàn)，高中生在進行權衡決策利弊時，與科學概念有著明確的聯(lián)系。[22]

從工程設計融入K-12 教育的發(fā)展歷程，我們可以看出，工程教育在科學教育中所扮演的角色越來越重要。首先，我們需要意識到，工程教育融入科學教育的必要性和可操作性；其次，在科學教育體系中，必然是以自然科學學科的知識學習為主，工程實踐的融入肯定是有限的。我們不應該去評判孰重孰輕，而是要充分認識到跨學科整合型的STEM 教育，對學生綜合運用多學科的知識和方法去解決真實世界實際問題的教育價值。以深入探討“運用基于工程設計的科學教學，探索工程實踐融入K-12 科學教育”這一創(chuàng)新性改革的課題。也正因如此，NASEM 發(fā)布了《新報告》，明確提出科學調(diào)查和工程設計這一“雙軌”的科學教學策略，以深化科學與工程實踐對科學知識學習的作用。

三、以工程設計為中心的“K-12 工程教育”之實踐策略與教學轉(zhuǎn)變

設計一直被認為是工程學的一個決定性特征，它將工程學從科學等學科中分離出來。[23]然而，設計并不是工程學所獨有的，比如，服裝設計、藝術設計等。我們必須明白，工程是如何以一種特定于學科的方式運用設計的。工程設計通常被描述為解決問題，工程的顯著特點是它關注技術的實際設計。[24]這些工程設計的本質(zhì)，對于我們理解“以工程設計作為工程教育的核心”具有決定性的作用。

基于工程和工程設計的本質(zhì)，《新報告》對以工程設計為中心的“K-12 工程教育”提出了“基于真實設計項目、學生作為反思性設計者、教師作為設計指導者”三個實踐策略，以及從學生、教師和教學資源三方面，需要實現(xiàn)新的教學轉(zhuǎn)變。

（一）實踐策略

1.強調(diào)設計項目的真實性

中小學工程設計實踐活動的傳統(tǒng)案例有很多，比如，用意大利面和棉花糖建造高塔或者用蘿卜搭塔，設計能承受更重負載的橋梁等；再如，美國早期國家科學教育標準提到的“雞蛋撞地球”設計挑戰(zhàn)，即讓學生設計一個容器，保護雞蛋掉落4.5 米而不會破碎。這些挑戰(zhàn)項目，在一定程度上促進了工程設計實踐，但它們通常是制作、測試的線性過程，解決方案有限，而且問題固化、結果導向、評價標準單一。另一種工程設計實踐活動，設計了真實的客戶，問題維度不僅包括科學與技術要求，也包括經(jīng)濟、環(huán)境、社會制約等，學生可以發(fā)展起多種解決方案。這種工程實踐重視用戶和客戶需求，利用技術和實驗證據(jù)做出合理決策，并考慮技術、社會、經(jīng)濟的制約和影響，問題解決更復雜和更具挑戰(zhàn)性。在這兩種例子之間，也有案例設計模擬客戶，讓學生有機會探索用戶需求。

在《框架》提出的三維學習架構中，學生融入科學家和工程師的實踐，探索和運用學科核心觀念，并通過跨學科共同概念在學科內(nèi)容的各個領域建立聯(lián)系?？梢?，利用簡單的構建模型和測試來完成挑戰(zhàn)任務，是無法實現(xiàn)這種教學目標的。三維學習架構要求解決擁有真實目的，并且用戶、學生能夠參與與學生相關的工程問題。真實的實踐本質(zhì)上蘊含著跨學科的思想，更能吸引學生的參與，尤其是對STEM 失去興趣的學生。

已有的研究表明，真實的工程設計實踐，更能實現(xiàn)深度學習；當學生向客戶提出解決方案時，論證能力更強；在以客戶為中心的設計中，學生會建立更復雜的聯(lián)系。[25]因此，為了促進三維學習，學生有必要參與真實或虛擬仿真的工程設計項目。這些項目具有如下特點：（1）讓學生可以與一個客戶進行交互，或者與一個用戶建立聯(lián)系；（2）呈現(xiàn)擁有多種解決方案的問題；（3）涉及的標準和制約條件不僅局限于與學科核心觀念相關的科學與技術，而且還包括經(jīng)濟、社會或環(huán)境等方面的制約。

2.幫助學生成為反思性設計者

反思和協(xié)同決策是工程設計的關鍵部分，學生需要進行口頭、書面或者圖樣表達。溫德爾（Wendell K.B.）等人通過小學生闡明替代方案、評估各種解決方案的優(yōu)缺點、復述一個解決方案的性能、用證據(jù)分析解決方案、有目的地選擇和改進解決方案等話語模式分析，發(fā)現(xiàn)即使教師沒有太多工程教學的經(jīng)驗，小學生的反思性決策實踐依然很明顯。[26]

根據(jù)Wilson 等人的觀點，如下的設計實踐和話語實踐，對于形成高質(zhì)量解決方案非常重要：（1）重讀、標注、分享和總結，對問題陳述（定義問題）；（2）確定問題解決內(nèi)容的優(yōu)先級（界定問題）；（3）識別信息的不足（反思）；（4）運用提問、推理、咨詢等策略收集不同來源和類型的信息（收集信息）；（5）追蹤想法的產(chǎn)生（產(chǎn)生想法）；（6）意見反饋（反思性實踐）。[27]

在設計時，學生們要花費大量的時間進行建模、關注解決方案的性能。雖然在現(xiàn)實世界中性能很重要，但工程師也將失敗視為學習過程的關鍵部分，尤其是在探索新的解決方案時。學生可以進行圖式（實物圖、設計圖等）的反思性實踐，也可以參與寫作的反思性設計實踐，比如，運用專門的工程筆記本和撰寫設計日記、給客戶寫備忘錄等。通過多種途徑幫助學生反思，一方面，可以讓學生利用“科學論證”、“表達交流”等熟悉的科學探究要素進行工程設計，嫁接科學與工程之間的聯(lián)系；另一方面，可以激發(fā)學生的工程思維，不斷發(fā)展批判性思維、計算思維、設計思維等高階思維能力。

3.教師要成為正確的設計指導者

在設計領域中，教授設計的人通常被稱為指導者，因此，《新報告》提出教師應該作為設計指導者。Adams 等人研究了包括工程和工業(yè)設計在內(nèi)的多個設計學科中，具有豐富設計經(jīng)驗的教育者的指導行為，發(fā)現(xiàn)設計指導者具有四種常見的指導方式：首先，設計指導者通過引導學習者注意和討論解決方案與計劃，運用推理來激發(fā)學生的表達；其次，在必要的時候，設計指導者會對活動進行控制，幫助學生建立概念聯(lián)系，識別他們的錯誤設計；第三，設計指導者通過傳達與設計習慣和策略相關的明確知識來進行講授；最后，有時設計指導者會建議學生自己進行測試，讓他們“弄清楚”自己的作品。[28]

設計指導作為一種方法，必須與設計的認識論知識相結合。在教師開展教學前，必須識別他們對工程和科學的認識，并了解這些信念如何影響教學實踐?？矊幇玻–unningham C.M.）等人提出了工程實踐的四種認識：（1）工程是人和人一起完成的，它發(fā)生在一個社會環(huán)境中；（2）使用數(shù)據(jù)和證據(jù)來做決定；（3）使用專門的工具和策略來解決問題；（4）通過創(chuàng)造和創(chuàng)新來開發(fā)解決方案。[29]為此，我們要意識到教師對工程的認識和信念與學科實踐不一致，會導致科學與工程錯誤概念的產(chǎn)生。Lottero 等人通過對250 多名小學教師的研究發(fā)現(xiàn)，失敗有消極的含義，錯誤和失敗的術語被認為是無用的；然而，Lottero 認為，在教育環(huán)境中，失敗指的是諸如計算錯誤之類的錯誤；而在工程設計中，失敗是測試、收集反饋和創(chuàng)新過程中必不可缺的一部分。[30]

在另一項研究中，Sengupta 等人發(fā)現(xiàn)，隨著教師將失敗重新定義為科學和工程的重要組成部分，教師對工程的看法隨之發(fā)生了改變；他們還發(fā)現(xiàn)，教師把在科學上取得成功的學生描述為高成就、完美和聰明的學生，而把在工程上取得成功的學生描述為低成就、勤奮但不是“讀書行”（Book Smart）的學生。[31]該研究也顯示，在科學和工程課程的招生方面，教師對社會經(jīng)濟地位較低的學生存在著隱性偏見，這些錯誤觀念可能會以兩種截然不同的方式造成問題：首先，這些誤解影響了學生對學科的理解；其次，也是最重要的一點，這些都是教育公平的潛在威脅，對誰今后在科學或工程方面取得成就，將產(chǎn)生一定影響。因此，教師對工程的認識必須事先得到檢驗。

三維學習架構要求教師采用合適的教學方法，這樣才能注意到學生的思維，對學生的思維做出反應，并隨著學生思維的發(fā)展而調(diào)整教學方法。而響應式教學常常被認為是設計指導的有效教學方法。只有設計項目為響應式教學提供豐富的學習環(huán)境，教師才可以注意認知、人際關系，以及學生決策、學術語言、迷思概念、性別差異、協(xié)作、情感等內(nèi)容。因此，教師需要在響應式教學中培養(yǎng)能力，從而激發(fā)學生的思維，關注和解釋學生的思維，并做出響應。教師教育和專業(yè)發(fā)展應該立足于教師最初的優(yōu)勢（比如，建模、數(shù)據(jù)分析或論證教學等），不求面面俱到，但能逐步培養(yǎng)起需要繼續(xù)關注的領域所需的能力。Baker等人提供了一些策略，來支持教師在他們的教學實踐中做出改變。比如，分享他們在第一次工程設計課程實施中的成功和失敗、討論可能的改變、接收反饋、反思等。[32]設計過程是迭代的、反思性的、對失敗感到舒適的；與設計過程類似，教師實踐向三維學習的轉(zhuǎn)變，也應該在過程中對失敗進行迭代、反思和規(guī)劃。

（二）教學轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的科學課堂教學往往將實驗作為學生和教師參與的不同教學活動的一種，而以科學調(diào)查和工程設計為核心的STEM 教育，會改變這種教學模式。如圖3所示，左邊的是傳統(tǒng)各自獨立、甚至是科學實驗不應該包含的科學課堂活動，學生學習的是詞匯、事實和概念知識；右邊則是以調(diào)查和設計為中心的課堂教學，突出以調(diào)查和設計為主線的教學思路，凸顯STEM 教學的核心特征，為學生提供連貫、一致和有意義的三維學習方式。基于這種思想，也為了強調(diào)科學實踐和工程實踐的不同與內(nèi)在聯(lián)系，《新報告》為科學調(diào)查和工程設計提供了五種重要實踐：（1）理解科學現(xiàn)象和設計挑戰(zhàn)；（2）收集、分析數(shù)據(jù)和信息；（3）構建解釋和設計解決方案；（4）自己或與他人開展推理交流；（5）開展多種情境的學習。進而，從學生、教師和教學資源三方面實現(xiàn)新的教學轉(zhuǎn)變。

圖3 傳統(tǒng)科學課堂活動和以調(diào)查、設計為中心的科學教學

1.學生學習實踐的轉(zhuǎn)變

以科學調(diào)查和工程設計為中心的STEM 教學，使得學生的科學學習方式發(fā)生重大的轉(zhuǎn)變。如表1所示，在調(diào)查和設計的過程中，學生通過觀察，基于已有知識和經(jīng)驗，發(fā)展并提出關于自然和工程世界現(xiàn)象的問題，以更好地理解科學現(xiàn)象和設計挑戰(zhàn)；通過收集、分析數(shù)據(jù)和信息，尋求模型和評估信息，形成證據(jù)；通過對現(xiàn)象構建解釋，為系統(tǒng)各組成部分之間的關系建立模型，運用科學調(diào)查和挑戰(zhàn)測試獲得的證據(jù)進行論證；通過理解各要素以及方案測試結果之間的關系，設計解決方案；通過模型和論據(jù)，自己或者與他人開展推理交流，展示證據(jù)，形成解釋或者解決方案，運用作品和模型對他人的想法進行回應，開展有成效的討論；通過學習反思，尋求調(diào)查和設計學習經(jīng)驗與課堂外的現(xiàn)象和事件進行聯(lián)系，開展多種情境的學習。

與《框架》提出的科學與工程實踐要素的說法不同，《新報告》提出的以調(diào)查和設計為中心的學習實踐，更能體現(xiàn)NGSS 的新理念，比如，理解現(xiàn)象并設計問題的解決方案、三維學習、K-12 學習進階的內(nèi)容設計與評價等理念。

2.教師教學行為的轉(zhuǎn)變

不少研究者對科學教師的核心教學實踐進行了深入研究。例如，溫斯特（Windschitl M.）等人注意到，科學課堂應該成為學生的學術交流活動場所，教師需要處理這種更為復雜的教學環(huán)境和教學方式，幫助學生發(fā)展對復雜概念的理解和學科核心實踐，而不能只是讓學生記憶、重現(xiàn)課本的解釋。[33]克洛塞（Kloser M.）認為，科學教師關鍵的作用是促進課堂對話，幫助學生通過已知的理論和證據(jù)來重塑這些想法，并公平地促進學生之間的思想交流。[34]溫斯特進一步提出，教師應該和學生多開展以下幾種形式的對話：（1）提醒——這一點很重要；（2）挑戰(zhàn)——你怎么認為；（3）補充——誰還想補充；（4）聯(lián)系——它們有怎樣的聯(lián)系；（5）驗證和澄清——所以，你想說的是；（6）基于證據(jù)的推理——我們是如何發(fā)現(xiàn)的；（7）進一步推理——再多說一點。[35]因此，開展以調(diào)查和設計為中心的STEM 教學，教師需要做到：（1）提供學習選擇和學習自主；（2）促進學生個體的相關性；（3）呈現(xiàn)合適的、具有挑戰(zhàn)性的材料；（4）創(chuàng)設合適的社會和文化情境。

表1 以調(diào)查和設計為中心的學習實踐

3.教學資源的重新設計

為了保障上述學生和教師在學與教方面的轉(zhuǎn)變，我們從《新報告》提出的五個重要實踐出發(fā)，對教學資源進行了重新設計：

第一，在理解科學現(xiàn)象和設計挑戰(zhàn)方面，從原來的內(nèi)容與過程目標的分隔，課程與教師解釋和學生運用概念等教學活動的分離，現(xiàn)象僅作為例子展示已講授過的知識，以及聚焦科學主題；轉(zhuǎn)變?yōu)樽寣W生理解現(xiàn)象和設計挑戰(zhàn)，三維學習的引導和促進，與學習者生活相關，聚焦調(diào)查和設計。

第二，在收集、分析數(shù)據(jù)和信息方面，從原來的用數(shù)據(jù)驗證科學原理，轉(zhuǎn)變?yōu)橛觅Y源支持作為證據(jù)的數(shù)據(jù)構建解釋、發(fā)展論點。前者突出的是科學驗證，而后者更注重基于證據(jù)的科學推理和思維發(fā)展。

第三，在構建解釋和設計解決方案方面，從原來的由老師提供或在課本中找到解釋，轉(zhuǎn)變?yōu)槔觅Y源支持學生在解釋和評估設計方案時，根據(jù)證據(jù)發(fā)展出論點和制作模型。

第四，在自己或與他人開展推理交流方面，從原來的工作單和實驗報告，只關注學生的錯誤概念而沒有將學生的想法作為資源，極少關聯(lián)學生的經(jīng)驗以及身份和公平參與；轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生更多地通過建構模型和作品的機會來展示對現(xiàn)象和設計方案的新理解，教師通過嵌入式形成性評價引發(fā)和解釋學生的思維，對公平參與提供整合性的支持。

第五，在課外運用所學方面，從原來的特定的、僅限于教學單元出現(xiàn)的現(xiàn)象或挑戰(zhàn)的模塊化課程和單元學習，以及課程編寫者和教師熟悉而學生生疏的教學邏輯；轉(zhuǎn)變?yōu)樽寣W生將學習延伸到課堂外的現(xiàn)象和設計挑戰(zhàn)，為學生提供連貫的學習進階。

第六，在學習目標方面，從原來的運用識別、描述、解釋、分析等一般的認知性動詞來表達對科學概念或科學過程的學習期望，轉(zhuǎn)變?yōu)檫\用開發(fā)模型、分析數(shù)據(jù)、構建解釋等實踐性動詞來表達對三維學習的期望。

四、對我國“K-12 工程教育”實施的啟示

以工程設計為中心的“K-12 工程教育”是一種全新的教育范式，為校內(nèi)外科學教育增添了新的理念、內(nèi)容和方法，將會推動整個教育體系的發(fā)展與變革，它具有廣泛的研究和應用前景，應該得到政府、社會、學校和教師的重視。我們應該認識到，工程設計這一獨特工程實踐對于培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)、理解工程本質(zhì)、激發(fā)專業(yè)興趣、引發(fā)職業(yè)啟蒙的重要作用。目前，相比較于STEM 教育、翻轉(zhuǎn)課堂、MOOCs等教學理念，工程教育才剛剛進入我國基礎教育，尚屬于新事物，還存在很多挑戰(zhàn)。鑒于此，我們在借鑒美國以工程設計為中心的“K-12 工程教育”研究進展的基礎上，立足我國基礎教育階段工程教育的發(fā)展，做了一些思考并提出幾點建議：

（一）充分了解我國基礎教育階段工程教育的機遇與困境

目前，我國《義務教育小學科學課程標準（2017年版）》增加了技術與工程領域的課程內(nèi)容，要求學生掌握“工程技術的關鍵是設計，工程師運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動”等大概念與表述，學習內(nèi)容包括“工程是以科學和技術為基礎的系統(tǒng)性工作”、“工程的核心是設計”、“工程設計需要考慮可利用的條件和制約因素，并不斷改進和完善”。同時，提出了學段目標和教學建議。[36]在《普通高中通用技術課程標準（2017年版）》的選擇性必修課程中，設計了“工程設計基礎”模塊，包括“工程設計概述”、“工程設計一般過程”、“工程設計建?！?、“工程決策與管理”四個單元，同時還編寫了“內(nèi)容要求”、“教學提示”和“學業(yè)要求”。[37]可見，工程教育已成為我國基礎教育不可缺少的重要組成部分，課程標準內(nèi)容的變化反映了我國工程教育的最新成果。但與發(fā)達國家的工程教育相比，仍存在很大的差距。

首先，我國的基礎教育沒有將工程教育作為一個整體設計，沒有統(tǒng)一的科學課程標準和工程教育發(fā)展規(guī)劃。美國強調(diào)K-12 科學教育要以跨學科的思維整合“科學與工程實踐”、“學科核心觀念”、“跨學科共同概念”的三維教學，而且《美國K-12 工程教育：現(xiàn)狀及未來》《K-12 工程教育標準》《K-12 科學教育框架》等文件相互呼應，形成完整的工程教育發(fā)展藍圖。然而，我國小學科學課程標準開發(fā)與課程開設均晚于美國，初中和高中課程標準還以分科形式進行編寫，這些都會給我國工程教育的實施帶來挑戰(zhàn)。

其次，我國學前、小學、初中和高中課程教學缺乏內(nèi)在的邏輯聯(lián)系，導致各學段課程改革的相互制約，難以獲得整體發(fā)展。而美國科學教育基于學習進階理念，對課程進行整體設計，提出適合不同階段學生認知發(fā)展的表現(xiàn)期望與要求，為學生工程素養(yǎng)的發(fā)展提供連貫性和一致性標準。

最后，我國工程教育課程標準內(nèi)容的設計，仍然以借鑒經(jīng)驗為主，而發(fā)達國家的課程改革與發(fā)展是建立在教育研究基礎之上的。美國工程教育已經(jīng)積累了一定的實證研究成果，而我國的工程教育探索才剛剛起步，尚未在基礎教育領域產(chǎn)生廣泛的影響，研究范式、研究的廣度和深度，也都與發(fā)達國家存在較大的差距。

（二）“K-12 工程教育”要突出工程本質(zhì)，凸顯學生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)

為了幫助學生樹立工程專業(yè)追求和職業(yè)愿景，培養(yǎng)工程素養(yǎng)，我們需要讓學生真正了解“工程究竟是什么”，即重視工程本質(zhì)的教育。工程本質(zhì)是工程這門學科區(qū)別于其它學科的根本特征，所以，理解工程本質(zhì)是學生工程素養(yǎng)的重要組成部分。

克里斯汀（Christine）從工程的認知實踐出發(fā)，提出工程本質(zhì)的16 個內(nèi)容：（1）發(fā)展過程來解決問題；（2）基于情境考慮問題；（3）設想多個解決方案；（4）創(chuàng)新的流程、方法和設計；（5）在標準和制約條件之間進行權衡；（6）運用系統(tǒng)思維；（7）應用數(shù)學知識解決問題；（8）應用科學知識解決問題；（9）研究材料的性能和用途；（10）構建模型和原型；（11）做出基于證據(jù)的決策；（12）堅持并從失敗中學習；（13）評估解決方案的影響；（14）有效的團隊合作；（15）有效溝通；（16）把自己看成工程師。[38]

雅各布（Jacob）借鑒科學本質(zhì)的提法，認為工程本質(zhì)包括：（1）工程中的設計；（2）規(guī)范、制約和目標；（3）工程知識的來源；（4）工程知識的形成；（5）工程的范圍；（6）設計過程的模型；（7）工程的文化嵌入性；（8）工程學的內(nèi)部文化；（9）工程與科學。[39]

上述這些觀點充分考慮了工程學的社會背景、決策證據(jù)的重要性，用于構建知識的工具和策略的類型，以及創(chuàng)造力和創(chuàng)新的需要等，對我們進行課程開發(fā)、教師教育和工程教學，具有積極的指導作用。正如前文所述，單憑工程設計這一實踐是無法讓學生了解工程全貌的，所以，以工程設計為中心的STEM 教育，需要系統(tǒng)考慮工程的本質(zhì)，發(fā)展學生的工程知識，強化學生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。

（三）立足學生系統(tǒng)性思維和面對未知世界的能力發(fā)展，以嚴謹?shù)墓こ淘O計流程來發(fā)展學生的設計思維

“數(shù)字鴻溝”常常指能夠接觸到技術和無法接觸技術的人之間的差距，而在目前的基礎教育中，作為被動消費者的學生，與社會創(chuàng)新發(fā)展需要的主動創(chuàng)造者之間，正出現(xiàn)了巨大的“創(chuàng)造鴻溝”。學生在消費文化中成長，然后進入一所讓他們消費知識而非創(chuàng)造知識的學校，這使得“創(chuàng)造鴻溝”越來越大。因此，在新的數(shù)字化鴻溝中，資源獲取并非關鍵因素，更重要的是創(chuàng)造的機會。

正如《如何用設計思維創(chuàng)意教學：風靡全球的創(chuàng)造力培養(yǎng)方法》一書所提出的，創(chuàng)造力是一個需要結構的流程，而設計思維即流程，是一種解決問題的方法，鼓勵人們積極冒險，激發(fā)創(chuàng)造力?；贚AUNCH循環(huán)（觀察、傾聽、了解—多多發(fā)問—理解問題或過程—探尋想法—創(chuàng)造產(chǎn)品原型—確定產(chǎn)品優(yōu)缺點、改進產(chǎn)品—發(fā)布產(chǎn)品），能將創(chuàng)造力變成真實的體驗。[40]

有學者提出，要運用設計思維方法指導創(chuàng)客教育活動開展，認為根植于技術產(chǎn)品創(chuàng)新的固有品質(zhì)，有助于支撐創(chuàng)客教育的順利開展；以真實問題來引領學習者的思考，而非局限于具體產(chǎn)品功能的實現(xiàn)；以用戶體驗來指引產(chǎn)品創(chuàng)造過程，有益于學習者真正領悟創(chuàng)新之道；支持問題解決的多樣化技術路徑，有利于學習者創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。[41]

因此，立足學生系統(tǒng)性思維和面對未知世界的能力發(fā)展，我們需要以嚴謹?shù)墓こ淘O計流程提升學生的設計思維。隨著工程設計融入K-12 校內(nèi)外創(chuàng)客教育、STEM 教育等新型教學模式的不斷涌現(xiàn)，如何構建系統(tǒng)化的工程設計教育體系等問題，需要我們開展更多的理論研究與實踐探索。

（四）以工程設計融入K-12 課程為契機，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展

設計思維與核心素養(yǎng)的教育理念相一致，建構設計思維與學科教學融合的可行路徑，對基礎教育中學生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)具有重要意義。[42]培養(yǎng)面向未來的能力，就應從對當前社會、經(jīng)濟、科學、工程與技術所面臨新挑戰(zhàn)、新問題的回應開始，而設計思維正是解決這些挑戰(zhàn)和問題的創(chuàng)新方法論；核心素養(yǎng)作為學生培養(yǎng)的終極目標，指向了學生的必備品格和關鍵能力；而終極目標需要學生通過一個又一個臺階才能到達，設計思維充當了其中的一種重要臺階。核心素養(yǎng)具有跨學科/領域性、社會性、整合性、遷移性，而工程教育所依附的項目性、情境真實性、跨學科性和社會性，以及科學工程實踐、跨學科概念與學科核心觀念整合的三維學習架構，無疑是學生核心素養(yǎng)發(fā)展的優(yōu)秀載體。

因此，在理論體系和實踐要求上，作為工程設計教育理論基礎的設計思維，與核心素養(yǎng)教育理念具有較高的一致性。在我國新一輪的基礎教育改革中，以工程設計進入中小學科學課程以及信息技術、通用技術課程建設為契機，回應現(xiàn)實世界所面臨的新挑戰(zhàn)、新問題，依靠創(chuàng)新的過程將創(chuàng)造力變成真實的體驗，驅(qū)動能力培養(yǎng)指向核心素養(yǎng)的發(fā)展方向。當然，促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的工程設計教育路徑，還需要我們在實踐中不斷探索、細化，進而構建出特色化、本土化的實踐體系。

（五）構建STEM 教育生態(tài)共同體，頂層設計STEM 戰(zhàn)略的成功之路

STEM 教育的成功，不能僅僅依靠課堂或者學校層面的努力，需要形成一個生態(tài)共同體?！缎聢蟾妗分赋觯n堂上的工程設計教學受到學校、地區(qū)或者州內(nèi)外各種因素的影響。例如，教學時間、資源和課程序列的決策，需要各級部門的通力合作，并受到教學條件、教師專業(yè)知識的影響。美國特朗普政府在公布的新STEM 教育五年計劃，即“北極星”計劃——《制定成功路線：美國STEM 教育戰(zhàn)略》（2019-2023）中，明確提出了STEM 生態(tài)共同體的概念，希望通過學校、圖書館、虛擬或?qū)嶓w的科學中心/科技館/博物館、課后和暑假項目、本地商業(yè)和行業(yè)合作伙伴、高等教育、社區(qū)、家庭的通力合作，提升學生的STEM 素養(yǎng)，確保美國強大的勞動力和全球競爭力，以支持學前到16年級（preK-16）STEM 人才培養(yǎng)的連貫一致性、多樣性、公平性和包容性。[43]

當前，我國基礎教育面臨諸多機遇和挑戰(zhàn)，比如，新高考改革中高校自主招生面臨的困境，以競賽帶動的各類青少年科技、STEM 和創(chuàng)客比賽，以及研學旅活動、高校夏令營等，既有政府主導的、商業(yè)推動的，也有高?；蛑行W校自主開展的，琳瑯滿目但又良莠不齊的學習項目，缺乏系統(tǒng)性的整合。因此，我國STEM 教育需要基于國情，從高考作為人才選拔的有效機制出發(fā)，化解應試教育與高考指揮棒的困境，構建我國的STEM 生態(tài)共同體。通過STEM 教育利益相關者的共同努力，切實推進我國STEM 教育的可持續(xù)性和良性發(fā)展，只有這樣，才能更好地促進我國基礎教育階段工程教育的發(fā)展和繁榮。

五、結語

通過上述分析，我們認為，對我國基礎教育階段工程教育的發(fā)展的借鑒意義在于：第一，教育工作者必須認識到工程設計在教學實踐中具有多種內(nèi)涵：作為教學方法、作為學科實踐和作為學科核心觀念，這三種內(nèi)涵的比較，對于闡明工程在基礎教育中的實踐、觀念以及教學方法是必要的；第二，我們需要通過真實的設計項目，讓學生在課堂上獲得真實設計的體驗，這樣他們才能發(fā)展出知情的設計實踐，并成為反思性決策者；第三，必須解決教師教育和滿足教師信念以及教學內(nèi)容知識的需要，必須支持教師在課堂上強化作為設計指導者的能力，使其能夠激發(fā)、注意和響應學生的思維以及滿足學生的社會和情感需求；第四，我們可以利用理解科學現(xiàn)象和設計挑戰(zhàn)、收集并分析數(shù)據(jù)和信息、構建解釋和設計解決方案、自己或與他人開展推理交流、開展多種情境的學習等五個重要實踐，從學生、教師和教學資源三方面，實現(xiàn)新的教學轉(zhuǎn)變。

因此，我們需要借鑒美國等國際基礎教育階段工程教育的發(fā)展經(jīng)驗，并結合我國國情，充分了解我國基礎教育階段工程教育的機遇與困境，在基礎教育階段的工程教育中突出工程本質(zhì)，凸顯學生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，立足學生系統(tǒng)性思維和面對未知世界的能力發(fā)展，以嚴謹?shù)墓こ淘O計流程培養(yǎng)學生的設計思維，促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展，并構建STEM 教育生態(tài)共同體。值得注意的是，我們雖然分析了美國以工程設計為中心的“K-12 工程教育”的源起、內(nèi)涵與教學策略，但還需要在已有研究的基礎上，轉(zhuǎn)變研究范式，開展相關教學研究，為構建適合中國國情的基礎教育階段的工程教育，提供研究基礎。