黃真

近年來STEM教育成為國(guó)際科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)，影響著一些國(guó)家的科學(xué)教育改革。其中，STEM教育中的工程越來越成為科學(xué)教育工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。2013年美國(guó)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中首次強(qiáng)調(diào)將工程教育整合進(jìn)科學(xué)課程，將工程設(shè)計(jì)與技術(shù)作為科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，預(yù)示了科學(xué)教育的未來發(fā)展趨勢(shì)。2017年我國(guó)已把“工程”納入小學(xué)科學(xué)教育的課程中，將工程設(shè)計(jì)作為小學(xué)科學(xué)課程的18個(gè)主要概念之一，明確提出了“技術(shù)與工程領(lǐng)域”的學(xué)習(xí)要求，規(guī)定了具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容和要掌握的工程技術(shù)核心概念。

把工程實(shí)踐融入科學(xué)課程，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，已成為許多國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)教育的轉(zhuǎn)型方向，工程實(shí)踐更被認(rèn)為是STEM教育的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和橋梁。因此，基于工程設(shè)計(jì)的STEM課程設(shè)計(jì)越來越多地成為STEM課程整合的重要方式，為實(shí)現(xiàn)工程教育與科學(xué)教育的深度整合提供了有效的途徑。

工程與工程設(shè)計(jì)

工程被定義為設(shè)計(jì)人造世界的過程。在《麥克米倫百科全書》中，工程指將科學(xué)知識(shí)系統(tǒng)地運(yùn)用于結(jié)構(gòu)和機(jī)器的設(shè)計(jì)、創(chuàng)造、使用中。我國(guó)工程哲學(xué)家李伯聰教授（2002）將工程定義為對(duì)人類改造物質(zhì)自然界的完整的、全部的實(shí)踐活動(dòng)的總稱。在基礎(chǔ)教育階段，2017年版小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)如此界定工程：工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)。盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)工程基本含義的表述不同，但其實(shí)質(zhì)都存在共同之處，即都強(qiáng)調(diào)了工程的實(shí)踐、設(shè)計(jì)、解決問題和改造世界的特點(diǎn)。綜合來看，工程指在一定的限制條件下，為解決實(shí)際問題，通過運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)和手段，進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和制造的實(shí)踐活動(dòng)。

工程有很多環(huán)節(jié)，包括提問、想象、設(shè)計(jì)、創(chuàng)造和迭代，其中設(shè)計(jì)是最重要的環(huán)節(jié)之一。工程設(shè)計(jì)與服裝設(shè)計(jì)、園藝設(shè)計(jì)、藝術(shù)設(shè)計(jì)不同，它是工程師用以解決問題的方法。工程設(shè)計(jì)不僅是有目的的、有條件約束的、系統(tǒng)的、可迭代的活動(dòng)，而且是一個(gè)具有高度社會(huì)性、需要合作的活動(dòng)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)在工程中的特殊地位，眾多學(xué)者在研究中都將“工程設(shè)計(jì)”等同于“工程”。

由工程的內(nèi)涵可知，工程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，它強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的整合，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)在情境中的團(tuán)隊(duì)合作。

工程對(duì)科學(xué)教育的重要性和價(jià)值

有學(xué)者指出，將工程納入基礎(chǔ)教育中，某種程度上意味著對(duì)國(guó)家利益、國(guó)家的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的考量。美國(guó)工程師們呼吁將工程納入基礎(chǔ)教育中，培養(yǎng)更多的工程師和具有工程能力的人，提高工程人員的多樣性，進(jìn)而增加國(guó)家在全球創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)中的競(jìng)爭(zhēng)力，切實(shí)培養(yǎng)具有問題解決技能和知識(shí)的公民。美國(guó)在2013年的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中將工程實(shí)踐作為科學(xué)課程核心目標(biāo)之一。2010年7月，我國(guó)在《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》中啟動(dòng)了重大人才工程，提出要努力造就一批世界水平的科學(xué)家、科技領(lǐng)軍人才、工程師和高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。2017年麥肯錫全球研究院測(cè)算，我國(guó)市場(chǎng)對(duì)工程師的需求迅猛增長(zhǎng)，其中技術(shù)類工程師崗位需求增長(zhǎng)明顯，到2030年工程師技術(shù)人才需求將增長(zhǎng)50%。因此，將工程納入基礎(chǔ)教育階段已經(jīng)引起重視，并在STEM教育熱潮中逐漸被關(guān)注。

工程融入基礎(chǔ)教育的另一深層原因是其自身的屬性。工程最基本的屬性就在于它的實(shí)踐性;工程實(shí)踐在內(nèi)容上包括工程項(xiàng)目的實(shí)際考察、工程設(shè)計(jì)、參與施工、參與運(yùn)行管理和工程維護(hù)等。工程實(shí)踐是將工程思維和工程理念的客觀化和現(xiàn)實(shí)化的過程。工程實(shí)踐的目的是力圖改進(jìn)，解決人類實(shí)際問題。在工程問題解決過程中會(huì)涉及數(shù)學(xué)的使用、對(duì)原創(chuàng)的渴望、創(chuàng)造力與邏輯的相互作用，涉及多種人員的參與和專業(yè)人員的支持。2004年在日本召開的國(guó)際設(shè)計(jì)教育研討會(huì)上，專家學(xué)者們一致認(rèn)同工程設(shè)計(jì)培養(yǎng)的能力包括：能識(shí)別并明確地表達(dá)問題;有創(chuàng)造力;能整合及應(yīng)用不同的科學(xué)技術(shù)知識(shí);能用制圖、命題、方程式、編制程序等方式表達(dá)和描述問題;能從經(jīng)濟(jì)、安全、倫理、環(huán)境影響等角度思考問題;能在以上約束條件下對(duì)問題求解;能規(guī)劃并加以實(shí)現(xiàn);善于交流;能進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作。這些過程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、創(chuàng)造能力、動(dòng)手能力、合作能力、責(zé)任感、同情心、問題解決能力等都大有裨益，同時(shí)符合21世紀(jì)人才培養(yǎng)的要求。

可以說，工程給科學(xué)教學(xué)帶來活力，為教育理想和課程目標(biāo)的實(shí)踐提供了途徑。

工程是STEM跨學(xué)科整合的有效途徑

科學(xué)是人們對(duì)自然的理解，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和解釋現(xiàn)象，追求理論與實(shí)踐的結(jié)合;數(shù)學(xué)是形式和關(guān)系的學(xué)科，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，追求邏輯對(duì)概念的證明，為技術(shù)、科學(xué)和工程提供精確的語(yǔ)言;技術(shù)是人們對(duì)自然的改造，為人類探索科學(xué)提供工具和手段;工程是受約束的技術(shù)，為滿足人類需求系統(tǒng)地、反復(fù)地設(shè)計(jì)對(duì)象、進(jìn)程和系統(tǒng)的一種途徑，追求對(duì)問題的解決或改造。STEM最初被視為一種教育愿景，其關(guān)鍵特征是制造產(chǎn)品。

工程被認(rèn)為是聯(lián)系各學(xué)科知識(shí)、建立整體的認(rèn)識(shí)世界和改造世界的平臺(tái)，工程學(xué)的核心是工程設(shè)計(jì)。一個(gè)完整的工程設(shè)計(jì)是對(duì)一系列工程問題的解決，這個(gè)解決問題的過程包含基于具體情境進(jìn)行分析、考慮限制條件、建模、建立系統(tǒng)、權(quán)衡和優(yōu)化等步驟，這些步驟也是工程教育的核心概念，它們?yōu)閷?shí)現(xiàn)各學(xué)科的有機(jī)整合提供了先天條件。工程師解決問題的思路一般是提出問題、界定問題、制訂解決方案、實(shí)施方案、實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)新的問題、再次界定問題、制訂新的解決方案，直到問題徹底解決。這種工程設(shè)計(jì)迭代過程暗含了不同學(xué)科問題解決的路徑，由此也被認(rèn)為是整合其他學(xué)科內(nèi)容的關(guān)鍵途徑。

工程設(shè)計(jì)的本質(zhì)是幫助學(xué)生以系統(tǒng)的方式解決現(xiàn)實(shí)世界中結(jié)構(gòu)不良的問題，在此過程中必然會(huì)運(yùn)用到科學(xué)概念、數(shù)學(xué)和計(jì)算思維，同時(shí)因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)直面“用戶”的需求，能夠?yàn)镾TEM學(xué)習(xí)提供真實(shí)的互動(dòng)情境。工程會(huì)運(yùn)用科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)創(chuàng)造滿足人們需求的產(chǎn)品，且工程設(shè)計(jì)有助于定位STEM多個(gè)的學(xué)科的交叉點(diǎn)并建立連接，由此，工程設(shè)計(jì)也被認(rèn)為會(huì)對(duì)STEM四個(gè)學(xué)科齊頭并進(jìn)起到催化作用。

以美國(guó)EiE凈水器制作為例。身邊水污染的事實(shí)現(xiàn)狀為制作凈水器提供了良好的情境，由此學(xué)生為了解決該問題通過團(tuán)隊(duì)合作制作出凈水工程產(chǎn)品。明確了該目標(biāo)后，學(xué)生在小組中通過頭腦風(fēng)暴提出具體的問題，包括凈水原理是什么，凈水的影響因素有哪些，如何判斷水最終被凈化，凈水器制作要考慮的限制因素（如材料特性、使用環(huán)境、制作技術(shù)、成本）等問題。在明確問題后，學(xué)生需要制訂解決問題的方案，其中包括探究材料特性的實(shí)驗(yàn)，原型的制作方案，限制因素的權(quán)衡，測(cè)試迭代計(jì)劃等。前期的方案明確后，教師開始引導(dǎo)學(xué)生一步一步實(shí)施方案。具體到每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和操作過程中，需要經(jīng)歷不同學(xué)科的整合：在材料探究環(huán)節(jié)需要科學(xué)解釋原理，在凈水器工藝制作環(huán)節(jié)需要技術(shù)操作，在測(cè)試和迭代過程需要數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。整個(gè)過程學(xué)生一個(gè)人是無法完成的，必然要求他們分工合作，相互支持?？梢钥闯觯趦羲鞴こ坍a(chǎn)品制作的整個(gè)過程以問題解決為導(dǎo)向，嵌入情境，整合多學(xué)科知識(shí)技能，培養(yǎng)學(xué)生理性思維、問題解決能力、人際協(xié)調(diào)能力等。

總之，在STEM教育理論與實(shí)踐研究逐漸深入的背景下，科學(xué)工作者越發(fā)關(guān)注STEM教育中學(xué)生的素質(zhì)提升。工程因其自身獨(dú)特的教育價(jià)值，為這場(chǎng)“整合”研究帶來了突破。

基于工程設(shè)計(jì)整合STEM課程勢(shì)在必行

已有研究表明，學(xué)生參與工程設(shè)計(jì)過程有助于獲得STEM四個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí);能夠提高解決現(xiàn)實(shí)問題的認(rèn)知技巧和能力，包括使用以圖形為主的“編碼”能力以及用于想象的非語(yǔ)言的思考與交流能力;能夠幫助學(xué)生形成職業(yè)意識(shí)和職業(yè)認(rèn)同感，認(rèn)識(shí)到自己是在所處社會(huì)的框架和價(jià)值觀之中開展有效實(shí)施等。從國(guó)際STEM課程改革經(jīng)驗(yàn)看，打破學(xué)科界限、利用工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)STEM課程的整合是提升學(xué)生STEM素養(yǎng)的適切形式?；诠こ淘O(shè)計(jì)的STEM整合性課程在實(shí)踐中不斷獲得成功，工程取向的整合性STEM教育已經(jīng)穩(wěn)步進(jìn)入美國(guó)中小學(xué)課堂，并開發(fā)出眾多基于工程設(shè)計(jì)的整合性STEM課程，如“工程學(xué)院（The Academy of Engineering）”“運(yùn)動(dòng)中的世界（A World in Motion）”“工程是基礎(chǔ)（Engineering is Elementary）”。這些基于工程設(shè)計(jì)的整合性STEM課程已有多年的實(shí)踐，并為STEM教育研究獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

對(duì)于我國(guó)整合性STEM教育，有研究者建議通過整合性STEM教育將工程融入基礎(chǔ)教育，也有學(xué)者分析了“科—數(shù)”“科—技”“科—工”的STEM整合類型后，指出“科—工”整合是比較符合我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)教育發(fā)展需要的STEM整合類型，且“科—工”整合中工程設(shè)計(jì)框架的整合方式是我國(guó)STEM課程整合的有效途徑。我國(guó)現(xiàn)有的課程體系中，技術(shù)、工程類課程和綜合類課程還明顯不足，介于工程是跨學(xué)科整合行之有效的路徑，開發(fā)并實(shí)踐基于工程設(shè)計(jì)的STEM課程將是未來STEM教育的趨勢(shì)。

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