工程教育的探索之路

姜玉芹+毛勇

STEM實驗工坊

主持人寄語：日前，觀摩了Botball國際機器人大賽中國區域賽的比賽活動，這是一項具有挑戰性的工程對抗賽，非常具有觀賞性。給我留下深刻印象的是那些參加比賽的選手們，這些孩子在賽場內外所表現出來的積極心態、樂觀精神、團隊協作能力和解決問題的能力都非常令人驚嘆。這些孩子與通常我所了解的中小學生有著明顯的差別，他們顯示出更積極主動的學習態度和更為成熟的解決問題的思考方式。帶著對這些孩子的好奇，我約請本次比賽的組織方：青少年國際競賽與交流中心（IT3C）的負責人姜玉芹女士、毛勇先生就如何培養孩子全新的思維方式，并將這種思維方式融入到相關賽事的策劃之中等話題，進行系統闡釋。也由此了解到IT3C一直以來所倡導的教育理念和為實踐這些教育理念而開展的各項活動的深遠價值追求。

中國的基礎教育中對于學生解決問題能力、動手能力以及工程思維的培養之缺失是早已被教育工作者們深刻認識到的事實。如何改變這個現狀呢？以一種“拿來主義”的態度從舶來品中汲取營養無疑是一條捷徑，IT3C就是這條路徑的倡導者。從Botball國際機器人大賽、RoboRAVE國際機器人比賽到“未來之城”設計大賽、國際太空城市設計大賽，IT3C就是希望通過引入和普及這些在國外已經“久經考驗”的優秀工程賽事活動，幫助孩子們在自主學習、項目設計和比賽交流中逐步建立起工程思維能力，以應對未來社會發展的需要。

工程思維和科學思維不同，它要求我們以科學為基礎在某一項具體的工程活動中創造出自然界中從來沒有過而且永遠也不可能自發出現的新的存在物。工程活動是和時間、空間、資源等諸多客觀條件緊密聯系在一起的，它的求解具有非唯一性。因此，方案的健壯性、容錯性往往是一個工程項目中最重要的指標。可我們的學生在具體工程方案設計上的能力似乎還差得遠。

當IT3C剛在國內中學中推廣Botball機器人工程挑戰項目時，我們很快發現這些學生在工程能力上驚人的薄弱。Botball是一項典型的以機器人為平臺的工程挑戰活動，它的方案沒有唯一性，學生們可以天馬行空地設計自己的解決方案，但在有限資源、有限時間的前提下保證方案的優異和穩定是比賽的主要難點。IT3C的老師們發現，所接觸的大部分學生都已經建立起良好的知識體系，也受過一定的科學訓練。他們談起抽象的公式和計算頭頭是道，然而涉及設計具體方案時就會一頭霧水。曾經有一個Botball隊伍試圖讓自己的機器人采集本方半場的樣本后再繞到對方半場采集對方的樣本，最后繞場一周回到得分區取得所有分數。從方案的設計到實現，他們從來都沒有考慮對方機器人對本方行動的影響，可以想見這種將“所有雞蛋放到一個籃子里”的方案在真實動態的環境中是沒法成功的。這個例子在多次的Botball培訓中都被當作典型案例提起。經過一個多賽季的努力滲透，現在所有的Botball隊伍都已經意識到了工程思維的重要性，他們已經學會用有序的討論進行方案創新、用工程管理方法統籌安排時間和資源、用拆分子任務的方法逐步實現方案，并且進行充分測試保證方案的可靠性。可以說在這批孩子中，工程思維和工程素養已經生根發芽。

“太空城市設計大賽“聽起來好像是個宇航和建筑方面的專業比賽，其實，在這項比賽中，需要參賽的選手組成一家虛擬公司，在公司中應聘各種職位，然后這家公司將接受由比賽主辦機構發出的太空城市建造“標書”，選手們必須要在規定時間內，在充分考慮工程設計、科學性、材料、造價、美觀以及倫理等各種問題的基礎上，來完成標書文檔的撰寫，還要通過現場對設計的講解，綜合性價比最好的設計才有可能勝出。參與這樣的活動，和我們通常意義上的學習有著本質區別。選手們必須學會運用工程思維的方式，實現一種可能性，而不僅僅是“紙上談兵”的科學設想。所以需要各專業的同伴協同工作、磨合團隊，還要在技術與現實之間尋找平衡，找到折中的辦法來實現設計。選手們在比賽的過程中隨時隨地都會面臨突發的問題需要解決，這鍛煉了孩子們臨場的應變能力和解決突發問題的危機公關能力。而這些針對解決某個具體項目所需要的能力都是現實生活中非常實用和關鍵的能力，這些通過工程思維模式形成的解決問題的能力都不是在書本上可以學到的，必須通過“實踐”，親身參與、親手實踐。

“未來之城”設計大賽是另一個典型的工程項目，它要求學生完成一座虛擬城市、一座模型城市和一個能源、交通等未來城市中具體問題研究報告的撰寫，相比Botball它的要求更為全面而且面向的學生年齡段更低。如何通過課程的方式讓初中學生能夠接受這種前所未有的工程訓練是IT3C面臨的挑戰。讓一群完全沒有接觸過建筑和城市的學生從零開始規劃一座城市，意味著所有專業熟知的概念必須還原其初始內涵，讓學生掌握到城市最原初的本質與最內在的邏輯。然而，在抽象的過程中，又必須讓學生們認識到城市是具象的、是和每一個人息息相關的，城市必然的復雜性與它的活力密不可分，而規劃一座容納千萬人生活的城市，一座與自然和諧相處、傳承文明與人性關懷的城市，還意味著深沉厚重的責任。初中的孩子已經有了思考與判斷的能力，其價值取向正在逐漸形成中。他們有能力理解一座城市、規劃一座城市，但如何開始至關重要。一定要足夠準確，以免將學生帶入認知的誤區；足夠有吸引力，以免讓學生喪失對課程的興趣；足夠有啟發性，為他們獨立思考與探索的學習方式奠定基礎；足夠有邏輯性，讓他們能夠把自己的生活與城市、與規劃設計聯系起來。IT3C的教師們采用了從幻想的城市到真實的城市的教學路徑，在“天空之城”、“地下之城”、“獨立之城”與“真實的城市”幾個板塊中，我們從巴比倫空中花園進入《新世紀福音戰士》，從諾亞方舟來到《瓦力》，每一張圖片引發的不僅是學生們歡欣鼓舞的感嘆，還有極為敏捷的洞察力。水、空氣、潔凈的食物、便捷的交通，這些城市工程規劃中的要素被學生敏銳地提取出來。然而，當課程進入到真實城市的環節時，學生們又一次暴露出工程素養的缺失，他們的抽象思維能力極為強大，不論大到行星宇宙，還是小到分子原子，他們都能說得頭頭是道。然而具體到生活中的一事一物，課本上沒有教，他們也無從分析。例如，為了培養學生的空間尺度概念，教師讓學生估計8層主樓的高度，結果卻是從10米到50米不一而足。而這類工程能力是書本課堂沒法提供的，只有通過參與一個個的實際項目才有可能得到補全。在學期的大作業展示和點評中，IT3C的老師們欣喜地看到了學生們的進步，景觀設計、日照模型、風向、氣候帶與環境、交通等實際工程問題，都伴隨著一個個方案展示給所有人，學生的相互點評中不乏尺度不對、功能不合理、日照不合理等精彩的分析。一個學期的課程讓這些學生掌握了理解城市的鑰匙和規劃城市的技能，但更重要的是他們不再是知識的被灌輸者，而是成為了有著工程思維能力的主動學習者。

清華大學顧學雍老師是IT3C的科學顧問，他一直以來致力于工程教育的改革工作。他將教育與摩爾定律進行的對比發人深省，在每18個月計算機的性能就會翻上一番的今天，我們的教育我們的課堂和50年前有什么本質不同呢？如何在基礎教育中引入系統的工程訓練，讓學生不僅僅學會知識還要掌握技能和思維方法，這是很多基礎教育工作者都應思考的問題。IT3C的經驗也許是一條值得借鑒的路徑。

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