小說工程教育理念與教學案例評析

江豐光 李豐江 姜舒寒

【摘 要】本文介紹了美國塔夫茨大學的小說工程課程整合的教育理念與模式策略，并介紹其小說工程項目案例，讓故事為工程設計提供實際情境，從而激發和培養學生的工程素養。最后為中小學工程教育在我國的開展提出了一些可行性建議。

【關鍵詞】STEM教育；小說工程；中小學；跨學科整合；工程教育

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2016）07-0075-0

背景說明

科學、工程等相關學科的發展狀況與社會生產力的提高密切相關，在全球化背景下，各國均開始大力培養相關領域人才。但由于種種原因，許多國家出現了學生對工程相關職業興趣消退、選擇從事相關職業的人數不斷減少的狀況。為應對人才危機，美國自21世紀初開始大力發展STEM教育，即整合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics），并出臺了一系列政策法案、教育標準。2015年底公布的STEM教育法案明確提出要加強培育STEM學科教師，增加各種非正式STEM項目等，足以顯示出STEM教育在各方面開展的緊迫性。STEM中科學和數學是相對傳統的學科，課程體系、評價標準相對成熟，教育者對工程、技術教育的關注則比較少（范燕瑞，2011）。2011年和2013年，美國相繼出臺了《K-12科學教育框架》（A Framework for K-12 Science Education，以下簡稱《框架》）和《下一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS），其中反復強調科學與工程實踐、跨學科概念以及學科核心概念三個維度。《框架》指出其教育目標的設計是為實現科學與工程教育的構想，學生能夠深入情境，積極調動所學知識參與工程實踐，培養解決實際問題的能力，這與過去強調科學知識和科學探究的主要思路有很大差別（葉兆寧，2013），將K-12階段的工程實踐教育放在了前所未有的高度。

我國工程教育的重心一直在高等教育階段，現行的科學課程標準中，涉及科學知識、探究內容較多，而技術、工程實踐的內容很少。其實早在2006年，涂善東曾率先提出“全面工程教育（Total Engineering Education）”的理念，強調工程教育應當覆蓋幼兒園到大學乃至后學歷教育，培養全民的工程思維和素養（涂善東，2007），遺憾的是，這種理念并沒有受到太多重視。許茵和雷慶（2007）對中美K-12工程教育對比研究表明，我國目前的有關工程的教育內容缺乏學科整合，實踐活動較少。劉華和張祥志（2014）從創造力維度對K-12工程教育現狀進行的研究表明，我國中小學生的創造興趣、對工程師的職業向往度、動手及設計能力均較低。綜上所述，無論是從提升國家未來競爭力的層面，還是保證國家工程技術人才儲備的層面，在K-12教育階段實施工程教育都有重要意義。

小說工程教育

美國塔夫茨大學工程教育推廣中心（CEEO）一直致力于向公眾傳播STEM教育理念，改善幼兒園到大學課堂的工程教育狀況。小說工程項目是其重要項目之一，以一種非常新穎的形式在校本課程中將工程教育與語文整合（Integrating Engineering and Literacy，簡稱IEL），學生在英語文學課（English Language Arts）上閱讀材料（如故事、小說等）時，小說或故事中的人物會遇到一些難題，此時學生基于故事情境，利用自己已有的知識技能，小組協作，在教師的支持下完成工程設計，幫助故事人物解決問題。研究已經取得一些成果：

（1）能結合文科等相關學科內容。小說工程基于既有課程的閱讀材料，學生在設計解決方案時要從閱讀材料中尋找線索，這就要求學生對材料的深刻理解，在此過程中學生的語文素養得到提升。

（2）激發每位學生的參與。這種新穎的整合方式讓那些對閱讀缺乏興趣的學生產生閱讀與創作的興趣，正所謂寓教于樂。

（3）促進不同學科的整合。在故事情境中尋找實際問題和用工程思維解決問題來促進閱讀的方式促成了學科間彼此融合，這與通用核心國家標準和NGSS中的跨學科概念相契合。

（4）能引入實際的工程問題。在故事情境中尋找真實的、非良構的工程問題，像工程師一樣去解決問題，能使學生獲得比NGSS要求更高的工程能力。

（5）培養學生21世紀技能。參與整個工程設計實踐促使學生提高團隊協作能力、交流溝通能力等21世紀技能。

涂善東（2007）轉述美國工程教育協會對工程的定義為“一種把科學和數學原理、經驗判斷和常識運用到造福人類的產品制造中去的藝術，是生產某種技術產品的過程或滿足特定需要的體系”。從定義可看到，工程教育要求科學、數學、技術的高度整合，非常契合STEAM教育理念。另外，工程教育必然符合工程本身的特點：情境復雜、多學科、不確定性、協作等。當然，與高等工程教育培養工程從業人員的目標不同，K-12階段的工程教育更主要是培養學生一種解決實際問題的工程素養，提升他們對工程職業的興趣，為學生進入社會或者大學深造打下堅實基礎（劉華和張祥志，2014）。

工程設計需要兩方面的能力：具體的技術能力和綜合運用多領域技術的能力。具體的技術能力是目前許多研究者關注比較多的部分，比如搭建、繪圖、建模等，因為這部分有學校的科學、數學、技術教育作為基礎，而且評價相對比較容易。而第二種能力是關于工程實踐者的認知過程中的動態變化，也就是工程設計中的“框架（framing）”過程，工程框架是個人先前經驗與當下情境交互作用所建立的對一個特定情境正在發生事情的整體把握（Tannen， 1993）。工程框架過程是動態的，它不斷與新的經歷作用、重塑，筆者認為這是學生工程設計中的認知建構過程。

從事小說工程的研究通常以案例研究作為主要研究方法，從案例研究中挖掘到的基于語境的信息恰恰就是它的方法論優勢。案例研究尤其適合去應用創新方式改善教育教學中所遇到的問題（Case & Light， 2011）。盡管當今量化研究在工程實踐研究中更受歡迎，也更有系統性和說服力，但由于此研究更關注學生的認知變化，質性研究更為適合。小說工程的研究者主要通過實地錄像、參與指導、訪談的方式深層次分析學生在自然狀態下的設計過程，以了解他們如何去界定問題、確定限制條件、設計解決方案等。研究者最后將學生的工程框架過程與NGSS的相關表現預期進行對比，觀察他們在項目實施中的變化以及學生之間的差異，從而找到最適合的IEL模式。

教學模式與策略

美國的IEL的教學模式如下所述：

（1）閱讀材料并確定實際問題。通過深入閱讀材料和討論，學生將材料中人物所面臨的一些實際問題列舉出來。

（2）界定問題，頭腦風暴解決方案。小組根據自己選取的問題頭腦風暴，考慮故事中人物的需求以及故事情境中的限制條件，在此過程中嘗試提出所有可能的解決方案。

（3）設計方案。小組協作計劃并設計出一個具有可行性和實用性的工程框架雛形。

（4）獲取反饋。學生自己對設計工程方案進行測試，并從同學和老師那里獲取反饋和建議。

（5）優化設計。學生根據反饋信息和測試效果修改完善設計方案。

（6）分享交流。小組可以向班級展示自己的最終方案或者設計過程的反思，把設計方案寫成一個故事，或者用原故事的改編版來給自己的方案做廣告宣傳。

教師需要在學生面對復雜的設計難題時為學生提供必要的腳手架，幫助他們實現自己的設計，而不是替學生設計好一個方案讓學生照著去實施。筆者根據小說工程研究者的教學活動情況，歸納出學生進行工程設計的幾個步驟，如圖1。

教學案例介紹與評析

案例一

CEEO的研究者麥考密克（McCormick）和哈默（Hammer）2014年介紹了馬薩諸塞州某小鎮四年級的教學案例。課程的開展基于《希洛》（Shiloh）一書，講述的是小男孩馬蒂試圖將小狗希洛從它殘暴的主人手中解救出來的故事。學生們的任務是幫助馬蒂設計并建造小狗居住的圍欄的模型。課程活動分為三個階段，每天進行一個階段的活動，連續三天活動后結束該主題學習。

第一階段：設計思考。學生組成3人小組。在這個階段中，學生們需要盡可能詳盡地將充分考慮故事背景和限制條件后產生的設計計劃訴諸紙筆。第二階段：如何測試。教師選擇使用一個上發條的玩具代表小狗，用于測試小狗居所的模型，并設立了幾項標準：（1）玩具必須能夠進入模型；（2）模型必須有能夠防止小狗逃出去的圍欄；（3）模型必須能保證外部物體不能隨意進入。第三階段：測試評價。教師公布了測試流程：第一環節是讓一個上了發條的玩具進入模型內快速移動30秒而逃不出模型，第二環節是讓兩個更大的上發條的玩具從模型的外邊沖撞模型。

研究者重點提到一組學生，在得知本組的設計不太符合教師的測試標準時，她們依舊堅持自己的設計，認為這樣最符合故事背景，教師模擬測試的標準反而不符合實際。本次活動發現，在工程設計時學生間的差異較大，某些學生展現出的工程素養——對工程設計原則的堅持，是教師在開展活動時應重點培養的。

案例二

一所郊區學校四年級學生基于《天使的秘密》（From the Mixed-Up Files of Mrs. Basil E. Frankweiler）一書開展IEL課程（Watkins， Spencer， & Hammer， 2014）。書中一對姐弟離家出走后暫時棲身在紐約大都會藝術博物館。他們面臨諸多挑戰，包括躲避博物館管理員，在每天清晨的清潔人員到來之前醒來等等。該項目共兩周，每周學生有3～4天開展活動，各1～2個小時。課程開始由教師學生共同頭腦風暴，確定故事人物遇到了哪些困難，并形成問題列表。然后學生們組成2～3人的小組，選擇一個問題合作解決。

研究者對教學活動進行了錄像分析，認為工程設計前確定各種限制條件的思維過程非常重要，然而目前還沒有有效的分析和評價手段。另外，如何讓學生真正投入工程設計，而不是為教師完成一項任務、教師在教學中如何發揮作用等，都是要考慮的實際問題。

案例三

馬薩諸塞州一所學校的三年級學生基于《如果你生活在殖民時代》（If You Lived in Colonial Times）一書開展課程。在開始課程之前，教師會在文學課上先讓學生熟悉這本書，在學生們對情節熟悉后，教師提出問題：“作為一名工程師，我們應該設計什么樣的東西讓殖民時代的人生活更便利？”該活動持續三天，每天上午進行設計搭建，學生以2～3人為一小組，提出一個想法，并全面考慮該想法的可行性和完成該設計的執行步驟。例如，某一組提出可以嘗試制造一臺凈水機，同時他們列出了可能需要使用的材料，包括咖啡濾網、錫紙等。接下來，學生開始設計雛形，教師對各組作品進行測試與評估。最后對故事內容要求進行回顧，優化作品，以達到最符合故事時代設定、人物需求等的設計意圖（McCormick， 2014）。通過研究學生如何進行工程設計的框架，研究者可以更有效地與NGSS中的科學標準進行對接，開發出能夠循序漸進提升科學素養的課程。

案例評析

現有的小說工程教學案例，教學對象多為小學中高年級學生，且都傾向于較為集中的教學時間，因為在相對連貫的時間里，學生的搭建熱情能夠較好地延續，設計想法也能夠更加流暢地執行，過程中也能盡量避免因遺忘而可能導致的低效率。

課程中，學生選擇解決哪個問題有不同的決定方案。例如，在案例一的文學作品中，主人公面臨的問題一目了然，幫助小男孩解救小狗。這種情況下，所有學生都解決同一個問題（McCormick & Hammer， 2014）。而另一種情況就是類似案例二、三中，文學作品篇幅較長，故事情節比較豐富，主人公們面對著各種各樣的問題。這種情況下，教師都選擇讓學生共同發現問題，制作“需要解決的問題列表”，然后讓每組學生選擇其中一個問題進行設計。這樣一個發現問題的過程，其實也是加深對文學作品的閱讀理解的過程。

在作品的評價方面，案例一中提到了教師制定的標準和學生所理解的標準產生沖突，筆者認為可能是由于教師制定的測試標準中所模擬的情況不能真實地反映故事中的實際情境，這種情況也提醒了教師在設計測試評價細則時應該做更充分的準備，讓模擬更接近實際。

結語與建議

小說工程的主題式教學項目，旨在培養學生的工程設計能力，還可提升學生的語文素養。這種新穎的學科整合形式，無疑能夠鼓勵國內教育工作者進行有關嘗試，用于幫助學生初步接觸工程領域的知識，提升文學作品閱讀熱情，同時培養團隊協作能力。

由于美國小學的教學模式與國內大不相同，國內教育工作者在進行IEL的教學嘗試時，需要根據具體情況進行調整，遇到與實際情況不符的問題，需要教學者隨機應變。同時，為了使課程更具有目的性，教師需要確定該課程應該將側重點放在文學還是工程上。如教師可以在課程中增加教學環節以著重培養學生的語文能力，在課程總結階段布置寫作任務，經過工程搭建和合作的整體教學過程，原本不擅長或不喜歡寫作的學生也能言之有物。另外，讓國內中小學生連續多日花費1～2個小時甚至整個上午參與該課程項目較難實現，在這種情況下，可以將課程周期拉長，如一周一節課，連續上五至六周課，把任務拆分得更為細致。如圖紙設計一節課，搭建一節課，測試與改良一節課。若采用長周期、低頻率教學法，教師需要確保學生作品能在兩節課之間妥善保管。在文學作品的選擇上，可以盡量選擇與教材有關的作品，比如語文課本中有某本名著的片段，教師就可以選擇這本名著作為課程閱讀材料。這樣不僅有利于學生對語文課上該部分內容的理解，更重要的是選擇課程體系中本就有的內容，能夠降低學生的認知負荷，避免學生產生閱讀文學作品方面的學習壓力，同時也更容易讓教師接受，有利于在學校推廣。

小說工程教育是非常有意義的嘗試。這樣的課程整合能促進學生均衡發展，讓懼怕科學、工程學科學習的學生克服心理障礙，用新穎的方式幫助他們發現其中的樂趣，并能夠主動投入學習；讓對語文學習不感興趣的學生能夠在解決工程問題的環境下加強對閱讀材料的理解，同時提升其文學素養。

注：本研究成果得到北京師范大學教育學部2014年度科研業務費專項資金資助（項目編號為：CXTD 201401）。