科學教育中的工程設計：過程、特征及教學策略

張霄等

隨著科學教育改革的不斷深入，工程設計逐漸引起廣大科學教育工作者的關注。科學探究旨在創造和檢驗關于自然界及其運行規律的解釋和預測，而工程設計旨在制造產品，以解決問題或滿足用戶的需求。因此，在教學中，教師除了關注科學教育中工程設計的特征外，還要關注其設置的問題以及分析問題的方式，采用恰當的策略引導學生通過撰寫日志的方式隨時記錄想法、解決問題。

工程設計與科學探究的比較

工程設計和科學探究是科學教育中的兩項重要內容，兩者之間相互聯系，但又不盡相同。隨著科學教育改革的不斷深入，工程設計逐漸引起廣大科學教育工作者的關注。如上所述，科學探究與工程設計并非決然相異，它們之間存在著若干異同之處（如表1）。教師只有在明確科學探究和工程設計之間的區別與聯系的基礎上，才有可能在真實的教學情境中合理地處理兩者之間的關系。

1.科學探究和工程設計的相同之處

（1）兩者均利用復雜現象的簡單模型創造關于自然界的解釋（科學）或生產更好的產品（工程）。

（2）兩者均通過研究的方式更好地理解問題，當涉及抉擇制定何種計劃或支持何種假設時，兩者均通過基于證據的討論，達成共識。

（3）兩者均涉及實施實驗和分析數據。

（4）兩者均要求學生相互交流研究成果。

2.科學探究和工程設計的兩點不同之處

（1）形成觀點的方式不同。

對于工程設計者而言，即使他們沒有被要求發明全新的方案解決面臨的困難，他們也期待采取一種創新的、全新的方式形成、組合、重新安排各類觀點。在完成上述工作的諸多途徑中，頭腦風暴是廣為人知的策略之一。完成頭腦風暴的兩項基本方針是：設計者需要盡可能多地列出觀點，無論這些觀點看起來多么不可行;在列出觀點階段，設計者不要對他人的觀點進行批評。當設計者進行頭腦風暴時，第二條方針極為重要。在頭腦風暴期間，設計者們需要追求的是觀點的數量，而非質量。

（2）排除故障或重復的方式不同。

設計者們通過建構模型和排除故障的方式完成學習，即在模型檢驗和修復的過程中探索、解答問題。檢驗模型、排除故障、改進模型的循環被稱為設計迭代，它是工程設計的標志性流程。

3.科學教育中工程設計的往復過程

工程設計的整體流程是系統的、往復的，往復的過程意味著每一個全新版本的設計都會被檢驗和修正。科學教育中工程設計的往復過程可分為5步（如圖1）：

（1）學生及其工作小組識別整體的問題情境，包括首要的問題和特殊客戶或用戶的需求。與科學探究不同的是，工程設計旨在滿足客戶的特定需求，因此在解決問題的過程中學生更多地要著眼于人的需求，而非自然界的普遍規律。

（2）基于對問題和相關科學知識的理解，學生形成各自的觀點。隨后，學生在設計團隊中毫無保留地分享他們的觀點。

（3）設計團隊創造和檢測他們的計劃和模型，記錄檢測的結果，使用已有的科學知識解釋發生的現象。

（4）設計團隊和其他團隊或整個班級分享他們的檢測結果，以及工程設計對于問題解決的實際效果。

（5）設計團隊從其他小組中搜集反饋信息，對自己的設計予以檢查和再次測試。

科學教育中工程設計的七大特征

1.客戶驅動和目標取向

工程師團隊的每一項任務均面臨一個具體的、明確的目標。這個目標通常是以客戶或用戶的需求為中心的，客戶也許是個人，也可能是一個大的公司，最終用戶可能是制作該產品公司的消費者。例如，生物醫藥工程師可能被要求通過矯形術公司為一名兒童設計修復性假肢，其中，客戶是矯形術公司，最終用戶是兒童。教師帶領學生完成工程設計時，首先需要幫助他們明確工程設計的問題是什么、目的是什么、客戶是誰、最終用戶是誰，其次在工程設計的過程中如何協調客戶與最終用戶之間的不同需求等問題。

2.情境的真實性

對于學生而言，工程設計任務的一個更具吸引力的特征就是：問題的提出通常基于真實的情境。與大多數基于問題的學習活動相似，當學生面對的問題是生活中常見的問題時，他們會更加具有學習的熱情和參與的積極性。例如，如果是涉及污水處理的工程設計，當地的水上樂園就能夠為學生提供一個真實的問題情境，其他真實情境還包括當地被污染的池塘或河流。學生可以通過小組合作的形式設計、創造、檢驗能夠使污水得以凈化的流程或產品。推而廣之，其他主題的工程設計，甚至可以用自然災害作為問題情境，如龍卷風、颶風、洪水等。

3.限制條件的挑戰性

限制條件是加在工程設計之上的規則和規定。最為常見的限制條件包括成本、時間和有限的資源，即工程設計需要在一定的時間和開銷范圍內，利用有限的資源解決問題，滿足客戶和用戶的需求。在工程設計的早期階段，限制條件可能被設計者反感，因為它通常會束縛設計者的想法與思路。例如，一方面必須在一定的空間范圍內設計一輛汽車的引擎，另一方面這個引擎還要不小于一定的功率。然而，作為一項完整的設計，限制條件能夠對形成設計問題和尋找解決方案起到一定的促進作用。

4.提供給學生熟悉的材料、資源和工具

工程師通過調查來獲得制定設計標準或限制條件的數據，而計劃并設計調查需要具備合理使用設備、材料、工具的能力。因此，教師必須向學生提供他們熟悉的并且能夠熟練操作的材料和工具，使他們能夠將全部的精力集中于工程問題的解決、產品或流程的設計，而不是花費在工具或素材的使用與熟悉方面。在設計活動中，教師可以通過一系列的問題促進學生思考材料與任務之間的關系。例如，教師可以問學生：“通過何種方式運用這些材料完成你的設計？能夠使用其他材料代替嗎？”

5.問題解決方案的產品和流程

絕大多數工程設計的問題解決方案包括產品和流程兩種形式。所謂產品通常是一個手工制品，也被稱為原始模型，原始模型通常是三維模型;所謂流程是得到產品的一系列步驟或方法。因此，工程設計對于工程師的訴求是要求工程師團隊設計、建構、開發和檢測他們的原始模型或流程。在這個過程中，其他團隊可能復制或再次使用這個設計，并對其進行檢驗與完善。在工程設計的中期和末期階段，教師可以問學生一個關鍵的問題：“你的產品和流程通過何種方式滿足了客戶和用戶的需求？”

6.解決方案的多樣性

工程設計任務的一個重要特征是對于任何任務而言都不只存在唯一一種特殊的或正確的解決方案。像科學探究一樣，工程設計需要建構可行性方案。然而，在工程設計過程中，工程師必須要考慮各類限制條件和可利用的資源，遵從客戶需求和時間、安全和成本等限制因素。因此，通常不存在單一的、最佳的解決方案，而是一系列具有可行性的解決方案。工程設計的這一特征允許學生的設計方案具備創新性、獨創性和原創性，為學生解決問題提供了極大的靈活性與自主性。

7.團隊合作

像科學家一樣，工程師也要以團隊的形式開展工作，其被稱為技術組或設計組。工程師團隊與科學家團隊的不同之處在于，工程師必須在一定的限制條件下，同時面對若干設計標準完成任務。因此，當學生面對一項工程設計時，教師需要鼓勵他們以團隊合作的形式并結合各成員的專長來解決問題，并關注團隊中每位成員的貢獻。教師可以問學生：“如何能夠使團隊中的每一位成員為工程設計的計劃、建構、檢測作出貢獻？對你而言，為什么以團隊的形式完成任務很重要？如何提升你的團隊成員在完成設計中的表現呢？”

科學教育中工程設計的教學策略

工程設計的情境通常包括課堂和生活兩種。在這兩種情境下，教師應該采取哪些措施呢？

對于課堂情境中的工程設計而言，教師需要格外關注其設置的問題以及分析問題的方式。建構一系列合理的問題，不僅需要教師對學生的既有知識和能力有清晰的把握，還需要了解工程師在完成此項工作時的已有解決方案。教師在設置工程任務時不能只為學生提出一個總問題，還需要進一步引導他們將總問題進行解構，將其轉化為有內在聯系的、具有可操作性的、滿足各類限制條件的若干子問題。不同團隊的子問題可能不盡相同，這就需要教師能清晰地把握各個團隊的思路、進度。教師在設置和解構問題時可以參考以下三條建議：為學生設置開放性問題，特別是在引導學生解構總問題時，教師應當給予學生最大程度的開放性;引導學生探索各種問題之間的差異，而問題的差異可能導致解決問題途徑的差異;促進學生對于問題解決的概念性思考。

對于生活情境中的工程設計而言，教師可以引導學生通過撰寫日志的方式隨時記錄想法，解決問題。日志能夠激發學生的好奇心和與他人分享觀點的內在動機，日志是一個討論和擴展學生所學知識的重要渠道。學生可以將日志帶回家，與家人分享關于工程設計的各種觀點，向他們咨詢解決問題的策略，進而將課堂中的工程設計延伸至實際生活中。絕大多數情況下，討論能夠促進問題的解決和學生高階思維的形成。學生天性中的好奇心能夠引導他們參與到周圍的世界中去，開拓更為廣闊的學習環境。在日志中，學生能夠及時記錄在生活中觀察到的各類現象或遇到的各種問題，回到學校時和老師、同學進行交流討論，利用學校里的一切資源解決問題。