工程教育的現代審視：STEM課程活動的視角

侯 甜 李靜靜

（陜西師范大學 教育學院，陜西 西安710062）

一、工程思維：STEM教育的必要思維能力

STEM（Science、Technology、Engineering and Math）教育起源于美國，是關于科學、技術、工程和數學領域的綜合教育。它以其跨學科融合為顯著特征，但不是將科學、技術、工程和數學知識簡單相加作以課程內容呈現，而是將各個領域有機融合構成一個完整整體。

目前，國內外關于STEM 教育方面的研究較為豐富，最初主要集中在STEM 教育教學方式、STEM 教育政策、STEM 教育的理論知識及STEM 教育中的工程和科學素養等方面，現在主要集中于STEM 師資培養、STEM 教育與創客教育、STEM 教育與核心素養等方面。在此時代背景之下，國內STEM 教學活動也在如火如荼的開展，與此相關的機器人教育、創客教育等也呈大好之勢。STEM 教 育 中 的“S（science）”“M（math）”“T（technolo?gy）”都有相應的課程作以支撐，如科學課程、數學課程、技術教育等，但在具體教學實踐過程中，工程教育卻缺乏相應課程支持，在“E（engineer）”這一方面相對薄弱。因此，如何增強工程教育的培養，以便優化STEM 教育活動質量尤為重要。

許多教育科學方面的研究證實，工程項目設計恰恰有利于這一問題的解決。工程項目設計是一個復雜的決策和解決問題的過程。它需要科學、數學、工程和技術知識的應用，以最優地利用資源來解決結構不良的問題。此外，在工程項目設計過程中，高階思維能力對于分析問題因素、預測不同解決方案的可行性、評估結果和優化解決方案是必不可少的。具體來說，工程項目設計提供了一個真實的環境，通過它來指導學生應用綜合的跨學科知識和發展高層次思維能力。而在此實踐過程中，最核心的問題就是學生思維能力的培養，即工程思維，本文就是圍繞工程思維，探究在STEM 課程活動中如何體現以及培養工程思維。

二、工程思維的外顯形態——工程教育

（一）工程教育的本質核心：工程思維

1.“工程”和“思維”

可以看出，工程是一種針對人造世界的活動，目的是生產出滿足特定需要的產品。由此可以將工程理解為以人的目的和社會價值實現為前提的、包含了設計和制造的創造性生產活動。思維是人類社會誕生以來所特有的一種極為復雜的心理現象，是人腦對客觀事物能動地、間接地和概括地反映，體現了人類對客觀物質世界的認識過程和反映過程[2]。

本文認為思維方式是指人腦處理復雜信息的一種操作系統，包括兩個方面：一是用以建構的理論思維，二是用以設計工程的工程思維。

2.工程思維內涵

美國國家工程科學院（NAE）在《K-12 教育中的工程：理解現狀和提升未來》報告中指出工程思維即：工程的“思維習慣”，具體而言包括：系統思維；創造力；樂觀主義；合作；交流溝通；倫理考慮[3]。

工程思維是工程活動的主體在解決工程實際問題中所運用的思維，是工程的主體必須具備的核心能力，能否在工程活動中建立適應工程內在發展規律的思維方式，是一名工程工作者能否成為卓越工程人才的關鍵[4]。

工程思維以籌劃為價值目的。它是一種價值化的思維方式。而理論思維以認知為價值目的。它是一種半價值化的思維方式。或者說它是一種內部非價值化的思維方式。理論思維力求有約束力的客觀道理。工程思維力求有操作性的主觀設計[5]。

在我國“工程思維”被深入、系統地研究始于徐長福博士的一系列探討理論思維與工程思維的文章和著作，隨后，殷瑞錢、汪應洛、李伯聰等人在《工程哲學》一書中又對工程思維進行了探討。徐長福從區分理論思維與工程思維出發，對工程思維進行了詳細論述。殷瑞枉、汪應洛、李伯聰等人從科學、技術、工程三元論的角度出發論述工程思維。按照科學、技術、工程三元論的觀點，工程就是將科學和技術知識綜合運用到實踐中去，并得到一種人工產品或技術服務的實踐活動。

綜上所述，本文中的工程思維是指在人們進行工程項目設計過程中形成的一種思維方式，而工程項目設計是針對真實環境中的問題，為了滿足特定需要的一種復雜的設計活動。在此過程中形成的工程思維不涉及具體領域中較為專業的工程思維，其主要特點是現實性、創造性及復雜性。現實性主要體現在工程思維旨在滿足價值主體的需求，通過整個工程實踐過程，設計出滿足需求的產品；工程思維的首要本質便是其創造性，工程活動的本質特征就是創造出一個世界上本不存在的人工實體；工程是由各種因素組成的系統，該系統存在許多不確定因素及限制性因素，所以，工程思維具備復雜性。

耳石癥是造成耳源性眩暈癥的主要原因,又被稱為良性發作性位置性眩暈,是一種由前庭功能失衡導致的內耳機械性疾病[1],主要癥狀為當頭部快速移到某一位置時出現眩暈與眼震。目前認為耳石癥的發生與耳石器中的耳石脫落有關,當頭部快速移動時,耳石滾動到其它平衡結構內,引起眩暈。因此為了使耳石回到原來的位置通常采用手法復位的方法進行治療,Epley手法復位和Barbecue翻滾手法復位是當前臨床上較為常見的用于治療耳石癥的復位手法。本文旨在對比分析Epley手法復位和Barbecue翻滾手法復位治療耳石癥的臨床效果。

（二）工程項目設計

工程項目設計是一個復雜的決策和解決問題的過程。它需要科學、數學、工程和技術知識的應用，以最優地利用資源來解決真實情境中的問題。此外，在工程項目設計過程中，高階思維能力對于分析問題因素、預測不同解決方案的可行性、評估結果和優化解決方案是必不可少的[6]。

工程項目設計是一個高度社會化、迭代化的過程，在這個過程中，通常不存在唯一正確的標準答案[7]。可以看出，工程項目設計過程復雜、內容豐富。與此同時，它也涵蓋了科學、數學、工程和技術等領域知識，同時要求具備學生發散思維、系統思維、設計思維等各項思維能力，以便得出更好的設計方案及設計作品。

目前，工程項目設計已經成為K-12（kindergarten through twelfth grade）學生參與科學、技術、工程和數學（STEM）學習的重要途徑，參與工程項目設計的學生可以通過解決問題，使所學的知識和技能之間產生聯系，最終實現知識的意義建構。在工程項目設計中，當學生將一個問題轉化為一個目的，然后再轉化為一個行動時，他們需要具備適當的STEM 概念知識、技術技能和工程設計能力，以迎接項目設計帶來的挑戰。

（三）工程思維與工程項目設計

工程思維與工程項目設計是一種相互交融、相輔相成的關系。在一個完整的工程活動中，工程項目設計尤其關鍵，起著縱觀全局、設計藍圖的作用，既要把握“航向”即完成產品需求，又要考慮整個系統中的各個要素及不確定性。而工程思維則是進行工程決策、工程項目設計和工程運行的過程中形成的一種思維方式，可以說，工程思維貫穿于整個工程活動中，同時不斷發展、不斷變化。

三、工程項目設計：基于STEM課程活動

工程項目設計結合STEM 教學方法可以提高學生對科學和數學知識應用的學習。這樣就無需增設工程課程，將工程設計思想貫穿于整個STEM 教學活動中，通過具體的工程設計活動培養學生的工程思維，同時也進一步應用科學及數學相關知識概念。

（一）工程項目設計課程要素

關于工程項目設計課程要素存在多種說法，具體如下。

Lewis 等認為工程項目設計課程的核心要素包括系統思維、約束識別、預測；Mentzer 認可了工程項目設計的六個關鍵要素，包括問題定義、解決方案的開發、分析/建模、實驗、決策和團隊合作；Burghardt 和Hacker 強調了一個讓學生參與工程項目設計過程的知情設計周期，包括明確設計規范和約束、研究和調查問題、生成替代設計、選擇并證明最優設計、開發一個原型、測試和評估設計方案、通過修改重新設計解決方案并交流成果。Householder 和Hailey 還指出，工程項目設計周期包括九個步驟：識別需求或問題、研究需求或問題、發展可能的解決方案、選擇可能的最佳解決方案、構建一個原型、測試和評估解決方案、溝通解決方案、重新設計、最后完成設計[8]。

由于工程項目設計是一種有目的的、系統的、迭代的和創造性的方法，它開發各種可能的解決方案并配置優化以滿足特定的需求。因此，筆者較認同的是House?holder and Hailey 九步驟的說法，將工程項目設計周期劃分為九個步驟，每個步驟之間相互聯系，迭代循環，最終完成設計。在進行工程項目設計過程中，要牢牢遵循工程設計活動應建立在數學和科學原理的基礎之上。設計的迭代必須建立在一個合理的理論基礎之上，并對早期試驗產生的數據進行分析，而不是依賴于簡單的試驗和檢錯。

（二）整合工程思維的STEM課程活動

在工程設計過程中，需具備理解物理關系的科學基礎和指導工程設計模型的數學基礎。在進行相應的課程活動設計時，能夠滿足高中水平真實工程設計標準的工程設計挑戰，同時以基于標準的STEM 內容為目標，是最為理想的。為學生創造豐富、刺激的工程設計學習經驗的教育者需要考慮工程設計活動的特點，包括思考和行動的標準、過程、習慣，以及學習環境的特征，使學生能夠參與工程設計挑戰，以滿足學習結果。關于如何有效整合工程思維的STEM 課程活動，國外也存在相應研究及成果，通過對比其應用效果及影響力，Szu-Chun Fan 等人提出的高中工程設計課程框架較為典型，故作以詳細介紹，以下是其詳細內容（如圖1所示）[9]。

圖1 高中工程設計課程框架

這個框架是在Householder and Hailey 工程項目設計的九步驟基礎之上形成的。此框架環形齒輪部分由Sci?ence Inquiry（科學探究）、Math Analysis（數學分析）、Technology Technique（技術工藝）等組成，齒輪的外圍則是工程設計的步驟，即闡明問題和約束、收集信息、發展可能的解決方案、預測分析、選擇解決方案、模型構建及測試、評估和修改、優化、最后完成設計。中心齒輪則是技術與工程問題情境。這個框架將STEM 四個方面巧妙地結合在一起，以科學、數學、技術為核心將工程設計滲透其中。同時也可以看出，環形齒輪完全指導工程設計的過程,而中心齒輪提供了學習環境。

課程框架中的幾個要素將通過設計STEM 教學活動得到強調。因此，在進行整合工程思維的STEM 課程活動設計時，應注意以下幾點。

首先，闡明問題和約束構成了一種重要的能力。問題定義是設計思維的關鍵步驟，它是工程設計的第一階段，為開發解決方案奠定了基礎。因此，明晰問題本質、了解問題的局限性及約束條件尤為重要。

第二，開發解決方案的能力需要適當的STEM 知識和創造力。在工程教育和其他STEM 學科中，許多活動完全集中在聚合思維上，其中的重點是推理和使用系統的分析方法來達到一個可驗證的解決方案。所有問題局限于一種標準答案，這種現象較為普遍。然而，在面對工程項目設計挑戰時，思考問題的發散性和靈活性尤為關鍵。在工程項目過程中，鼓勵學生發散思維會幫助學生打破慣性思維，以免局限于某一狹小范圍，為他自動排除或者忽略排除其他選擇。

第三，預測分析在決定實施前的最佳解決方案方面起著重要的作用。在明確問題及選擇適合的解決方案之后，就要對預期結果作預測，既要考慮項目設計過程中的不確定或意外因素，也要對預期效果或者完成程度有著明確的把握。

第四，對原型進行建模和測試是評估解決方案結果的重要能力。在預測分析、建模、測試、修改和優化的過程中，學生應該使用科學原理、數學或技術輔助（如計算機模擬、物理模型）在不同的條件下測試解決方案，并記錄和分析結果，而不是簡單地使用反復試驗。當學生通過設計評估來重新設計STEM 學習過程時，修改和反復嘗試是確保成功的有效方法。

最后，優化需要細化、修改或重新設計結果，以找到最合適的解決方案。

四、思考與討論

工程項目設計中的挑戰是以科學、技術和數學為基礎，可以說，工程項目設計過程有效的將科學、技術、工程、數學四個領域串聯起來。學生在進行工程項目設計時，針對設計問題，在解決問題過程中，有效調動起各個領域的知識，如在對問題進行探究時，運用科學相關的知識；在進行相關值的運算或臨界值的確定時，運用數學相關的知識；在對設計作品進行建模時，運用技術相關的知識。

教師可在整個工程項目設計過程中使用不同層次的腳手架，而這取決于學生對開放式問題的經驗、內容領域的優勢以及克服障礙所需的支持程度，而這其中的關鍵要素如下。

（一）激活相關先驗知識

在闡明問題階段，學生首先會調動腦中知識庫的內容，搜尋是否具有解決此問題的途徑與方法。有意義學習產生的條件就是已有知識與新知識聯系在一起，學習者將知識進行歸類加工，從而實現知識的意義建構。因此，能否有效激活相關先驗知識就很關鍵，決定著問題闡明的效率和學習活動的質量。

（二）注意概念關鍵特征

工程項目設計涉及科學、技術和數學等多個知識領域，所以，在面對一個知識概念時，應該快速將概念歸類于某一領域，明晰其關鍵特征，采用這一領域的常用策略或者方法，同時其他領域知識作以輔助作用，共同完成問題解決的過程。

（三）迭代循環設計過程

整個工程項目設計是一個迭代循環的過程，每一步都需要反復檢查與修正，以期獲得最適合的解決方案。所以，在此過程中，既要考慮學生在項目實施過程中可能遇到的困難與阻礙、也要提前準備預備方案以防不確定事件或意外的發生。

五、結語

STEM 教育可以消除傳統學科之間的界限，從而將科學、技術、工程、藝術和數學構建成一個完整的課程。在國內，與其他領域相比，對工程教育的關注就顯得比較薄弱。2001年，馬薩諸塞州是第一個為所有的K-12學生開發與實施工程和技術課程框架和評估的州；科學教育框架草案于2010年在新的國家科學標準中增加了工程設計部分。這種對STEM 的關注表明，在STEM 中重視工程教育，將工程思維融入到STEM 課程活動中至關重要。