工程实践是整合STEM课程的关键节点

黄真

近年来STEM教育成为国际科学教育研究的热点，影响着一些国家的科学教育改革。其中，STEM教育中的工程越来越成为科学教育工作者关注的焦点。2013年美国《下一代科学教育标准》中首次强调将工程教育整合进科学课程，将工程设计与技术作为科学素养的重要组成部分，预示了科学教育的未来发展趋势。2017年我国已把“工程”纳入小学科学教育的课程中，将工程设计作为小学科学课程的18个主要概念之一，明确提出了“技术与工程领域”的学习要求，规定了具体的学习内容和要掌握的工程技术核心概念。

把工程实践融入科学课程，培养学生的工程设计能力，已成为许多国家基础科学教育的转型方向，工程实践更被认为是STEM教育的关键节点和桥梁。因此，基于工程设计的STEM课程设计越来越多地成为STEM课程整合的重要方式，为实现工程教育与科学教育的深度整合提供了有效的途径。

工程与工程设计

工程被定义为设计人造世界的过程。在《麦克米伦百科全书》中，工程指将科学知识系统地运用于结构和机器的设计、创造、使用中。我国工程哲学家李伯聪教授（2002）将工程定义为对人类改造物质自然界的完整的、全部的实践活动的总称。在基础教育阶段，2017年版小学科学课程标准如此界定工程：工程的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。尽管国内外对工程基本含义的表述不同，但其实质都存在共同之处，即都强调了工程的实践、设计、解决问题和改造世界的特点。综合来看，工程指在一定的限制条件下，为解决实际问题，通过运用科学、技术、数学等多学科知识和手段，进行设计、建模和制造的实践活动。

工程有很多环节，包括提问、想象、设计、创造和迭代，其中设计是最重要的环节之一。工程设计与服装设计、园艺设计、艺术设计不同，它是工程师用以解决问题的方法。工程设计不仅是有目的的、有条件约束的、系统的、可迭代的活动，而且是一个具有高度社会性、需要合作的活动。因为设计在工程中的特殊地位，众多学者在研究中都将“工程设计”等同于“工程”。

由工程的内涵可知，工程是一个动态的过程，它强调多学科的整合，强调理论与实践的结合，强调在情境中的团队合作。

工程对科学教育的重要性和价值

有学者指出，将工程纳入基础教育中，某种程度上意味着对国家利益、国家的国际竞争力的考量。美国工程师们呼吁将工程纳入基础教育中，培养更多的工程师和具有工程能力的人，提高工程人员的多样性，进而增加国家在全球创新经济中的竞争力，切实培养具有问题解决技能和知识的公民。美国在2013年的《下一代科学教育标准》中将工程实践作为科学课程核心目标之一。2010年7月，我国在《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020）》中启动了重大人才工程，提出要努力造就一批世界水平的科学家、科技领军人才、工程师和高水平创新团队。2017年麦肯锡全球研究院测算，我国市场对工程师的需求迅猛增长，其中技术类工程师岗位需求增长明显，到2030年工程师技术人才需求将增长50%。因此，将工程纳入基础教育阶段已经引起重视，并在STEM教育热潮中逐渐被关注。

工程融入基础教育的另一深层原因是其自身的属性。工程最基本的属性就在于它的实践性;工程实践在内容上包括工程项目的实际考察、工程设计、参与施工、参与运行管理和工程维护等。工程实践是将工程思维和工程理念的客观化和现实化的过程。工程实践的目的是力图改进，解决人类实际問题。在工程问题解决过程中会涉及数学的使用、对原创的渴望、创造力与逻辑的相互作用，涉及多种人员的参与和专业人员的支持。2004年在日本召开的国际设计教育研讨会上，专家学者们一致认同工程设计培养的能力包括：能识别并明确地表达问题;有创造力;能整合及应用不同的科学技术知识;能用制图、命题、方程式、编制程序等方式表达和描述问题;能从经济、安全、伦理、环境影响等角度思考问题;能在以上约束条件下对问题求解;能规划并加以实现;善于交流;能进行团队合作。这些过程对于培养学生的逻辑思维、创造能力、动手能力、合作能力、责任感、同情心、问题解决能力等都大有裨益，同时符合21世纪人才培养的要求。

可以说，工程给科学教学带来活力，为教育理想和课程目标的实践提供了途径。

工程是STEM跨学科整合的有效途径

科学是人们对自然的理解，帮助学生认识和解释现象，追求理论与实践的结合;数学是形式和关系的学科，培养学生的逻辑思维，追求逻辑对概念的证明，为技术、科学和工程提供精确的语言;技术是人们对自然的改造，为人类探索科学提供工具和手段;工程是受约束的技术，为满足人类需求系统地、反复地设计对象、进程和系统的一种途径，追求对问题的解决或改造。STEM最初被视为一种教育愿景，其关键特征是制造产品。

工程被认为是联系各学科知识、建立整体的认识世界和改造世界的平台，工程学的核心是工程设计。一个完整的工程设计是对一系列工程问题的解决，这个解决问题的过程包含基于具体情境进行分析、考虑限制条件、建模、建立系统、权衡和优化等步骤，这些步骤也是工程教育的核心概念，它们为实现各学科的有机整合提供了先天条件。工程师解决问题的思路一般是提出问题、界定问题、制订解决方案、实施方案、实施过程中发现新的问题、再次界定问题、制订新的解决方案，直到问题彻底解决。这种工程设计迭代过程暗含了不同学科问题解决的路径，由此也被认为是整合其他学科内容的关键途径。

工程设计的本质是帮助学生以系统的方式解决现实世界中结构不良的问题，在此过程中必然会运用到科学概念、数学和计算思维，同时因为工程设计直面“用户”的需求，能够为STEM学习提供真实的互动情境。工程会运用科学、数学、技术创造满足人们需求的产品，且工程设计有助于定位STEM多个的学科的交叉点并建立连接，由此，工程设计也被认为会对STEM四个学科齐头并进起到催化作用。

以美国EiE净水器制作为例。身边水污染的事实现状为制作净水器提供了良好的情境，由此学生为了解决该问题通过团队合作制作出净水工程产品。明确了该目标后，学生在小组中通过头脑风暴提出具体的问题，包括净水原理是什么，净水的影响因素有哪些，如何判断水最终被净化，净水器制作要考虑的限制因素（如材料特性、使用环境、制作技术、成本）等问题。在明确问题后，学生需要制订解决问题的方案，其中包括探究材料特性的实验，原型的制作方案，限制因素的权衡，测试迭代计划等。前期的方案明确后，教师开始引导学生一步一步实施方案。具体到每个环节的设计和操作过程中，需要经历不同学科的整合：在材料探究环节需要科学解释原理，在净水器工艺制作环节需要技术操作，在测试和迭代过程需要数学统计计算等。整个过程学生一个人是无法完成的，必然要求他们分工合作，相互支持。可以看出，在净水器工程产品制作的整个过程以问题解决为导向，嵌入情境，整合多学科知识技能，培养学生理性思维、问题解决能力、人际协调能力等。

总之，在STEM教育理论与实践研究逐渐深入的背景下，科学工作者越发关注STEM教育中学生的素质提升。工程因其自身独特的教育价值，为这场“整合”研究带来了突破。

基于工程设计整合STEM课程势在必行

已有研究表明，学生参与工程设计过程有助于获得STEM四个学科领域的相关知识;能够提高解决现实问题的认知技巧和能力，包括使用以图形为主的“编码”能力以及用于想象的非语言的思考与交流能力;能够帮助学生形成职业意识和职业认同感，认识到自己是在所处社会的框架和价值观之中开展有效实施等。从国际STEM课程改革经验看，打破学科界限、利用工程设计实现STEM课程的整合是提升学生STEM素养的适切形式。基于工程设计的STEM整合性课程在实践中不断获得成功，工程取向的整合性STEM教育已经稳步进入美国中小学课堂，并开发出众多基于工程设计的整合性STEM课程，如“工程学院（The Academy of Engineering）”“运动中的世界（A World in Motion）”“工程是基础（Engineering is Elementary）”。这些基于工程设计的整合性STEM课程已有多年的实践，并为STEM教育研究献计献策。

对于我国整合性STEM教育，有研究者建议通过整合性STEM教育将工程融入基础教育，也有学者分析了“科—数”“科—技”“科—工”的STEM整合类型后，指出“科—工”整合是比较符合我国基础科学教育发展需要的STEM整合类型，且“科—工”整合中工程设计框架的整合方式是我国STEM课程整合的有效途径。我国现有的课程体系中，技术、工程类课程和综合类课程还明显不足，介于工程是跨学科整合行之有效的路径，开发并实践基于工程设计的STEM课程将是未来STEM教育的趋势。

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