工程教育的现代审视：STEM课程活动的视角

侯 甜 李静静

（陕西师范大学 教育学院，陕西 西安710062）

一、工程思维：STEM教育的必要思维能力

STEM（Science、Technology、Engineering and Math）教育起源于美国，是关于科学、技术、工程和数学领域的综合教育。它以其跨学科融合为显著特征，但不是将科学、技术、工程和数学知识简单相加作以课程内容呈现，而是将各个领域有机融合构成一个完整整体。

目前，国内外关于STEM 教育方面的研究较为丰富，最初主要集中在STEM 教育教学方式、STEM 教育政策、STEM 教育的理论知识及STEM 教育中的工程和科学素养等方面，现在主要集中于STEM 师资培养、STEM 教育与创客教育、STEM 教育与核心素养等方面。在此时代背景之下，国内STEM 教学活动也在如火如荼的开展，与此相关的机器人教育、创客教育等也呈大好之势。STEM 教 育 中 的“S（science）”“M（math）”“T（technolo⁃gy）”都有相应的课程作以支撑，如科学课程、数学课程、技术教育等，但在具体教学实践过程中，工程教育却缺乏相应课程支持，在“E（engineer）”这一方面相对薄弱。因此，如何增强工程教育的培养，以便优化STEM 教育活动质量尤为重要。

许多教育科学方面的研究证实，工程项目设计恰恰有利于这一问题的解决。工程项目设计是一个复杂的决策和解决问题的过程。它需要科学、数学、工程和技术知识的应用，以最优地利用资源来解决结构不良的问题。此外，在工程项目设计过程中，高阶思维能力对于分析问题因素、预测不同解决方案的可行性、评估结果和优化解决方案是必不可少的。具体来说，工程项目设计提供了一个真实的环境，通过它来指导学生应用综合的跨学科知识和发展高层次思维能力。而在此实践过程中，最核心的问题就是学生思维能力的培养，即工程思维，本文就是围绕工程思维，探究在STEM 课程活动中如何体现以及培养工程思维。

二、工程思维的外显形态——工程教育

（一）工程教育的本质核心：工程思维

1.“工程”和“思维”

可以看出，工程是一种针对人造世界的活动，目的是生产出满足特定需要的产品。由此可以将工程理解为以人的目的和社会价值实现为前提的、包含了设计和制造的创造性生产活动。思维是人类社会诞生以来所特有的一种极为复杂的心理现象，是人脑对客观事物能动地、间接地和概括地反映，体现了人类对客观物质世界的认识过程和反映过程[2]。

本文认为思维方式是指人脑处理复杂信息的一种操作系统，包括两个方面：一是用以建构的理论思维，二是用以设计工程的工程思维。

2.工程思维内涵

美国国家工程科学院（NAE）在《K-12 教育中的工程：理解现状和提升未来》报告中指出工程思维即：工程的“思维习惯”，具体而言包括：系统思维；创造力；乐观主义；合作；交流沟通；伦理考虑[3]。

工程思维是工程活动的主体在解决工程实际问题中所运用的思维，是工程的主体必须具备的核心能力，能否在工程活动中建立适应工程内在发展规律的思维方式，是一名工程工作者能否成为卓越工程人才的关键[4]。

工程思维以筹划为价值目的。它是一种价值化的思维方式。而理论思维以认知为价值目的。它是一种半价值化的思维方式。或者说它是一种内部非价值化的思维方式。理论思维力求有约束力的客观道理。工程思维力求有操作性的主观设计[5]。

在我国“工程思维”被深入、系统地研究始于徐长福博士的一系列探讨理论思维与工程思维的文章和著作，随后，殷瑞钱、汪应洛、李伯聪等人在《工程哲学》一书中又对工程思维进行了探讨。徐长福从区分理论思维与工程思维出发，对工程思维进行了详细论述。殷瑞枉、汪应洛、李伯聪等人从科学、技术、工程三元论的角度出发论述工程思维。按照科学、技术、工程三元论的观点，工程就是将科学和技术知识综合运用到实践中去，并得到一种人工产品或技术服务的实践活动。

综上所述，本文中的工程思维是指在人们进行工程项目设计过程中形成的一种思维方式，而工程项目设计是针对真实环境中的问题，为了满足特定需要的一种复杂的设计活动。在此过程中形成的工程思维不涉及具体领域中较为专业的工程思维，其主要特点是现实性、创造性及复杂性。现实性主要体现在工程思维旨在满足价值主体的需求，通过整个工程实践过程，设计出满足需求的产品；工程思维的首要本质便是其创造性，工程活动的本质特征就是创造出一个世界上本不存在的人工实体；工程是由各种因素组成的系统，该系统存在许多不确定因素及限制性因素，所以，工程思维具备复杂性。

耳石症是造成耳源性眩晕症的主要原因,又被称为良性发作性位置性眩晕,是一种由前庭功能失衡导致的内耳机械性疾病[1],主要症状为当头部快速移到某一位置时出现眩晕与眼震。目前认为耳石症的发生与耳石器中的耳石脱落有关,当头部快速移动时,耳石滚动到其它平衡结构内,引起眩晕。因此为了使耳石回到原来的位置通常采用手法复位的方法进行治疗,Epley手法复位和Barbecue翻滚手法复位是当前临床上较为常见的用于治疗耳石症的复位手法。本文旨在对比分析Epley手法复位和Barbecue翻滚手法复位治疗耳石症的临床效果。

（二）工程项目设计

工程项目设计是一个复杂的决策和解决问题的过程。它需要科学、数学、工程和技术知识的应用，以最优地利用资源来解决真实情境中的问题。此外，在工程项目设计过程中，高阶思维能力对于分析问题因素、预测不同解决方案的可行性、评估结果和优化解决方案是必不可少的[6]。

工程项目设计是一个高度社会化、迭代化的过程，在这个过程中，通常不存在唯一正确的标准答案[7]。可以看出，工程项目设计过程复杂、内容丰富。与此同时，它也涵盖了科学、数学、工程和技术等领域知识，同时要求具备学生发散思维、系统思维、设计思维等各项思维能力，以便得出更好的设计方案及设计作品。

目前，工程项目设计已经成为K-12（kindergarten through twelfth grade）学生参与科学、技术、工程和数学（STEM）学习的重要途径，参与工程项目设计的学生可以通过解决问题，使所学的知识和技能之间产生联系，最终实现知识的意义建构。在工程项目设计中，当学生将一个问题转化为一个目的，然后再转化为一个行动时，他们需要具备适当的STEM 概念知识、技术技能和工程设计能力，以迎接项目设计带来的挑战。

（三）工程思维与工程项目设计

工程思维与工程项目设计是一种相互交融、相辅相成的关系。在一个完整的工程活动中，工程项目设计尤其关键，起着纵观全局、设计蓝图的作用，既要把握“航向”即完成产品需求，又要考虑整个系统中的各个要素及不确定性。而工程思维则是进行工程决策、工程项目设计和工程运行的过程中形成的一种思维方式，可以说，工程思维贯穿于整个工程活动中，同时不断发展、不断变化。

三、工程项目设计：基于STEM课程活动

工程项目设计结合STEM 教学方法可以提高学生对科学和数学知识应用的学习。这样就无需增设工程课程，将工程设计思想贯穿于整个STEM 教学活动中，通过具体的工程设计活动培养学生的工程思维，同时也进一步应用科学及数学相关知识概念。

（一）工程项目设计课程要素

关于工程项目设计课程要素存在多种说法，具体如下。

Lewis 等认为工程项目设计课程的核心要素包括系统思维、约束识别、预测；Mentzer 认可了工程项目设计的六个关键要素，包括问题定义、解决方案的开发、分析/建模、实验、决策和团队合作；Burghardt 和Hacker 强调了一个让学生参与工程项目设计过程的知情设计周期，包括明确设计规范和约束、研究和调查问题、生成替代设计、选择并证明最优设计、开发一个原型、测试和评估设计方案、通过修改重新设计解决方案并交流成果。Householder 和Hailey 还指出，工程项目设计周期包括九个步骤：识别需求或问题、研究需求或问题、发展可能的解决方案、选择可能的最佳解决方案、构建一个原型、测试和评估解决方案、沟通解决方案、重新设计、最后完成设计[8]。

由于工程项目设计是一种有目的的、系统的、迭代的和创造性的方法，它开发各种可能的解决方案并配置优化以满足特定的需求。因此，笔者较认同的是House⁃holder and Hailey 九步骤的说法，将工程项目设计周期划分为九个步骤，每个步骤之间相互联系，迭代循环，最终完成设计。在进行工程项目设计过程中，要牢牢遵循工程设计活动应建立在数学和科学原理的基础之上。设计的迭代必须建立在一个合理的理论基础之上，并对早期试验产生的数据进行分析，而不是依赖于简单的试验和检错。

（二）整合工程思维的STEM课程活动

在工程设计过程中，需具备理解物理关系的科学基础和指导工程设计模型的数学基础。在进行相应的课程活动设计时，能够满足高中水平真实工程设计标准的工程设计挑战，同时以基于标准的STEM 内容为目标，是最为理想的。为学生创造丰富、刺激的工程设计学习经验的教育者需要考虑工程设计活动的特点，包括思考和行动的标准、过程、习惯，以及学习环境的特征，使学生能够参与工程设计挑战，以满足学习结果。关于如何有效整合工程思维的STEM 课程活动，国外也存在相应研究及成果，通过对比其应用效果及影响力，Szu-Chun Fan 等人提出的高中工程设计课程框架较为典型，故作以详细介绍，以下是其详细内容（如图1所示）[9]。

图1 高中工程设计课程框架

这个框架是在Householder and Hailey 工程项目设计的九步骤基础之上形成的。此框架环形齿轮部分由Sci⁃ence Inquiry（科学探究）、Math Analysis（数学分析）、Technology Technique（技术工艺）等组成，齿轮的外围则是工程设计的步骤，即阐明问题和约束、收集信息、发展可能的解决方案、预测分析、选择解决方案、模型构建及测试、评估和修改、优化、最后完成设计。中心齿轮则是技术与工程问题情境。这个框架将STEM 四个方面巧妙地结合在一起，以科学、数学、技术为核心将工程设计渗透其中。同时也可以看出，环形齿轮完全指导工程设计的过程,而中心齿轮提供了学习环境。

课程框架中的几个要素将通过设计STEM 教学活动得到强调。因此，在进行整合工程思维的STEM 课程活动设计时，应注意以下几点。

首先，阐明问题和约束构成了一种重要的能力。问题定义是设计思维的关键步骤，它是工程设计的第一阶段，为开发解决方案奠定了基础。因此，明晰问题本质、了解问题的局限性及约束条件尤为重要。

第二，开发解决方案的能力需要适当的STEM 知识和创造力。在工程教育和其他STEM 学科中，许多活动完全集中在聚合思维上，其中的重点是推理和使用系统的分析方法来达到一个可验证的解决方案。所有问题局限于一种标准答案，这种现象较为普遍。然而，在面对工程项目设计挑战时，思考问题的发散性和灵活性尤为关键。在工程项目过程中，鼓励学生发散思维会帮助学生打破惯性思维，以免局限于某一狭小范围，为他自动排除或者忽略排除其他选择。

第三，预测分析在决定实施前的最佳解决方案方面起着重要的作用。在明确问题及选择适合的解决方案之后，就要对预期结果作预测，既要考虑项目设计过程中的不确定或意外因素，也要对预期效果或者完成程度有着明确的把握。

第四，对原型进行建模和测试是评估解决方案结果的重要能力。在预测分析、建模、测试、修改和优化的过程中，学生应该使用科学原理、数学或技术辅助（如计算机模拟、物理模型）在不同的条件下测试解决方案，并记录和分析结果，而不是简单地使用反复试验。当学生通过设计评估来重新设计STEM 学习过程时，修改和反复尝试是确保成功的有效方法。

最后，优化需要细化、修改或重新设计结果，以找到最合适的解决方案。

四、思考与讨论

工程项目设计中的挑战是以科学、技术和数学为基础，可以说，工程项目设计过程有效的将科学、技术、工程、数学四个领域串联起来。学生在进行工程项目设计时，针对设计问题，在解决问题过程中，有效调动起各个领域的知识，如在对问题进行探究时，运用科学相关的知识；在进行相关值的运算或临界值的确定时，运用数学相关的知识；在对设计作品进行建模时，运用技术相关的知识。

教师可在整个工程项目设计过程中使用不同层次的脚手架，而这取决于学生对开放式问题的经验、内容领域的优势以及克服障碍所需的支持程度，而这其中的关键要素如下。

（一）激活相关先验知识

在阐明问题阶段，学生首先会调动脑中知识库的内容，搜寻是否具有解决此问题的途径与方法。有意义学习产生的条件就是已有知识与新知识联系在一起，学习者将知识进行归类加工，从而实现知识的意义建构。因此，能否有效激活相关先验知识就很关键，决定着问题阐明的效率和学习活动的质量。

（二）注意概念关键特征

工程项目设计涉及科学、技术和数学等多个知识领域，所以，在面对一个知识概念时，应该快速将概念归类于某一领域，明晰其关键特征，采用这一领域的常用策略或者方法，同时其他领域知识作以辅助作用，共同完成问题解决的过程。

（三）迭代循环设计过程

整个工程项目设计是一个迭代循环的过程，每一步都需要反复检查与修正，以期获得最适合的解决方案。所以，在此过程中，既要考虑学生在项目实施过程中可能遇到的困难与阻碍、也要提前准备预备方案以防不确定事件或意外的发生。

五、结语

STEM 教育可以消除传统学科之间的界限，从而将科学、技术、工程、艺术和数学构建成一个完整的课程。在国内，与其他领域相比，对工程教育的关注就显得比较薄弱。2001年，马萨诸塞州是第一个为所有的K-12学生开发与实施工程和技术课程框架和评估的州；科学教育框架草案于2010年在新的国家科学标准中增加了工程设计部分。这种对STEM 的关注表明，在STEM 中重视工程教育，将工程思维融入到STEM 课程活动中至关重要。