面对未来工程师的课程设计

刘昭 孟延豹

前言：刘昭博士在致力于创客教育之前曾经是个卓有成效的工程师，在清华大学计算机博士毕业后，他长期供职于航天系统，参与了很多航天系统的设计运行工作。在学习与工作中，刘博士对一个工程师的培养及其在工作中的学习、成长有了很多自己的感悟，逐渐形成了自己的一套工程师成长理论，并在后来投入到创客教育的过程中做了很多的尝试，取得了不少的成果。本文是笔者和刘博士讨论他的课程设计理念的一些简单的总结，希望能够帮助到广大读者。

进入新世纪以来，随着脑科学、心理科学、信息科学与技术等交叉学科的发展，人的学习的本质，也就是人的学习的、建构的本质，社会协商的本质，以及参与的本质越来越清晰地显现。

创客运动的社会情境非常符合这样的条件。

在跨学科整合的学习情境的构建上，我们的做法要符合当代学习科学对知识的建构性、社会性、情境性、复杂性和默会性的定义。

首先是知识的建构性，客观与建构是知识的一个重要维度。我们不再将知识看作是有关绝对现实的知识，而认为知识主要是个人对知识的建构，即个人创造有关世界的意义，而不是发现源于现实的意义。

知识的建构性强调学生，也即认知主体的巨大的能动性。

知识是由认知主体积极建构的，建构是通过新旧经验的互动实现的，认知的功能是适应，其应有助于主体对经验世界的组织。

由此，我们应能提供认知工具，蕴含丰富资源，鼓励学生通过与环境的互动去建构个人意义的新的学习環境创设。

知识的社会性是知识的一个重要的维度。知识不再仅仅是居于个体内部，而是内含在团队或共同体中，知识的这一维度正是通过个人与社会之间表现为互动、中介、转化等的张力形式构建一个完整的、发展的知识观。“学习是知识的社会协商”这一关于学习的新的隐喻，对“学习共同体”这样的学习环境创设，也提出了新的要求。

知识的情境性产生于知识的情境理论，情境理论强调认知与学习的交互特性和实践的重要性，在学习环境创设上，我们强调两个维度，一是真实的学习活动中的情境化内容，中心问题是创建实习场，在这个实习场中，学生遇到的问题和进行的实践与今后校外所遇到的是一致的，或者是在场景上有一定的仿真度。另外一个维度，是要重视学习者在学习中的社会参与特征，也即在学习环境创设中建构学习者的“实践共同体”。

在创客教育中，知识的复杂性是很重要的特色，在发展不足的社会中，人们常常把稳定的、自足的、结构良好的和客观的信息等同于知识，而在社会高速发展的今天，这些只能被看作是简单知识。在高速发展的社会，真正的知识往往是不稳定的、结构不良好的和主观的知识。传统教学就是对简单知识的传递、传授、传播，传统的学习就是通过对所教知识的复制与同化来获得知识。而在今天，知识更多表现出的是其复杂性，知识是主观的、不稳定的、结构不良的，是与其形成的情境脉络（学习者对真理的质疑、对知识的渴求、对知识的建构与理解，学习环境创设以及学习过程、评价过程）紧密联系的，知识难以直接访取或传递给他人。这也就决定了在这种目标下的学习，必须是较复杂的任务才能提供这样的情境。

知识的默会性对于很多人来说还是一个陌生的概念，在具有更多的复杂性、不确定性的社会中，教育更加重视知识默会维度，特别是重要知识（往往是核心素养类、关键能力类的知识）的默会本质。人类学情境理论则提出“合法的边缘性参与”概念，让隐含在人的行动模式和处理事件的情感中的默会知识在人与情境的互动中发挥作用，并使得默会知识的复杂性与有用性随着学习者经验的日益丰富而增加。这非常符合真实情境的学习环境下的创客学习。

基于以上对于知识的认识，我们发展出了具有自己特色的宇航创客课程及创客教育理念。

● 情节驱动的宇航创客课程概况

情节驱动的宇航创客课程是我们设计的一组社团课程的总称。学习此课程的学生原则上应该已经完成了开源硬件和基本编程技术（如Python）的学习，具有初步的创客技能，在此基础上，学习我们的宇航创客课程。严格地说，设计此课程的目的是以宇航题材为背景，进一步提升学生的想象力、组织能力、好奇心、创作欲、团队合作能力，以及系统设计能力、软硬件实现的技术能力、工程规划能力、组织协调能力等。

所谓情节驱动，指的是此课程教育学生除了完成传统的创客实验项目之外，还要玩一个游戏。在这个游戏中，学生需要分析问题、解决问题，让自己的主角走出困境，并完成某些战略任务。这种情节的设计，既有纯粹激发学生好奇心、好胜心的考虑，也有激发学生的创作欲的考虑，还有爱国情怀、社会责任等方面的考量。

课程内容如下：

第1节：知识讲授和实验——3D建模（盒子）

第2节：游戏情节——飞机失事，男主落难于亚马逊丛林

第3节：知识讲授和实验——3D建模（艺术品设计）

第4节：游戏情节——为酋长制作法器外壳

第5节：知识讲授和实验——2812灯带等基本开源硬件实验

第6节：游戏情节——为酋长制作光明之剑

第7节：知识讲授和实验——制冷模块和继电器等开源硬件系统设计

第8节：游戏情节——为酋长的儿子制作冷藏箱以保存药物

第9节：知识讲授和实验——3D结构设计（复杂箱体设计）

第10节：游戏情节——为酋长的儿子制作冷藏箱以保存药物

第11节：知识讲授和实验——网络通信和数据帧的概念

第12节：游戏情节——识别敌对势力阴谋，拯救失事飞船

第13节：游戏情节——接收指令，更换通信通道

第14节：游戏情节——设计通信帧结构，完成卫星拍摄任务

第15节：知识讲授和实验——组织一次模拟宇航任务

第16节：游戏情节——分工协作，操作各分系统，完成宇航任务

在以前的教学活动中，我们发现创客教育中面临的有普遍性的困难大致如下：

①知识的复杂性决定了教育的碎片化和教学活动中建构行为的重要性。创客工程的复杂性，首先在于创客知识体系的复杂性，即任何创客作品，都是多学科综合技能的体现。例如，任何一件创客作品的完成至少需要具有3D建模、硬件设计和软件设计能力。其次在于现实问题的复杂性。创客作品都是用来解决生活实际问题的（或是用于仿真工程场景，如乐高工程比赛），而现实中的各种不确定性给创客作品的设计添加了新的难度。这就决定了创客教育中不可能穷尽任何一个领域的知识和技能。而唯一可行的办法一是各主创人员的分工协作，二是知识体系的主动构建。面临如此繁杂的知识体系，显然每个人的知识树都是“个人定制”的。因此构建工作不光要进行，甚至还要伴随创客的整个创作生命。

②教育行为过程本身的复杂性。创客教育行为本身的复杂程度，使得它可以被称为“创客教育工程”。如果我们实施教育的对象是一个家境殷实的学生，那么问题就容易解决，但现实情况是，教师需要面对的通常是20位性格情趣迥异的学生，这些学生中，既具有创客技能也具有创客情怀的人往往屈指可数。而创客又是如此复杂的一个学科，这使得我们不得不照顾尽量多数人的兴趣。一个合理的解决办法是把课程设计成情节驱动的游戏。其好处是，更加贴近生活情境，让所有参与者都有用武之地。而且，游戏本身可以提供一种“反向引导”，让学生更容易把主要精力集中在纷繁复杂的创客知识中的一个关键问题上。

● 宇航创客课程对知识的构建过程

3D技术的学习是一件令人十分头痛的事情。因为，通常3D技术方面的书籍都是十分厚重，其内容也是十分庞杂的。我们在课程中，首先要求学生完成的作品是一个容器（“法器”的匣子），然后，下一个作品是一个颇具艺术色彩的幻彩“光明之剑”。第一个作品中规中矩，而第二个作品需要艺术灵感和想象力。学生们大可以根据自己对萨满教的理解，设计出各具风格和个性的“光明之剑”。在设计“光明之剑”的过程中，学生需要具备以下能力：用平滑曲线绘制艺术线条的能力、用2812灯带渲染作品的能力。这样我们就把工程思维和艺术个性结合了起来，实现了构建，而且过程轻松。

● 宇航创客课程中的社会化学习

在宇航创客课程的第15节，需要各部门合作完成一次宇航任务。此时，各个分系统需要进行接口设计。教师会引导学生召开协调会，统一接口的Jason数据结构设计方案。在第16节，学生们将分成小组，使用分布式仿真系统完成一个宇航任务從发射到回收的全过程。在此过程中，学生们被赋予了社会角色，有工程总指挥，有专家团队，有各分系统。通过这样的划分，学生既能体会到分工合作的高效率，也能初步学会处理工程过程中的人际关系和社会矛盾。

学习的过程是社会化的：学生通过研讨、头脑风暴等方式完成学习过程。

结果也是社会化的：每个团队可能最终只能掌握某一方面的知识，而整个系统的运作，需要建立在所有团队配合的基础上。

● 宇航创客课程中的情境化学习

可以注意到，我们在设计所有创客作品时，是以情境代入为设计目标的，而一旦代入剧情之后，这些作品就需要符合生活实用品的特点，即实用性和艺术性。每个学生都会根据自己的理解和个性设计作品，并且兼顾实用性和艺术性。这和真正的产品是相似的，而且不是简单重复。

例如，在通信帧结构的设计中，学生的设计和通信专业（如5G）真正的通信系统设计相比，只有规模上的差别，没有本质上的不同。

● 宇航创客课程学习中知识和教育过程本身的复杂性

真正的社会生产行为是非常复杂的。真正的宇航产业，其从业者需要考虑的不光有工程技术问题，还有经济问题、社会问题和政治问题。而学生所面临的技术问题，也很难用完备的知识来解释。我们发现，很多学生经常自我感觉以前接触的完备知识较多，但在本课程中，学生会发现，个人的精力制约着自己创造力的发挥，进一步，也能感受到其他的制约。学生上完此课程之后，必将对这些制约有初步的体会，进而明白，真正的社会生活，貌似完备而自由，但真正深入进去，会发现思维和知识体系中不完备、不自由的情况比比皆是。

教师也不可能完整讲述课程内容的方方面面。我们采用的手段是编制“手册”来备查，学生一旦遇到不理解的课程知识，就通过课程手册学习。这虽然多少有一点救急的意味，但人类的知识积累越来越倾向于反向递推的积累方式，学生应该及早掌握这种反向思维方式。

学生将会接触到的帧结构和加密算法，很多是基于经验公式，而不是完备的数学体系。但学生应有追求完备的心态和手段，借由教师准备的示范笔记系统，学生应努力将不完备的知识融入自己逐渐完备的认知知识体系。

● 宇航课程学习中的默会知识

在情境式宇航创客课程的学习中，针对以下工作范式，我们希望学生形成默会技能，并在以后的课程和生活中反复运用：

①实验序列设计能力。教师在创客作品的设计过程中，将反复使用实验序列设计方法。学生将会形成默会习惯，在今后的创客学习中反复运用。

②笔记方法。学会并形成自己的笔记方法，将对一个学生的学习产生深远的影响。

③系统设计方法。每个创客作品的完成，都遵循概要设计→伪代码→代码的设计过程。

默会知识的形成在课程执行的当时效果并不明显，它是一种习惯养成的过程，也往往是潜移默化的过程，但其产生的效果将影响学生一生，为学生的终身学习提供有力的支撑。

后记

作为博士和资深工程师，刘博士一直在尝试将自己人生中学习的成功经验分享给孩子们，而喜欢读小说的他，更是将他的课程都设计成一种情节驱动的模式，他的课程不论是在机构还是在学校，或者在他儿子“图贝农”（音译，这是刘博士儿子给自己取的名字，图贝农独立报名参加了北京市金鹏论坛并取得三等奖）身上都取得了很不错的成绩。笔者相信，在中国制造业极大发展的今天，这种经验对于未来中国“工科男”队伍的发展壮大将是非常有益的一种尝试。