STEM+CDIO理念下幼儿园工程教育的实践模式与教育启示

2022-05-30计苏燕冯凯

早期教育·教研版 2022年10期

计苏燕冯凯

【摘要】STEM是典型的跨学科课程整合方式，CDIO是一整套工程教育理念和实施体系。本研究把STEM和CDIO教育理念引入幼儿园工程教育中，旨在创建一个提升幼儿核心素养的实践模式。该模式由愿景、活动目标、实施路径和评价体系四个要素组成，具有理念科学、目标明确、途径创新、评价多元的特点，为幼儿园工程教育的开展提供了借鉴和参考。

【关键词】STEM；CDIO；工程教育

【中图分类号】G612 【文献标识码】A 【文章编号】1005-6017（2022）10-0040-04

【作者简介】计苏燕（1993-），女，浙江杭州人，浙江广播电视大学萧山学院助教，硕士；冯凯（1967-），男，浙江杭州人，浙江广播电视大学萧山学院副教授。

随着人工智能、大数据时代的到来，科技占据着越来越重要的地位，对人才素质的培养提出了更高的要求。在此背景下，如何提升幼儿的核心素养以适应科学信息技术的变化，成为幼教领域的热门话题。其中，幼儿园工程教育是一种有效联结不同领域知识与技能的综合性活动[1]，强调幼儿的主动探究，有利于幼儿认知、情感以及社会性等多元发展。本研究以STEM教育理念为指导，将CDIO教育模式应用于幼儿园工程项目活动，探索实施工程教育的新路径，以期为幼儿园课程建设以及幼儿核心素养的培养提供借鉴。

一、STEM+CDIO理念解析

STEM+CDIO是一种理念的创新[2]，是在“STEM+”概念的基础上，以工程问题为主线，借鉴国际先进的CDIO工程教育模式，构建的一种体现主体性、过程性、系统性的实践模式。

（一）STEM教育

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，代表多元学科文化的融合创新，旨在培养一个完整的、真实的、可持续发展的人。其中，科学是人们对世界的观察和调查，探求自然的运行机制，理解人类的思维方式。技术代表对自然世界的人为改造，工具的创造和使用。工程是人们设计和创造人造世界的方式，也是解决问题的程序。数学侧重于对数、量、空间关系和模式的研究和数据分析推理。其中，工程具有较强的包容性，可以将STEM相关科学知识和技术整合成一个统一体，设计出满足社会需求的构造、产品和工艺，重在提供问题解决的方案设计，体现问题解决的程序或过程[3]。此外，工程除了是一个过程，更是一种在设计、研究和实践中形成的筹划性思维方式[4]，有助于培养幼儿的探究精神和创造性解决问题的能力。

（二）CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，由构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）四个要素的英文首字母命名，是对“做中学”和“基于项目学习”的集中概括和抽象表达。CDIO共包括了3个核心文件：1个愿景、1个大纲和12条标准。CDIO的愿景是为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界产品和系统过程基础上的工程教育[5]。CDIO大纲是对CDIO工程能力要求的具体描述，将工程师必须具备的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力以逐级细化的方式表达出来。12条标准涉及教师、学生、课堂以及实践等方面应当达到的标准[6]，使得工程教育改革具体化和可操作化。

CDIO工程教育模式目前广泛应用于高等教育，但其核心与幼儿园工程教育具有内在的一致性。幼儿园工程教育主要是指幼儿在实际问题情境下，通过调查等方式获得相应的知识和经验，形成工程设计，并且不断完善工程项目，建立起知识与现实世界之间的联系[7]。二者在培养理念、实施过程、评价标准等维度存在的对应性，成为CDIO工程教育模式引入幼儿园工程教育的基础。

二、STEM+CDIO工程教育实践模式的建构

本研究提出的STEM+CDIO工程教育实践模式以培养幼儿核心素养的愿景为总体出发点，参照CDIO大纲制订活动目标，在项目学习中借鉴CDIO工程的实施路径，参考CDIO能力大纲考查幼儿的学习效果，从而指向幼儿多元素质的整合发展（见下图）。

（一）明确提升幼儿核心素养的愿景

STEM教育以真实任务为依托，幼儿通过直接经验的学习逐步获得科学思维与能力。CDIO强调人才培养应注重通用能力和工程素质，而不仅局限于某一项目涉及的具体知识。两种教育理念皆重视人才培养的综合性和多元化，与核心素养的内涵不谋而合。幼儿园工程教育的愿景突出整合的核心素养，指向21世纪幼儿发展所需的品格和能力。一方面，工程教育应发生在真实问题情境之中。教师通过创设真实的问题情境，引导幼儿走进工程世界，经历设计、制作、完善等一系列过程，積累工程经验，学会用工程的眼光看待世界。另一方面，教师应注重幼儿学习品质和能力的培养。《中国学生发展核心素养》报告提出了人才培养的新要求，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养[8]。对于学前教育阶段来说，教育的关注点应侧重培养幼儿的学习兴趣、解决问题的能力以及批判质疑的态度。基于此，STEM+CDIO工程教育实践模式的愿景是为幼儿提供一种强调工程基础的、建立在真实问题情境中的学习，帮助幼儿形成适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。

（二）以CDIO大纲为参照设计活动目标

CDIO大纲从个人、人际交往、产品和系统建造能力以及学科知识四个维度提出目标设计的要求。以此为参照，本研究结合《3-6岁儿童学习与发展指南》中科学领域的目标，建构STEM+CDIO工程教育实践模式的四维目标体系。

个人素养层面侧重于幼儿的个人能力（如创造性思维、批判性思维）和个人态度（如主动性、好奇心、求知欲）。人际交往能力侧重于个人和群体间的互动，包括团队合作（如组建活动小组、讨论分工职责）和交流沟通能力。幼儿能用适当的方式（口头、肢体等）交流探索的过程和结果。产品和系统建造能力即实践能力，主要考查幼儿的实际行为表现，如动手操作。实践目标拓展了传统的技能目标，更加强调探究过程以及幼儿实质性参与工程活动。学科经验包括基础科学概念和核心关键经验，依据具体项目主题来确定，如了解常见的工具和技术产品。之所以使用“经验”代替原CDIO目标中的“知识”，是因为知识具有客观性和学科性，而幼儿的学习是过程性和个人性的，是在与材料、环境相互作用的过程中，逐步建构起科学概念并转化为自身经验的。

（三）基于项目化学习开展工程活动

STEM和CDIO教育倡导基于真实问题的项目式学习以及主动学习、主动实践。幼儿通过自我创建项目，掌握一系列技能，学习相关主题并且解决有关问题。此外，幼儿以小组的形式开展工作，在讨论、辩论、概念提问等过程中分享和展示自己的经验、观点、能力和学习方式[9]。STEM+CDIO工程教育实践模式采用项目化学习，幼儿通过构思、设计、实施、运行四个环节进行创造性的工程设计。

在构思阶段，幼儿发现和提出问题，分析项目实施的可行性，探讨项目进程中可能存在的困难，并围绕讨论结果选择最佳工程项目。在设计阶段，幼儿拟定开展活动的详细计划方案，包括小组分工、图纸设计、方法和材料的选择、制作流程等。值得注意的是，方案或计划属于预测性设想，幼儿根据已有经验对各种可能性进行猜想和假设，并不意味着最终的客体成果。完成设计后，教师组织幼儿投入工程项目的实施阶段。实施过程不可能一蹴而就，其间往往会遇到各种困难，这就需要幼儿不断修改和调整设计方案。此外，不同于成人关注最终呈现的产品或技术，幼儿更关注工程项目的实施过程，因此，实施过程应具有一定的游戏性、趣味性。最后在运行阶段，教师展示幼儿的成果，引导幼儿说明工程项目的设计意图或解释制作原理，并对存在的问题进行改进和升级。

（四）评估考查幼儿的工程能力

CDIO倡导能力本位的培养模式，因而其评价重在能力培养。在CDIO标准中，Edward Crawley等人描绘的学习效果评估过程由四个部分组成，即“指定预期的学习效果—使学习效果与评估方法相一致—采用多种方法收集和分析数据—通过学习效果改进教与学”[10]。STEM+CDIO工程教育实践模式在原CDIO评估过程的基础上进行调整，采用多元化的评价体系来衡量幼儿的学习效果，具体包括以下四个阶段。

一是评估预期的学习效果。在不同情境中，评价的主体是不同的。基础活动层面的评价主体是儿童，课程建设层面的评价主体是教师。考虑到儿童活动开展的不可预估性和生成性，教师需发挥引导、服务和支持的作用，依据上位课程目标（如主题目标），从微观层面筛选和确定活动目标。

二是选定与预期学习效果相一致的评价方法。一旦明确从个人素养、人际交往、实践能力、学科经验四个维度确定活动目标后，教师需要结合幼儿的符号表征能力，选择适宜的评价方式。个人素养维度，可通过观察幼儿的平时表现，参考幼儿工程图纸、作品完成度等来综合评价；人际交往维度，可采用教师观察、同伴互评等评价方式；实践能力维度，可采用图像记录、课程故事、档案袋等评价方式；学科经验维度，可采用幼儿口头讲述、汇报讲解等途径来评价。

三是采用多种方法收集和分析数据。教师可在项目开展的多个阶段，采用多种方法采集幼儿的学习资料，如动态（摄影）和静态（照片）相结合，定性（学习故事）和定量（检核量表）相补充。此外，幼儿可参与资料收集，如使用相机拍下活动中自认为重要的人或事物，“表达”他们看事物的角度以及他们对周围环境的“评价”[11]。

四是通过学习效果改进学与教。教师汇总所获取的资料，并对采集的评价信息进行分析与诊断，了解幼儿在项目开展过程中的实际能力水平（既包括每位幼儿个体层面的分析，也包括班级群体层面的分析），并基于分析结果改进支持策略。

三、对幼儿园工程教育的启示

（一）以项目化学习为依托，培养幼儿核心素养与关键能力

项目化学习强调幼儿在真实问题情境中的实践与协作，为幼儿自主学习、创新思维、责任担当等素养的培养搭建了实践框架。当幼儿萌生一个想法或创意时，其可以通过口语表述的方式“说构思”，如方案的可行性、所需材料和工具等。在确定具体构思和遴选最佳方案后，幼儿可借助绘画表征的方式“画图纸”“做计划”。若涉及制作流程、数量关系等工程原理问题，幼儿前期的知识储备就能发挥重要作用，确保其构思不至于天马行空或者方案无法实施，这对幼儿跨学科知识融合能力和知识迁移能力的培养具有促进作用。此外，教师应鼓励幼儿以团队协作的方式实施、运行工程项目，并将人员分工与职责在构思阶段予以明确，引导每位幼儿积极参与工程项目的开发，促進同伴间的相互学习，提升幼儿社会性素养。

（二）以问题探究为驱动，探寻多领域多主体耦合联动

问题驱动或问题解决必须贯穿工程项目的始终，它既为学科知识融合提供了纽带，也为问题解决过程提供了支撑[12]。首先，活动主题应当具有生成性，来源于幼儿的兴趣和需求，而不是教师提前预设和安排的。其次，STEM+CDIO教育理念强调综合学科或整合经验的意识，一个项目或活动的背后是不同领域知识的融合，表现为通过工程实践的四个环节对五大学习领域进行串联。要做到驱动问题的生成性和整合性，还需要不同教育主体通力协作，构建幼儿园、家庭和社区深度合作模式。一方面，将问题情境延伸拓展到家庭，让幼儿在家长的陪伴下，尝试通过上网查阅资料、户外参观调查等积累前期经验。另一方面，发挥社区作用，幼儿园可组织幼儿参观与工程项目有关的博物馆、科技馆等，续延幼儿工程探究的兴趣。

（三）以工程项目为载体，营造良好的实践互动场所

工程项目的开展离不开物质载体的支持，幼儿在与环境、材料、工具的相互作用中，不断探索工程的奥秘并提升相应的能力。首先，在考虑幼儿认知水平的基础上，教师应为幼儿提供工程项目所需的设备、工具以及安全装置，如儿童木工刨子、锯子、防护服、手套等辅助材料，在保障安全性的前提下，支持和鼓励幼儿通过动手操作，丰富科学经验，提升工程实践能力。其次，教师应充分利用园区场地，为幼儿创设良好的工程实践场所，包括“廊”“角”“室”“场”等区域[13]。教师还可以增设同伴交流讨论区，有利于幼儿在构思、设计过程中互动探讨，同时又不干扰他人的制作进展。

（四）以师幼共评为路径，构建动态多元的评价体系

传统幼儿园教育活动的评价主体为教师，幼儿作为被评价者，处于消极的被动地位。然而STEM+CDIO教育理念高度重視幼儿的主体地位，强调幼儿是项目活动的主体，积极探索幼儿参与的多元评价方法，为其提供适宜操作的评价载体。项目活动是一个不断调整和改进的动态过程，评价也应是一个反复持续的过程，幼儿和教师需要对反馈解析再次做出回应评价。这不仅可以提升整个项目化学习的深度，而且能够全面有效地观察、评估幼儿的发展。此外，不同于聚焦作品、成果的终结性、甄别性评价，基于项目的学习强调过程性、发展性评价，关注工程项目实施过程中幼儿的必备品格、关键能力等要素。

（五）以学习共同体为助力，提升教师工程指导能力

教师在工程项目活动中扮演着多种角色，其既是幼儿主动学习的引导者、项目开展的服务者，也是工程实践资源的提供者、学习效果的评估者。然而真实情境中可能存在教师缺乏工程专业知识、项目指导能力不佳等问题，进而影响幼儿的学习体验和效果。为了更好地实践STEM+CDIO工程教育，教师需要重新定位自身角色，在充分理解STEM和CDIO教育内涵、特点的基础上，进修工程教育方面的知识，参加相关的培训与研修，以适应新型的工程教育模式。幼儿园可以组建项目团队，为教师搭建交流实践经验的平台，还可以引进工程教育专家团队，进一步完善工程项目的实践框架，提升教师能力和项目实施品质。

【参考文献】

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[3]秦赛.项目教学视野下学前STEM教学活动的建构与反思[D].西安：陕西师范大学，2018：13.

[4]赵辉，贺腾飞，王全旺.STEM教育理念下幼儿基于项目学习的模式探究——以“制作滑轮喂鸟器”为例[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2019，32（1）：68-73.

[5]石小丹，杨翠云.国内CDIO工程教育模式研究综述[J].桂林师范高等专科学校学报，2021，35（1）：66-72.

[6][10]曹淼孙，梁志星.基于CDIO理念的工程专业教师角色转型[J].高等工程教育研究，2012（1）：94-97.

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[9]Project-Based Learning in Engineering Education [EB/ OL].http：//www.cdio.org/knowledge-library/project-basedlearning.2021-12-16.

[11]刘宇.儿童如何成为研究参与者：“马赛克方法”及其理论意蕴[J].全球教育展望，2014，43（9）：68-75.

[12]孙妍妍，何沣燊.以“工程”为中心的STEM课程驱动问题设计研究[J].华东师范大学学报（教育科学版），2021，39（8）：33-44.

[13]周敏贤.STEM理念下幼儿园主题探究活动的实践与思考[J].早期教育（教育教学），2021（5）：10-12.