中小学工程思维培养的理论基础、教学与评价方式

2022-09-02宋玉洁薛耀锋王坤朱芳清

中国信息技术教育 2022年17期

宋玉洁薛耀锋王坤朱芳清

华东师范大学教育信息技术学系暨上海数字化教育装备工程技术研究中心

随着社会活动复杂度的日益提升，工程思维的培养逐渐成为国内外基础教育关注的重点。本研究分别从和中国知网中检索搜集了中英文文献，对国内外在中小学阶段的工程思维培养研究进行梳理。

● 工程思维的内涵

美国哈维穆德学院的Dym教授将工程定义为一个系统的、需要智能参与的过程。在这个过程中，设计师产生、评估并指定设备、系统或过程的概念，使得这些设备、系统或过程的形式和功能达到客户的目标或用户的需求。美国于2014年发布《2014NAEP技术与工程素养评估框架》，该框架将技术与工程素养定义为使用、理解和评估技术，指的是理解和设计解决方案并最终实现工程目标所需的技术原则和筹划决策的能力。由于涉及工程思维培养的教学活动大多通过工程设计过程来开展，因此，在国外，工程思维也常被称为工程设计思维（Engineering Design Thinking）。我国对工程思维的研究开始于20世纪80年代，李伯聪院士从工程哲学的视角出发，认为工程思维是工程的灵魂，他在将工程思维和科学思维对比分析后，发现工程思维的对象是工程问题，是研究当下没有的事物，是进行筹划、建造的思维活动，目标是让思维活动的产物产生实际应用价值。我国的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》将工程思维明确定义为“以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维”。

国内外研究对工程思维的构成要素有着不同的划分方式，美国国家工程科学院将创造性思维、系统思维伦理道德以及人际合作交流作为学生需要培养的工程思维项目。而美国工程与技术教育中心则认为工程思维的核心要素是学生在工程设计活动中形成的系统性思维以及问题解决能力。我国学者广泛认可的基础教育阶段工程思维构成分类包含工程决策思维、工程设计思维、工程实施思维和工程评价思维四个部分。工程决策思维指的是在工程活动中对工程任务进行问题定义、需求定义的目标决策，也包括对方案的制订与最佳方案分析的路径决策；工程设计思维是工程活动的核心，指的是根据决策内容产生创新想法，对产品的功能和结构进行设计；工程实施思维指导工程参与者如何执行方案，以及在方案中根据信息和经验选择材料、组合技术完成产品原型构建；工程评价思维是指对产物进行科学、全面且公正的评价，并且从社会利益价值的角度客观评估产物的性能，为后期再次迭代做准备。

● 工程思维教学方式

1.工程思维教学方式

随着对工程思维概念和特征的深入理解，面向中小学工程思维培养的教学方式也更加具有指向性和科学性。通过对经典国外文献的梳理，笔者对工程思维培养教学中的教学方式进行了归纳，如表1所示。

从表1可以看出，在工程思维培养的课堂中，工程思维的培养教学方式在朝着不断简化的方向发展。下面以澳大利亚昆士兰科技大学Lyn D. English教授等人面向STEM的工程设计教学方式为例，分析工程思维教学过程。第一步是问题界定，需要对问题情境中的目标、限制条件、问题背景进行资料搜集和探究，对可行的方法、测试材料进行猜想，并和同伴建立合作关系。第二步是想法创新，团队成员基于对问题的理解开展头脑风暴，形成初步策略，逐渐制订可行的计划。第三步是根据计划开展设计，分步骤进行草图设计和模型构建。第四步是对设计进行评估，对照问题界定中的限制条件建立测试环境，对模型进行测试评估。第五步是根据评估结果和整体问题情境需求以及目标，重新审视并进行第二次设计和模型转化。

表1 国外经典工程思维教学方式

2.国内外工程思维教学活动案例

经过对大量教学活动方式和评价方法的研究，笔者将部分工程思维培养的教育研究案例进行了整理，具体如表2所示。

表2 工程思维培养的教育研究案例

● 工程思维的评价方法

基于以上教学方式，学者们研究了大量面向工程思维培养的评价方法，主要包括对行为的编码测评和对思维水平的试题测评等。对学习行为的编码方式大致分为两种类型:第一是工程思维认知，即根据每个环节的表现记录、访谈结果，从A到C对是否掌握该认知点进行打分;第二是考察工程设计过程，根据视频和音频记录对设计过程中研究者所处过程进行界定和划分。

美国发布的《2014NAEP技术与工程素养评估框架》从具体理解技术原理、设计方案实现目标、交流与合作三个方面来评估学生的工程素养。

在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中，工程思维水平被划分为系统分析方法、模型认知与建构以及决策分析与风险评估三个维度，每个维度分为3～5个水平层次，工程思维评价指标如右图所示。虽然该评价描述中体现了每个环节在不同阶段的要求，但要求比较抽象且没有很好地将学科内容和核心素养结合形成任务指引，不利于指导教师开展教学活动和评价。