STEM教育视阈下工程思维的内涵与价值探析*

贺甜甜

（西安欧亚学院 人文教育学院，陕西 西安 710065）

STEM 教育提出跨学科整合教育，是将科学、技术、工程与数学四门学科进行融合，通过解决实际问题，培养学生跨学科意识与高阶思维的一种创新教育模式[1]。以机器人活动为代表的项目式学习案例，对于STEM 教育有很大的促进作用。通过参与机器人工程挑战活动可以激发学生对不同学科的兴趣和潜能，培养应用物理、数学、计算机编程等知识与技术，解决实际问题、锻炼团队合作意识、工程思维和领导能力[2]。有研究表明，不论是独立的工程教育课程还是基于STEM 教育理念的跨学科整合教育或工程实践活动均可以一定程度促进工程思维的发展[3]。本研究主要结合STEM 教育视阈下机器人教育的特点，探析了工程思维的定义、特征以及基本构成要素，将工程思维的理论基础和机器人教育的指导方针进行有效结合，系统地阐述了工程思维的价值与培养路径，旨在为培养学生工程思维研究提供参考。

一、STEM教育

STEM 教育起源于美国，19 世纪中期科学技术快速变革，美国为解决STEM 领域人才缺乏的问题，掀起了以科学技术为主题的教育改革运动。1986 年，美国国家科学委员会在《本科的科学、数学和工程教育》中提出了纲领性理念，旨在打破学科界限，重视学生的理工素养，培养可以综合STEM 学科知识与技能解决实际问题的公民[4]。STEM 教育从提出实践到理论研究发展至今呈现出一种偏向于分科教学和整合式教育并存的趋势，但教育领域学者多倾向于整合式教育。美国的学者Mark Sanders 认为STEM 教育就是一种整合的教育，通过项目式的形式开展教学活动，给学习者提供综合运用所学的科学、数学知识解决现实世界存在的工程或技术问题。STEM 领域的重要代表人物Johnson 认为整合式STEM 教育是为了解决实际问题，通过工程设计与技术应用，实现科学、数学知识技能的深度融合[5]。在STEM 教育的发展过程中，研究者们发现“工程”对于培养学生解决实际问题有一定的作用，并将其看作是整合的黏合剂（integrator）；通过工程问题将科学、数学以及其他学科知识结合，为跨学科融合提供真实的问题情境[6]，学生在解决问题过程中进行问题判断、方案决策与课程设计。《STEM 路线图（STEM Road Map）》中指出优质的整合式STEM 教育应遵循以下原则：①STEM 教育学习的内容要包含科学与数学学科知识，还要有必要的实践活动，利用工程设计或实践提供现实的问题情境；②工程实践活动要能反过来促进STEM 学科知识的学习，驱动学生对于知识的内化与应用；③教学要能置于真实的学习环境中，结合学生已有的知识储备进行意义建构，而且要与社会文化相关；④教师要能通过教学引导灵活地开展STEM 主题相关的内容，通过创设团队合作交流的教学情境，培养学生21 世纪所需要的新技能[7]。

我国的STEM 教育研究也呈现整合式的趋势，旨在通过STEM 学科融合解决实际问题，从而培养创新型复合人才。余胜泉等学者认为STEM 教育主要是通过学科整合的方式培养学生解决实际问题的能力，灵活应用迁移所学的学科知识与实际技能，具备跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性等核心特征，注重学习者中心和生活经验整合[8]。傅蹇等学者认为STEM教育的目标是提升学习者的STEM 素养，可以通过设计性学习或项目式学习方式来培养学生综合利用STEM 知识解决现实问题的能力[9]。教育机器人作为典型的STEM 教育载体，可以通过不同的工程项目或主题活动，让学习者综合运用数学、科学、技术、工程等学科知识去进行机器人的设计和制造，让学习者更加熟悉工程，体验工程[10]。

本研究基于STEM 教育整合理论，结合机器人工程挑战项目难度，分析工程思维的内涵与特征，探析工程思维的意义与价值。以期通过真实的工程情境问题，在工程决策、设计、实施、评价、优化环节中探索STEM 学科知识与实际技能，为形成高阶思维能力做好铺垫。

二、工程思维的内涵与特征

（一）工程思维的内涵

2018 年发布的2017 版《普通高中通用技术课程标准》中将工程思维和技术意识、创新设计、图样表达、物化能力列为高中通用技术学科核心素养。标准中认为工程思维是一种以系统分析和比较权衡为核心的筹划性思维；学生可以针对生活中某一技术领域的实际问题进行要素分析，针对问题给出具体解决方案，并运用简单的建模或模拟的方法进行产品或模型设计。学生在这个过程中领悟结构、流程、系统控制等基本思想，并简单地进行风险评估和决策[11]。

工程思维的具体深入研究始于徐长福学者，在他的研究中主要将工程思维与理论思维做辨析和论述，他从工程论的视角说明工程活动是接近现实世界的途径和窗口，而工程思维是建立在真实的工程项目基础上的一种主体意识[12]。李伯聪教授从工程哲学的角度出发，认为工程思维是人们通过和现实世界联结创造现实、塑造并改变现实的一种反映，它区别于科学思维对现实世界的“反映性”，具有“设计性”与“实践性”[13]。李永胜认为，工程思维是以人工造物为着手点，用工程的理性观察与评估判断事物并筹划新产物的一种高阶思维[14]。赵晓闻指出，工程思维直接影响着对学习者工程能力的塑造，是指导工程活动的核心思维方式，也是卓越工程师需要具备的基本素养[15]。

在基础教育阶段对工程思维的研究中，王颖认为工程思维是学生在进行工程决策、工程设计等过程中的思维方式，并不是指专业的某一领域的工程思维，对于高中生而言就是在真实的工程实践活动中通过应用工程知识或技术，解决实际问题过程中形成的一种思维，没有这种工程思维的帮助，学生无法顺利解决工程问题[16]。王美茹认为，工程思维是在一系列如工程决策、工程设计、工程实施以及工程评价等工程活动中形成的独特思维方式与习惯[17]。

本研究主要探析的是STEM 教育视阈下的工程思维，指学生可以通过真实的工程挑战活动认识工程项目，将学到的知识与技能应用于具体的工程活动中并不断优化完善，从而形成基本的系统分析、筹划权衡、综合决策的一种高阶思维。

（二）工程思维的主要特征

工程思维的特性和要素是相互包含、相互影响的。不同的学者认为工程思维的特征也是不尽相同的，他们从不一样的视角出发对工程思维有着不同的看法和见解。具有代表性的有李伯聪从工程哲学的角度出发，分析工程思维应不止具有逻辑性、科学性、艺术性，还应包含操作性、集成性、不确定性等。赵美岚从工程的定义和内涵分析了工程思维的特征，认为工程思维具有复杂性、现实性、创造性[18]。李永胜从工程实践角度分析工程思维，表明工程思维要考虑整体筹划，综合集成，具有价值性、规则性、权衡性、科学性与艺术性。而在基础教育研究阶段王美茹认为，工程思维具有筹划性、科学性、全局性、创造性。

本研究以STEM 教育视阈下项目式工程挑战活动为背景，基于工程思维的内涵进一步分析工程思维的特征。以机器人教学为代表的工程实践活动区别于传统教学中只进行单一的知识传授，这个过程学生不仅会经历基础知识和技术的应用与实践，还会因为一系列的工程环节和活动对其人格和综合素质产生影响。本研究认为工程思维会贯穿于整个工程项目中，具有系统性、筹划性、逻辑性、严谨性、实践性以及创新性。学生在参与工程实践活动过程中可能会面临各种各样的问题，会涉及方案的决策、风险评估、利弊权衡等，整个工程设计和实施环节非常严谨，需要一定的创新和筹划，并且具有可实施性。

三、工程思维的构成要素

工程思维的内涵在不同领域的定义各有不同，它的要素分类也有不同的方式，一种是按照具体的工程环节进行划分，一种是从工程思维的性质与特点进行要素分类。衡孝庆等将工程思维分为工程设计、工程实施、工程消费思维，强调工程活动必须要有相应的规划和实施、消费阶段[19]。而李永胜则从工程思维的特征和思维品质出发，认为工程思维包含规则思维、筹划思维、集成性思维、权衡性思维、价值型思维、科学与艺术性融合的思维等。

殊途同归的是在基础教育领域里，工程思维的要素研究和高等教育研究领域的分类方式基本相同。比如王颖按照工程活动的阶段将工程思维分为工程决策、工程设计、工程实施思维；王美茹认为工程思维除了工程决策、设计、实施思维外，还要求主体在进行工程活动后，对整个工程实施活动和工程的价值进行评价反思，工程评价思维是对整个工程环节的分析与总结。而美国工程与技术教育中心（NCETE）按照思维特征和品质进行分类，认为通过工程实践活动培养学生的工程思维习惯很重要，主要指系统性解决问题的思维方式；美国国家工程科学院（NAE）认为主要通过工程教育来促使学生形成工程思维习惯，而这种习惯方式和21 世纪对人才需求的基本能力如出一辙，不仅包含系统思维、创造性思维还有合作沟通、积极乐观与伦理道德、批判性思维等[20]。

本研究是在探索通过机器人为代表的工程挑战活动促进学习者工程思维发展，注重学生在真实的工程实践活动中系统地思考问题、解决问题，按照工程思维在工程实践过程中不同阶段的具体表现将其分为工程决策思维、工程设计思维、工程实施思维、工程评价思维、工程优化思维，具体分为以下几点。

（一）工程决策（Decision）思维

工程决策思维是指在真实的工程问题情境下，需要根据实际情况结合已有的知识与技能，对问题进行系统的分析、风险评估、利弊权衡，制定出合理方案的思维习惯。工程决策环节主要分为明确问题、分析问题、确定方案等环节，即能够从不同角度分析工程活动、充分理解工程情境、明确需要解决的实际问题，并能够根据任务要求制订出合理的方案，最终进行取舍，选择最佳可行性方案。这个过程需要对已有知识、技能、环境、条件进行统筹权衡。

（二）工程设计（Design）思维

工程设计思维是指在明确工程问题情境以后进行的一系列方案构思或想法。可以是具体的问题解决方案，也可以是具体的工程建构设计，这个过程需要结合工程问题的特点，从复杂到细化，从抽象到具象，需要结合各个学科领域的知识，可收集相关信息与资料，充分考虑人机关系及工程需求进行综合系统的设计建构。本研究认为工程设计思维主要是指学生能根据具体的工程活动进行基本的机器人设计，此环节包括功能设计、结构设计、程序设计。要能围绕项目的主题完成对应任务的产品设计，根据不同的功能设计出具体的工程结构，将其以图样的形式呈现出来，进行合理的软硬件搭配，这需要有系统的全局意识和创新意识。

（三）工程实施（Implement）思维

工程实施思维是指能展开对工程项目的具体实施，包括将一个工程从无到有的物化过程。在这个过程中要根据前期的工程决策和设计的方案执行可视化操作，不止停留在计划和决策中，参与者需要投入到具体的真实情境中解决工程问题。在机器人工程挑战活动中，学生的工程实施阶段体现在要能判断并选择出合适的器材进行搭建，这一过程要充分参考前期的设计方案，根据实际情况做出及时调整，还要能对搭建好的机器人进行程序编写，使硬件能在软件的辅助下实现功能的转化。工程实施的过程要充分考虑各个环节，需要有整体的筹划能力。

（四）工程评价（Evaluation）思维

工程评价思维是指能对工程项目进行检验和测评，这个阶段要求对整个工程具有衡量和反思的评价习惯。在机器人学习中，工程评价不仅包含成果检验型评价，还要有过程性评价，而且不能仅局限于教师评价，还要有学生的自主评价和他人评价等，评价过程应该是多维度的、可持续的。学生通过自主评价和他人评价可以客观全面地认识工程项目的进展情况，根据评价反馈进行后续的改进与优化。

（五）工程优化（Optimization）思维

工程优化思维是指工程环节进行过程中参与者要能对工程项目进展情况进行系统性的审视，要能明确定位工程进展中出现的问题，进行新一轮的修改优化。比如在机器人工程挑战活动中，要能够通过工程检验和工程评价等方式发现机器人的问题所在，从而针对性解决问题。这些问题可能是由于工程结构设计引起的，也可能是程序设计或策略方案导致的，需要学习者根据实际情况进行系统筛查，需要工程参与者贯穿整个工程环节去判断决策并优化，使得整个工程流程和成果更加完善。

四、工程思维的价值与培养路径

随着技术与社会的快速发展，现代的卓越工程师不仅需要广博的工程知识、扎实的方法技能，还需要具备从事专业工程实践的创新能力与工程素质[21]。工程素质的养成并不是一蹴而就的，是一个循序渐进的过程，需要将不同学科知识与技能融合在工程教育或工程实践活动中，将工程素质的各个要素系统化、综合化、目标化[22]。工程思维作为工程素质的核心要素，是工程技术人员或工程师必须具备的思维方式，其对于工程型人才的培养和能力提升具有重要的促进作用。工程素质的培养要体现在整个教育过程中，对于高等教育不同专业的工程素质，要因地制宜、因材施教地进行综合培养。而对于工程思维的培养要从小抓起，落实到基础教育的各个阶段、各个环节、各个方面。

基础教育阶段的工程教育需更加注重学生工程思维的养成与发展。在进入高等教育之前，学生需要理解工程对现代社会发展的重要价值与现实意义，通过经历真实工程项目的一般流程，形成系统的工程思维。这个过程学生可以通过具体的工程案例理解工程特性与文化价值，扮演工程师的角色，体验团队合作的重要性；结合工程实践活动，验证工程模型或方案的科学性；在工程项目进展中体验时间管理、成本管理等[23]。传统的教育方式已经不足以满足学生核心素养养成的需求，以机器人课为代表的工程教育类课程和活动，具有长远且丰富的教育价值[24]。可以引导学生通过某一主题的机器人项目完成工程挑战活动，从而在工程决策、工程设计、工程实施、工程评价、工程优化等环节形成自我思考、协作探究、统筹优化等高阶工程思维。学生可以利用所学的相关科学技术知识与原理，思考并解决机器人结构或编程问题，在实践活动中了解工程结构原理、熟悉工程流程、培养团队协作意识、解决实际问题能力、促进工程思维发展等[25]。

五、结语

工程教育作为培养工程型人才的重要途径，要明确不同阶段的价值取向和目标定位，对于工程思维的培养不能只依托于某一个专业或某一门课程，需要做长远的系统筹划。为此厘清工程思维的内涵与特征，要素与价值对培养工程思维具有重要意义。对于基础教育阶段，教师可尝试依托不同的教育工具或项目，构建真实的工程情景，在问题解决过程中培养学生工程思维；利用具体的情景分析定义工程项目标准，以开放的项目优化方案，在实践过程中不断改进；引导学生努力将创意变成现实，实现从知识本位转向素养本位，从浅层学习转向深层学习发展。