工程教育的探索之路

姜玉芹+毛勇

STEM实验工坊

主持人寄语：日前，观摩了Botball国际机器人大赛中国区域赛的比赛活动，这是一项具有挑战性的工程对抗赛，非常具有观赏性。给我留下深刻印象的是那些参加比赛的选手们，这些孩子在赛场内外所表现出来的积极心态、乐观精神、团队协作能力和解决问题的能力都非常令人惊叹。这些孩子与通常我所了解的中小学生有着明显的差别，他们显示出更积极主动的学习态度和更为成熟的解决问题的思考方式。带着对这些孩子的好奇，我约请本次比赛的组织方：青少年国际竞赛与交流中心（IT3C）的负责人姜玉芹女士、毛勇先生就如何培养孩子全新的思维方式，并将这种思维方式融入到相关赛事的策划之中等话题，进行系统阐释。也由此了解到IT3C一直以来所倡导的教育理念和为实践这些教育理念而开展的各项活动的深远价值追求。

中国的基础教育中对于学生解决问题能力、动手能力以及工程思维的培养之缺失是早已被教育工作者们深刻认识到的事实。如何改变这个现状呢？以一种“拿来主义”的态度从舶来品中汲取营养无疑是一条捷径，IT3C就是这条路径的倡导者。从Botball国际机器人大赛、RoboRAVE国际机器人比赛到“未来之城”设计大赛、国际太空城市设计大赛，IT3C就是希望通过引入和普及这些在国外已经“久经考验”的优秀工程赛事活动，帮助孩子们在自主学习、项目设计和比赛交流中逐步建立起工程思维能力，以应对未来社会发展的需要。

工程思维和科学思维不同，它要求我们以科学为基础在某一项具体的工程活动中创造出自然界中从来没有过而且永远也不可能自发出现的新的存在物。工程活动是和时间、空间、资源等诸多客观条件紧密联系在一起的，它的求解具有非唯一性。因此，方案的健壮性、容错性往往是一个工程项目中最重要的指标。可我们的学生在具体工程方案设计上的能力似乎还差得远。

当IT3C刚在国内中学中推广Botball机器人工程挑战项目时，我们很快发现这些学生在工程能力上惊人的薄弱。Botball是一项典型的以机器人为平台的工程挑战活动，它的方案没有唯一性，学生们可以天马行空地设计自己的解决方案，但在有限资源、有限时间的前提下保证方案的优异和稳定是比赛的主要难点。IT3C的老师们发现，所接触的大部分学生都已经建立起良好的知识体系，也受过一定的科学训练。他们谈起抽象的公式和计算头头是道，然而涉及设计具体方案时就会一头雾水。曾经有一个Botball队伍试图让自己的机器人采集本方半场的样本后再绕到对方半场采集对方的样本，最后绕场一周回到得分区取得所有分数。从方案的设计到实现，他们从来都没有考虑对方机器人对本方行动的影响，可以想见这种将“所有鸡蛋放到一个篮子里”的方案在真实动态的环境中是没法成功的。这个例子在多次的Botball培训中都被当作典型案例提起。经过一个多赛季的努力渗透，现在所有的Botball队伍都已经意识到了工程思维的重要性，他们已经学会用有序的讨论进行方案创新、用工程管理方法统筹安排时间和资源、用拆分子任务的方法逐步实现方案，并且进行充分测试保证方案的可靠性。可以说在这批孩子中，工程思维和工程素养已经生根发芽。

“太空城市设计大赛“听起来好像是个宇航和建筑方面的专业比赛，其实，在这项比赛中，需要参赛的选手组成一家虚拟公司，在公司中应聘各种职位，然后这家公司将接受由比赛主办机构发出的太空城市建造“标书”，选手们必须要在规定时间内，在充分考虑工程设计、科学性、材料、造价、美观以及伦理等各种问题的基础上，来完成标书文档的撰写，还要通过现场对设计的讲解，综合性价比最好的设计才有可能胜出。参与这样的活动，和我们通常意义上的学习有着本质区别。选手们必须学会运用工程思维的方式，实现一种可能性，而不仅仅是“纸上谈兵”的科学设想。所以需要各专业的同伴协同工作、磨合团队，还要在技术与现实之间寻找平衡，找到折中的办法来实现设计。选手们在比赛的过程中随时随地都会面临突发的问题需要解决，这锻炼了孩子们临场的应变能力和解决突发问题的危机公关能力。而这些针对解决某个具体项目所需要的能力都是现实生活中非常实用和关键的能力，这些通过工程思维模式形成的解决问题的能力都不是在书本上可以学到的，必须通过“实践”，亲身参与、亲手实践。

“未来之城”设计大赛是另一个典型的工程项目，它要求学生完成一座虚拟城市、一座模型城市和一个能源、交通等未来城市中具体问题研究报告的撰写，相比Botball它的要求更为全面而且面向的学生年龄段更低。如何通过课程的方式让初中学生能够接受这种前所未有的工程训练是IT3C面临的挑战。让一群完全没有接触过建筑和城市的学生从零开始规划一座城市，意味着所有专业熟知的概念必须还原其初始内涵，让学生掌握到城市最原初的本质与最内在的逻辑。然而，在抽象的过程中，又必须让学生们认识到城市是具象的、是和每一个人息息相关的，城市必然的复杂性与它的活力密不可分，而规划一座容纳千万人生活的城市，一座与自然和谐相处、传承文明与人性关怀的城市，还意味着深沉厚重的责任。初中的孩子已经有了思考与判断的能力，其价值取向正在逐渐形成中。他们有能力理解一座城市、规划一座城市，但如何开始至关重要。一定要足够准确，以免将学生带入认知的误区；足够有吸引力，以免让学生丧失对课程的兴趣；足够有启发性，为他们独立思考与探索的学习方式奠定基础；足够有逻辑性，让他们能够把自己的生活与城市、与规划设计联系起来。IT3C的教师们采用了从幻想的城市到真实的城市的教学路径，在“天空之城”、“地下之城”、“独立之城”与“真实的城市”几个板块中，我们从巴比伦空中花园进入《新世纪福音战士》，从诺亚方舟来到《瓦力》，每一张图片引发的不仅是学生们欢欣鼓舞的感叹，还有极为敏捷的洞察力。水、空气、洁净的食物、便捷的交通，这些城市工程规划中的要素被学生敏锐地提取出来。然而，当课程进入到真实城市的环节时，学生们又一次暴露出工程素养的缺失，他们的抽象思维能力极为强大，不论大到行星宇宙，还是小到分子原子，他们都能说得头头是道。然而具体到生活中的一事一物，课本上没有教，他们也无从分析。例如，为了培养学生的空间尺度概念，教师让学生估计8层主楼的高度，结果却是从10米到50米不一而足。而这类工程能力是书本课堂没法提供的，只有通过参与一个个的实际项目才有可能得到补全。在学期的大作业展示和点评中，IT3C的老师们欣喜地看到了学生们的进步，景观设计、日照模型、风向、气候带与环境、交通等实际工程问题，都伴随着一个个方案展示给所有人，学生的相互点评中不乏尺度不对、功能不合理、日照不合理等精彩的分析。一个学期的课程让这些学生掌握了理解城市的钥匙和规划城市的技能，但更重要的是他们不再是知识的被灌输者，而是成为了有着工程思维能力的主动学习者。

清华大学顾学雍老师是IT3C的科学顾问，他一直以来致力于工程教育的改革工作。他将教育与摩尔定律进行的对比发人深省，在每18个月计算机的性能就会翻上一番的今天，我们的教育我们的课堂和50年前有什么本质不同呢？如何在基础教育中引入系统的工程训练，让学生不仅仅学会知识还要掌握技能和思维方法，这是很多基础教育工作者都应思考的问题。IT3C的经验也许是一条值得借鉴的路径。

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