小说工程教育理念与教学案例评析

江丰光 李丰江 姜舒寒

【摘 要】本文介绍了美国塔夫茨大学的小说工程课程整合的教育理念与模式策略，并介绍其小说工程项目案例，让故事为工程设计提供实际情境，从而激发和培养学生的工程素养。最后为中小学工程教育在我国的开展提出了一些可行性建议。

【关键词】STEM教育；小说工程；中小学；跨学科整合；工程教育

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2016）07-0075-0

背景说明

科学、工程等相关学科的发展状况与社会生产力的提高密切相关，在全球化背景下，各国均开始大力培养相关领域人才。但由于种种原因，许多国家出现了学生对工程相关职业兴趣消退、选择从事相关职业的人数不断减少的状况。为应对人才危机，美国自21世纪初开始大力发展STEM教育，即整合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics），并出台了一系列政策法案、教育标准。2015年底公布的STEM教育法案明确提出要加强培育STEM学科教师，增加各种非正式STEM项目等，足以显示出STEM教育在各方面开展的紧迫性。STEM中科学和数学是相对传统的学科，课程体系、评价标准相对成熟，教育者对工程、技术教育的关注则比较少（范燕瑞，2011）。2011年和2013年，美国相继出台了《K-12科学教育框架》（A Framework for K-12 Science Education，以下简称《框架》）和《下一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，以下简称NGSS），其中反复强调科学与工程实践、跨学科概念以及学科核心概念三个维度。《框架》指出其教育目标的设计是为实现科学与工程教育的构想，学生能够深入情境，积极调动所学知识参与工程实践，培养解决实际问题的能力，这与过去强调科学知识和科学探究的主要思路有很大差别（叶兆宁，2013），将K-12阶段的工程实践教育放在了前所未有的高度。

我国工程教育的重心一直在高等教育阶段，现行的科学课程标准中，涉及科学知识、探究内容较多，而技术、工程实践的内容很少。其实早在2006年，涂善东曾率先提出“全面工程教育（Total Engineering Education）”的理念，强调工程教育应当覆盖幼儿园到大学乃至后学历教育，培养全民的工程思维和素养（涂善东，2007），遗憾的是，这种理念并没有受到太多重视。许茵和雷庆（2007）对中美K-12工程教育对比研究表明，我国目前的有关工程的教育内容缺乏学科整合，实践活动较少。刘华和张祥志（2014）从创造力维度对K-12工程教育现状进行的研究表明，我国中小学生的创造兴趣、对工程师的职业向往度、动手及设计能力均较低。综上所述，无论是从提升国家未来竞争力的层面，还是保证国家工程技术人才储备的层面，在K-12教育阶段实施工程教育都有重要意义。

小说工程教育

美国塔夫茨大学工程教育推广中心（CEEO）一直致力于向公众传播STEM教育理念，改善幼儿园到大学课堂的工程教育状况。小说工程项目是其重要项目之一，以一种非常新颖的形式在校本课程中将工程教育与语文整合（Integrating Engineering and Literacy，简称IEL），学生在英语文学课（English Language Arts）上阅读材料（如故事、小说等）时，小说或故事中的人物会遇到一些难题，此时学生基于故事情境，利用自己已有的知识技能，小组协作，在教师的支持下完成工程设计，帮助故事人物解决问题。研究已经取得一些成果：

（1）能结合文科等相关学科内容。小说工程基于既有课程的阅读材料，学生在设计解决方案时要从阅读材料中寻找线索，这就要求学生对材料的深刻理解，在此过程中学生的语文素养得到提升。

（2）激发每位学生的参与。这种新颖的整合方式让那些对阅读缺乏兴趣的学生产生阅读与创作的兴趣，正所谓寓教于乐。

（3）促进不同学科的整合。在故事情境中寻找实际问题和用工程思维解决问题来促进阅读的方式促成了学科间彼此融合，这与通用核心国家标准和NGSS中的跨学科概念相契合。

（4）能引入实际的工程问题。在故事情境中寻找真实的、非良构的工程问题，像工程师一样去解决问题，能使学生获得比NGSS要求更高的工程能力。

（5）培养学生21世纪技能。参与整个工程设计实践促使学生提高团队协作能力、交流沟通能力等21世纪技能。

涂善东（2007）转述美国工程教育协会对工程的定义为“一种把科学和数学原理、经验判断和常识运用到造福人类的产品制造中去的艺术，是生产某种技术产品的过程或满足特定需要的体系”。从定义可看到，工程教育要求科学、数学、技术的高度整合，非常契合STEAM教育理念。另外，工程教育必然符合工程本身的特点：情境复杂、多学科、不确定性、协作等。当然，与高等工程教育培养工程从业人员的目标不同，K-12阶段的工程教育更主要是培养学生一种解决实际问题的工程素养，提升他们对工程职业的兴趣，为学生进入社会或者大学深造打下坚实基础（刘华和张祥志，2014）。

工程设计需要两方面的能力：具体的技术能力和综合运用多领域技术的能力。具体的技术能力是目前许多研究者关注比较多的部分，比如搭建、绘图、建模等，因为这部分有学校的科学、数学、技术教育作为基础，而且评价相对比较容易。而第二种能力是关于工程实践者的认知过程中的动态变化，也就是工程设计中的“框架（framing）”过程，工程框架是个人先前经验与当下情境交互作用所建立的对一个特定情境正在发生事情的整体把握（Tannen， 1993）。工程框架过程是动态的，它不断与新的经历作用、重塑，笔者认为这是学生工程设计中的认知建构过程。

从事小说工程的研究通常以案例研究作为主要研究方法，从案例研究中挖掘到的基于语境的信息恰恰就是它的方法论优势。案例研究尤其适合去应用创新方式改善教育教学中所遇到的问题（Case & Light， 2011）。尽管当今量化研究在工程实践研究中更受欢迎，也更有系统性和说服力，但由于此研究更关注学生的认知变化，质性研究更为适合。小说工程的研究者主要通过实地录像、参与指导、访谈的方式深层次分析学生在自然状态下的设计过程，以了解他们如何去界定问题、确定限制条件、设计解决方案等。研究者最后将学生的工程框架过程与NGSS的相关表现预期进行对比，观察他们在项目实施中的变化以及学生之间的差异，从而找到最适合的IEL模式。

教学模式与策略

美国的IEL的教学模式如下所述：

（1）阅读材料并确定实际问题。通过深入阅读材料和讨论，学生将材料中人物所面临的一些实际问题列举出来。

（2）界定问题，头脑风暴解决方案。小组根据自己选取的问题头脑风暴，考虑故事中人物的需求以及故事情境中的限制条件，在此过程中尝试提出所有可能的解决方案。

（3）设计方案。小组协作计划并设计出一个具有可行性和实用性的工程框架雏形。

（4）获取反馈。学生自己对设计工程方案进行测试，并从同学和老师那里获取反馈和建议。

（5）优化设计。学生根据反馈信息和测试效果修改完善设计方案。

（6）分享交流。小组可以向班级展示自己的最终方案或者设计过程的反思，把设计方案写成一个故事，或者用原故事的改编版来给自己的方案做广告宣传。

教师需要在学生面对复杂的设计难题时为学生提供必要的脚手架，帮助他们实现自己的设计，而不是替学生设计好一个方案让学生照着去实施。笔者根据小说工程研究者的教学活动情况，归纳出学生进行工程设计的几个步骤，如图1。

教学案例介绍与评析

案例一

CEEO的研究者麦考密克（McCormick）和哈默（Hammer）2014年介绍了马萨诸塞州某小镇四年级的教学案例。课程的开展基于《希洛》（Shiloh）一书，讲述的是小男孩马蒂试图将小狗希洛从它残暴的主人手中解救出来的故事。学生们的任务是帮助马蒂设计并建造小狗居住的围栏的模型。课程活动分为三个阶段，每天进行一个阶段的活动，连续三天活动后结束该主题学习。

第一阶段：设计思考。学生组成3人小组。在这个阶段中，学生们需要尽可能详尽地将充分考虑故事背景和限制条件后产生的设计计划诉诸纸笔。第二阶段：如何测试。教师选择使用一个上发条的玩具代表小狗，用于测试小狗居所的模型，并设立了几项标准：（1）玩具必须能够进入模型；（2）模型必须有能够防止小狗逃出去的围栏；（3）模型必须能保证外部物体不能随意进入。第三阶段：测试评价。教师公布了测试流程：第一环节是让一个上了发条的玩具进入模型内快速移动30秒而逃不出模型，第二环节是让两个更大的上发条的玩具从模型的外边冲撞模型。

研究者重点提到一组学生，在得知本组的设计不太符合教师的测试标准时，她们依旧坚持自己的设计，认为这样最符合故事背景，教师模拟测试的标准反而不符合实际。本次活动发现，在工程设计时学生间的差异较大，某些学生展现出的工程素养——对工程设计原则的坚持，是教师在开展活动时应重点培养的。

案例二

一所郊区学校四年级学生基于《天使的秘密》（From the Mixed-Up Files of Mrs. Basil E. Frankweiler）一书开展IEL课程（Watkins， Spencer， & Hammer， 2014）。书中一对姐弟离家出走后暂时栖身在纽约大都会艺术博物馆。他们面临诸多挑战，包括躲避博物馆管理员，在每天清晨的清洁人员到来之前醒来等等。该项目共两周，每周学生有3～4天开展活动，各1～2个小时。课程开始由教师学生共同头脑风暴，确定故事人物遇到了哪些困难，并形成问题列表。然后学生们组成2～3人的小组，选择一个问题合作解决。

研究者对教学活动进行了录像分析，认为工程设计前确定各种限制条件的思维过程非常重要，然而目前还没有有效的分析和评价手段。另外，如何让学生真正投入工程设计，而不是为教师完成一项任务、教师在教学中如何发挥作用等，都是要考虑的实际问题。

案例三

马萨诸塞州一所学校的三年级学生基于《如果你生活在殖民时代》（If You Lived in Colonial Times）一书开展课程。在开始课程之前，教师会在文学课上先让学生熟悉这本书，在学生们对情节熟悉后，教师提出问题：“作为一名工程师，我们应该设计什么样的东西让殖民时代的人生活更便利？”该活动持续三天，每天上午进行设计搭建，学生以2～3人为一小组，提出一个想法，并全面考虑该想法的可行性和完成该设计的执行步骤。例如，某一组提出可以尝试制造一台净水机，同时他们列出了可能需要使用的材料，包括咖啡滤网、锡纸等。接下来，学生开始设计雏形，教师对各组作品进行测试与评估。最后对故事内容要求进行回顾，优化作品，以达到最符合故事时代设定、人物需求等的设计意图（McCormick， 2014）。通过研究学生如何进行工程设计的框架，研究者可以更有效地与NGSS中的科学标准进行对接，开发出能够循序渐进提升科学素养的课程。

案例评析

现有的小说工程教学案例，教学对象多为小学中高年级学生，且都倾向于较为集中的教学时间，因为在相对连贯的时间里，学生的搭建热情能够较好地延续，设计想法也能够更加流畅地执行，过程中也能尽量避免因遗忘而可能导致的低效率。

课程中，学生选择解决哪个问题有不同的决定方案。例如，在案例一的文学作品中，主人公面临的问题一目了然，帮助小男孩解救小狗。这种情况下，所有学生都解决同一个问题（McCormick & Hammer， 2014）。而另一种情况就是类似案例二、三中，文学作品篇幅较长，故事情节比较丰富，主人公们面对着各种各样的问题。这种情况下，教师都选择让学生共同发现问题，制作“需要解决的问题列表”，然后让每组学生选择其中一个问题进行设计。这样一个发现问题的过程，其实也是加深对文学作品的阅读理解的过程。

在作品的评价方面，案例一中提到了教师制定的标准和学生所理解的标准产生冲突，笔者认为可能是由于教师制定的测试标准中所模拟的情况不能真实地反映故事中的实际情境，这种情况也提醒了教师在设计测试评价细则时应该做更充分的准备，让模拟更接近实际。

结语与建议

小说工程的主题式教学项目，旨在培养学生的工程设计能力，还可提升学生的语文素养。这种新颖的学科整合形式，无疑能够鼓励国内教育工作者进行有关尝试，用于帮助学生初步接触工程领域的知识，提升文学作品阅读热情，同时培养团队协作能力。

由于美国小学的教学模式与国内大不相同，国内教育工作者在进行IEL的教学尝试时，需要根据具体情况进行调整，遇到与实际情况不符的问题，需要教学者随机应变。同时，为了使课程更具有目的性，教师需要确定该课程应该将侧重点放在文学还是工程上。如教师可以在课程中增加教学环节以着重培养学生的语文能力，在课程总结阶段布置写作任务，经过工程搭建和合作的整体教学过程，原本不擅长或不喜欢写作的学生也能言之有物。另外，让国内中小学生连续多日花费1～2个小时甚至整个上午参与该课程项目较难实现，在这种情况下，可以将课程周期拉长，如一周一节课，连续上五至六周课，把任务拆分得更为细致。如图纸设计一节课，搭建一节课，测试与改良一节课。若采用长周期、低频率教学法，教师需要确保学生作品能在两节课之间妥善保管。在文学作品的选择上，可以尽量选择与教材有关的作品，比如语文课本中有某本名著的片段，教师就可以选择这本名著作为课程阅读材料。这样不仅有利于学生对语文课上该部分内容的理解，更重要的是选择课程体系中本就有的内容，能够降低学生的认知负荷，避免学生产生阅读文学作品方面的学习压力，同时也更容易让教师接受，有利于在学校推广。

小说工程教育是非常有意义的尝试。这样的课程整合能促进学生均衡发展，让惧怕科学、工程学科学习的学生克服心理障碍，用新颖的方式帮助他们发现其中的乐趣，并能够主动投入学习；让对语文学习不感兴趣的学生能够在解决工程问题的环境下加强对阅读材料的理解，同时提升其文学素养。

注：本研究成果得到北京师范大学教育学部2014年度科研业务费专项资金资助（项目编号为：CXTD 201401）。