科学课程中的工程实践目标和过程

徐冉冉+占小红

摘要：在基础教育阶段，科学课程中整合工程设计实践，是实施基础工程教育的基本途径。分析高等教育工程实践与美国K-12科学课程文件中工程设计的相关内容，探讨基础科学课程中整合工程实践的目标和过程模式，为我国基础工程教育提供参考。

关键词：工程实践；科学课程；整合；课程目标

文章编号：1005–6629（2017）2–0016–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

工程教育起源于技术教育，是一项古老的教育活动。中国的工程教育发端于第二次鸦片战争之后，由于缺乏系统的学校教育制度，教学效率及质量一直很低。近年来，中国的工程教育开始关注欧美工程教育模式的改革与创新，尝试与国际接轨，开启高等工程教育多元化发展的新时代。但是，由于基础教育阶段工程教育的缺位，使得学生对工程领域知之甚少，在学科认识与专业选择上存在诸多困惑，进而直接影响了高等工程教育的发展及人才培养。因此，在基础教育阶段开展工程教育是当前备受关注和亟待解决的问题。

STEM是以问题解决驱动的跨学科理科教育，提倡通过工程方法来解决科学与技术领域的问题，促使未来人才适应当今知识经济全球化水平、复杂性和合作性不断增强的趋势。21世纪初期，STEM教育逐渐走入基础教育，围绕与日常生活息息相关的工程领域设计与开发一系列工程教育活动，旨在帮助学生了解生活中科学、技术、工程和数学之间的联系，培养学生分析实际问题和动手实践的能力，加深其对科学概念及工程技术的理解。最具代表性的是美国2011年颁布的《K-12年级科学教育的框架：实践、交叉概念、以及核心观念》（A Framework for K-12 Science Education，以下简称“框架”）与2013年颁布的《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，以下简称“新标准”）中，整合了STEM教育理念，并引入“科学和工程实践”作为科学教育的三个维度之一。在基础教育阶段的科学课程中整合工程教育，为学生提供工程实践的机会成为基础科学教育改革的必然趋势。我国基础科学课程中如何合理引入工程教育，其目标要求以及过程模式的特征如何，这些问题的回答是基础教育阶段开展工程教育的前提。为此，本文在梳理工程教育与科学教育的关系基础上，通过分析现阶段高等工程教育的课程目标、内容与形式，并联系真实工程作业环境中的工程设计实践活动的要求与特征，结合美国科学课程纲领性文件中的工程设计的相关内容，探讨基础科学课程中整合工程教育的目标和过程模式；并对我国基础工程教育实践形成启示。

1 工程教育与科学教育的关系认识

课程整合是以共同的功能基础和价值取向为前提的，科学课程中整合工程实践是否具有可行性，我们需要通过认识工程、工程教育及其与科学教育的关系来理解。

关于工程的定义众说纷坛，张锡纯在谈到工程特点时指出“工程是科学、技术转化为生产力的最后阶段。工程活动的结果，总是完成符合某种社会目的的人工自然物”，强调工程活动的应用性与目的性。美国工程教育协会（ASEE）认为工程是一项艺术，“是应用科学、数学原理、经验，判断和尝试以造福人类的一种艺术，生产某种技术产品的过程或满足特定需要的体系”，突出了工程活动的创造性本质。清华大学罗福午教授给出了工程的完整概念，“工程是运用科学原理、技术手段、实践经验，利用和改造自然，生产、开发对社会有用产品的实践活动的总称”，强调工程活动是一项改造自然、服务社会的生产活动，突出其实践性特征。综合可见，工程活动的开展是以掌握一定的科学、数学原理与技术手段为基础的；工程活动的目标是生产出符合社会需要的人工产物；从目标向结果的转化过程需要“开发、改造、生产”的实践过程，这类实践活动不是将条件、目标进行简单的拼接组合，而是从自然和社会因素的双重角度出发，在考虑现实的各种限制因素的基础上，构思解决方案并付诸实施的。概括而言，工程是以科学、技术的应用为主线，在生产生活中产生、发现、提出问题，考虑多种自然和社会因素的制约影响和工程设计原则设计解决方案，通过实践活动生产出符合社会需求的人工产物（包括实物硬件和非实物软件）的创新活动。工程的创造性本质决定了工程教育的属性。工程教育作为培养工程人才的教育活动，是学校和工作单位在社会环境中所进行的创造性专业教育。它的目的是使受教育者为满足社会需要而从事科学和技术的开发与应用，通过创造“人工产物”的活动，成为各个工程领域所需的工程人才。

通过对科学与工程学科特点的分析发现，科学是解释世界的理论层次，强调科学知识的形成与发展；工程属于改造世界的实践层次，关注活动过程的体验和结果的形成。二者又彼此交叉融合，前者的认知构建可以基于一定的工程情境中，工程实践也离不开通过科学认识过程获得依据。根据工程与科学的关系，我们不难发现，工程教育与科学教育具有着本质的联系。科学教育活动中学生进行的认知活动都是建立在已有的科学解释的基础上，即通过各种教育教学活动去认识科学世界；工程教育则需要以科学教育为基础，以创新活动为载体，让学生在活动中运用所学的科学知识与原理解决现实问题。科学教育强调学习结果，即科学知识的获得和技能的训练，而工程教育更为关注学生实践过程和产品设计的生命周期的体验。

2 科学课程中整合工程设計实践的目标和过程模式

工程实践是指工程师所从事的工程构想、设计、实现和运行工作。其中，工程设计贯穿于产品孕育至消亡的全寿命周期，起到了促进科学研究、生产经营和社会需求之间互动的中介作用，因此，工程设计实践成为了工程教育领域的核心，基础科学课程中整合工程教育主要表现为科学与工程设计实践的整合。

以下我们将在对比分析现实的工程实践与高等教育的工程实践的目标和过程基础上，参考美国“新标准”中对于工程设计实践的相关规定，探讨我国基础教育阶段工程设计实践的要求和过程特征。

2.1 真实的工程实践及其过程

工程活动从需求出发，明确任务，选定目标，依靠人类文明积累起来的科学技术知识和实践经验，协调诸多现实制约中的矛盾，去构成一个有效、可靠、实用且系统化的信息加工过程。其实质是运用现代工程系统设计的基本原理和方法，将工程系统任务要求转化为系统技术要求和系统最优配置的过程，是一个以信息为主的输入输出转换过程。

真实的工程实践一般都遵循一套基本的思考程序流程，基本步骤表现为：①分析需求，明确目标：通过对环境的辨识，正确地分析社会需求，明确应该做什么，解决什么样的问题，特别强调目标的准确度；②发散综合，产生方案：使用发散思维，通过类比、联想等多种方式，寻求解决问题的办法，提出尽可能多的备选方案，以资比较；③收敛分析，比较方案：从技术、经济、人与社会等多个角度，对产生的诸方案进行分析比较，找出各个方案存在的优势与不足；④综合评价，决策选优：依据一定的评价准则，找出应使用的评价特征，对各个方案进行综合评价，权衡利弊得失，选出最佳方案。显然，真实环境中的工程实践将面对复杂的外界环境和社会需求，需要综合多元的标准和限制条件，进行充分的事先评价及利弊衡量促成方案选择或优化，这是一个系统复杂的过程。

2.2 高等教育的工程实践目标及过程

2.2.1 高等教育的工程实践目标

高等工程教育是以培养能将科学技术转化为生产力的工程师为基本任务的专业教育。现行的高等工程教育具有多种人才培养模式，不同的培養模式中包含了不同的工程实践目标和过程，现以近年来国际工程教育改革中较为推崇的卓越工程师教育培养计划（以下简称“卓越计划”）和CDIO模式为例，简述其培养目标和过程。

“卓越计划”是国家教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010～2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010～2020年）》的重大改革项目，对我国高等工程教育乃至整个高等教育的改革与发展都起到了重要的示范、引领和推动作用。“卓越计划”要求在行业、企业深度参与下，综合通用标准和行业标准制定工程人才培养方案和目标，充分遵循工程的实践、集成与创新的特征，以强化学生的工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力为核心，培养复合型、高素质、满足未来需要的优秀工程型人才。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是在“回归工程实践”的背景下，由麻省理工学院和瑞典查尔摩斯工业大学等四所大学经过四年的探索研究，提出的工程教育理念，开创了工程教育课程改革实践的新模式。CDIO模式的教育目标是指通过在实际系统和产品的“构思-设计-实施-运行”的背景环境下强调工程基础的工程教育，学生能够掌握深厚的技术基础知识，领导新产品和新系统的开发与运行，理解工程技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响。CDIO教学大纲的培养目标具体包含以下四个层面：

（1）学科知识和推理。为了发展复杂、高附加值的工程系统，学生需要掌握工程教育所必备的学科基础知识，包括基础科学知识、高级的工程基本原理和核心的工程基本原理。其中，推理是工程过程中知识形成过程的基本形式。

（2）个人的和职业的技能与态度。涵盖工程思维（工程推理和解决问题）、科学思维（实验和知识发现）、系统思维、职业技能和态度与个人技能和态度五个方面。在高等教育阶段，学生不仅需要在知识的形成和应用（工程推理）上获得成长，更要在心理和社会意识上得到发展。

（3）团队合作和交流的人际关系技能。包括团队工作、沟通和外语交流三个方面，其重要性在它是产品、过程和系统建造知识和能力在社会和企业环境下构思、设计、实施、运行产品和系统的基础。

（4）在企业和社会环境下构思、设计、实施、运行系统。学生通过体验完整且真实的工程实践过程，理解研究和技术发展对社会的重要性和战略影响，理解工程师的努力对产品或系统的实际影响。

无论是“卓越计划”亦或是CDIO模式的人才培养目标，都较为一致地反映出高等工程教育以“企业、社会及学校”三位一体培养机制为核心的特征，它参照企业或设计的工程建设要求创设真实的或仿现实的工程实践任务，要求学生通过在真实的问题情境中运用所学知识和技术，设计和开发满足工业及社会需求的产品，提高自身的工程能力与创新能力。

2.2.2 高等教育中工程实践的过程

工程实践作为工程教育的实现途径，在高等工程教育中具有举足轻重的地位，它的基本过程涉及如下四个阶段：

（1）构思阶段。建立在个人的和职业的技能的基础上，进行判断和定性分析工程问题，主要表现为确定客户需求，考虑技术，企业战略和有关规定，开发理念、技术和商业计划。

（2）设计阶段。标准的设计需要从多个角度考虑工程对社会与环境的影响、参考相应的历史和文化背景、考虑工程项目的财务与经济学以及企业的利益相关者、战略与目标等，设计环节集中表现为创建设计，包括计划、图纸和描述产品、过程和系统实施的方法和算法。

（3）实施阶段。完成从设计到产品的转变过程，包括硬件制造、软件编程、测试和验证。通过硬件制造与软件实现的集成，完成可持续的实施过程，并测试、证实、验证与认证工程设计。

（4）运行阶段。通过产品、过程和系统为用户提供预期的价值，以及对系统的维护、改造、回收和报废。

与真实工程设计实践相较，高等教育中的工程实践旨在通过各种工程实践活动培养该领域学生达到特定的培养目标，即其作为一种教育活动，实现培养工程人才的最终目的；而真实工程设计实践则是使具备工程能力与创新能力的人才创造出符合社会需求的人工产物。此外，就所面对的工程实践任务而言，高等教育中的工程实践任务是通过对现实中的工程实践任务进行必要的改造和调整而形成的，与培养目标及其阶段性相适应；至于其实践过程，高等教育的工程实践与真实工程实践过程相似，尽可能地为学生创造体验真实完整实践过程的机会。

2.3 美国K-12科学课程中的工程设计实践

美国在科学教育纲领性文件“框架”中，用“实践”一词取代原标准中的“探究”，将科学和工程实践作为三个维度之一，通过在科学课程中整合工程设计实践的方式，组织和实施基础工程教育，这是一项具有战略性意义的科学教育变革和创新。“框架”认为，K-12教育的实践应取材于科学家和工程师的日常工作。通过实践，学生了解科学知识是如何逐步发展的，通过一系列方法去探究、建模和解释世界，通过了解科学家和工程师的工作，厘清科学和工程之间的区别与联系，并能从跨学科和单独学科的角度，更深层次地理解学科和工程领域的知识与意义，从而激发学生好奇心、吸引学习兴趣、鼓励学生在该领域继续学习。可见，“框架”强调基础科学课程中通过整合科学和工程两种实践活动，贯通科学知识与基础工程知识学习的通道，帮助学生初步了解科学研究和工程实践，促成学生跨学科视野与思维方式的形成。“框架”还提炼了科学探究实践和工程实践的共同要素，据此划分并阐明了K-12阶段科学课堂的实践的8个环节，分别为：①提出、定义问题；②开发并使用模型；③计划并实施研究；④分析并解释数据；⑤运用数学、信息及计算机技术及计算机思维；⑥建立解释、构建解决方案；⑦参与基于事实的论证；⑧获取、评价并交流信息。其中，在步骤①、⑥中明确区分科学实践与工程实践的区别，即科学侧重问题的提出，工程侧重对问题的定义；在解决问题方面，科学侧重于建立解释，而工程更侧重于构建解决方案，这与前文分析的科学教育与工程教育特征相吻合。

在“框架”提出的“学科核心概念”、“跨学科概念”和“科学和工程实践”三个维度基础上，美国新一代科學教育标准围绕工程设计这一主题，按照不同学段学生认知水平和能力水平，提出学生在工程实践的8个环节中应该达到的表现期望，见表1。

综合分析“框架”与“新标准”中K-12阶段工程实践要素及其具体要求，并与高等教育的工程实践培养目标与过程作比较，不难发现，无论是哪一个教育阶段的工程实践，都要求含有与真实的工程实践相一致的过程要素，即涵盖了问题分析，寻求、比较与优化解决方案，构建模型或原型以表征解决方案，运行与修订产品设计。但由于不同阶段学生学科知识水平、思维能力水平以及在该领域的各项技能水平的限制，使得不同阶段工程实践的培养目标、任务复杂度与过程存在较大差异，具体表现如下：

（1）培养目标。高等工程教育以培养将科学技术转化为生产力的专业人才——工程师为宗旨。与此相较，K-12阶段工程教育的首要目标为：①强调工程设计；②融合重要的且与发展阶段相适应的数学、科学、技术知识和技能；③形成工程思维习惯。

（2）任务复杂度。任务复杂度主要是从任务是否需要分解和所涉及的领域知识来看的。高等教育工程实践任务强调真实性，因此往往包含复杂的问题解决过程，需要进行任务分解才能得以完成；而基础工程实践关注过程体验，对实践任务会作适当的简化。因此，在高等教育的工程活动中，学生需要掌握工程教育所必备的学科基础知识，包括基础科学知识、高级的工程基本原理和核心的工程基本原理；相比而言，K-12阶段的工程实践所要求的科学知识与该学段相对应，一般不要求以完备的工程原理为基础。

（3）过程差异。高等工程教育要求学生能够分析需求和现实的约束，在对问题进行专业性和伦理性的理解的基础上，运用数学、技术、科学、工程知识，使用技术、技能和当代工程工具设计并进行实践，分析并解释数据，解决工程问题，并且，高等工程教育的设计环节是一个螺旋优化的过程，其过程远比K-12阶段复杂。对于K-12阶段的学生而言，强调“更加精确地定义问题，在选择最佳解决方案时能够设计一个更为周密的过程，优化最终设计”，即侧重“定义问题”、“开发方案”和“优化设计”三个阶段的体验。其中，开发方案主要表现为考虑约束和现实限制条件，并利用科学知识，形成解决问题的方案，凸显知识的应用，对设计的要求并不高。

3 对我国基础工程教育的启示

当前我国工学门类本科招生人数日益增长，但工程类人才却明显存在供不应求的现象，这主要源于基础工程教育缺位，学生在接受高等教育之前很少有参与工程学习的机会，对于该领域陌生难免会降低学生对工学门类学科的学习兴趣。我们通过对美国科学课程相关纲领性文件的分析，看到科学与工程的整合教育是未来我国基础教育阶段开展工程教育的突破口，探索与之相匹配的目标定位和实践过程模式是基础工程教育的需要。

（1）培养目标方面。通过对高等工程教育人才培养模式及目标与美国科学课程文件K-12阶段工程教育表现期望的解读，为我国基础教育阶段工程教育的培养目标的设计提供了重要的参考。我们需要结合我国基础科学教育的现实条件，把握工程教育的两个基本的目标维度：体现工程领域特色的能力与态度（工程意识、工程思维、全球化和创新性意识、合作与实践的能力等）；发展在整合背景下的与阶段相适应的数学、科学、技术知识和技能。在此基础上，再进行地域化或校本化的课程设计与实践。

（2）过程要素及特征方面。目前我国学者在美国K-12基础工程教育实践要素和要求的基础上，探索构建了诸多更为详细且符合真实情境的工程实践步骤，但单纯的借鉴或简单的移植拼接痕迹明显。针对美国课程文件以及相关的主要研究中提出的工程实践的主要环节：“定义问题、构建解决方案、构建模型或原型、优化与完善”，我们需要做进一步的辨析和演绎，比如“定义问题”中“定义”存在一定的模糊性，考虑到此环节旨在明确工程活动的目的所在和寻找限制问题解决的可能因素，因此将“定义问题”调整为“构思问题”更为贴切。“新标准”在“构建解决方案”环节降低了对学生设计层面的要求，将工程设计和解决工程问题等同，但这会影响学生对设计要求和过程的体验，因此我们可以考虑保留但降低设计的要求，并分解为“开发、形成与优化解决方案”与“构建模型或原型”两个阶段，帮助学生深刻地认识设计在工程活动中的重要性，深入了解设计的基本程序和要义。此外，关注学生在构建问题和设计方案之间的信息收集体验，设置“学习相关科学知识并收集信息”环节，要求学生根据自己所规划的标准和约束条件，结合已知的知识或信息，对需要补充的加以收集。至此，我们初步提出了适应性的工程实践环节：①构思问题；②学习相关科学知识并收集信息；③开发、形成与优化解决方案；④创建模型或原型；⑤测试模型或原型，记录并处理数据；⑥交流与评价；⑦迭代循环，优化设计。需要指出的是，在开展工程实践活动时，上述环节可以有所侧重，关键在于让学生了解工程实践的基本过程和要求，在实践基础上发展相应的能力。

参考文献：

[1] National Research Council. A Framework for K-12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M]. Washington， D.C.： THE NATIONAL ACADEMIES PRESS， 2011.

[2] Achieve. The Next Generation Science Standards[EB/OL]. http：//www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Executive Summary. pdf. 2013～04～16.

[3]張锡纯.工程事理学发凡[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997.

[4]冯厚植.工程教育设计与工程设计方法[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[5]汪久根.工程实践与工程教育过程的讨论[J].第十二届全国机械设计教学研讨会论文集.

[6]林健.注重卓越工程教育本质创新工程人才培养模式[J].中国高等教育，2011，（6）：19～21.

[7] Crawley E F， Malmqvist J， stlund S，et al. 顾佩华，沈民奋，陆小华译.重新认识工程教育——国际CDIO培养模式与方法[M].北京：高等教育出版社，2009.

[8] Edward F. Crawley， Johan Malmqvist， William A. Lucas， Doris R. Brodeur. The CDIO Syllabus v2.0， An Updated Statement of Goals for Engineering Education [S]. Proceedings of the 7th International CDIO Conference， Technical University of Denmark， Copenhagen， June 20～23， 2011.

[9]邹晓东.科学与工程教育创新——战略、模式与对策[M].北京：科学出版社，2010：207～209.