STEM教育中的工程思维培养①

(江苏省中小学教学研究室，江苏 南京 210013)

STEM从字面理解有四个关键词：科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Maths)。在我国基础教育领域内，科学与数学长期受到广泛关注，技术近年来也日益受到重视，但对工程一词则相对陌生。随着小学科学课程标准中将“技术与工程领域”作为课程内容之一、高中通用技术课程标准中将工程思维定为学科核心素养之一，大家对于“工程”和“工程思维”开始有所耳闻，但工程及工程思维仍未在我国基础教育阶段受到应有的重视,这对STEM教育理念的体现、实践的开展及实施的效果影响极大。

1 工程思维对于STEM教育的意义

根据李伯聪提出的科学—技术—工程三元论，人类的社会活动方式包括科学活动、技术活动和工程活动三类，[1]它们有各自的特殊本性与本质。“科学活动的本质特征是反映客观存在，技术活动的本质特征是探寻变革存在的具体方法，而工程活动的本质特征是创造存在和超越存在。”[2]

与三种活动相对应，科学思维、技术思维与工程思维是三种相互联系、相互区别又相互渗透的思维。在普通高中通用技术课程标准中，对工程思维的定义是：“工程思维是以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维。学生能认识系统与工程的多样性和复杂性；运用系统分析的方法，针对某一具体技术领域的问题进行要素分析、整体规划，并运用模拟和简易建模等方法进行设计；能领悟结构、流程、系统、控制等基本思想和方法并加以运用；能进行简单的风险评估和综合决策。”[3]

在STEM教育中，“科学”“数学”以科学思维为主，“技术”以技术思维为主。从思维方法来看，这两种思维都是理论性的，强调思维的逻辑性、客观性与真理性；工程思维是实践性的，更强调思维的整体性、人文性和实践性，可以被认为包括逻辑思维、形象思维和顿悟思维。[4]三种思维在STEM教育中的共同存在才有利于学生作为全人的思维全面提升，缺一不可。因此，在STEM教育中，工程思维具有重要而独特的意义。

2 STEM教育中工程思维的培养

工程思维作为一种与科学思维、技术思维互补的思维，具有以下这些特征：它是筹划性思维、规则性思维、科学性与艺术性兼容的思维、综合集成性思维、构建性思维、权衡性思维、殊相性思维、价值性思维、过程性思维、逻辑思维与非逻辑思维相统一的思维、复杂性思维。[5]这些思维综合体现在工程活动这一复杂的系统活动中。工程活动由三个阶段组成：设计规划、建设实施和消费使用。与此相对应，工程思维按内在结构也可分为三个方面：工程设计思维、工程实施思维、工程消费思维。[6]

工程作为一个复杂的社会巨系统，设计和规划是工程活动的起点。由于这一系统同时涉及人、物、技术、社会，其最终成果与工程开展过程密切相关且开放性较大，因此规划设计的优劣很大程度地影响着工程的最终效果。由于我国基础教育阶段的学生长期以来受追求唯一标准答案的影响，在受教育过程中对于非良构问题的涉及不足，导致规划设计能力相对较弱。笔者在美国访学期间走访了一些学校，所见STEM教育实践活动可以给我们带来一些思考和借鉴。

NuVu是一所由麻省理工学院的博士、硕士们于2010年建立的创新学校，接收初中生与高中生在此进行从数月至数年的全日制学习。学生通过基于真实情境的开放性任务的解决，形成物化作品，培养了创新能力。该校虽未直接提出STEM理念，但其所持有的真实情境、非良构问题、开放性答案、问题探索、物化成果及强调学科融合的理念与STEM教育理念一致。

该校每两周设置一个主题，学生自由组合成为三到四人的小组，围绕该主题确定项目、完成物化成果的设计与制作。笔者走访该校时，项目主题为提高残疾人士的生活便利性。该主题范围较广，具体项目由学生自由分组时的讨论形成。如有一组决定设计制作便于残疾人穿着的衣服，另一组则决定设计制作帮助上肢残疾人士书写及使用鼠标的助力支架。学生在确定项目后，首先花费大量时间进行的是项目的详细规划。每个小组都配备有项目规划设计草图本，在该本上，学生对预期成品进行文字描述，并对成品整体与各组成部件进行图样设计。这些过程性资料可于工程实施之前即预想出项目的最终成果形态，同时能展现其设计的演进过程。项目的设计与优化既有小组成员的共同参与，也有该校教师的参与。教师在项目进展中的职责主要有两方面：一是作为具体技术的指导老师，给予学生技术上的指导；二是作为项目管理者在学生的创意与项目的可实现性之间找到平衡与妥协。学生及教师的行为明显体现出工程思维的筹划性、权衡性等在非工程项目中不易培养的工程思维特征。

STEM教育中的技术一般而言出现在工程实施阶段，但关键技术的选择则是工程设计阶段的重要任务之一。关键技术的选择与工程实施环节的常规性、稳定性、安全性、可控制性息息相关，往往也是工程设计创新性得以实现的有力保证。在NuVu，学生进入该校的第一周为基础技术学习时间，学生将接触到在此后项目任务完成中可以借助的各种工具，对从先进的激光切割、3D打印到传统的金工、木工、缝纫等进行最基础的学习。这种基础性的学习为学生的后期技术加工、深入探索打下基础，更为学生后期的工程设计提供灵感与选择空间。

如上文所述助力支架由两部分组成：桌面部分的托架相对简单，由激光切割的木条构成框架，辅助以滚轮等标准件；附着于上肢的部件结构相对复杂，学生选择使用3D打印制作。通过观察其结构的复杂程度，再考虑到每个项目时长仅为两周，如采用其他技术，无法在限定时间内掌握加工技术并完成部件精细制作，因此3D打印技术的选择成为该项目能最终完成的关键。

在工程活动中，向现实限制的妥协是一种常态。这种现实限制可能来自于人力、物力、财力、时限等各个方面。在Malden Academy STEAM这所小学开展的经典项目：鸡蛋保护装置的设计制作中，教师为学生提供了牛奶盒、海绵、胶带、便签纸等多种材料。但在提供材料的同时，教师也提供了每份材料的“价格”及每个项目组的项目总“预算”，使学生的选材总量受到一定的限制。这一体现工程预算、权衡、统筹的做法，使得学生在项目设计阶段受制于有限的经费而不得不慎重取材。但材料的受限使得学生转向考虑通过结构的优化实现项目预期功能，反而促发了学生对结构、力学等问题进行深入的分析与思考，从而出现了双层缓冲等复杂设计，以最少的材料获得了最优的效果。

笔者曾作为评委参加了马萨诸塞州Marlborough高中的STEM嘉年华，其中10年级的主题为火星移民基地的设计规划。具体任务为由各小组为设想中的移民至火星的人类基地规划社区。每小组最终呈现的基地模型是用塑料泡沫等制作，代表社区中的民宅、商业中心、市政中心、医院、学校、监狱等。模型的制作工艺普遍不够精致，但每组设计图样的严谨程度则比模型明显高出一筹。在学生的项目情况汇报中，对于前后数版设计的改进介绍更体现出对项目设计环节迭代的重视。如某小组在监狱设置的处理上，从距离人群密集地区的位置设置、按犯罪人口比例调整的容量设置，到出逃防控的考虑，无一不体现出设计过程中的迭代，它可以大大降低延迟至实施环节再进行迭代而造成的高昂代价，因此在工程活动中具有重要的意义。

工程设计环节中确定的工程方案需要在实施环节中得以贯彻和落实，工程实施环节的工程实施思维注意常规性、稳定性、安全性和可控制性，与以创新性及筹划性为主要特点的工程设计思维有明显区别。在STEM教育中，一般为同组学生先后担任设计与实施工作。此时学生应从工程设计时的创新思维转向从项目的常规性、稳定性、安全性、可控制性等方面进行考虑，并选择项目中涉及的非关键技术，保证工程实施的顺利进行。对于教师而言，在此阶段应引导学生完成角色转变，转换思考角度，这将有利于工程实施的顺利进行。

工程消费思维体现在工程完工之后的消费阶段，体现了马克思所说：生产出的产品是只有在消费中才成为现实的产品的，如果一条铁路不通车，一件衣服无人穿，一间房屋无人住，那它们就只是可能性的产品而不是现实性的产品。[7]由于目前基础教育领域内大多数STEM项目的物化成果往往以模型为主，不具备实际使用的可能性，因此导致对此思维的培养缺乏实践基础。为体现工程项目对来自真实情境问题的切实回应，并使学生经历工程活动的完整过程，教师在带领、陪伴学生进行STEM项目选择时应有所引导，使项目成果尽可能成品化而非模型化。来自学生身边学习和生活环境、并能投入实际使用的项目可作为STEM项目的优先选择，如校园海绵景观设计、校园智慧种植园、母亲河水质检测项目等，皆来自真实情境并回馈真实情境。

3 结语

对于我国基础教育领域的STEM教育而言，目前工程思维培养的最大困难在于师资，在于STEM教师与工程相关素养的欠缺。中国教育科学研究院STEM教育研究中心研制的《STEM教师能力等级标准(试行)》提出了STEM教师能力指标体系，工程实践已被列入其中，具体包括：理解工程学科在STEM中的价值和地位；理解工程思维的复杂性、系统性、目的性及价值性等特点；具备将工程思维贯穿应用于STEM课程的设计、实施、评价反思过程中的意识和能力。因此，如何以该标准为依据，提高教师工程相关素养，从而培养学生的工程思维，使学生成为具备完整科学思维、技术思维、工程思维的人才，应成为STEM教育今后关注的重要课题。