基础教育中的工程学：与科学探究同样重要的问题解决途径

王海兰 刘恩山

（北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

21世纪，科学、工程和技术几乎渗透了现代生活的方方面面，而且它们也是人类面对现在生活和未来挑战的关键。随着知识的迅速发展，科学教育已不可能要求学生掌握某一学科的全部内容，而应注重在有限的基础教育的时间内为学生提供充分的学习体验，培养学生获取、理解和运用知识的能力。2013年，美国颁布了《下一代科学教育标准》，其中将科学探究和工程实践放到了同等重要的地位。2017年，我国颁布了《义务教育小学科学课程标准》［1］，其中明确提出了“技术与工程领域”的学习要求。在我国2018年初颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中，尤其是选修模块“生物技术与工程”，十分强调将科学、技术、工程学、数学融入相关的课程内容当中［2］。随着工程学逐渐进入科学教育之中，对基础教育中工程学的内涵、特点、课程开展方式的理解就变得尤为重要。

1 工程学定义

“科学”一词起源于拉丁语scientia，意思是知识；而“工程”一词起源于中世纪拉丁语ingeniare，意思是设计和发明。对于工程学的定义，不同的研究者和研究机构有着不同的理解。1998年，美国国家工程院主席伍尔夫（Wulf）提出，工程学是指“在限制条件下进行设计”。这里的限制条件既包括科学规律，也包括技术、经济、政治、社会及伦理等。2009年，美国K-12工程学教育委员会在《K-12教育中的工程学？》中指出，工程学是“设计人造世界的过程”。2010年，美国国家工程院在《K-12工程学教育标准》中指出，工程学是“为满足人们的需求而进行的系统设计”。2013年,美国国家研究理事会在《下一代科学教育标准》中指出，工程学是“参与系统的设计，从而解决特定的人类问题”。

综上所述，工程学是指工程师以满足人类发展过程中的各类需求为导向进行设计的过程。刘恩山教授认为，工程学的宗旨与自然科学不同，科学的目的是揭示自然的规律，而工程学在于引发变革，因此力图改进是工程设计的核心［3］。

2 工程设计的定义、过程与特点

正如在《国家科学教育标准》中的定义，科学探究指的是科学家用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。相似地，工程设计指的是工程师用以解决工程难题的方法，并基于此创造能满足人类需求的设备或过程［4］。

对于工程设计的过程，不同的研究者有着不同的定义。帕尔（Pahl，1996）等将工程设计的过程分为4个主要的步骤，分别是：①明确任务并规划产品；②概念设计；③具化设计；④细化设计。其中，因需求而触发工程设计，明确基本问题、建立功能标准和改进解决方法是完成设计的基本思路。弗伦希（French，1998）在4个步骤的基础上，将工程设计的过程具体分为8个步骤，分别是：①明确需求；②分析问题；③陈述问题；④概念设计；⑤选择方案；⑥具化方案；⑦细化方法；⑧形成施工图纸。其中，概念设计是最核心的，需综合考虑科学原理、生产实践、商业利益等多个方面；并指出工程设计的过程是迭代的，而非线性的。美国马萨诸塞州率先将工程设计融入其技术教育中，在2001年颁布的《马萨诸塞州科学、技术和工程课程框架》中，将工程设计的过程分为8个步骤，分别是：①明确需求或问题；②研究需求或问题；③开发可能的解决方案；④选择最佳的可能的解决方案；⑤构建原型；⑥测试和评价解决方案；⑦交流和讨论解决方案；⑧再设计。

尽管目前对工程设计的过程并没有普遍认同的一般流程，但一些步骤被公认为是必要和重要的［4-6］。例如，第1，明确工程难题。工程设计的发生源于实际难题、需求或欲望，一个社会性难题可引发一系列的工程难题，明确的工程难题可使工程师的工作更具有目的性。第2，收集解决这一难题的各种不同想法。工程师通常需要通过头脑风暴和试验提出一系列不同的可能的设计方案，从而进行下一步的研究。第3，构建并测试模型和技术原型。通过模拟和测试，工程师可获得真实且有参考价值的测试数据，并基于此分析各种潜在解决方案的优点和局限性。第4，最优化。每种解决办法的提出都要经过权衡工艺可行性、相竞争的功能标准、成本、安全、美观和合法性要求等过程。通常，不会只有一个正确的解决方案，而是一系列的方案，最优方案的选择取决于评价标准。

3 工程学中的核心概念与基本能力

尽管下文将分别介绍工程学中的核心概念和基本能力，但在实际的工程学设计过程中，概念的理解和应用与能力的提升和应用是相互融合的，二者密切相关，无法独立分开。

2008年，美国国家工程院和美国国家科学研究委员会联合委托西尔克（Silk）、彼得罗（Petrosino）等，就理解和提升K-12工程学教育所需的概念和能力分别进行综述研究。如上所述，工程设计的过程含有多个重要的步骤，在这些步骤中涉及到3类概念：基础的科学和数学概念、具体领域的工程学概念和通用的工程学概念。西尔克等综述了美国及国际的技术和工程学教育标准及研究文章，提出了通用的工程学核心概念及其类别下的工程学概念，其中最重要的2个核心概念为“系统”和“最优化”［7］。

系统是由相互协作的多个独立组件构成，从而共同完成一项功能的物体或过程，工程师需要从系统的角度考虑：①各个独立组件的功能是什么？②各个独立组件之间的关系是什么？③各个独立组件或组件组合对于系统的功能有什么影响？

系统中组件的结构、它们的功能，以及行使其功能时的行为，称为结构-行为-功能，简称SBF。研究发现，儿童在语前时期已具有强烈的因果关系意识，但低学段（2～5年级）的学生尚不能自发使用因果关系［8］，即他们更能够认识到某一物体的功能，但不能意识到物体潜在的结构是如何行使功能的。在参与设计模型时，逐渐增加模型的复杂度能培养和提高学生对结构-行为-功能这一概念的理解。有效的教学策略为：①指出班级所构建模型的局限性；②当学生自己无法发现更多的信息时给予适当的提示；③鼓励学生小组追求更具体的设计挑战。

系统中各组件之间因相互作用会产生某些特性，而在系统组成前的单个组件并不具有此性质，这种特性在系统中称之为涌现性质，是一种总体大于个体之和的概念。雷斯尼克（Resnick，1996）认为，人类倾向于将系统行为归因于某个核心组件，而这种倾向是顽固的，甚至是天生的，而且这种倾向是理解涌现性质的主要妨碍。在课堂中开展模拟活动有助于学生理清系统不同层级之间的关系，进而帮助学生转变其固有倾向。与参与式模拟相比，基于计算机软件的模拟更便于学生进行操作和探索，从而能更有效地帮助学生理解涌现性质等跨系统水平的概念。

最优化指的是使设计的功能或效率最大化的过程，即对多重变量的权衡过程。

多重变量，指的是工程设计过程中的各类输入变量，对这些变量进行不同处理可得到最佳的解决方案。认知负荷理论（CLT）表明，在各个年龄段，短期记忆的最大限度一般为5～7个变量。在不使用分块、捆绑或线性处理等策略加强记忆时，即使是有经验的成年人也只能同时处理3～4个变量［9］。在K-12工程学教学中，简化任务和使用数学及物理学方法表示是有效的教学策略，具体的教学方法有构建多变量系统的分析模式、构建记忆组块、功能式分解系统、数字化笔记等。

权衡，是指对输入变量和输出变量的考量，当改变某一个输入变量影响了其他输入变量对设计结果的作用，权衡就发生了。权衡并不是各个输入变量简单相加的过程，各个输入变量之间还可能存在拮抗作用。K-12学生也许不能规范地理解变量之间的相互作用，因而也不易理解权衡的概念。用数学方法表示可明确各个变量之间的关系，让学生参与从单个变量到多个变量连续的权衡过程，可帮助学生理解权衡的概念［10］。

为了理解和进行工程设计，在理解工程学核心概念的同时，还必须习得工程学基本能力。彼得罗［11］提出了参与工程学设计与再设计的基本能力：定义难题，明确需求，分解系统，提出解决方案，绘图和创建模型，试验和测试。其中，对绘图和创建模型、试验和测试等能力的相关研究相对较多。

关于绘图和创建模型，学生倾向于用绘图记录个人经历或表达个人情感，并倾向于认为设计是一个线性过程，而不是绘图-修改的迭代过程，倾向于认为模型就是真实物体小型的简单模仿。为了培养学生绘图和创建模型的能力，有效的教学方法包括：①在不同学段按从易到难的顺序逐渐开展合适的建模活动；②学生以小组的形式参与探究活动，并在探究活动中强调建立和使用不同类型的模型；③组织学生讨论和评价自制的模型，从而提升其绘图和创建模型的能力［12］。

试验和测试在工程设计过程中用于检测最优化的水平及是否满足各类功能标准。测试对象既可以是完整或部分的原型，也可以是虚拟模型。测试时常含有多个变量，学生倾向于注重结果而不是分析，倾向于一次改变多个变量且将结果的变化归因于每个变量。在教学中，测试和评价通常是由教师进行的，教师应将评价与最初的设计相联系，促进学生元认知的发展。此外，在教师评价的基础上，应丰富学生所设计产品的消费对象，当消费者是学生本人或其家人时，学生的表现会更好。

在理解工程学核心概念和习得工程学基本能力的过程中，智力发展水平和相关知识背景是2类主要的限制因素，但采取合适的教学方法能有效突破限制。教学过程需注意以下3点：①保证足够的课堂时间，开展深入的工程设计活动；②从易到难连贯一致地进行工程学概念的教学；③有目的地迭代工程学设计过程，在逐步精致设计的过程中，锻炼并提升学生的工程学能力［4］。

4 在基础教育阶段开展工程学教育的方式

科学、数学、技术都有其学习标准和较长的K-12课程史，与之相比，基础教育中的工程学仍处于起步阶段，既没有内容标准，也没有教师专业发展指导，更没有国家或州所制定的学习成就评价［3］。如何在基础教育阶段开展工程学教育成为一个亟待解决的问题。

2006年，美国国家工程院和美国国家研究委员会教育中心成立了K-12工程学教育委员会，在长达2年的时间里，委员会召开了5次会议，分析了现有的K-12工程学教育，提出了工程学课程设计的3 项原则［4］。

原则1：K-12工程学教育应强调工程设计。“工程设计”是工程学解决问题的基本方法。工程设计是一个潜在的有用的教学策略，工程设计的课程或活动需具有以下的特征：工程设计必须具有高度的系统性迭代性，考虑多方面的限制条件，认为难题具有多种解决办法，为学习科学、技术、数学等重要概念提供有意义的内容。

原则2：K-12工程学教育应融合与儿童认知发展相适宜的数学、科学、技术的知识和技能。工程设计中包含许多科学、数学和技术的跨学科概念，例如科学概念和科学探究方法可支持工程实践活动；数学概念和计算方法可支持数据分析和建模过程；技术概念和技术可展示工程设计的成果。

原则3：K-12工程学教育应促进工程学思维。工程学思维与21世纪重要的公民技能保持一致。工程学思维包括：系统思维、创造力、乐观、合作、交流、道德考虑。其中，较之于基础及高等教育中工程学教育的现状，原则3应是重点培养对象。

为了评估发展K-12工程学内容标准的潜在价值和可行性，美国国家工程院于2008年赞助K-12工程学教育标准委员会进行了一项长达2年的研究。2010年该委员会发布报告《Standards for K-12 Engineering Education？ 》［13］，其中总结了支持和反对开发工程学内容标准的理由，以及委员会的最终建议。

支持开发工程学内容标准的理由包括：1）内容标准的建立可以最有力地表明工程学的课程地位，从而提高学校开设高质量的工程学课程的可能性；2）内容标准可以为课程设计者和教师提供指导，并促进教学材料和教师培养项目的发展；3）内容标准可以为课程改革提供连续一致的知识框架，并依据最新的认知科学的发现对现有的工程学课程进行改进。

反对开发工程学内容标准的理由包括：1）实践经验不足，既不知道如何有效指导学生进行工程设计，也不知道如何科学评价学生在工程学课程中的表现；2）师资力量匮乏；3）学生的课程负担已较重，为工程学开辟独立的时间和空间非常困难。

综合以上观点，K-12工程学教育标准委员建议暂不开发K-12工程学内容标准，而是将工程学的核心概念和基本能力嵌入到科学、技术、数学等课程标准中。

2013年，美国颁布了《下一代科学教育标准》。此前，在美国的50个州中仅有12个州明确在其课程标准中包含工程学相关内容，但仍有14个州的课程标准中不含有相关内容。《下一代科学教育标准》的颁布显著提高了美国基础教育中工程学的范围和质量［14］。在我国，随着2017年《义务教育小学科学课程标准》和2018年《高中生物学课程标准（2017年版）》的颁布，工程学已正式进入基础教育。这将有效推进我国基础教育中的工程学教育逐步走向正规。然而，学生、教师，以及各级政策决定人员如何理解工程学的价值，学校如何解决资源匮乏、经验不足的难题，社会资源如何有效融入并促进工程学教育活动的开展……这些都是目前推进工程学教育所面临的巨大挑战，如何全面有效地推进工程学教育，仍然需要进一步摸索和努力。