以工程设计为中心的“K-12工程教育”：源起、内涵与实施策略*——美国《以调查和设计为中心的6-12年级科学与工程》之启示

黄 桦

（1.上海师范大学 教育学院，上海 200234；2.岭南师范学院 物理科学与技术学院，广东湛江 524048）

一、引言

近年来，国际教育领域在STEM 教育思路的引领下，工程实践融入科学教育这一创新范式，开启了各国新一轮的科学教育改革。美国2012年颁布的《K-12 科学教育框架》（以下简称《框架》）以及2013年发布的《下一代科学教育标准》（以下简称NGSS），前所未有地将工程学科的内容融入到K-12 科学教育中，形成“科学与工程实践”与“学科核心概念”、“跨学科概念”有效整合的三维学习架构，并明确提出了科学与工程实践的表现性期望、类型、内容以及具体的学习目标。[1]NGSS 以跨学科整合型的STEM教育思想，建立了科学与工程实践相结合的、新的人才培养路径，体现全球经济和贸易自由化背景下的科学教育新方向，为世界各国的课程改革和科学教育提供了一定借鉴和参考。[2]

对NGSS 的研究表明，科学与工程之间的关系需要被理解，这样才能确保课程的连贯实施。[3]工程为学生提供了新的教育机会，但也对如何“概念化”工程学科领域的学科核心概念、跨学科概念以及科学与工程实践提出了挑战。而对于没有修过工程学课程的科学教师来说，教授工程内容是极大的挑战，并且他们往往对工程学科存在误解。[4]比如，许多教师和学生无法充分区分科学和工程；许多教师和学生错误地将工程师视为诸如建筑工人、汽车机械师等熟练工人。[5-6]

不少研究者表达了对将工程学纳入科学课程可能会导致这两门学科合并的担忧，因为它们的本体论和认识论假设其实非常不同。[7]为了避免科学与工程的混淆，教师和学生必须了解工程学科的结构，包括它与科学的关系，才能更好地开展基于工程本质和科学本质的STEM 教学。许多国家的工程标准，包含了对工程和工程设计的简明定义，有些还讨论了某些工程领域，但工程本质在这些标准中并没有突出的地位。[8]例如，NGSS 几乎完全用设计实践来描述工程，工程实践固然是重要的，但学习一门学科的实践，并不一定会实现理解该学科的本质。[9]因此，理解工程的本质必须被视为STEM 教育独特的学习目标，在“K-12 工程教育”中给予更多的关注。

毋庸置疑，NGSS 提出的工程实践融入科学教育，是指通过工程实践丰富学生的科学学习，使学生更好地学习科学概念，实现跨学科整合型的STEM教育，以提高学生解决实际问题的能力。这意味着，教师需要通过不同的方式来教授工程，以使其和科学教学区分开来；同时，这种教学方式有助于学生理解工程的本质。显然，NGSS 并没有明确提出融入工程实践的科学教学应该怎样教。

为了弥补这一缺陷，美国国家科学院、工程院和医学院（简称NASEM）于2018年发布了新报告《以调查和设计为中心的6-12年级科学与工程》（Science and Engineering for Grades 6-12：Investigation and Design at the Center，以下简称《新报告》），明确提出科学调查与工程设计，应成为科学与工程教学的核心路径，教师应围绕有趣的现象或设计项目安排教学，并利用学生的好奇心使他们参与科学和工程的学习。[10]

《新报告》的出台，源于全球生物科技巨头安进公司成立的“安进基金会”（Amgen Foundation）和纽约卡内基公司要求NASEM 召集一个委员会，重新审视2006年美国国家科学院发布的《美国实验室报告：高中科学实验室的调查》（以下简称《美国实验室报告》）。委员会被要求考虑2012年《K-12 科学教育框架》、2013年《下一代科学教育标准》的新理念，以及过去十年K-12 阶段科学调查与工程设计教学取得的成绩。此外，该委员会还被要求考虑中学的需求，而不仅仅是关注高中，并探索在这些年级向学生教授工程学和科学的方法。因此，NASEM 在科学教育委员会的指导下，对《美国实验室报告》进行了修订，以体现《框架》和NGSS 的科学教育新愿景，并确定以“科学调查和工程设计作为科学课程教学的中心”这一理念。

美国一直致力于维护其全球科技创新领域的霸主地位，不仅在课程标准中明确提出将工程教育融入K-12科学教育，历届政府更是先后发布了多份影响力极大的STEM 政策文件，以强化美国STEM人才的培养。比如，美国白宫2018年底出台了“STEM 战略五年规划”，明确提出“所有美国公民都将终身受益于高质量的STEM 教育”的愿景，意在保持其在全球科技创新领域的核心位置。[11]相比之下，我国关于工程实践融入科学教育的研究与实践刚刚起步，只有零星几篇文献，并且政府部门尚未出台强有力的政策文件。

为此，我们需要有强烈的紧迫感，加强我国基础教育阶段工程教育的理论和实践研究，进一步推动教育体制与机制变革，以赢得全球工程、科技人才培养的制高点。因此，有必要分析《新报告》提出的“以工程设计作为‘K-12 工程教育’核心实践”的思想，以便为国内学者从事相关研究，提供一些借鉴。

二、工程设计融入K-12 教育的发展历程及相关研究回溯

自工程教育融入K-12 教育以来，在多年的发展历程中不断成熟和完善，陆续被多国认可并纳入K-12 教育课程体系中。同时，众多研究者对“K-12 工程教育”进行大量的研究，取得了丰硕成果。[12]通过回顾工程设计融入K-12 教育的发展历程及相关研究，一方面，为本研究的开展提供了有价值的依据；另一方面，通过分析已有研究的不足，有助于寻找突破口。

（一）工程设计作为教学方法，形成“设计—探究”的科学教学方法

20世纪末，工程教育开始进入K-12 教育，工程设计作为一种科学教学方法，与科学探究一起，形成一种新的科学教学方法：设计—探究。这一教学方法通常包括工程设计和科学探究两部分，强调二者并重的整合以及过程比例和重要性的均衡，形成“设计与探究为一体”的格局。如图1所示，“设计—探究”在实践中出现了多种形式，代表性的有通过设计的学习（Learning By DesignTM，简称LBD）、基于设计的学习（Design-Based Learning，简称DBL）、基于设计的科学（Design-Based Science，简称DBS）。

图1 K-12 工程设计教育中的“设计—探究”教学方法

1.LBD 教学方法

基于对学习迁移理论以及关于设计研究文献的分析，乔治亚理工学院的学习科学家和认知科学家克罗德纳（Janet Kolodner）等人，提出了LBD 教学方法。LBD 是最早运用于科学和工程实践的教学法之一。虽然LBD 是问题导向的学习和基于案例推理的交叉融合，却是作为基于项目的探究方法引入科学教育的。如图1（a）所示，LBD 包括“设计—重新设计”和科学探究两部分，强调设计和探究的相互联系。LBD 通过解决复杂、结构不良的问题，在循环、协作和讨论的过程中，让学生开展决策、识别和运用证据进行论证、设计，并开展调查、交流想法和实验结果分析等有意义的学习和设计实践。[13]

2.DBL 教学方法

匹兹堡大学的学习科学家Apedoe 和Reynolds提出了DBL 教学方法。它主要通过工程设计项目激发高中生的工程职业追求，并整合科学探究和工程设计，促进抽象科学概念的理解，发展学生的STEM综合素养。已有的研究表明，与其它教学模式相比，和科学探究或者其它传统科学教育方法结合的DBL教学方法，更有助于学生深度理解科学知识和概念。比如，面向高中生的《加热和冷却系统》单元，学生通过开展持续8 周的基于设计的学习，理解了原子的相互作用、化学反应、能量转换等难以理解的化学概念。[14]与LBD 类似，DBL 也是一种基于项目的学习方法，旨在促进学生的学科概念理解和科学实践、设计实践；所不同的是，如图1（b）所示，DBL 教学方法强调设计与科学的公共对话，即设计与科学的共同属性，而LBD 强调的是设计与探究的相互影响。

3.DBS 教学方法

DBS 教学方法是密歇根大学科学教育研究者福特尤斯（Fortus D.）等人提出的，它主要通过基于设计的教学，以促进基于探究的科学学习。在教学中，DBS 往往将设计作为学生学习科学的工具，让学生制作科学作品，重点发展学生的建模和表征能力。如图1（c）所示，DBS 围绕动手制作作品和模型，通过“以学生为中心”的学习环，以定义问题情境开始，强调背景研究、协作和反馈，帮助学生在多种教学情境进行概念理解和学习迁移，解决真实世界、结构不良的科学问题，并进行元认知反思。福特尤斯通过科学知识测试以及学生作品评估，发现DBS 教学方法有助于学生更牢固地掌握科学知识。[15]

从以上分析我们可以看出，工程设计作为一种教学方法，可以与科学探究一起，组成整合性的科学与工程实践。一方面，科学探究有利于学生对科学概念的理解和规律的掌握；另一方面，工程设计通过产品设计、制造和测试等，不断深化学生对科学概念的理解，以及理解真实世界中科学规律的运用。但必须注意的是，工程设计需要融入科学概念的学习以及基于证据的决策，否则极容易变成手工课或者艺术课。基于上述这三种教学方法，我们可以从整合目的、内容占比和组织交联方式三个维度出发，形成应用延伸、工程框架、设计即探究等三种工程实践融入基础科学教育的整合思路。[16]

（二）工程设计作为学科实践，融入科学教学或游离于科学课程外

2009年，为了弥补“K-12 工程教育”的长期缺失，培养工程类人才，美国陆续颁布了《K-12 工程教育：现状及未来》、《K-12 工程教育标准》等和工程教育相关的报告和文件，不仅揭示了美国基础教育阶段工程教育的现状，也描绘了工程教育的发展蓝图。明确提出工程设计作为一种学科实践，产生了“Engineering is Elementary（简称EiE）”、“Picture STEM”、“Engineer Your World（简称EYW）”等一批工程教育项目和课程（如图2所示）。

“EiE”是波士顿科学博物馆为了促进工程设计教学、帮助学生形成对工程师的积极认识，通过整合工程和科学学科所形成的一个小学教学单元，开创了小学工程设计教育的先河；“Picture STEM”是明尼苏达大学和普渡大学研究者开发的虚拟仿真课程；“EYW”则是德克萨斯大学奥斯汀分校工程教育团队研发的一门高中工程教育课程，该课程作为大学的先修课程，通过将数学和科学作为设计的工具，让高中生参与基于项目的学习。主要目的是发展学生的工程和计算技能，当学生完成学习后，可以获得对应的学分。

尽管LBD、DBL、DBS 三种教学方法都会促进科学与工程实践的实施，但由于缺乏工程设计的认识论基础，存在着很大的限制。正如缺乏认识论基础的科学探究在科学教育改革中曾面临的困境一样，基于设计的学习也会遇到这样的问题。《框架》过于简单地将工程定义为科学和数学的运用，强调工程的分析性和证据驱动本质。但是，工程设计也包括用户的满意，并受到经济、社会、法律、环境等因素的制约。正如科学不单单是证据驱动和科学决策，也包括价值观和道德的判断。基于设计的教学方法强调证据、共同对话和协作学习，但往往缺少了对客户或用户的深度了解，以及比如成本等非技术因素的考虑。因此，设计实践必须融入用户或客户的参与，需要强调设计的真实性和情境性。

在前一阶段中，工程设计只是作为辅助科学探究的一种教学方法，并没有在科学课程中得到突出的表现。仅仅作为科学教学的一种教学方法，无法真正影响学生的工程专业追求和职业取向。而作为学科实践的工程设计，必然要求“K-12 工程教育”体现工程本质教学，形成具有独特课程价值、目标和实施路径的工程教育项目或课程。如图2所示，在这些案例的课程设计中，工程是课程的主要内容，而设计是学科实践，同时融入科学、技术、艺术等学科内容的学习。在这一发展阶段，形成了设计作为学科实践以及作为教学方法并存的STEM 教学思路，而且“设计”转变为集成式STEM 教育的关键，也形成了工程设计融入科学教学或游离于科学课程外的教学局面。

图2 K-12 课程中工程设计过程模型的表征

（三）工程设计作为学科核心观念，成为科学课程的一部分

2012年和2013年，美国先后发布了《框架》和NGSS，明确提出将“科学与工程实践”作为K-12 科学教育的三个维度之一，并将工程设计作为核心学科观念；2018年发布的《新报告》，则指出工程教育要以设计为核心。至此，工程设计以“学科实践”与“核心观念”的双重身份，进入美国K-12 科学教育。比如，《框架》提出了工程与技术两个方面的学科核心观念：标准和制约、建模和分析、优化和权衡的工程设计专业知识；工程、技术、科学与社会之间的联系。这就要求学生和教师对工程设计实践有深刻的理解。

目前，关于学生理解工程设计专业知识的价值和意义的研究并不多。学生能否理解工程问题是如何定义和界定的？学生能否了解如何使用原型和数学模型来开发、测试和改进替代解决方案？学生能理解优化和权衡利弊吗？学生能否了解决策和优化设计方案所必需的专业工具和方法、目的？教师在多大程度上熟悉这些核心观念？这些问题都需要通过研究来回答。

对此，《新报告》运用已有研究成果，对《框架》提出的工程设计的三个核心观念进行了充分解读。

1.定义和界定工程问题

已有的研究表明，在工程问题定义和界定方面，学生和老师都难以理解标准和制约条件。有研究者通过让小学生评估一个卡通人物的设计过程，进而了解小学生对设计的理解。结果发现，在正式的工程教育之前，学生对建构和重构的重要性已经有一定的了解，虽然他们没有认识到提问的重要性和理解问题的必要性，但可以理解问题定义和得出多种解决方案同等重要。[17]意识到要在发展解决方案之前理解和界定问题范围，这也是专家型设计者和新手设计者之间的差别。但是，当面临有意义的真实挑战时，学生可以优化标准、关注并表达虚拟客户的需求等工程问题的定义和界定。可见，在有真实客户的项目中，学生更容易对问题进行界定。

2.发展可能的解决方案

在工程中，建模和分析尤为重要。工程模型支持协商和决策，是技术论证的关键组成部分。事实上，原型和模型不仅仅是表征，作为实践分享的一部分，它们支持工程设计人员使用特殊工具和词汇进行交流、推理和决策。在发展解决方案和原型时，学生可能更关注表面形式和物理外观，而不是功能和结构。因此，课程需要较少聚焦对原型外观的关注，而把重点放在任务、精化和论证等设计细节上。Svarovsky发现，可以通过检查学生在论述和描述客户需求时所使用的专业技术词汇，来评估学生的工程知识。[18]同样，虚拟模型以及计算机辅助设计软件，可以有效促进学生的设计和科学实践，帮助学生理解设计这一学科的核心观念。

Glancy 等人发现，小学生在数据分析和测量方面存在着挑战，比如，正确使用测量设备、误差分析等。[19]还有研究发现，在设计任务中，高中生对设计定性方面的理解，比如，和用户面谈的数据，要好于定量方面；但是，学生在数学建模和系统比较设计解决方案方面还有困难。在有客户的真实项目中，设计解决方案的优劣，很可能取决于知情的设计实践。但是，必须注意，这种项目的焦点不仅仅是交付原型或工件了事。例如，Mentzer 比较了上网收集信息的高中生的设计方案和没有上网的学生的设计方案，发现学生在游乐场设计的挑战项目中，收集信息的时间并没有影响他们的解决方案质量。[20]因此，仅仅获得信息是不够的，决定解决方案质量的是参数和用户需求的结合，而不仅仅在于它的可行性。

3.优化设计方案

在工程实践中，优化是一个重要而富有挑战性的概念。已有研究案例表明，小学生可以参与优化。戈尔茨坦（Goldstein）等人的研究发现，学生在“先设计活动后设计策略”的优先级别探究中，“权衡利弊”成为统计意义上对学生更重要的概念。但是，学生仍然难以理解这一术语，这意味着设计术语需要在课堂上明确地教授。[21]Purzer 等人提出了另一种方法，来支持学生对优化的理解。他们认为，学生的优化能力可以通过对两个相互竞争的标准的权衡来发展，比如，重复实验所需的成本和效率。为了降低成本或者提高效率，通过重复的、集中的测试和诊断，学生不断改进“鸡蛋撞地球”的实验方案，决定要改进什么，重新设计什么，或者试图同时考虑这两方面。使用专业工具，如，加权决策矩阵和层次分析法，可以帮助优化设计方案，并使学生了解优化这个概念。他们还发现，高中生在进行权衡决策利弊时，与科学概念有着明确的联系。[22]

从工程设计融入K-12 教育的发展历程，我们可以看出，工程教育在科学教育中所扮演的角色越来越重要。首先，我们需要意识到，工程教育融入科学教育的必要性和可操作性；其次，在科学教育体系中，必然是以自然科学学科的知识学习为主，工程实践的融入肯定是有限的。我们不应该去评判孰重孰轻，而是要充分认识到跨学科整合型的STEM 教育，对学生综合运用多学科的知识和方法去解决真实世界实际问题的教育价值。以深入探讨“运用基于工程设计的科学教学，探索工程实践融入K-12 科学教育”这一创新性改革的课题。也正因如此，NASEM 发布了《新报告》，明确提出科学调查和工程设计这一“双轨”的科学教学策略，以深化科学与工程实践对科学知识学习的作用。

三、以工程设计为中心的“K-12 工程教育”之实践策略与教学转变

设计一直被认为是工程学的一个决定性特征，它将工程学从科学等学科中分离出来。[23]然而，设计并不是工程学所独有的，比如，服装设计、艺术设计等。我们必须明白，工程是如何以一种特定于学科的方式运用设计的。工程设计通常被描述为解决问题，工程的显著特点是它关注技术的实际设计。[24]这些工程设计的本质，对于我们理解“以工程设计作为工程教育的核心”具有决定性的作用。

基于工程和工程设计的本质，《新报告》对以工程设计为中心的“K-12 工程教育”提出了“基于真实设计项目、学生作为反思性设计者、教师作为设计指导者”三个实践策略，以及从学生、教师和教学资源三方面，需要实现新的教学转变。

（一）实践策略

1.强调设计项目的真实性

中小学工程设计实践活动的传统案例有很多，比如，用意大利面和棉花糖建造高塔或者用萝卜搭塔，设计能承受更重负载的桥梁等；再如，美国早期国家科学教育标准提到的“鸡蛋撞地球”设计挑战，即让学生设计一个容器，保护鸡蛋掉落4.5 米而不会破碎。这些挑战项目，在一定程度上促进了工程设计实践，但它们通常是制作、测试的线性过程，解决方案有限，而且问题固化、结果导向、评价标准单一。另一种工程设计实践活动，设计了真实的客户，问题维度不仅包括科学与技术要求，也包括经济、环境、社会制约等，学生可以发展起多种解决方案。这种工程实践重视用户和客户需求，利用技术和实验证据做出合理决策，并考虑技术、社会、经济的制约和影响，问题解决更复杂和更具挑战性。在这两种例子之间，也有案例设计模拟客户，让学生有机会探索用户需求。

在《框架》提出的三维学习架构中，学生融入科学家和工程师的实践，探索和运用学科核心观念，并通过跨学科共同概念在学科内容的各个领域建立联系。可见，利用简单的构建模型和测试来完成挑战任务，是无法实现这种教学目标的。三维学习架构要求解决拥有真实目的，并且用户、学生能够参与与学生相关的工程问题。真实的实践本质上蕴含着跨学科的思想，更能吸引学生的参与，尤其是对STEM 失去兴趣的学生。

已有的研究表明，真实的工程设计实践，更能实现深度学习；当学生向客户提出解决方案时，论证能力更强；在以客户为中心的设计中，学生会建立更复杂的联系。[25]因此，为了促进三维学习，学生有必要参与真实或虚拟仿真的工程设计项目。这些项目具有如下特点：（1）让学生可以与一个客户进行交互，或者与一个用户建立联系；（2）呈现拥有多种解决方案的问题；（3）涉及的标准和制约条件不仅局限于与学科核心观念相关的科学与技术，而且还包括经济、社会或环境等方面的制约。

2.帮助学生成为反思性设计者

反思和协同决策是工程设计的关键部分，学生需要进行口头、书面或者图样表达。温德尔（Wendell K.B.）等人通过小学生阐明替代方案、评估各种解决方案的优缺点、复述一个解决方案的性能、用证据分析解决方案、有目的地选择和改进解决方案等话语模式分析，发现即使教师没有太多工程教学的经验，小学生的反思性决策实践依然很明显。[26]

根据Wilson 等人的观点，如下的设计实践和话语实践，对于形成高质量解决方案非常重要：（1）重读、标注、分享和总结，对问题陈述（定义问题）；（2）确定问题解决内容的优先级（界定问题）；（3）识别信息的不足（反思）；（4）运用提问、推理、咨询等策略收集不同来源和类型的信息（收集信息）；（5）追踪想法的产生（产生想法）；（6）意见反馈（反思性实践）。[27]

在设计时，学生们要花费大量的时间进行建模、关注解决方案的性能。虽然在现实世界中性能很重要，但工程师也将失败视为学习过程的关键部分，尤其是在探索新的解决方案时。学生可以进行图式（实物图、设计图等）的反思性实践，也可以参与写作的反思性设计实践，比如，运用专门的工程笔记本和撰写设计日记、给客户写备忘录等。通过多种途径帮助学生反思，一方面，可以让学生利用“科学论证”、“表达交流”等熟悉的科学探究要素进行工程设计，嫁接科学与工程之间的联系；另一方面，可以激发学生的工程思维，不断发展批判性思维、计算思维、设计思维等高阶思维能力。

3.教师要成为正确的设计指导者

在设计领域中，教授设计的人通常被称为指导者，因此，《新报告》提出教师应该作为设计指导者。Adams 等人研究了包括工程和工业设计在内的多个设计学科中，具有丰富设计经验的教育者的指导行为，发现设计指导者具有四种常见的指导方式：首先，设计指导者通过引导学习者注意和讨论解决方案与计划，运用推理来激发学生的表达；其次，在必要的时候，设计指导者会对活动进行控制，帮助学生建立概念联系，识别他们的错误设计；第三，设计指导者通过传达与设计习惯和策略相关的明确知识来进行讲授；最后，有时设计指导者会建议学生自己进行测试，让他们“弄清楚”自己的作品。[28]

设计指导作为一种方法，必须与设计的认识论知识相结合。在教师开展教学前，必须识别他们对工程和科学的认识，并了解这些信念如何影响教学实践。坎宁安（Cunningham C.M.）等人提出了工程实践的四种认识：（1）工程是人和人一起完成的，它发生在一个社会环境中；（2）使用数据和证据来做决定；（3）使用专门的工具和策略来解决问题；（4）通过创造和创新来开发解决方案。[29]为此，我们要意识到教师对工程的认识和信念与学科实践不一致，会导致科学与工程错误概念的产生。Lottero 等人通过对250 多名小学教师的研究发现，失败有消极的含义，错误和失败的术语被认为是无用的；然而，Lottero 认为，在教育环境中，失败指的是诸如计算错误之类的错误；而在工程设计中，失败是测试、收集反馈和创新过程中必不可缺的一部分。[30]

在另一项研究中，Sengupta 等人发现，随着教师将失败重新定义为科学和工程的重要组成部分，教师对工程的看法随之发生了改变；他们还发现，教师把在科学上取得成功的学生描述为高成就、完美和聪明的学生，而把在工程上取得成功的学生描述为低成就、勤奋但不是“读书行”（Book Smart）的学生。[31]该研究也显示，在科学和工程课程的招生方面，教师对社会经济地位较低的学生存在着隐性偏见，这些错误观念可能会以两种截然不同的方式造成问题：首先，这些误解影响了学生对学科的理解；其次，也是最重要的一点，这些都是教育公平的潜在威胁，对谁今后在科学或工程方面取得成就，将产生一定影响。因此，教师对工程的认识必须事先得到检验。

三维学习架构要求教师采用合适的教学方法，这样才能注意到学生的思维，对学生的思维做出反应，并随着学生思维的发展而调整教学方法。而响应式教学常常被认为是设计指导的有效教学方法。只有设计项目为响应式教学提供丰富的学习环境，教师才可以注意认知、人际关系，以及学生决策、学术语言、迷思概念、性别差异、协作、情感等内容。因此，教师需要在响应式教学中培养能力，从而激发学生的思维，关注和解释学生的思维，并做出响应。教师教育和专业发展应该立足于教师最初的优势（比如，建模、数据分析或论证教学等），不求面面俱到，但能逐步培养起需要继续关注的领域所需的能力。Baker等人提供了一些策略，来支持教师在他们的教学实践中做出改变。比如，分享他们在第一次工程设计课程实施中的成功和失败、讨论可能的改变、接收反馈、反思等。[32]设计过程是迭代的、反思性的、对失败感到舒适的；与设计过程类似，教师实践向三维学习的转变，也应该在过程中对失败进行迭代、反思和规划。

（二）教学转变

传统的科学课堂教学往往将实验作为学生和教师参与的不同教学活动的一种，而以科学调查和工程设计为核心的STEM 教育，会改变这种教学模式。如图3所示，左边的是传统各自独立、甚至是科学实验不应该包含的科学课堂活动，学生学习的是词汇、事实和概念知识；右边则是以调查和设计为中心的课堂教学，突出以调查和设计为主线的教学思路，凸显STEM 教学的核心特征，为学生提供连贯、一致和有意义的三维学习方式。基于这种思想，也为了强调科学实践和工程实践的不同与内在联系，《新报告》为科学调查和工程设计提供了五种重要实践：（1）理解科学现象和设计挑战；（2）收集、分析数据和信息；（3）构建解释和设计解决方案；（4）自己或与他人开展推理交流；（5）开展多种情境的学习。进而，从学生、教师和教学资源三方面实现新的教学转变。

图3 传统科学课堂活动和以调查、设计为中心的科学教学

1.学生学习实践的转变

以科学调查和工程设计为中心的STEM 教学，使得学生的科学学习方式发生重大的转变。如表1所示，在调查和设计的过程中，学生通过观察，基于已有知识和经验，发展并提出关于自然和工程世界现象的问题，以更好地理解科学现象和设计挑战；通过收集、分析数据和信息，寻求模型和评估信息，形成证据；通过对现象构建解释，为系统各组成部分之间的关系建立模型，运用科学调查和挑战测试获得的证据进行论证；通过理解各要素以及方案测试结果之间的关系，设计解决方案；通过模型和论据，自己或者与他人开展推理交流，展示证据，形成解释或者解决方案，运用作品和模型对他人的想法进行回应，开展有成效的讨论；通过学习反思，寻求调查和设计学习经验与课堂外的现象和事件进行联系，开展多种情境的学习。

与《框架》提出的科学与工程实践要素的说法不同，《新报告》提出的以调查和设计为中心的学习实践，更能体现NGSS 的新理念，比如，理解现象并设计问题的解决方案、三维学习、K-12 学习进阶的内容设计与评价等理念。

2.教师教学行为的转变

不少研究者对科学教师的核心教学实践进行了深入研究。例如，温斯特（Windschitl M.）等人注意到，科学课堂应该成为学生的学术交流活动场所，教师需要处理这种更为复杂的教学环境和教学方式，帮助学生发展对复杂概念的理解和学科核心实践，而不能只是让学生记忆、重现课本的解释。[33]克洛塞（Kloser M.）认为，科学教师关键的作用是促进课堂对话，帮助学生通过已知的理论和证据来重塑这些想法，并公平地促进学生之间的思想交流。[34]温斯特进一步提出，教师应该和学生多开展以下几种形式的对话：（1）提醒——这一点很重要；（2）挑战——你怎么认为；（3）补充——谁还想补充；（4）联系——它们有怎样的联系；（5）验证和澄清——所以，你想说的是；（6）基于证据的推理——我们是如何发现的；（7）进一步推理——再多说一点。[35]因此，开展以调查和设计为中心的STEM 教学，教师需要做到：（1）提供学习选择和学习自主；（2）促进学生个体的相关性；（3）呈现合适的、具有挑战性的材料；（4）创设合适的社会和文化情境。

表1 以调查和设计为中心的学习实践

3.教学资源的重新设计

为了保障上述学生和教师在学与教方面的转变，我们从《新报告》提出的五个重要实践出发，对教学资源进行了重新设计：

第一，在理解科学现象和设计挑战方面，从原来的内容与过程目标的分隔，课程与教师解释和学生运用概念等教学活动的分离，现象仅作为例子展示已讲授过的知识，以及聚焦科学主题；转变为让学生理解现象和设计挑战，三维学习的引导和促进，与学习者生活相关，聚焦调查和设计。

第二，在收集、分析数据和信息方面，从原来的用数据验证科学原理，转变为用资源支持作为证据的数据构建解释、发展论点。前者突出的是科学验证，而后者更注重基于证据的科学推理和思维发展。

第三，在构建解释和设计解决方案方面，从原来的由老师提供或在课本中找到解释，转变为利用资源支持学生在解释和评估设计方案时，根据证据发展出论点和制作模型。

第四，在自己或与他人开展推理交流方面，从原来的工作单和实验报告，只关注学生的错误概念而没有将学生的想法作为资源，极少关联学生的经验以及身份和公平参与；转变为学生更多地通过建构模型和作品的机会来展示对现象和设计方案的新理解，教师通过嵌入式形成性评价引发和解释学生的思维，对公平参与提供整合性的支持。

第五，在课外运用所学方面，从原来的特定的、仅限于教学单元出现的现象或挑战的模块化课程和单元学习，以及课程编写者和教师熟悉而学生生疏的教学逻辑；转变为让学生将学习延伸到课堂外的现象和设计挑战，为学生提供连贯的学习进阶。

第六，在学习目标方面，从原来的运用识别、描述、解释、分析等一般的认知性动词来表达对科学概念或科学过程的学习期望，转变为运用开发模型、分析数据、构建解释等实践性动词来表达对三维学习的期望。

四、对我国“K-12 工程教育”实施的启示

以工程设计为中心的“K-12 工程教育”是一种全新的教育范式，为校内外科学教育增添了新的理念、内容和方法，将会推动整个教育体系的发展与变革，它具有广泛的研究和应用前景，应该得到政府、社会、学校和教师的重视。我们应该认识到，工程设计这一独特工程实践对于培养学生工程素养、理解工程本质、激发专业兴趣、引发职业启蒙的重要作用。目前，相比较于STEM 教育、翻转课堂、MOOCs等教学理念，工程教育才刚刚进入我国基础教育，尚属于新事物，还存在很多挑战。鉴于此，我们在借鉴美国以工程设计为中心的“K-12 工程教育”研究进展的基础上，立足我国基础教育阶段工程教育的发展，做了一些思考并提出几点建议：

（一）充分了解我国基础教育阶段工程教育的机遇与困境

目前，我国《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》增加了技术与工程领域的课程内容，要求学生掌握“工程技术的关键是设计，工程师运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动”等大概念与表述，学习内容包括“工程是以科学和技术为基础的系统性工作”、“工程的核心是设计”、“工程设计需要考虑可利用的条件和制约因素，并不断改进和完善”。同时，提出了学段目标和教学建议。[36]在《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》的选择性必修课程中，设计了“工程设计基础”模块，包括“工程设计概述”、“工程设计一般过程”、“工程设计建模”、“工程决策与管理”四个单元，同时还编写了“内容要求”、“教学提示”和“学业要求”。[37]可见，工程教育已成为我国基础教育不可缺少的重要组成部分，课程标准内容的变化反映了我国工程教育的最新成果。但与发达国家的工程教育相比，仍存在很大的差距。

首先，我国的基础教育没有将工程教育作为一个整体设计，没有统一的科学课程标准和工程教育发展规划。美国强调K-12 科学教育要以跨学科的思维整合“科学与工程实践”、“学科核心观念”、“跨学科共同概念”的三维教学，而且《美国K-12 工程教育：现状及未来》《K-12 工程教育标准》《K-12 科学教育框架》等文件相互呼应，形成完整的工程教育发展蓝图。然而，我国小学科学课程标准开发与课程开设均晚于美国，初中和高中课程标准还以分科形式进行编写，这些都会给我国工程教育的实施带来挑战。

其次，我国学前、小学、初中和高中课程教学缺乏内在的逻辑联系，导致各学段课程改革的相互制约，难以获得整体发展。而美国科学教育基于学习进阶理念，对课程进行整体设计，提出适合不同阶段学生认知发展的表现期望与要求，为学生工程素养的发展提供连贯性和一致性标准。

最后，我国工程教育课程标准内容的设计，仍然以借鉴经验为主，而发达国家的课程改革与发展是建立在教育研究基础之上的。美国工程教育已经积累了一定的实证研究成果，而我国的工程教育探索才刚刚起步，尚未在基础教育领域产生广泛的影响，研究范式、研究的广度和深度，也都与发达国家存在较大的差距。

（二）“K-12 工程教育”要突出工程本质，凸显学生工程素养的培养

为了帮助学生树立工程专业追求和职业愿景，培养工程素养，我们需要让学生真正了解“工程究竟是什么”，即重视工程本质的教育。工程本质是工程这门学科区别于其它学科的根本特征，所以，理解工程本质是学生工程素养的重要组成部分。

克里斯汀（Christine）从工程的认知实践出发，提出工程本质的16 个内容：（1）发展过程来解决问题；（2）基于情境考虑问题；（3）设想多个解决方案；（4）创新的流程、方法和设计；（5）在标准和制约条件之间进行权衡；（6）运用系统思维；（7）应用数学知识解决问题；（8）应用科学知识解决问题；（9）研究材料的性能和用途；（10）构建模型和原型；（11）做出基于证据的决策；（12）坚持并从失败中学习；（13）评估解决方案的影响；（14）有效的团队合作；（15）有效沟通；（16）把自己看成工程师。[38]

雅各布（Jacob）借鉴科学本质的提法，认为工程本质包括：（1）工程中的设计；（2）规范、制约和目标；（3）工程知识的来源；（4）工程知识的形成；（5）工程的范围；（6）设计过程的模型；（7）工程的文化嵌入性；（8）工程学的内部文化；（9）工程与科学。[39]

上述这些观点充分考虑了工程学的社会背景、决策证据的重要性，用于构建知识的工具和策略的类型，以及创造力和创新的需要等，对我们进行课程开发、教师教育和工程教学，具有积极的指导作用。正如前文所述，单凭工程设计这一实践是无法让学生了解工程全貌的，所以，以工程设计为中心的STEM 教育，需要系统考虑工程的本质，发展学生的工程知识，强化学生工程素养的培养。

（三）立足学生系统性思维和面对未知世界的能力发展，以严谨的工程设计流程来发展学生的设计思维

“数字鸿沟”常常指能够接触到技术和无法接触技术的人之间的差距，而在目前的基础教育中，作为被动消费者的学生，与社会创新发展需要的主动创造者之间，正出现了巨大的“创造鸿沟”。学生在消费文化中成长，然后进入一所让他们消费知识而非创造知识的学校，这使得“创造鸿沟”越来越大。因此，在新的数字化鸿沟中，资源获取并非关键因素，更重要的是创造的机会。

正如《如何用设计思维创意教学：风靡全球的创造力培养方法》一书所提出的，创造力是一个需要结构的流程，而设计思维即流程，是一种解决问题的方法，鼓励人们积极冒险，激发创造力。基于LAUNCH循环（观察、倾听、了解—多多发问—理解问题或过程—探寻想法—创造产品原型—确定产品优缺点、改进产品—发布产品），能将创造力变成真实的体验。[40]

有学者提出，要运用设计思维方法指导创客教育活动开展，认为根植于技术产品创新的固有品质，有助于支撑创客教育的顺利开展；以真实问题来引领学习者的思考，而非局限于具体产品功能的实现；以用户体验来指引产品创造过程，有益于学习者真正领悟创新之道；支持问题解决的多样化技术路径，有利于学习者创新思维能力的发展。[41]

因此，立足学生系统性思维和面对未知世界的能力发展，我们需要以严谨的工程设计流程提升学生的设计思维。随着工程设计融入K-12 校内外创客教育、STEM 教育等新型教学模式的不断涌现，如何构建系统化的工程设计教育体系等问题，需要我们开展更多的理论研究与实践探索。

（四）以工程设计融入K-12 课程为契机，促进学生核心素养的发展

设计思维与核心素养的教育理念相一致，建构设计思维与学科教学融合的可行路径，对基础教育中学生的核心素养培养具有重要意义。[42]培养面向未来的能力，就应从对当前社会、经济、科学、工程与技术所面临新挑战、新问题的回应开始，而设计思维正是解决这些挑战和问题的创新方法论；核心素养作为学生培养的终极目标，指向了学生的必备品格和关键能力；而终极目标需要学生通过一个又一个台阶才能到达，设计思维充当了其中的一种重要台阶。核心素养具有跨学科/领域性、社会性、整合性、迁移性，而工程教育所依附的项目性、情境真实性、跨学科性和社会性，以及科学工程实践、跨学科概念与学科核心观念整合的三维学习架构，无疑是学生核心素养发展的优秀载体。

因此，在理论体系和实践要求上，作为工程设计教育理论基础的设计思维，与核心素养教育理念具有较高的一致性。在我国新一轮的基础教育改革中，以工程设计进入中小学科学课程以及信息技术、通用技术课程建设为契机，回应现实世界所面临的新挑战、新问题，依靠创新的过程将创造力变成真实的体验，驱动能力培养指向核心素养的发展方向。当然，促进学生核心素养发展的工程设计教育路径，还需要我们在实践中不断探索、细化，进而构建出特色化、本土化的实践体系。

（五）构建STEM 教育生态共同体，顶层设计STEM 战略的成功之路

STEM 教育的成功，不能仅仅依靠课堂或者学校层面的努力，需要形成一个生态共同体。《新报告》指出，课堂上的工程设计教学受到学校、地区或者州内外各种因素的影响。例如，教学时间、资源和课程序列的决策，需要各级部门的通力合作，并受到教学条件、教师专业知识的影响。美国特朗普政府在公布的新STEM 教育五年计划，即“北极星”计划——《制定成功路线：美国STEM 教育战略》（2019-2023）中，明确提出了STEM 生态共同体的概念，希望通过学校、图书馆、虚拟或实体的科学中心/科技馆/博物馆、课后和暑假项目、本地商业和行业合作伙伴、高等教育、社区、家庭的通力合作，提升学生的STEM 素养，确保美国强大的劳动力和全球竞争力，以支持学前到16年级（preK-16）STEM 人才培养的连贯一致性、多样性、公平性和包容性。[43]

当前，我国基础教育面临诸多机遇和挑战，比如，新高考改革中高校自主招生面临的困境，以竞赛带动的各类青少年科技、STEM 和创客比赛，以及研学旅活动、高校夏令营等，既有政府主导的、商业推动的，也有高校或中小学校自主开展的，琳琅满目但又良莠不齐的学习项目，缺乏系统性的整合。因此，我国STEM 教育需要基于国情，从高考作为人才选拔的有效机制出发，化解应试教育与高考指挥棒的困境，构建我国的STEM 生态共同体。通过STEM 教育利益相关者的共同努力，切实推进我国STEM 教育的可持续性和良性发展，只有这样，才能更好地促进我国基础教育阶段工程教育的发展和繁荣。

五、结语

通过上述分析，我们认为，对我国基础教育阶段工程教育的发展的借鉴意义在于：第一，教育工作者必须认识到工程设计在教学实践中具有多种内涵：作为教学方法、作为学科实践和作为学科核心观念，这三种内涵的比较，对于阐明工程在基础教育中的实践、观念以及教学方法是必要的；第二，我们需要通过真实的设计项目，让学生在课堂上获得真实设计的体验，这样他们才能发展出知情的设计实践，并成为反思性决策者；第三，必须解决教师教育和满足教师信念以及教学内容知识的需要，必须支持教师在课堂上强化作为设计指导者的能力，使其能够激发、注意和响应学生的思维以及满足学生的社会和情感需求；第四，我们可以利用理解科学现象和设计挑战、收集并分析数据和信息、构建解释和设计解决方案、自己或与他人开展推理交流、开展多种情境的学习等五个重要实践，从学生、教师和教学资源三方面，实现新的教学转变。

因此，我们需要借鉴美国等国际基础教育阶段工程教育的发展经验，并结合我国国情，充分了解我国基础教育阶段工程教育的机遇与困境，在基础教育阶段的工程教育中突出工程本质，凸显学生工程素养的培养，立足学生系统性思维和面对未知世界的能力发展，以严谨的工程设计流程培养学生的设计思维，促进学生核心素养发展，并构建STEM 教育生态共同体。值得注意的是，我们虽然分析了美国以工程设计为中心的“K-12 工程教育”的源起、内涵与教学策略，但还需要在已有研究的基础上，转变研究范式，开展相关教学研究，为构建适合中国国情的基础教育阶段的工程教育，提供研究基础。