科学教育中的工程设计：过程、特征及教学策略

张霄等

随着科学教育改革的不断深入，工程设计逐渐引起广大科学教育工作者的关注。科学探究旨在创造和检验关于自然界及其运行规律的解释和预测，而工程设计旨在制造产品，以解决问题或满足用户的需求。因此，在教学中，教师除了关注科学教育中工程设计的特征外，还要关注其设置的问题以及分析问题的方式，采用恰当的策略引导学生通过撰写日志的方式随时记录想法、解决问题。

工程设计与科学探究的比较

工程设计和科学探究是科学教育中的两项重要内容，两者之间相互联系，但又不尽相同。随着科学教育改革的不断深入，工程设计逐渐引起广大科学教育工作者的关注。如上所述，科学探究与工程设计并非决然相异，它们之间存在着若干异同之处（如表1）。教师只有在明确科学探究和工程设计之间的区别与联系的基础上，才有可能在真实的教学情境中合理地处理两者之间的关系。

1.科学探究和工程设计的相同之处

（1）两者均利用复杂现象的简单模型创造关于自然界的解释（科学）或生产更好的产品（工程）。

（2）两者均通过研究的方式更好地理解问题，当涉及抉择制定何种计划或支持何种假设时，两者均通过基于证据的讨论，达成共识。

（3）两者均涉及实施实验和分析数据。

（4）两者均要求学生相互交流研究成果。

2.科学探究和工程设计的两点不同之处

（1）形成观点的方式不同。

对于工程设计者而言，即使他们没有被要求发明全新的方案解决面临的困难，他们也期待采取一种创新的、全新的方式形成、组合、重新安排各类观点。在完成上述工作的诸多途径中，头脑风暴是广为人知的策略之一。完成头脑风暴的两项基本方针是：设计者需要尽可能多地列出观点，无论这些观点看起来多么不可行;在列出观点阶段，设计者不要对他人的观点进行批评。当设计者进行头脑风暴时，第二条方针极为重要。在头脑风暴期间，设计者们需要追求的是观点的数量，而非质量。

（2）排除故障或重复的方式不同。

设计者们通过建构模型和排除故障的方式完成学习，即在模型检验和修复的过程中探索、解答问题。检验模型、排除故障、改进模型的循环被称为设计迭代，它是工程设计的标志性流程。

3.科学教育中工程设计的往复过程

工程设计的整体流程是系统的、往复的，往复的过程意味着每一个全新版本的设计都会被检验和修正。科学教育中工程设计的往复过程可分为5步（如图1）：

（1）学生及其工作小组识别整体的问题情境，包括首要的问题和特殊客户或用户的需求。与科学探究不同的是，工程设计旨在满足客户的特定需求，因此在解决问题的过程中学生更多地要着眼于人的需求，而非自然界的普遍规律。

（2）基于对问题和相关科学知识的理解，学生形成各自的观点。随后，学生在设计团队中毫无保留地分享他们的观点。

（3）设计团队创造和检测他们的计划和模型，记录检测的结果，使用已有的科学知识解释发生的现象。

（4）设计团队和其他团队或整个班级分享他们的检测结果，以及工程设计对于问题解决的实际效果。

（5）设计团队从其他小组中搜集反馈信息，对自己的设计予以检查和再次测试。

科学教育中工程设计的七大特征

1.客户驱动和目标取向

工程师团队的每一项任务均面临一个具体的、明确的目标。这个目标通常是以客户或用户的需求为中心的，客户也许是个人，也可能是一个大的公司，最终用户可能是制作该产品公司的消费者。例如，生物医药工程师可能被要求通过矫形术公司为一名儿童设计修复性假肢，其中，客户是矫形术公司，最终用户是儿童。教师带领学生完成工程设计时，首先需要帮助他们明确工程设计的问题是什么、目的是什么、客户是谁、最终用户是谁，其次在工程设计的过程中如何协调客户与最终用户之间的不同需求等问题。

2.情境的真实性

对于学生而言，工程设计任务的一个更具吸引力的特征就是：问题的提出通常基于真实的情境。与大多数基于问题的学习活动相似，当学生面对的问题是生活中常见的问题时，他们会更加具有学习的热情和参与的积极性。例如，如果是涉及污水处理的工程设计，当地的水上乐园就能够为学生提供一个真实的问题情境，其他真实情境还包括当地被污染的池塘或河流。学生可以通过小组合作的形式设计、创造、检验能够使污水得以净化的流程或产品。推而广之，其他主题的工程设计，甚至可以用自然灾害作为问题情境，如龙卷风、飓风、洪水等。

3.限制条件的挑战性

限制条件是加在工程设计之上的规则和规定。最为常见的限制条件包括成本、时间和有限的资源，即工程设计需要在一定的时间和开销范围内，利用有限的资源解决问题，满足客户和用户的需求。在工程设计的早期阶段，限制条件可能被设计者反感，因为它通常会束缚设计者的想法与思路。例如，一方面必须在一定的空间范围内设计一辆汽车的引擎，另一方面这个引擎还要不小于一定的功率。然而，作为一项完整的设计，限制条件能够对形成设计问题和寻找解决方案起到一定的促进作用。

4.提供给学生熟悉的材料、资源和工具

工程师通过调查来获得制定设计标准或限制条件的数据，而计划并设计调查需要具备合理使用设备、材料、工具的能力。因此，教师必须向学生提供他们熟悉的并且能够熟练操作的材料和工具，使他们能夠将全部的精力集中于工程问题的解决、产品或流程的设计，而不是花费在工具或素材的使用与熟悉方面。在设计活动中，教师可以通过一系列的问题促进学生思考材料与任务之间的关系。例如，教师可以问学生：“通过何种方式运用这些材料完成你的设计？能够使用其他材料代替吗？”

5.问题解决方案的产品和流程

绝大多数工程设计的问题解决方案包括产品和流程两种形式。所谓产品通常是一个手工制品，也被称为原始模型，原始模型通常是三维模型;所谓流程是得到产品的一系列步骤或方法。因此，工程设计对于工程师的诉求是要求工程师团队设计、建构、开发和检测他们的原始模型或流程。在这个过程中，其他团队可能复制或再次使用这个设计，并对其进行检验与完善。在工程设计的中期和末期阶段，教师可以问学生一个关键的问题：“你的产品和流程通过何种方式满足了客户和用户的需求？”

6.解决方案的多样性

工程设计任务的一个重要特征是对于任何任务而言都不只存在唯一一种特殊的或正确的解决方案。像科学探究一样，工程设计需要建构可行性方案。然而，在工程设计过程中，工程师必须要考虑各类限制条件和可利用的资源，遵从客户需求和时间、安全和成本等限制因素。因此，通常不存在单一的、最佳的解决方案，而是一系列具有可行性的解决方案。工程设计的这一特征允许学生的设计方案具备创新性、独创性和原创性，为学生解决问题提供了极大的灵活性与自主性。

7.团队合作

像科学家一样，工程师也要以团队的形式开展工作，其被称为技术组或设计组。工程师团队与科学家团队的不同之处在于，工程师必须在一定的限制条件下，同时面对若干设计标准完成任务。因此，当学生面对一项工程设计时，教师需要鼓励他们以团队合作的形式并结合各成员的专长来解决问题，并关注团队中每位成员的贡献。教师可以问学生：“如何能够使团队中的每一位成员为工程设计的计划、建构、检测作出贡献？对你而言，为什么以团队的形式完成任务很重要？如何提升你的团队成员在完成设计中的表现呢？”

科学教育中工程设计的教学策略

工程设计的情境通常包括课堂和生活两种。在这两种情境下，教师应该采取哪些措施呢？

对于课堂情境中的工程设计而言，教师需要格外关注其设置的问题以及分析问题的方式。建构一系列合理的问题，不仅需要教师对学生的既有知识和能力有清晰的把握，还需要了解工程师在完成此项工作时的已有解决方案。教师在设置工程任务时不能只为学生提出一个总问题，还需要进一步引导他们将总问题进行解构，将其转化为有内在联系的、具有可操作性的、满足各类限制条件的若干子问题。不同团队的子问题可能不尽相同，这就需要教师能清晰地把握各个团队的思路、进度。教师在设置和解构问题时可以参考以下三条建议：为学生设置开放性问题，特别是在引导学生解构总问题时，教师应当给予学生最大程度的开放性;引导学生探索各种问题之间的差异，而问题的差异可能导致解决问题途径的差异;促进学生对于问题解决的概念性思考。

对于生活情境中的工程设计而言，教师可以引导学生通过撰写日志的方式随时记录想法，解决问题。日志能够激发学生的好奇心和与他人分享观点的内在动机，日志是一个讨论和扩展学生所学知识的重要渠道。学生可以将日志带回家，与家人分享关于工程设计的各种观点，向他們咨询解决问题的策略，进而将课堂中的工程设计延伸至实际生活中。绝大多数情况下，讨论能够促进问题的解决和学生高阶思维的形成。学生天性中的好奇心能够引导他们参与到周围的世界中去，开拓更为广阔的学习环境。在日志中，学生能够及时记录在生活中观察到的各类现象或遇到的各种问题，回到学校时和老师、同学进行交流讨论，利用学校里的一切资源解决问题。