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工程学教育如何融入基础教育课程

黄丹刘恩山

//m.auribault.com 2015-09-16 来源：中国教育报

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　　理解什么是工程学、探讨工程学教育在基础教育中的价值，对于我国推进和深化理科课程改革，将工程学教育融入基础教育理科课程来说，是基础性的工作，具有加深认识和指导实践的意义。

　　为培养科技创新人才，基础教育阶段的理科课程应做哪些革新？美国近10年来的大量文献中屡屡提及科学技术的滑坡会造成其人才的严重短缺，并开始大力培养训练有素的科学家、数学家、工程师、技术人员和具备科学技术素养的公民。

　　今天的科学已经越来越关注“整个自然界”和“跨学科知识”，美国工程教育协会（ITEEA）和美国国家工程院（NAE），呼吁更多关注与亲身实践、跨学科以及与社会相关的科学、技术、工程和数学教育（STEM）方法，特别强调了要加强工程学教育，将其作为一门学科来发展。这对发展基础教育阶段科学教育也有着重要意义。在2013年美国颁布的《下一代科学教育标准》中，工程学教育成为基础教育阶段科学教育框架中的新元素。

　　工程学包含设计和满足需求两个元素

　　不同的研究者对于工程学有着不同的定义。1998年，著名学者伍尔夫（Wulf）提出，工程学是指“在约束条件下进行设计”。美国工程教育协会在2008年颁布的《基础教育阶段教育中的工程学》中指出，工程学是“设计人造世界的过程”。著名学者罗杰斯（Rogers）等人认为，工程学是“工程师们利用学科知识和认知过程来设计、分析和解决复杂的系统，从而满足社会的需求”。这些设计、分析和解决问题的过程就是工程学的主要活动，用来创造新的设备、过程和公共设施，或者改变已有的事物。美国国家研究理事会在2013年颁布的《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”。美国国家工程院在《基础教育阶段工程学教育标准》中指出，工程学是“为满足人们的需求而进行的系统设计”。

　　归纳来看，上述有关工程学的定义主要涉及两个元素，一个是“设计”，一个是“满足人们的需求”。“设计”是工程师解决问题的基本过程，通过这个过程，工程师能够找出为达到某个特定目的而制造出设备或设计过程的最好方法。“工程设计是一个系统、智能的过程，在这个过程中，设计者要在特定的限制条件下，为满足用户需求的设备、系统或者过程进行评价和详细的说明。”通过设计过程，人们能够整合多种类型的技能和思维——分析、整合的能力，更深刻、细致、全面地理解问题；还能够从中学会如何计划和构建问题；同时在这个过程中领会过程性的知识，理解、掌握陈述性的知识。

　　工程学的定义中另外一个重要元素是“满足人们的需求”。设计的本质就是发现并解决问题，存在问题即意味着存在需求。工程学主要针对事物的功能、材料、结构、安全、舒适和易用等要素，主要关注人类的生理需求和安全需求，解决存在的问题。

　　工程学教育融入基础教育意义重大

　　工程学与科学、技术不同。“科学”指的是传统的自然科学，包括物理、化学、生物、地球空间和环境科学：“技术”指的则是各种类型的人工（人造）系统和进程。而“工程学”则指的是参与系统的设计，从而解决特定的人类问题。工程学与科学的目的不同，科学的目的是研究自然世界，试图揭示自然界的规律，而工程学的目的则是通过发展或者应用技术来解决实际的问题，使人类能够更好地主宰这个世界并享受这个世界。

　　尽管最终目的不同，它们在许多领域联系密切。科学家们使用的工具，例如显微镜、天平和计时器都是从工程学中产生的。而科学理论，例如运动定律、电磁之间的关系、原子模型等则对工程学做出了极大的贡献。工程学与技术之间又有区别，工程学是为了解决问题而进行的一种系统的实践活动，而技术则是这种实践活动的结果。《基础教育阶段科学教育的框架：实践、跨学科概念与核心概念》中已经用“工程设计”代替了“技术设计”，更加重视设计的实践过程而不是最终的结果。

　　当前，全球都在倡导科学教育，美国甚至将科学、技术、工程和数学教育上升到国家安全战略层面。科学、技术和数学在目前的中学课堂上存在较为普遍，然而工程学在中学提及较少。目前有许多标榜着“工程学”的课程，其本质与工程技术和操作技术并没有明显的界限，缺乏数学与科学的成分。

　　在基础教育阶段开展工程学教育有重要的意义。首先，基础教育阶段工程学教育对于实施科学、技术、工程和数学教育以及学生将来的职业发展有着重要的作用。其次，工程学教育能够激发学生的学习兴趣，提高学生数学、科学的学习能力，提高学生对工程和技术的理解；工程学促进了科学、技术、工程和数学教育的整合与实施。再其次，工程学的设计任务能提高学生解决问题的能力、交流的技能以及团队合作的能力。最后，工程学教育促进学生对科学、技术、工程和数学教育学科概念的理解，增强人们对于“工程学在支持、促进人类社会中扮演重要角色”的认识。

　　工程学课程的设计原则

　　在基础教育阶段开展工程学教育需要遵循哪些原则？根据美国工程教育协会在《工程学教育的本质》中的论述，开展工程学教育要遵循以下三个原则。

　　强调工程设计。“设计”是工程师解决问题的基本过程，通过这个过程，工程师能够找出为达到某个特定目的而制造设备或设计过程的最好方法。基础教育阶段工程学教育主要是通过让学生自主参与到工程设计的环节中来进行的，工程学设计的课题需要具有以下的特征：首先，工程设计必须具有高度的反复迭代性。从最初的找出问题到最终以最优解决方法告终，考虑到多方面的限制条件，工程师们需要利用模型评估潜在的解决方案，不断摸索，最终选出最优方法，满足人们的需求。其次，工程设计的问题必须具有很强的开放性。设计的问题没有传统的标准答案，一个问题可以有多种解决方法。另外，工程设计的课题要有一个完整的过程，包括学生提出问题、做出假设、列出计划、创造设计、改进方案。通过这样一个完整的过程培养学生进行系统思考、构建模型和分析解决问题的能力。

　　融合重要的数学、科学和技术知识与技能。工程学不是一个单独的学科，需要用到其他众多学科的知识，工程学设计中融入了许多数学、科学和技术的跨学科概念。例如，一些科学的概念和探究方法能够用来理解工程学的设计活动，一些数学建模和计算方法能够用来构建工程设计的模型，并对其进行模拟和分析。另外，一些技术和技术概念也可以用来解释工程设计结果。

　　促进培养学生工程学的“思维习惯”。“思维习惯”是指人们在遇到辨析度不高、不能马上得出答案的问题时，思考问题的特征。工程学的“思维习惯”是21世纪所必需的技能。这些“思维习惯”主要包括系统思考的能力、创造力、乐观主义、合作能力、交流能力和考虑道德伦理的能力等。

　　基础教育阶段工程学教育的特点

　　目前比较成熟的工程学项目主要有“基础工程学”项目和“项目引领学习”（PLTW）项目。这些项目旨在将科学、技术、工程和数学教育带入基础教育，通过整合科学、技术、数学和工程学的主题、内容，设计出工程学的课程框架。

　　“基础工程学”提出，基础教育中的工程学教育课程框架应该包括知识层面和技能层面两个方面的内容。

　　知识层面主要指学生通过工程学的课程，能够了解工程和技术是什么、工程师做什么；了解不同领域的工程学；了解在人类社会中，几乎所有的东西都与工程学息息相关；理解一个工程学问题常常有多种解决方案；理解社会与工程学之间是如何相互影响的；理解技术是如何影响这个世界的（包括积极和消极的层面）；理解工程师没有国别、性别和种族的差异，可以是健全的人，也可以是身体有缺陷的人等。

　　技能层面主要指能够让学生参与到工程设计的活动过程中；应用科学和数学来解决工程学问题；用创造性和谨慎的思维来思考和解决问题；能够解决疑难问题，并从失败中吸取经验教训；理解在工程设计过程中所使用材料的作用及其在解决工程问题中所发挥的作用。

　　课程内容和活动要反映以下方面的特征：工程学的设计项目必须反映出工程师是如何帮助人类、动物和社会的；项目设计必须在一个大的、真实的情境中；参与者需要涉及不同的性别、种族，且拥有不同特点、不同兴趣爱好；有关设计类的问题必须有开放性的答案；设计挑战要经得起数量和质量方面的考验；失败是必不可少的一部分；步骤要经过精心设计，循序渐进地提高学生的能力，而不是刻板地将过程公式化、形式化；要假设学生事先对材料和专业术语都不熟悉；设计类的项目要考虑采用低成本、易获取的材料；鼓励团队合作；专注于培养学生解决问题的能力等。

　　工程学教育已经进入了课堂实践的阶段，将是科学教育发展的突出特点和趋势。我国教育工作者应该对此加以关注和研究，创造条件并逐步将工程学教育融入基础教育理科课程中，探索出自己的工程学课程框架，为我国创新型国家的实现和学生科技素养的提高创设良好的教育条件。（作者单位：北京师范大学生命科学学院；刘恩山系北京师范大学生物学教育系主任、北京师范大学科学教育研究中心主任、普通高中生物学课程标准修订组组长、小学科学课程标准修订组副组长）

编辑：周文

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