面對未來工程師的課程設(shè)計

劉昭 孟延豹

前言：劉昭博士在致力于創(chuàng)客教育之前曾經(jīng)是個卓有成效的工程師，在清華大學計算機博士畢業(yè)后，他長期供職于航天系統(tǒng)，參與了很多航天系統(tǒng)的設(shè)計運行工作。在學習與工作中，劉博士對一個工程師的培養(yǎng)及其在工作中的學習、成長有了很多自己的感悟，逐漸形成了自己的一套工程師成長理論，并在后來投入到創(chuàng)客教育的過程中做了很多的嘗試，取得了不少的成果。本文是筆者和劉博士討論他的課程設(shè)計理念的一些簡單的總結(jié)，希望能夠幫助到廣大讀者。

進入新世紀以來，隨著腦科學、心理科學、信息科學與技術(shù)等交叉學科的發(fā)展，人的學習的本質(zhì)，也就是人的學習的、建構(gòu)的本質(zhì)，社會協(xié)商的本質(zhì)，以及參與的本質(zhì)越來越清晰地顯現(xiàn)。

創(chuàng)客運動的社會情境非常符合這樣的條件。

在跨學科整合的學習情境的構(gòu)建上，我們的做法要符合當代學習科學對知識的建構(gòu)性、社會性、情境性、復雜性和默會性的定義。

首先是知識的建構(gòu)性，客觀與建構(gòu)是知識的一個重要維度。我們不再將知識看作是有關(guān)絕對現(xiàn)實的知識，而認為知識主要是個人對知識的建構(gòu)，即個人創(chuàng)造有關(guān)世界的意義，而不是發(fā)現(xiàn)源于現(xiàn)實的意義。

知識的建構(gòu)性強調(diào)學生，也即認知主體的巨大的能動性。

知識是由認知主體積極建構(gòu)的，建構(gòu)是通過新舊經(jīng)驗的互動實現(xiàn)的，認知的功能是適應，其應有助于主體對經(jīng)驗世界的組織。

由此，我們應能提供認知工具，蘊含豐富資源，鼓勵學生通過與環(huán)境的互動去建構(gòu)個人意義的新的學習環(huán)境創(chuàng)設(shè)。

知識的社會性是知識的一個重要的維度。知識不再僅僅是居于個體內(nèi)部，而是內(nèi)含在團隊或共同體中，知識的這一維度正是通過個人與社會之間表現(xiàn)為互動、中介、轉(zhuǎn)化等的張力形式構(gòu)建一個完整的、發(fā)展的知識觀?！皩W習是知識的社會協(xié)商”這一關(guān)于學習的新的隱喻，對“學習共同體”這樣的學習環(huán)境創(chuàng)設(shè)，也提出了新的要求。

知識的情境性產(chǎn)生于知識的情境理論，情境理論強調(diào)認知與學習的交互特性和實踐的重要性，在學習環(huán)境創(chuàng)設(shè)上，我們強調(diào)兩個維度，一是真實的學習活動中的情境化內(nèi)容，中心問題是創(chuàng)建實習場，在這個實習場中，學生遇到的問題和進行的實踐與今后校外所遇到的是一致的，或者是在場景上有一定的仿真度。另外一個維度，是要重視學習者在學習中的社會參與特征，也即在學習環(huán)境創(chuàng)設(shè)中建構(gòu)學習者的“實踐共同體”。

在創(chuàng)客教育中，知識的復雜性是很重要的特色，在發(fā)展不足的社會中，人們常常把穩(wěn)定的、自足的、結(jié)構(gòu)良好的和客觀的信息等同于知識，而在社會高速發(fā)展的今天，這些只能被看作是簡單知識。在高速發(fā)展的社會，真正的知識往往是不穩(wěn)定的、結(jié)構(gòu)不良好的和主觀的知識。傳統(tǒng)教學就是對簡單知識的傳遞、傳授、傳播，傳統(tǒng)的學習就是通過對所教知識的復制與同化來獲得知識。而在今天，知識更多表現(xiàn)出的是其復雜性，知識是主觀的、不穩(wěn)定的、結(jié)構(gòu)不良的，是與其形成的情境脈絡(luò)（學習者對真理的質(zhì)疑、對知識的渴求、對知識的建構(gòu)與理解，學習環(huán)境創(chuàng)設(shè)以及學習過程、評價過程）緊密聯(lián)系的，知識難以直接訪取或傳遞給他人。這也就決定了在這種目標下的學習，必須是較復雜的任務才能提供這樣的情境。

知識的默會性對于很多人來說還是一個陌生的概念，在具有更多的復雜性、不確定性的社會中，教育更加重視知識默會維度，特別是重要知識（往往是核心素養(yǎng)類、關(guān)鍵能力類的知識）的默會本質(zhì)。人類學情境理論則提出“合法的邊緣性參與”概念，讓隱含在人的行動模式和處理事件的情感中的默會知識在人與情境的互動中發(fā)揮作用，并使得默會知識的復雜性與有用性隨著學習者經(jīng)驗的日益豐富而增加。這非常符合真實情境的學習環(huán)境下的創(chuàng)客學習。

基于以上對于知識的認識，我們發(fā)展出了具有自己特色的宇航創(chuàng)客課程及創(chuàng)客教育理念。

● 情節(jié)驅(qū)動的宇航創(chuàng)客課程概況

情節(jié)驅(qū)動的宇航創(chuàng)客課程是我們設(shè)計的一組社團課程的總稱。學習此課程的學生原則上應該已經(jīng)完成了開源硬件和基本編程技術(shù)（如Python）的學習，具有初步的創(chuàng)客技能，在此基礎(chǔ)上，學習我們的宇航創(chuàng)客課程。嚴格地說，設(shè)計此課程的目的是以宇航題材為背景，進一步提升學生的想象力、組織能力、好奇心、創(chuàng)作欲、團隊合作能力，以及系統(tǒng)設(shè)計能力、軟硬件實現(xiàn)的技術(shù)能力、工程規(guī)劃能力、組織協(xié)調(diào)能力等。

所謂情節(jié)驅(qū)動，指的是此課程教育學生除了完成傳統(tǒng)的創(chuàng)客實驗項目之外，還要玩一個游戲。在這個游戲中，學生需要分析問題、解決問題，讓自己的主角走出困境，并完成某些戰(zhàn)略任務。這種情節(jié)的設(shè)計，既有純粹激發(fā)學生好奇心、好勝心的考慮，也有激發(fā)學生的創(chuàng)作欲的考慮，還有愛國情懷、社會責任等方面的考量。

課程內(nèi)容如下：

第1節(jié)：知識講授和實驗——3D建模（盒子）

第2節(jié)：游戲情節(jié)——飛機失事，男主落難于亞馬遜叢林

第3節(jié)：知識講授和實驗——3D建模（藝術(shù)品設(shè)計）

第4節(jié)：游戲情節(jié)——為酋長制作法器外殼

第5節(jié)：知識講授和實驗——2812燈帶等基本開源硬件實驗

第6節(jié)：游戲情節(jié)——為酋長制作光明之劍

第7節(jié)：知識講授和實驗——制冷模塊和繼電器等開源硬件系統(tǒng)設(shè)計

第8節(jié)：游戲情節(jié)——為酋長的兒子制作冷藏箱以保存藥物

第9節(jié)：知識講授和實驗——3D結(jié)構(gòu)設(shè)計（復雜箱體設(shè)計）

第10節(jié)：游戲情節(jié)——為酋長的兒子制作冷藏箱以保存藥物

第11節(jié)：知識講授和實驗——網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)幀的概念

第12節(jié)：游戲情節(jié)——識別敵對勢力陰謀，拯救失事飛船

第13節(jié)：游戲情節(jié)——接收指令，更換通信通道

第14節(jié)：游戲情節(jié)——設(shè)計通信幀結(jié)構(gòu)，完成衛(wèi)星拍攝任務

第15節(jié)：知識講授和實驗——組織一次模擬宇航任務

第16節(jié)：游戲情節(jié)——分工協(xié)作，操作各分系統(tǒng)，完成宇航任務

在以前的教學活動中，我們發(fā)現(xiàn)創(chuàng)客教育中面臨的有普遍性的困難大致如下：

①知識的復雜性決定了教育的碎片化和教學活動中建構(gòu)行為的重要性。創(chuàng)客工程的復雜性，首先在于創(chuàng)客知識體系的復雜性，即任何創(chuàng)客作品，都是多學科綜合技能的體現(xiàn)。例如，任何一件創(chuàng)客作品的完成至少需要具有3D建模、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計能力。其次在于現(xiàn)實問題的復雜性。創(chuàng)客作品都是用來解決生活實際問題的（或是用于仿真工程場景，如樂高工程比賽），而現(xiàn)實中的各種不確定性給創(chuàng)客作品的設(shè)計添加了新的難度。這就決定了創(chuàng)客教育中不可能窮盡任何一個領(lǐng)域的知識和技能。而唯一可行的辦法一是各主創(chuàng)人員的分工協(xié)作，二是知識體系的主動構(gòu)建。面臨如此繁雜的知識體系，顯然每個人的知識樹都是“個人定制”的。因此構(gòu)建工作不光要進行，甚至還要伴隨創(chuàng)客的整個創(chuàng)作生命。

②教育行為過程本身的復雜性。創(chuàng)客教育行為本身的復雜程度，使得它可以被稱為“創(chuàng)客教育工程”。如果我們實施教育的對象是一個家境殷實的學生，那么問題就容易解決，但現(xiàn)實情況是，教師需要面對的通常是20位性格情趣迥異的學生，這些學生中，既具有創(chuàng)客技能也具有創(chuàng)客情懷的人往往屈指可數(shù)。而創(chuàng)客又是如此復雜的一個學科，這使得我們不得不照顧盡量多數(shù)人的興趣。一個合理的解決辦法是把課程設(shè)計成情節(jié)驅(qū)動的游戲。其好處是，更加貼近生活情境，讓所有參與者都有用武之地。而且，游戲本身可以提供一種“反向引導”，讓學生更容易把主要精力集中在紛繁復雜的創(chuàng)客知識中的一個關(guān)鍵問題上。

● 宇航創(chuàng)客課程對知識的構(gòu)建過程

3D技術(shù)的學習是一件令人十分頭痛的事情。因為，通常3D技術(shù)方面的書籍都是十分厚重，其內(nèi)容也是十分龐雜的。我們在課程中，首先要求學生完成的作品是一個容器（“法器”的匣子），然后，下一個作品是一個頗具藝術(shù)色彩的幻彩“光明之劍”。第一個作品中規(guī)中矩，而第二個作品需要藝術(shù)靈感和想象力。學生們大可以根據(jù)自己對薩滿教的理解，設(shè)計出各具風格和個性的“光明之劍”。在設(shè)計“光明之劍”的過程中，學生需要具備以下能力：用平滑曲線繪制藝術(shù)線條的能力、用2812燈帶渲染作品的能力。這樣我們就把工程思維和藝術(shù)個性結(jié)合了起來，實現(xiàn)了構(gòu)建，而且過程輕松。

● 宇航創(chuàng)客課程中的社會化學習

在宇航創(chuàng)客課程的第15節(jié)，需要各部門合作完成一次宇航任務。此時，各個分系統(tǒng)需要進行接口設(shè)計。教師會引導學生召開協(xié)調(diào)會，統(tǒng)一接口的Jason數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在第16節(jié)，學生們將分成小組，使用分布式仿真系統(tǒng)完成一個宇航任務從發(fā)射到回收的全過程。在此過程中，學生們被賦予了社會角色，有工程總指揮，有專家團隊，有各分系統(tǒng)。通過這樣的劃分，學生既能體會到分工合作的高效率，也能初步學會處理工程過程中的人際關(guān)系和社會矛盾。

學習的過程是社會化的：學生通過研討、頭腦風暴等方式完成學習過程。

結(jié)果也是社會化的：每個團隊可能最終只能掌握某一方面的知識，而整個系統(tǒng)的運作，需要建立在所有團隊配合的基礎(chǔ)上。

● 宇航創(chuàng)客課程中的情境化學習

可以注意到，我們在設(shè)計所有創(chuàng)客作品時，是以情境代入為設(shè)計目標的，而一旦代入劇情之后，這些作品就需要符合生活實用品的特點，即實用性和藝術(shù)性。每個學生都會根據(jù)自己的理解和個性設(shè)計作品，并且兼顧實用性和藝術(shù)性。這和真正的產(chǎn)品是相似的，而且不是簡單重復。

例如，在通信幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，學生的設(shè)計和通信專業(yè)（如5G）真正的通信系統(tǒng)設(shè)計相比，只有規(guī)模上的差別，沒有本質(zhì)上的不同。

● 宇航創(chuàng)客課程學習中知識和教育過程本身的復雜性

真正的社會生產(chǎn)行為是非常復雜的。真正的宇航產(chǎn)業(yè)，其從業(yè)者需要考慮的不光有工程技術(shù)問題，還有經(jīng)濟問題、社會問題和政治問題。而學生所面臨的技術(shù)問題，也很難用完備的知識來解釋。我們發(fā)現(xiàn)，很多學生經(jīng)常自我感覺以前接觸的完備知識較多，但在本課程中，學生會發(fā)現(xiàn)，個人的精力制約著自己創(chuàng)造力的發(fā)揮，進一步，也能感受到其他的制約。學生上完此課程之后，必將對這些制約有初步的體會，進而明白，真正的社會生活，貌似完備而自由，但真正深入進去，會發(fā)現(xiàn)思維和知識體系中不完備、不自由的情況比比皆是。

教師也不可能完整講述課程內(nèi)容的方方面面。我們采用的手段是編制“手冊”來備查，學生一旦遇到不理解的課程知識，就通過課程手冊學習。這雖然多少有一點救急的意味，但人類的知識積累越來越傾向于反向遞推的積累方式，學生應該及早掌握這種反向思維方式。

學生將會接觸到的幀結(jié)構(gòu)和加密算法，很多是基于經(jīng)驗公式，而不是完備的數(shù)學體系。但學生應有追求完備的心態(tài)和手段，借由教師準備的示范筆記系統(tǒng)，學生應努力將不完備的知識融入自己逐漸完備的認知知識體系。

● 宇航課程學習中的默會知識

在情境式宇航創(chuàng)客課程的學習中，針對以下工作范式，我們希望學生形成默會技能，并在以后的課程和生活中反復運用：

①實驗序列設(shè)計能力。教師在創(chuàng)客作品的設(shè)計過程中，將反復使用實驗序列設(shè)計方法。學生將會形成默會習慣，在今后的創(chuàng)客學習中反復運用。

②筆記方法。學會并形成自己的筆記方法，將對一個學生的學習產(chǎn)生深遠的影響。

③系統(tǒng)設(shè)計方法。每個創(chuàng)客作品的完成，都遵循概要設(shè)計→偽代碼→代碼的設(shè)計過程。

默會知識的形成在課程執(zhí)行的當時效果并不明顯，它是一種習慣養(yǎng)成的過程，也往往是潛移默化的過程，但其產(chǎn)生的效果將影響學生一生，為學生的終身學習提供有力的支撐。

后記

作為博士和資深工程師，劉博士一直在嘗試將自己人生中學習的成功經(jīng)驗分享給孩子們，而喜歡讀小說的他，更是將他的課程都設(shè)計成一種情節(jié)驅(qū)動的模式，他的課程不論是在機構(gòu)還是在學校，或者在他兒子“圖貝農(nóng)”（音譯，這是劉博士兒子給自己取的名字，圖貝農(nóng)獨立報名參加了北京市金鵬論壇并取得三等獎）身上都取得了很不錯的成績。筆者相信，在中國制造業(yè)極大發(fā)展的今天，這種經(jīng)驗對于未來中國“工科男”隊伍的發(fā)展壯大將是非常有益的一種嘗試。