科學課程中的工程實踐目標和過程

徐冉冉+占小紅

摘要：在基礎教育階段，科學課程中整合工程設計實踐，是實施基礎工程教育的基本途徑。分析高等教育工程實踐與美國K-12科學課程文件中工程設計的相關內(nèi)容，探討基礎科學課程中整合工程實踐的目標和過程模式，為我國基礎工程教育提供參考。

關鍵詞：工程實踐；科學課程；整合；課程目標

文章編號：1005–6629（2017）2–0016–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

工程教育起源于技術教育，是一項古老的教育活動。中國的工程教育發(fā)端于第二次鴉片戰(zhàn)爭之后，由于缺乏系統(tǒng)的學校教育制度，教學效率及質量一直很低。近年來，中國的工程教育開始關注歐美工程教育模式的改革與創(chuàng)新，嘗試與國際接軌，開啟高等工程教育多元化發(fā)展的新時代。但是，由于基礎教育階段工程教育的缺位，使得學生對工程領域知之甚少，在學科認識與專業(yè)選擇上存在諸多困惑，進而直接影響了高等工程教育的發(fā)展及人才培養(yǎng)。因此，在基礎教育階段開展工程教育是當前備受關注和亟待解決的問題。

STEM是以問題解決驅動的跨學科理科教育，提倡通過工程方法來解決科學與技術領域的問題，促使未來人才適應當今知識經(jīng)濟全球化水平、復雜性和合作性不斷增強的趨勢。21世紀初期，STEM教育逐漸走入基礎教育，圍繞與日常生活息息相關的工程領域設計與開發(fā)一系列工程教育活動，旨在幫助學生了解生活中科學、技術、工程和數(shù)學之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生分析實際問題和動手實踐的能力，加深其對科學概念及工程技術的理解。最具代表性的是美國2011年頒布的《K-12年級科學教育的框架：實踐、交叉概念、以及核心觀念》（A Framework for K-12 Science Education，以下簡稱“框架”）與2013年頒布的《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，以下簡稱“新標準”）中，整合了STEM教育理念，并引入“科學和工程實踐”作為科學教育的三個維度之一。在基礎教育階段的科學課程中整合工程教育，為學生提供工程實踐的機會成為基礎科學教育改革的必然趨勢。我國基礎科學課程中如何合理引入工程教育，其目標要求以及過程模式的特征如何，這些問題的回答是基礎教育階段開展工程教育的前提。為此，本文在梳理工程教育與科學教育的關系基礎上，通過分析現(xiàn)階段高等工程教育的課程目標、內(nèi)容與形式，并聯(lián)系真實工程作業(yè)環(huán)境中的工程設計實踐活動的要求與特征，結合美國科學課程綱領性文件中的工程設計的相關內(nèi)容，探討基礎科學課程中整合工程教育的目標和過程模式；并對我國基礎工程教育實踐形成啟示。

1 工程教育與科學教育的關系認識

課程整合是以共同的功能基礎和價值取向為前提的，科學課程中整合工程實踐是否具有可行性，我們需要通過認識工程、工程教育及其與科學教育的關系來理解。

關于工程的定義眾說紛壇，張錫純在談到工程特點時指出“工程是科學、技術轉化為生產(chǎn)力的最后階段。工程活動的結果，總是完成符合某種社會目的的人工自然物”，強調(diào)工程活動的應用性與目的性。美國工程教育協(xié)會（ASEE）認為工程是一項藝術，“是應用科學、數(shù)學原理、經(jīng)驗，判斷和嘗試以造福人類的一種藝術，生產(chǎn)某種技術產(chǎn)品的過程或滿足特定需要的體系”，突出了工程活動的創(chuàng)造性本質。清華大學羅福午教授給出了工程的完整概念，“工程是運用科學原理、技術手段、實踐經(jīng)驗，利用和改造自然，生產(chǎn)、開發(fā)對社會有用產(chǎn)品的實踐活動的總稱”，強調(diào)工程活動是一項改造自然、服務社會的生產(chǎn)活動，突出其實踐性特征。綜合可見，工程活動的開展是以掌握一定的科學、數(shù)學原理與技術手段為基礎的；工程活動的目標是生產(chǎn)出符合社會需要的人工產(chǎn)物；從目標向結果的轉化過程需要“開發(fā)、改造、生產(chǎn)”的實踐過程，這類實踐活動不是將條件、目標進行簡單的拼接組合，而是從自然和社會因素的雙重角度出發(fā)，在考慮現(xiàn)實的各種限制因素的基礎上，構思解決方案并付諸實施的。概括而言，工程是以科學、技術的應用為主線，在生產(chǎn)生活中產(chǎn)生、發(fā)現(xiàn)、提出問題，考慮多種自然和社會因素的制約影響和工程設計原則設計解決方案，通過實踐活動生產(chǎn)出符合社會需求的人工產(chǎn)物（包括實物硬件和非實物軟件）的創(chuàng)新活動。工程的創(chuàng)造性本質決定了工程教育的屬性。工程教育作為培養(yǎng)工程人才的教育活動，是學校和工作單位在社會環(huán)境中所進行的創(chuàng)造性專業(yè)教育。它的目的是使受教育者為滿足社會需要而從事科學和技術的開發(fā)與應用，通過創(chuàng)造“人工產(chǎn)物”的活動，成為各個工程領域所需的工程人才。

通過對科學與工程學科特點的分析發(fā)現(xiàn)，科學是解釋世界的理論層次，強調(diào)科學知識的形成與發(fā)展；工程屬于改造世界的實踐層次，關注活動過程的體驗和結果的形成。二者又彼此交叉融合，前者的認知構建可以基于一定的工程情境中，工程實踐也離不開通過科學認識過程獲得依據(jù)。根據(jù)工程與科學的關系，我們不難發(fā)現(xiàn)，工程教育與科學教育具有著本質的聯(lián)系?？茖W教育活動中學生進行的認知活動都是建立在已有的科學解釋的基礎上，即通過各種教育教學活動去認識科學世界；工程教育則需要以科學教育為基礎，以創(chuàng)新活動為載體，讓學生在活動中運用所學的科學知識與原理解決現(xiàn)實問題?？茖W教育強調(diào)學習結果，即科學知識的獲得和技能的訓練，而工程教育更為關注學生實踐過程和產(chǎn)品設計的生命周期的體驗。

2 科學課程中整合工程設計實踐的目標和過程模式

工程實踐是指工程師所從事的工程構想、設計、實現(xiàn)和運行工作。其中，工程設計貫穿于產(chǎn)品孕育至消亡的全壽命周期，起到了促進科學研究、生產(chǎn)經(jīng)營和社會需求之間互動的中介作用，因此，工程設計實踐成為了工程教育領域的核心，基礎科學課程中整合工程教育主要表現(xiàn)為科學與工程設計實踐的整合。

以下我們將在對比分析現(xiàn)實的工程實踐與高等教育的工程實踐的目標和過程基礎上，參考美國“新標準”中對于工程設計實踐的相關規(guī)定，探討我國基礎教育階段工程設計實踐的要求和過程特征。

2.1 真實的工程實踐及其過程

工程活動從需求出發(fā)，明確任務，選定目標，依靠人類文明積累起來的科學技術知識和實踐經(jīng)驗，協(xié)調(diào)諸多現(xiàn)實制約中的矛盾，去構成一個有效、可靠、實用且系統(tǒng)化的信息加工過程。其實質是運用現(xiàn)代工程系統(tǒng)設計的基本原理和方法，將工程系統(tǒng)任務要求轉化為系統(tǒng)技術要求和系統(tǒng)最優(yōu)配置的過程，是一個以信息為主的輸入輸出轉換過程。

真實的工程實踐一般都遵循一套基本的思考程序流程，基本步驟表現(xiàn)為：①分析需求，明確目標：通過對環(huán)境的辨識，正確地分析社會需求，明確應該做什么，解決什么樣的問題，特別強調(diào)目標的準確度；②發(fā)散綜合，產(chǎn)生方案：使用發(fā)散思維，通過類比、聯(lián)想等多種方式，尋求解決問題的辦法，提出盡可能多的備選方案，以資比較；③收斂分析，比較方案：從技術、經(jīng)濟、人與社會等多個角度，對產(chǎn)生的諸方案進行分析比較，找出各個方案存在的優(yōu)勢與不足；④綜合評價，決策選優(yōu)：依據(jù)一定的評價準則，找出應使用的評價特征，對各個方案進行綜合評價，權衡利弊得失，選出最佳方案。顯然，真實環(huán)境中的工程實踐將面對復雜的外界環(huán)境和社會需求，需要綜合多元的標準和限制條件，進行充分的事先評價及利弊衡量促成方案選擇或優(yōu)化，這是一個系統(tǒng)復雜的過程。

2.2 高等教育的工程實踐目標及過程

2.2.1 高等教育的工程實踐目標

高等工程教育是以培養(yǎng)能將科學技術轉化為生產(chǎn)力的工程師為基本任務的專業(yè)教育。現(xiàn)行的高等工程教育具有多種人才培養(yǎng)模式，不同的培養(yǎng)模式中包含了不同的工程實踐目標和過程，現(xiàn)以近年來國際工程教育改革中較為推崇的卓越工程師教育培養(yǎng)計劃（以下簡稱“卓越計劃”）和CDIO模式為例，簡述其培養(yǎng)目標和過程。

“卓越計劃”是國家教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》的重大改革項目，對我國高等工程教育乃至整個高等教育的改革與發(fā)展都起到了重要的示范、引領和推動作用。“卓越計劃”要求在行業(yè)、企業(yè)深度參與下，綜合通用標準和行業(yè)標準制定工程人才培養(yǎng)方案和目標，充分遵循工程的實踐、集成與創(chuàng)新的特征，以強化學生的工程實踐能力、工程設計能力與工程創(chuàng)新能力為核心，培養(yǎng)復合型、高素質、滿足未來需要的優(yōu)秀工程型人才。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是在“回歸工程實踐”的背景下，由麻省理工學院和瑞典查爾摩斯工業(yè)大學等四所大學經(jīng)過四年的探索研究，提出的工程教育理念，開創(chuàng)了工程教育課程改革實踐的新模式。CDIO模式的教育目標是指通過在實際系統(tǒng)和產(chǎn)品的“構思-設計-實施-運行”的背景環(huán)境下強調(diào)工程基礎的工程教育，學生能夠掌握深厚的技術基礎知識，領導新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)與運行，理解工程技術的研究與發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響。CDIO教學大綱的培養(yǎng)目標具體包含以下四個層面：

（1）學科知識和推理。為了發(fā)展復雜、高附加值的工程系統(tǒng)，學生需要掌握工程教育所必備的學科基礎知識，包括基礎科學知識、高級的工程基本原理和核心的工程基本原理。其中，推理是工程過程中知識形成過程的基本形式。

（2）個人的和職業(yè)的技能與態(tài)度。涵蓋工程思維（工程推理和解決問題）、科學思維（實驗和知識發(fā)現(xiàn)）、系統(tǒng)思維、職業(yè)技能和態(tài)度與個人技能和態(tài)度五個方面。在高等教育階段，學生不僅需要在知識的形成和應用（工程推理）上獲得成長，更要在心理和社會意識上得到發(fā)展。

（3）團隊合作和交流的人際關系技能。包括團隊工作、溝通和外語交流三個方面，其重要性在它是產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)建造知識和能力在社會和企業(yè)環(huán)境下構思、設計、實施、運行產(chǎn)品和系統(tǒng)的基礎。

（4）在企業(yè)和社會環(huán)境下構思、設計、實施、運行系統(tǒng)。學生通過體驗完整且真實的工程實踐過程，理解研究和技術發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響，理解工程師的努力對產(chǎn)品或系統(tǒng)的實際影響。

無論是“卓越計劃”亦或是CDIO模式的人才培養(yǎng)目標，都較為一致地反映出高等工程教育以“企業(yè)、社會及學?！比灰惑w培養(yǎng)機制為核心的特征，它參照企業(yè)或設計的工程建設要求創(chuàng)設真實的或仿現(xiàn)實的工程實踐任務，要求學生通過在真實的問題情境中運用所學知識和技術，設計和開發(fā)滿足工業(yè)及社會需求的產(chǎn)品，提高自身的工程能力與創(chuàng)新能力。

2.2.2 高等教育中工程實踐的過程

工程實踐作為工程教育的實現(xiàn)途徑，在高等工程教育中具有舉足輕重的地位，它的基本過程涉及如下四個階段：

（1）構思階段。建立在個人的和職業(yè)的技能的基礎上，進行判斷和定性分析工程問題，主要表現(xiàn)為確定客戶需求，考慮技術，企業(yè)戰(zhàn)略和有關規(guī)定，開發(fā)理念、技術和商業(yè)計劃。

（2）設計階段。標準的設計需要從多個角度考慮工程對社會與環(huán)境的影響、參考相應的歷史和文化背景、考慮工程項目的財務與經(jīng)濟學以及企業(yè)的利益相關者、戰(zhàn)略與目標等，設計環(huán)節(jié)集中表現(xiàn)為創(chuàng)建設計，包括計劃、圖紙和描述產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)實施的方法和算法。

（3）實施階段。完成從設計到產(chǎn)品的轉變過程，包括硬件制造、軟件編程、測試和驗證。通過硬件制造與軟件實現(xiàn)的集成，完成可持續(xù)的實施過程，并測試、證實、驗證與認證工程設計。

（4）運行階段。通過產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)為用戶提供預期的價值，以及對系統(tǒng)的維護、改造、回收和報廢。

與真實工程設計實踐相較，高等教育中的工程實踐旨在通過各種工程實踐活動培養(yǎng)該領域學生達到特定的培養(yǎng)目標，即其作為一種教育活動，實現(xiàn)培養(yǎng)工程人才的最終目的；而真實工程設計實踐則是使具備工程能力與創(chuàng)新能力的人才創(chuàng)造出符合社會需求的人工產(chǎn)物。此外，就所面對的工程實踐任務而言，高等教育中的工程實踐任務是通過對現(xiàn)實中的工程實踐任務進行必要的改造和調(diào)整而形成的，與培養(yǎng)目標及其階段性相適應；至于其實踐過程，高等教育的工程實踐與真實工程實踐過程相似，盡可能地為學生創(chuàng)造體驗真實完整實踐過程的機會。

2.3 美國K-12科學課程中的工程設計實踐

美國在科學教育綱領性文件“框架”中，用“實踐”一詞取代原標準中的“探究”，將科學和工程實踐作為三個維度之一，通過在科學課程中整合工程設計實踐的方式，組織和實施基礎工程教育，這是一項具有戰(zhàn)略性意義的科學教育變革和創(chuàng)新。“框架”認為，K-12教育的實踐應取材于科學家和工程師的日常工作。通過實踐，學生了解科學知識是如何逐步發(fā)展的，通過一系列方法去探究、建模和解釋世界，通過了解科學家和工程師的工作，厘清科學和工程之間的區(qū)別與聯(lián)系，并能從跨學科和單獨學科的角度，更深層次地理解學科和工程領域的知識與意義，從而激發(fā)學生好奇心、吸引學習興趣、鼓勵學生在該領域繼續(xù)學習。可見，“框架”強調(diào)基礎科學課程中通過整合科學和工程兩種實踐活動，貫通科學知識與基礎工程知識學習的通道，幫助學生初步了解科學研究和工程實踐，促成學生跨學科視野與思維方式的形成。“框架”還提煉了科學探究實踐和工程實踐的共同要素，據(jù)此劃分并闡明了K-12階段科學課堂的實踐的8個環(huán)節(jié)，分別為：①提出、定義問題；②開發(fā)并使用模型；③計劃并實施研究；④分析并解釋數(shù)據(jù)；⑤運用數(shù)學、信息及計算機技術及計算機思維；⑥建立解釋、構建解決方案；⑦參與基于事實的論證；⑧獲取、評價并交流信息。其中，在步驟①、⑥中明確區(qū)分科學實踐與工程實踐的區(qū)別，即科學側重問題的提出，工程側重對問題的定義；在解決問題方面，科學側重于建立解釋，而工程更側重于構建解決方案，這與前文分析的科學教育與工程教育特征相吻合。

在“框架”提出的“學科核心概念”、“跨學科概念”和“科學和工程實踐”三個維度基礎上，美國新一代科學教育標準圍繞工程設計這一主題，按照不同學段學生認知水平和能力水平，提出學生在工程實踐的8個環(huán)節(jié)中應該達到的表現(xiàn)期望，見表1。

綜合分析“框架”與“新標準”中K-12階段工程實踐要素及其具體要求，并與高等教育的工程實踐培養(yǎng)目標與過程作比較，不難發(fā)現(xiàn)，無論是哪一個教育階段的工程實踐，都要求含有與真實的工程實踐相一致的過程要素，即涵蓋了問題分析，尋求、比較與優(yōu)化解決方案，構建模型或原型以表征解決方案，運行與修訂產(chǎn)品設計。但由于不同階段學生學科知識水平、思維能力水平以及在該領域的各項技能水平的限制，使得不同階段工程實踐的培養(yǎng)目標、任務復雜度與過程存在較大差異，具體表現(xiàn)如下：

（1）培養(yǎng)目標。高等工程教育以培養(yǎng)將科學技術轉化為生產(chǎn)力的專業(yè)人才——工程師為宗旨。與此相較，K-12階段工程教育的首要目標為：①強調(diào)工程設計；②融合重要的且與發(fā)展階段相適應的數(shù)學、科學、技術知識和技能；③形成工程思維習慣。

（2）任務復雜度。任務復雜度主要是從任務是否需要分解和所涉及的領域知識來看的。高等教育工程實踐任務強調(diào)真實性，因此往往包含復雜的問題解決過程，需要進行任務分解才能得以完成；而基礎工程實踐關注過程體驗，對實踐任務會作適當?shù)暮喕?。因此，在高等教育的工程活動中，學生需要掌握工程教育所必備的學科基礎知識，包括基礎科學知識、高級的工程基本原理和核心的工程基本原理；相比而言，K-12階段的工程實踐所要求的科學知識與該學段相對應，一般不要求以完備的工程原理為基礎。

（3）過程差異。高等工程教育要求學生能夠分析需求和現(xiàn)實的約束，在對問題進行專業(yè)性和倫理性的理解的基礎上，運用數(shù)學、技術、科學、工程知識，使用技術、技能和當代工程工具設計并進行實踐，分析并解釋數(shù)據(jù)，解決工程問題，并且，高等工程教育的設計環(huán)節(jié)是一個螺旋優(yōu)化的過程，其過程遠比K-12階段復雜。對于K-12階段的學生而言，強調(diào)“更加精確地定義問題，在選擇最佳解決方案時能夠設計一個更為周密的過程，優(yōu)化最終設計”，即側重“定義問題”、“開發(fā)方案”和“優(yōu)化設計”三個階段的體驗。其中，開發(fā)方案主要表現(xiàn)為考慮約束和現(xiàn)實限制條件，并利用科學知識，形成解決問題的方案，凸顯知識的應用，對設計的要求并不高。

3 對我國基礎工程教育的啟示

當前我國工學門類本科招生人數(shù)日益增長，但工程類人才卻明顯存在供不應求的現(xiàn)象，這主要源于基礎工程教育缺位，學生在接受高等教育之前很少有參與工程學習的機會，對于該領域陌生難免會降低學生對工學門類學科的學習興趣。我們通過對美國科學課程相關綱領性文件的分析，看到科學與工程的整合教育是未來我國基礎教育階段開展工程教育的突破口，探索與之相匹配的目標定位和實踐過程模式是基礎工程教育的需要。

（1）培養(yǎng)目標方面。通過對高等工程教育人才培養(yǎng)模式及目標與美國科學課程文件K-12階段工程教育表現(xiàn)期望的解讀，為我國基礎教育階段工程教育的培養(yǎng)目標的設計提供了重要的參考。我們需要結合我國基礎科學教育的現(xiàn)實條件，把握工程教育的兩個基本的目標維度：體現(xiàn)工程領域特色的能力與態(tài)度（工程意識、工程思維、全球化和創(chuàng)新性意識、合作與實踐的能力等）；發(fā)展在整合背景下的與階段相適應的數(shù)學、科學、技術知識和技能。在此基礎上，再進行地域化或校本化的課程設計與實踐。

（2）過程要素及特征方面。目前我國學者在美國K-12基礎工程教育實踐要素和要求的基礎上，探索構建了諸多更為詳細且符合真實情境的工程實踐步驟，但單純的借鑒或簡單的移植拼接痕跡明顯。針對美國課程文件以及相關的主要研究中提出的工程實踐的主要環(huán)節(jié)：“定義問題、構建解決方案、構建模型或原型、優(yōu)化與完善”，我們需要做進一步的辨析和演繹，比如“定義問題”中“定義”存在一定的模糊性，考慮到此環(huán)節(jié)旨在明確工程活動的目的所在和尋找限制問題解決的可能因素，因此將“定義問題”調(diào)整為“構思問題”更為貼切?！靶聵藴省痹凇皹嫿ń鉀Q方案”環(huán)節(jié)降低了對學生設計層面的要求，將工程設計和解決工程問題等同，但這會影響學生對設計要求和過程的體驗，因此我們可以考慮保留但降低設計的要求，并分解為“開發(fā)、形成與優(yōu)化解決方案”與“構建模型或原型”兩個階段，幫助學生深刻地認識設計在工程活動中的重要性，深入了解設計的基本程序和要義。此外，關注學生在構建問題和設計方案之間的信息收集體驗，設置“學習相關科學知識并收集信息”環(huán)節(jié)，要求學生根據(jù)自己所規(guī)劃的標準和約束條件，結合已知的知識或信息，對需要補充的加以收集。至此，我們初步提出了適應性的工程實踐環(huán)節(jié)：①構思問題；②學習相關科學知識并收集信息；③開發(fā)、形成與優(yōu)化解決方案；④創(chuàng)建模型或原型；⑤測試模型或原型，記錄并處理數(shù)據(jù)；⑥交流與評價；⑦迭代循環(huán)，優(yōu)化設計。需要指出的是，在開展工程實踐活動時，上述環(huán)節(jié)可以有所側重，關鍵在于讓學生了解工程實踐的基本過程和要求，在實踐基礎上發(fā)展相應的能力。

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