科學(xué)教育中的工程設(shè)計(jì)：過程、特征及教學(xué)策略

張霄等

隨著科學(xué)教育改革的不斷深入，工程設(shè)計(jì)逐漸引起廣大科學(xué)教育工作者的關(guān)注?？茖W(xué)探究旨在創(chuàng)造和檢驗(yàn)關(guān)于自然界及其運(yùn)行規(guī)律的解釋和預(yù)測(cè)，而工程設(shè)計(jì)旨在制造產(chǎn)品，以解決問題或滿足用戶的需求。因此，在教學(xué)中，教師除了關(guān)注科學(xué)教育中工程設(shè)計(jì)的特征外，還要關(guān)注其設(shè)置的問題以及分析問題的方式，采用恰當(dāng)?shù)牟呗砸龑?dǎo)學(xué)生通過撰寫日志的方式隨時(shí)記錄想法、解決問題。

工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究的比較

工程設(shè)計(jì)和科學(xué)探究是科學(xué)教育中的兩項(xiàng)重要內(nèi)容，兩者之間相互聯(lián)系，但又不盡相同。隨著科學(xué)教育改革的不斷深入，工程設(shè)計(jì)逐漸引起廣大科學(xué)教育工作者的關(guān)注。如上所述，科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)并非決然相異，它們之間存在著若干異同之處（如表1）。教師只有在明確科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)之間的區(qū)別與聯(lián)系的基礎(chǔ)上，才有可能在真實(shí)的教學(xué)情境中合理地處理兩者之間的關(guān)系。

1.科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)的相同之處

（1）兩者均利用復(fù)雜現(xiàn)象的簡(jiǎn)單模型創(chuàng)造關(guān)于自然界的解釋（科學(xué)）或生產(chǎn)更好的產(chǎn)品（工程）。

（2）兩者均通過研究的方式更好地理解問題，當(dāng)涉及抉擇制定何種計(jì)劃或支持何種假設(shè)時(shí)，兩者均通過基于證據(jù)的討論，達(dá)成共識(shí)。

（3）兩者均涉及實(shí)施實(shí)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)。

（4）兩者均要求學(xué)生相互交流研究成果。

2.科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)的兩點(diǎn)不同之處

（1）形成觀點(diǎn)的方式不同。

對(duì)于工程設(shè)計(jì)者而言，即使他們沒有被要求發(fā)明全新的方案解決面臨的困難，他們也期待采取一種創(chuàng)新的、全新的方式形成、組合、重新安排各類觀點(diǎn)。在完成上述工作的諸多途徑中，頭腦風(fēng)暴是廣為人知的策略之一。完成頭腦風(fēng)暴的兩項(xiàng)基本方針是：設(shè)計(jì)者需要盡可能多地列出觀點(diǎn)，無論這些觀點(diǎn)看起來多么不可行;在列出觀點(diǎn)階段，設(shè)計(jì)者不要對(duì)他人的觀點(diǎn)進(jìn)行批評(píng)。當(dāng)設(shè)計(jì)者進(jìn)行頭腦風(fēng)暴時(shí)，第二條方針極為重要。在頭腦風(fēng)暴期間，設(shè)計(jì)者們需要追求的是觀點(diǎn)的數(shù)量，而非質(zhì)量。

（2）排除故障或重復(fù)的方式不同。

設(shè)計(jì)者們通過建構(gòu)模型和排除故障的方式完成學(xué)習(xí)，即在模型檢驗(yàn)和修復(fù)的過程中探索、解答問題。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、排除故障、改進(jìn)模型的循環(huán)被稱為設(shè)計(jì)迭代，它是工程設(shè)計(jì)的標(biāo)志性流程。

3.科學(xué)教育中工程設(shè)計(jì)的往復(fù)過程

工程設(shè)計(jì)的整體流程是系統(tǒng)的、往復(fù)的，往復(fù)的過程意味著每一個(gè)全新版本的設(shè)計(jì)都會(huì)被檢驗(yàn)和修正?？茖W(xué)教育中工程設(shè)計(jì)的往復(fù)過程可分為5步（如圖1）：

（1）學(xué)生及其工作小組識(shí)別整體的問題情境，包括首要的問題和特殊客戶或用戶的需求。與科學(xué)探究不同的是，工程設(shè)計(jì)旨在滿足客戶的特定需求，因此在解決問題的過程中學(xué)生更多地要著眼于人的需求，而非自然界的普遍規(guī)律。

（2）基于對(duì)問題和相關(guān)科學(xué)知識(shí)的理解，學(xué)生形成各自的觀點(diǎn)。隨后，學(xué)生在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中毫無保留地分享他們的觀點(diǎn)。

（3）設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造和檢測(cè)他們的計(jì)劃和模型，記錄檢測(cè)的結(jié)果，使用已有的科學(xué)知識(shí)解釋發(fā)生的現(xiàn)象。

（4）設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和其他團(tuán)隊(duì)或整個(gè)班級(jí)分享他們的檢測(cè)結(jié)果，以及工程設(shè)計(jì)對(duì)于問題解決的實(shí)際效果。

（5）設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從其他小組中搜集反饋信息，對(duì)自己的設(shè)計(jì)予以檢查和再次測(cè)試。

科學(xué)教育中工程設(shè)計(jì)的七大特征

1.客戶驅(qū)動(dòng)和目標(biāo)取向

工程師團(tuán)隊(duì)的每一項(xiàng)任務(wù)均面臨一個(gè)具體的、明確的目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)通常是以客戶或用戶的需求為中心的，客戶也許是個(gè)人，也可能是一個(gè)大的公司，最終用戶可能是制作該產(chǎn)品公司的消費(fèi)者。例如，生物醫(yī)藥工程師可能被要求通過矯形術(shù)公司為一名兒童設(shè)計(jì)修復(fù)性假肢，其中，客戶是矯形術(shù)公司，最終用戶是兒童。教師帶領(lǐng)學(xué)生完成工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要幫助他們明確工程設(shè)計(jì)的問題是什么、目的是什么、客戶是誰、最終用戶是誰，其次在工程設(shè)計(jì)的過程中如何協(xié)調(diào)客戶與最終用戶之間的不同需求等問題。

2.情境的真實(shí)性

對(duì)于學(xué)生而言，工程設(shè)計(jì)任務(wù)的一個(gè)更具吸引力的特征就是：?jiǎn)栴}的提出通常基于真實(shí)的情境。與大多數(shù)基于問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)相似，當(dāng)學(xué)生面對(duì)的問題是生活中常見的問題時(shí)，他們會(huì)更加具有學(xué)習(xí)的熱情和參與的積極性。例如，如果是涉及污水處理的工程設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)氐乃蠘穲@就能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)真實(shí)的問題情境，其他真實(shí)情境還包括當(dāng)?shù)乇晃廴镜某靥粱蚝恿?。學(xué)生可以通過小組合作的形式設(shè)計(jì)、創(chuàng)造、檢驗(yàn)?zāi)軌蚴刮鬯靡詢艋牧鞒袒虍a(chǎn)品。推而廣之，其他主題的工程設(shè)計(jì)，甚至可以用自然災(zāi)害作為問題情境，如龍卷風(fēng)、颶風(fēng)、洪水等。

3.限制條件的挑戰(zhàn)性

限制條件是加在工程設(shè)計(jì)之上的規(guī)則和規(guī)定。最為常見的限制條件包括成本、時(shí)間和有限的資源，即工程設(shè)計(jì)需要在一定的時(shí)間和開銷范圍內(nèi)，利用有限的資源解決問題，滿足客戶和用戶的需求。在工程設(shè)計(jì)的早期階段，限制條件可能被設(shè)計(jì)者反感，因?yàn)樗ǔ?huì)束縛設(shè)計(jì)者的想法與思路。例如，一方面必須在一定的空間范圍內(nèi)設(shè)計(jì)一輛汽車的引擎，另一方面這個(gè)引擎還要不小于一定的功率。然而，作為一項(xiàng)完整的設(shè)計(jì)，限制條件能夠?qū)π纬稍O(shè)計(jì)問題和尋找解決方案起到一定的促進(jìn)作用。

4.提供給學(xué)生熟悉的材料、資源和工具

工程師通過調(diào)查來獲得制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或限制條件的數(shù)據(jù)，而計(jì)劃并設(shè)計(jì)調(diào)查需要具備合理使用設(shè)備、材料、工具的能力。因此，教師必須向?qū)W生提供他們熟悉的并且能夠熟練操作的材料和工具，使他們能夠?qū)⑷康木杏诠こ虇栴}的解決、產(chǎn)品或流程的設(shè)計(jì)，而不是花費(fèi)在工具或素材的使用與熟悉方面。在設(shè)計(jì)活動(dòng)中，教師可以通過一系列的問題促進(jìn)學(xué)生思考材料與任務(wù)之間的關(guān)系。例如，教師可以問學(xué)生：“通過何種方式運(yùn)用這些材料完成你的設(shè)計(jì)？能夠使用其他材料代替嗎？”

5.問題解決方案的產(chǎn)品和流程

絕大多數(shù)工程設(shè)計(jì)的問題解決方案包括產(chǎn)品和流程兩種形式。所謂產(chǎn)品通常是一個(gè)手工制品，也被稱為原始模型，原始模型通常是三維模型;所謂流程是得到產(chǎn)品的一系列步驟或方法。因此，工程設(shè)計(jì)對(duì)于工程師的訴求是要求工程師團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、建構(gòu)、開發(fā)和檢測(cè)他們的原始模型或流程。在這個(gè)過程中，其他團(tuán)隊(duì)可能復(fù)制或再次使用這個(gè)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)與完善。在工程設(shè)計(jì)的中期和末期階段，教師可以問學(xué)生一個(gè)關(guān)鍵的問題：“你的產(chǎn)品和流程通過何種方式滿足了客戶和用戶的需求？”

6.解決方案的多樣性

工程設(shè)計(jì)任務(wù)的一個(gè)重要特征是對(duì)于任何任務(wù)而言都不只存在唯一一種特殊的或正確的解決方案。像科學(xué)探究一樣，工程設(shè)計(jì)需要建構(gòu)可行性方案。然而，在工程設(shè)計(jì)過程中，工程師必須要考慮各類限制條件和可利用的資源，遵從客戶需求和時(shí)間、安全和成本等限制因素。因此，通常不存在單一的、最佳的解決方案，而是一系列具有可行性的解決方案。工程設(shè)計(jì)的這一特征允許學(xué)生的設(shè)計(jì)方案具備創(chuàng)新性、獨(dú)創(chuàng)性和原創(chuàng)性，為學(xué)生解決問題提供了極大的靈活性與自主性。

7.團(tuán)隊(duì)合作

像科學(xué)家一樣，工程師也要以團(tuán)隊(duì)的形式開展工作，其被稱為技術(shù)組或設(shè)計(jì)組。工程師團(tuán)隊(duì)與科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的不同之處在于，工程師必須在一定的限制條件下，同時(shí)面對(duì)若干設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完成任務(wù)。因此，當(dāng)學(xué)生面對(duì)一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)時(shí)，教師需要鼓勵(lì)他們以團(tuán)隊(duì)合作的形式并結(jié)合各成員的專長(zhǎng)來解決問題，并關(guān)注團(tuán)隊(duì)中每位成員的貢獻(xiàn)。教師可以問學(xué)生：“如何能夠使團(tuán)隊(duì)中的每一位成員為工程設(shè)計(jì)的計(jì)劃、建構(gòu)、檢測(cè)作出貢獻(xiàn)？對(duì)你而言，為什么以團(tuán)隊(duì)的形式完成任務(wù)很重要？如何提升你的團(tuán)隊(duì)成員在完成設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)呢？”

科學(xué)教育中工程設(shè)計(jì)的教學(xué)策略

工程設(shè)計(jì)的情境通常包括課堂和生活兩種。在這兩種情境下，教師應(yīng)該采取哪些措施呢？

對(duì)于課堂情境中的工程設(shè)計(jì)而言，教師需要格外關(guān)注其設(shè)置的問題以及分析問題的方式。建構(gòu)一系列合理的問題，不僅需要教師對(duì)學(xué)生的既有知識(shí)和能力有清晰的把握，還需要了解工程師在完成此項(xiàng)工作時(shí)的已有解決方案。教師在設(shè)置工程任務(wù)時(shí)不能只為學(xué)生提出一個(gè)總問題，還需要進(jìn)一步引導(dǎo)他們將總問題進(jìn)行解構(gòu)，將其轉(zhuǎn)化為有內(nèi)在聯(lián)系的、具有可操作性的、滿足各類限制條件的若干子問題。不同團(tuán)隊(duì)的子問題可能不盡相同，這就需要教師能清晰地把握各個(gè)團(tuán)隊(duì)的思路、進(jìn)度。教師在設(shè)置和解構(gòu)問題時(shí)可以參考以下三條建議：為學(xué)生設(shè)置開放性問題，特別是在引導(dǎo)學(xué)生解構(gòu)總問題時(shí)，教師應(yīng)當(dāng)給予學(xué)生最大程度的開放性;引導(dǎo)學(xué)生探索各種問題之間的差異，而問題的差異可能導(dǎo)致解決問題途徑的差異;促進(jìn)學(xué)生對(duì)于問題解決的概念性思考。

對(duì)于生活情境中的工程設(shè)計(jì)而言，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過撰寫日志的方式隨時(shí)記錄想法，解決問題。日志能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和與他人分享觀點(diǎn)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，日志是一個(gè)討論和擴(kuò)展學(xué)生所學(xué)知識(shí)的重要渠道。學(xué)生可以將日志帶回家，與家人分享關(guān)于工程設(shè)計(jì)的各種觀點(diǎn)，向他們咨詢解決問題的策略，進(jìn)而將課堂中的工程設(shè)計(jì)延伸至實(shí)際生活中。絕大多數(shù)情況下，討論能夠促進(jìn)問題的解決和學(xué)生高階思維的形成。學(xué)生天性中的好奇心能夠引導(dǎo)他們參與到周圍的世界中去，開拓更為廣闊的學(xué)習(xí)環(huán)境。在日志中，學(xué)生能夠及時(shí)記錄在生活中觀察到的各類現(xiàn)象或遇到的各種問題，回到學(xué)校時(shí)和老師、同學(xué)進(jìn)行交流討論，利用學(xué)校里的一切資源解決問題。