中小學工程思維培養(yǎng)的理論基礎、教學與評價方式

宋玉潔 薛耀鋒 王坤 朱芳清

華東師范大學教育信息技術(shù)學系暨上海數(shù)字化教育裝備工程技術(shù)研究中心

隨著社會活動復雜度的日益提升，工程思維的培養(yǎng)逐漸成為國內(nèi)外基礎教育關(guān)注的重點。本研究分別從和中國知網(wǎng)中檢索搜集了中英文文獻，對國內(nèi)外在中小學階段的工程思維培養(yǎng)研究進行梳理。

● 工程思維的內(nèi)涵

美國哈維穆德學院的Dym教授將工程定義為一個系統(tǒng)的、需要智能參與的過程。在這個過程中，設計師產(chǎn)生、評估并指定設備、系統(tǒng)或過程的概念，使得這些設備、系統(tǒng)或過程的形式和功能達到客戶的目標或用戶的需求。美國于2014年發(fā)布《2014NAEP技術(shù)與工程素養(yǎng)評估框架》，該框架將技術(shù)與工程素養(yǎng)定義為使用、理解和評估技術(shù)，指的是理解和設計解決方案并最終實現(xiàn)工程目標所需的技術(shù)原則和籌劃決策的能力。由于涉及工程思維培養(yǎng)的教學活動大多通過工程設計過程來開展，因此，在國外，工程思維也常被稱為工程設計思維（Engineering Design Thinking）。我國對工程思維的研究開始于20世紀80年代，李伯聰院士從工程哲學的視角出發(fā)，認為工程思維是工程的靈魂，他在將工程思維和科學思維對比分析后，發(fā)現(xiàn)工程思維的對象是工程問題，是研究當下沒有的事物，是進行籌劃、建造的思維活動，目標是讓思維活動的產(chǎn)物產(chǎn)生實際應用價值。我國的《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》將工程思維明確定義為“以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維”。

國內(nèi)外研究對工程思維的構(gòu)成要素有著不同的劃分方式，美國國家工程科學院將創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)思維倫理道德以及人際合作交流作為學生需要培養(yǎng)的工程思維項目。而美國工程與技術(shù)教育中心則認為工程思維的核心要素是學生在工程設計活動中形成的系統(tǒng)性思維以及問題解決能力。我國學者廣泛認可的基礎教育階段工程思維構(gòu)成分類包含工程決策思維、工程設計思維、工程實施思維和工程評價思維四個部分。工程決策思維指的是在工程活動中對工程任務進行問題定義、需求定義的目標決策，也包括對方案的制訂與最佳方案分析的路徑?jīng)Q策；工程設計思維是工程活動的核心，指的是根據(jù)決策內(nèi)容產(chǎn)生創(chuàng)新想法，對產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)進行設計；工程實施思維指導工程參與者如何執(zhí)行方案，以及在方案中根據(jù)信息和經(jīng)驗選擇材料、組合技術(shù)完成產(chǎn)品原型構(gòu)建；工程評價思維是指對產(chǎn)物進行科學、全面且公正的評價，并且從社會利益價值的角度客觀評估產(chǎn)物的性能，為后期再次迭代做準備。

● 工程思維教學方式

1.工程思維教學方式

隨著對工程思維概念和特征的深入理解，面向中小學工程思維培養(yǎng)的教學方式也更加具有指向性和科學性。通過對經(jīng)典國外文獻的梳理，筆者對工程思維培養(yǎng)教學中的教學方式進行了歸納，如表1所示。

從表1可以看出，在工程思維培養(yǎng)的課堂中，工程思維的培養(yǎng)教學方式在朝著不斷簡化的方向發(fā)展。下面以澳大利亞昆士蘭科技大學Lyn D. English教授等人面向STEM的工程設計教學方式為例，分析工程思維教學過程。第一步是問題界定，需要對問題情境中的目標、限制條件、問題背景進行資料搜集和探究，對可行的方法、測試材料進行猜想，并和同伴建立合作關(guān)系。第二步是想法創(chuàng)新，團隊成員基于對問題的理解開展頭腦風暴，形成初步策略，逐漸制訂可行的計劃。第三步是根據(jù)計劃開展設計，分步驟進行草圖設計和模型構(gòu)建。第四步是對設計進行評估，對照問題界定中的限制條件建立測試環(huán)境，對模型進行測試評估。第五步是根據(jù)評估結(jié)果和整體問題情境需求以及目標，重新審視并進行第二次設計和模型轉(zhuǎn)化。

表1 國外經(jīng)典工程思維教學方式

2.國內(nèi)外工程思維教學活動案例

經(jīng)過對大量教學活動方式和評價方法的研究，筆者將部分工程思維培養(yǎng)的教育研究案例進行了整理，具體如表2所示。

表2 工程思維培養(yǎng)的教育研究案例

● 工程思維的評價方法

基于以上教學方式，學者們研究了大量面向工程思維培養(yǎng)的評價方法，主要包括對行為的編碼測評和對思維水平的試題測評等。對學習行為的編碼方式大致分為兩種類型:第一是工程思維認知，即根據(jù)每個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)記錄、訪談結(jié)果，從A到C對是否掌握該認知點進行打分;第二是考察工程設計過程，根據(jù)視頻和音頻記錄對設計過程中研究者所處過程進行界定和劃分。

美國發(fā)布的《2014NAEP技術(shù)與工程素養(yǎng)評估框架》從具體理解技術(shù)原理、設計方案實現(xiàn)目標、交流與合作三個方面來評估學生的工程素養(yǎng)。

在《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》中，工程思維水平被劃分為系統(tǒng)分析方法、模型認知與建構(gòu)以及決策分析與風險評估三個維度，每個維度分為3～5個水平層次，工程思維評價指標如右圖所示。雖然該評價描述中體現(xiàn)了每個環(huán)節(jié)在不同階段的要求，但要求比較抽象且沒有很好地將學科內(nèi)容和核心素養(yǎng)結(jié)合形成任務指引，不利于指導教師開展教學活動和評價。

● 總結(jié)

通用技術(shù)學科工程思維評價指標[27]

國內(nèi)面向中小學生工程思維培養(yǎng)的研究應當結(jié)合學生的認知發(fā)展水平特征，不斷探索和總結(jié)適應我國中小學學生特色的教學方式，只有這樣才能提高學生的問題解決能力，為國家培育更多優(yōu)秀人才。