例谈STEM教育中的“E”（工程）

这几年，工程思维在STEM教育中广受重视。为什么要在中小学教育中强调工程教育？在STEM教育中E处于怎样的位置，有什么作用？教师在设计实施STEM教育时如何体现工程要素？解决好这些问题，是有效实施STEM教育的关键。宝华小学的这个案例，为我们展示了E在STEM教育中的角色，以及如何借助工程设计，学习科学、数学和技术的概念、技巧和思维习惯，对于我们进一步理解STEM教育以及课程开发提供了思路。

案例介绍

来自济南市宝华小学的“海绵家园”案例是为解决济南市雨水四季分布不均导致泉水停涌、雨季积水成“海”这一现实问题提出的STEM学习项目。该问题来自学生的真实生活，具备有意义的情境，是结合地域资源提出的项目研究问题。学生在此过程中，以工程设计流程为指导，逐步研究利用海绵体控制地表径流、净化水至中水再利用等方法，从根本上解决城市水资源分布不均的难题，实现改善家园环境的目标。

1.课程开发依据

STEM课程如何开发？这是很多学校在实施STEM教育时面临的问题。济南市宝华小学的课程开发经历了数轮迭代，最终确定以国家课程标准为依据，结合国家标准和学生核心素养要求确定STEM课程目标，在此基础上寻找合适的课程资源，实施课程教学，进行课程评价。“海绵家园”研究项目在小学阶段实施，以小学科学、数学等学科的国家课程标准和《中小学综合实践活动课程指导纲要》为课程开发指导依据，并兼顾语文、艺术等学科，强调工程设计思想在其中的体现。

在宝华小学看来，STEM课程与国家课程互相支持，共同促进学生核心素养的提升。STEM课程的实施离不开国家课程已学内容作为知识和方法基础，并依据国家课程标准，围绕核心素养而展开；同时，对于国家分科课程中由于课时有限无法顾及的内容，如本项目中泉水的成因调查、家庭用水中长期观察和数据分析、设计净水系统等，STEM教育为培养学生运用跨学科知识解决真实情境中的问题提供了机会，有助于学生联结抽象知识与现实生活，是目前分科教学的有效补充。

在课程开发过程中，宝华小学经历了以下流程：

欢小编认为，宝华小学在实施STEM教育时，没有抛开国家课程标准另辟途径，而是从研读国家标准出发，只不过研读的范围从本学科扩大到多个学科，以单人阅读丰富到教师团队集体研读；将课程标准中与研究项目相关的分段目标作为参考依据，从S、T、E、M四个维度制订目标，并兼顾A领域，最终将各领域目标打通、整合，参考《下一代科学课程标准》（NGSS）中提出的三维统整目标，提出科学探究与工程设计、跨学科知识与技能、科技与现实生活三个维度的目标【思维方法、知识与技能、与社会的联系】。

    简而言之，该项目目标的制订经历了以下四个环节：

    当然，这一过程并不是课程目标制定的标准答案，也不是终极结论，大家可以有借鉴，有创新。

2.本案例中S、T、E、M、A内容分析

3.工程教育怎么看，怎样做？

（1）工程的内涵和特征

工程是在特殊的情境中达成特定的目标或解决特殊的问题。工程师通过使用数学、科学、技术等专业知识，进行反复的设计、决策、建模、分析并进行最优化动态调整。工程设计是中小学工程教育中的核心地位。我们常常在艺术、时尚领域使用“设计”一词，教师也常常需要进行教学设计。何为工程设计？美国国家工程院和国家研究委员会将工程设计定义为“工程师赖以解决问题的方式——通常是为达到某一特定目的寻找制造设备或工艺的最佳方式”。纽约州在其STEM教育标准中提出：“工程设计是一个反复的建模和最优化的过程，在既定条件下发现最优的解决方案。”【见《美国中小学STEM教育研究》】

通过这两个定义，我们不难看出工程设计的一些核心特征：

   通过上图，欢小编将工程设计概括为两件事情：明确问题，解决问题，当然在解决问题的过程中也需要时不时“回头看”，不断明确问题的具体要求。

（2）工程思维是21世纪公民必备的技能之一

工程知识包罗万象，在中小学STEM教育中应该怎样给学生开展工程教育？《k12教育中的工程：理解现状和提升未来》指出，k12工程教育应促进培养学生的工程思维习惯，“工程思维习惯是21世纪公民必备的技能之一”。

何为工程的“思维习惯”？通俗来说，就是培养学生的思维，使其像工程师一样思考。从这一要求来看，工程教育的目标不是简单地让学生学会动手制作一个模型，会做出一个物品，而是将培养的着眼点放在学生思维层面，培养的是学生的高阶认知能力和思维方式。

《k12教育中的工程》报告将工程中的思维习惯表述为以下5个方面：

为什么要把工程设计思维引入中小学教育中？为什么说它是21世纪公民必备技能之一？欢小编认为，具备工程设计思维者具有以下能力：

• 系统思考问题的能力，不是片面地分析现象，不从简单的线性因果关系分析问题【现实世界不正如此吗？很多事情之间都有着盘根错节的关系】

• 审视批判世界，认为世界可以被改造，每种技术都有可能被改善【不断迭代，批判性思维】

• 积极应对挑战，掌握思考问题的方式、解决问题的程序，懂得问题可以被解决【积极的问题解决者】

• 善于合作，能综合不同视角、知识和能力成员的贡献【合作、共赢】

• 充分考虑限制因素和具体要求【了解现实需求】

（3）E和S、T、M之间的关系

工程与STEM中的科学、技术和数学学科存在着天然的联系。工程设计创设真实的问题情境和学习环境，在其中，科学提供解释和认识世界的概念、原理知识和探究方法，有助于工程问题的确定和做出工程设计决策；数学为工程学习提供工具基础，如数据收集方法、数据分析和处理工具、问题解决模型等；技术与工程的关系更加紧密，呈现半分离的状态，工程是技术的选择和集成，技术不仅串起了工程内容的“珠子”，为工程设计提供实现手段，也可以是工程内容本身。同时，在工程学习环境中，科学、数学、技术的学习有了更丰富的意义和价值。

    在上周末安徽举办的“中国STEM教育2029行动计划种子及骨干教师培训会议”上，中国教科院STEM教育研究中心王素主任请大家绘制STEM框架——你认为的STEM各要素之间的关系。我也尝试一把，把四者间关系描述如下：

（4）在中小学阶段引入工程教育具有怎样的意义

①给学生提供一种新的视角，尝试用批判性的思维看待自然世界和设计世界的不同。Katehi、Pearson和Feder等研究者认为，工程设计是中小学工程教育的最高层次追求，它让学生理解世界是如何设计的，为什么如此设计，反过来设计又怎样影响我们。以“海绵家园”案例为例，学生通过调查研究、动手设计“海绵家园”，理解家乡的水资源问题是可以通过一定的办法解决的，需要借助科学、数学、技术和工程学知识，成为积极的问题解决者。同时，在设计过程中，不断思考社会、环境、经济等限制因素，使设计不断聚焦，方案不断优化。实践成功的设计方案可以解决家乡的水资源问题，改善我们的生活。

②给学生提供一个真实的情境，理解抽象概念及其与社会的作用。工程设计为学生提供一种情境，在这一情境中，学生进行知识的深度学习，理解知识与社会的相互作用，以更加全面的方式思考和行动。在“海绵家园”这个案例中，通过工程创设的学习环境，学生不仅理解科学、技术和数学概念，同时掌握如何在真实情境中应用这些概念、方法和思维方式，理解其对社会的贡献。 

③提供系统的思维方式。《学习罗盘2030》提出，个体必须学会成为“系统思考者”（systems thinkers），解决真实世界问题。设计之所以成为工程师的重要工作，在于其复杂性和难以把握性。当运用设计时，我们面对的是复杂的具体情境，这一情境是真实的，受大量外部因素和人为因素的影响，如“海绵家园”案例中“如何保持趵突泉的可持续喷薄活力”这一问题情境。通过设计解决问题的过程不是一个线性的、按部就班的过程，学生可能需要经历反复的设计和测试，以及体验失败，并不断调整完善自己的做法。在“海绵家园”这个案例中，学生的设计活动经历了如下过程：

（5）中小学工程教育怎么做

如何做是一线教师们最关心的问题。结合美国k12工程教育委员会的观点和“海绵家园”这一案例的具体做法，本文提出以下三点供大家参考。

第一，为学生提供足够的课堂时间，拓展工程设计活动。

第二，鼓励学生有目的地对设计进行反复修正；

第三，依据从易到难的原则对工程教育的内容排序。

重要的概念和技能无法通过单一课堂获得，思维习惯更是需要长期培养，因此，只有给予学生足够充分的时间体验和设计，才能引发学生的兴趣，促进学生的理解，实现学生的深度学习。在“海绵家园”这个案例中，除去课下调研和查阅资料的时间，教师将课堂学习分为8个课时，分主题、分层次逐步实施，化繁为简，拔丁抽楔：

而在每一个模块的学习中，又以工程设计流程引导学生体验设计思维，学习科学、数学和技术知识，解决问题。

结语

设计是工程学的核心，也是STEM教育的显著特征。不是搭建一个桥梁就是工程设计活动，只有具备设计特征的制造和建造活动才能称为工程活动。在STEM过程中，体现工程思维，不是看学生是否动手组装材料，而要看在此过程中，是否体现了“设计”思想。   

• 设计通常是创新，对于情境问题无现成答案，需要提供一种方案解答；

• 设计又是反复的，面对复杂问题，设计的过程必然是一种反复修正、改良和协商的过程，在此过程中，设计者依据限制条件、测试结果、客户要求，不断优化解决方案，直至最大化满足要求。

  工程教育将STEM的跨学科特性充分显现出来。在STEM教育中，我们既要注重培养学生跨学科解决实际问题的能力，也要重视单学科领域的教学。济南市宝华小学“海绵家园”案例从单学科国家课程标准出发，以工程设计综合STEM学习的做法为我们提供了一个良好的案例参考。

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