江豐光 李豐江 姜舒寒

【摘 要】本文介紹了美國塔夫茨大學(xué)的小說工程課程整合的教育理念與模式策略，并介紹其小說工程項(xiàng)目案例，讓故事為工程設(shè)計(jì)提供實(shí)際情境，從而激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。最后為中小學(xué)工程教育在我國的開展提出了一些可行性建議。

【關(guān)鍵詞】STEM教育；小說工程；中小學(xué)；跨學(xué)科整合；工程教育

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2016）07-0075-0

背景說明

科學(xué)、工程等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展?fàn)顩r與社會(huì)生產(chǎn)力的提高密切相關(guān)，在全球化背景下，各國均開始大力培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)域人才。但由于種種原因，許多國家出現(xiàn)了學(xué)生對(duì)工程相關(guān)職業(yè)興趣消退、選擇從事相關(guān)職業(yè)的人數(shù)不斷減少的狀況。為應(yīng)對(duì)人才危機(jī)，美國自21世紀(jì)初開始大力發(fā)展STEM教育，即整合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics），并出臺(tái)了一系列政策法案、教育標(biāo)準(zhǔn)。2015年底公布的STEM教育法案明確提出要加強(qiáng)培育STEM學(xué)科教師，增加各種非正式STEM項(xiàng)目等，足以顯示出STEM教育在各方面開展的緊迫性。STEM中科學(xué)和數(shù)學(xué)是相對(duì)傳統(tǒng)的學(xué)科，課程體系、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟，教育者對(duì)工程、技術(shù)教育的關(guān)注則比較少（范燕瑞，2011）。2011年和2013年，美國相繼出臺(tái)了《K-12科學(xué)教育框架》（A Framework for K-12 Science Education，以下簡稱《框架》）和《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS），其中反復(fù)強(qiáng)調(diào)科學(xué)與工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念以及學(xué)科核心概念三個(gè)維度?！犊蚣堋分赋銎浣逃繕?biāo)的設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)科學(xué)與工程教育的構(gòu)想，學(xué)生能夠深入情境，積極調(diào)動(dòng)所學(xué)知識(shí)參與工程實(shí)踐，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力，這與過去強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探究的主要思路有很大差別（葉兆寧，2013），將K-12階段的工程實(shí)踐教育放在了前所未有的高度。

我國工程教育的重心一直在高等教育階段，現(xiàn)行的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，涉及科學(xué)知識(shí)、探究內(nèi)容較多，而技術(shù)、工程實(shí)踐的內(nèi)容很少。其實(shí)早在2006年，涂善東曾率先提出“全面工程教育（Total Engineering Education）”的理念，強(qiáng)調(diào)工程教育應(yīng)當(dāng)覆蓋幼兒園到大學(xué)乃至后學(xué)歷教育，培養(yǎng)全民的工程思維和素養(yǎng)（涂善東，2007），遺憾的是，這種理念并沒有受到太多重視。許茵和雷慶（2007）對(duì)中美K-12工程教育對(duì)比研究表明，我國目前的有關(guān)工程的教育內(nèi)容缺乏學(xué)科整合，實(shí)踐活動(dòng)較少。劉華和張祥志（2014）從創(chuàng)造力維度對(duì)K-12工程教育現(xiàn)狀進(jìn)行的研究表明，我國中小學(xué)生的創(chuàng)造興趣、對(duì)工程師的職業(yè)向往度、動(dòng)手及設(shè)計(jì)能力均較低。綜上所述，無論是從提升國家未來競爭力的層面，還是保證國家工程技術(shù)人才儲(chǔ)備的層面，在K-12教育階段實(shí)施工程教育都有重要意義。

小說工程教育

美國塔夫茨大學(xué)工程教育推廣中心（CEEO）一直致力于向公眾傳播STEM教育理念，改善幼兒園到大學(xué)課堂的工程教育狀況。小說工程項(xiàng)目是其重要項(xiàng)目之一，以一種非常新穎的形式在校本課程中將工程教育與語文整合（Integrating Engineering and Literacy，簡稱IEL），學(xué)生在英語文學(xué)課（English Language Arts）上閱讀材料（如故事、小說等）時(shí)，小說或故事中的人物會(huì)遇到一些難題，此時(shí)學(xué)生基于故事情境，利用自己已有的知識(shí)技能，小組協(xié)作，在教師的支持下完成工程設(shè)計(jì)，幫助故事人物解決問題。研究已經(jīng)取得一些成果：

（1）能結(jié)合文科等相關(guān)學(xué)科內(nèi)容。小說工程基于既有課程的閱讀材料，學(xué)生在設(shè)計(jì)解決方案時(shí)要從閱讀材料中尋找線索，這就要求學(xué)生對(duì)材料的深刻理解，在此過程中學(xué)生的語文素養(yǎng)得到提升。

（2）激發(fā)每位學(xué)生的參與。這種新穎的整合方式讓那些對(duì)閱讀缺乏興趣的學(xué)生產(chǎn)生閱讀與創(chuàng)作的興趣，正所謂寓教于樂。

（3）促進(jìn)不同學(xué)科的整合。在故事情境中尋找實(shí)際問題和用工程思維解決問題來促進(jìn)閱讀的方式促成了學(xué)科間彼此融合，這與通用核心國家標(biāo)準(zhǔn)和NGSS中的跨學(xué)科概念相契合。

（4）能引入實(shí)際的工程問題。在故事情境中尋找真實(shí)的、非良構(gòu)的工程問題，像工程師一樣去解決問題，能使學(xué)生獲得比NGSS要求更高的工程能力。

（5）培養(yǎng)學(xué)生21世紀(jì)技能。參與整個(gè)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐促使學(xué)生提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、交流溝通能力等21世紀(jì)技能。

涂善東（2007）轉(zhuǎn)述美國工程教育協(xié)會(huì)對(duì)工程的定義為“一種把科學(xué)和數(shù)學(xué)原理、經(jīng)驗(yàn)判斷和常識(shí)運(yùn)用到造福人類的產(chǎn)品制造中去的藝術(shù)，是生產(chǎn)某種技術(shù)產(chǎn)品的過程或滿足特定需要的體系”。從定義可看到，工程教育要求科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)的高度整合，非常契合STEAM教育理念。另外，工程教育必然符合工程本身的特點(diǎn)：情境復(fù)雜、多學(xué)科、不確定性、協(xié)作等。當(dāng)然，與高等工程教育培養(yǎng)工程從業(yè)人員的目標(biāo)不同，K-12階段的工程教育更主要是培養(yǎng)學(xué)生一種解決實(shí)際問題的工程素養(yǎng)，提升他們對(duì)工程職業(yè)的興趣，為學(xué)生進(jìn)入社會(huì)或者大學(xué)深造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)（劉華和張祥志，2014）。

工程設(shè)計(jì)需要兩方面的能力：具體的技術(shù)能力和綜合運(yùn)用多領(lǐng)域技術(shù)的能力。具體的技術(shù)能力是目前許多研究者關(guān)注比較多的部分，比如搭建、繪圖、建模等，因?yàn)檫@部分有學(xué)校的科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)教育作為基礎(chǔ)，而且評(píng)價(jià)相對(duì)比較容易。而第二種能力是關(guān)于工程實(shí)踐者的認(rèn)知過程中的動(dòng)態(tài)變化，也就是工程設(shè)計(jì)中的“框架（framing）”過程，工程框架是個(gè)人先前經(jīng)驗(yàn)與當(dāng)下情境交互作用所建立的對(duì)一個(gè)特定情境正在發(fā)生事情的整體把握（Tannen， 1993）。工程框架過程是動(dòng)態(tài)的，它不斷與新的經(jīng)歷作用、重塑，筆者認(rèn)為這是學(xué)生工程設(shè)計(jì)中的認(rèn)知建構(gòu)過程。

從事小說工程的研究通常以案例研究作為主要研究方法，從案例研究中挖掘到的基于語境的信息恰恰就是它的方法論優(yōu)勢。案例研究尤其適合去應(yīng)用創(chuàng)新方式改善教育教學(xué)中所遇到的問題（Case & Light， 2011）。盡管當(dāng)今量化研究在工程實(shí)踐研究中更受歡迎，也更有系統(tǒng)性和說服力，但由于此研究更關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知變化，質(zhì)性研究更為適合。小說工程的研究者主要通過實(shí)地錄像、參與指導(dǎo)、訪談的方式深層次分析學(xué)生在自然狀態(tài)下的設(shè)計(jì)過程，以了解他們?nèi)绾稳ソ缍▎栴}、確定限制條件、設(shè)計(jì)解決方案等。研究者最后將學(xué)生的工程框架過程與NGSS的相關(guān)表現(xiàn)預(yù)期進(jìn)行對(duì)比，觀察他們在項(xiàng)目實(shí)施中的變化以及學(xué)生之間的差異，從而找到最適合的IEL模式。

教學(xué)模式與策略

美國的IEL的教學(xué)模式如下所述：

（1）閱讀材料并確定實(shí)際問題。通過深入閱讀材料和討論，學(xué)生將材料中人物所面臨的一些實(shí)際問題列舉出來。

（2）界定問題，頭腦風(fēng)暴解決方案。小組根據(jù)自己選取的問題頭腦風(fēng)暴，考慮故事中人物的需求以及故事情境中的限制條件，在此過程中嘗試提出所有可能的解決方案。

（3）設(shè)計(jì)方案。小組協(xié)作計(jì)劃并設(shè)計(jì)出一個(gè)具有可行性和實(shí)用性的工程框架雛形。

（4）獲取反饋。學(xué)生自己對(duì)設(shè)計(jì)工程方案進(jìn)行測試，并從同學(xué)和老師那里獲取反饋和建議。

（5）優(yōu)化設(shè)計(jì)。學(xué)生根據(jù)反饋信息和測試效果修改完善設(shè)計(jì)方案。

（6）分享交流。小組可以向班級(jí)展示自己的最終方案或者設(shè)計(jì)過程的反思，把設(shè)計(jì)方案寫成一個(gè)故事，或者用原故事的改編版來給自己的方案做廣告宣傳。

教師需要在學(xué)生面對(duì)復(fù)雜的設(shè)計(jì)難題時(shí)為學(xué)生提供必要的腳手架，幫助他們實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，而不是替學(xué)生設(shè)計(jì)好一個(gè)方案讓學(xué)生照著去實(shí)施。筆者根據(jù)小說工程研究者的教學(xué)活動(dòng)情況，歸納出學(xué)生進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的幾個(gè)步驟，如圖1。

教學(xué)案例介紹與評(píng)析

案例一

CEEO的研究者麥考密克（McCormick）和哈默（Hammer）2014年介紹了馬薩諸塞州某小鎮(zhèn)四年級(jí)的教學(xué)案例。課程的開展基于《希洛》（Shiloh）一書，講述的是小男孩馬蒂試圖將小狗希洛從它殘暴的主人手中解救出來的故事。學(xué)生們的任務(wù)是幫助馬蒂設(shè)計(jì)并建造小狗居住的圍欄的模型。課程活動(dòng)分為三個(gè)階段，每天進(jìn)行一個(gè)階段的活動(dòng)，連續(xù)三天活動(dòng)后結(jié)束該主題學(xué)習(xí)。

第一階段：設(shè)計(jì)思考。學(xué)生組成3人小組。在這個(gè)階段中，學(xué)生們需要盡可能詳盡地將充分考慮故事背景和限制條件后產(chǎn)生的設(shè)計(jì)計(jì)劃訴諸紙筆。第二階段：如何測試。教師選擇使用一個(gè)上發(fā)條的玩具代表小狗，用于測試小狗居所的模型，并設(shè)立了幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：（1）玩具必須能夠進(jìn)入模型；（2）模型必須有能夠防止小狗逃出去的圍欄；（3）模型必須能保證外部物體不能隨意進(jìn)入。第三階段：測試評(píng)價(jià)。教師公布了測試流程：第一環(huán)節(jié)是讓一個(gè)上了發(fā)條的玩具進(jìn)入模型內(nèi)快速移動(dòng)30秒而逃不出模型，第二環(huán)節(jié)是讓兩個(gè)更大的上發(fā)條的玩具從模型的外邊沖撞模型。

研究者重點(diǎn)提到一組學(xué)生，在得知本組的設(shè)計(jì)不太符合教師的測試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，她們依舊堅(jiān)持自己的設(shè)計(jì)，認(rèn)為這樣最符合故事背景，教師模擬測試的標(biāo)準(zhǔn)反而不符合實(shí)際。本次活動(dòng)發(fā)現(xiàn)，在工程設(shè)計(jì)時(shí)學(xué)生間的差異較大，某些學(xué)生展現(xiàn)出的工程素養(yǎng)——對(duì)工程設(shè)計(jì)原則的堅(jiān)持，是教師在開展活動(dòng)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)的。

案例二

一所郊區(qū)學(xué)校四年級(jí)學(xué)生基于《天使的秘密》（From the Mixed-Up Files of Mrs. Basil E. Frankweiler）一書開展IEL課程（Watkins， Spencer， & Hammer， 2014）。書中一對(duì)姐弟離家出走后暫時(shí)棲身在紐約大都會(huì)藝術(shù)博物館。他們面臨諸多挑戰(zhàn)，包括躲避博物館管理員，在每天清晨的清潔人員到來之前醒來等等。該項(xiàng)目共兩周，每周學(xué)生有3～4天開展活動(dòng)，各1～2個(gè)小時(shí)。課程開始由教師學(xué)生共同頭腦風(fēng)暴，確定故事人物遇到了哪些困難，并形成問題列表。然后學(xué)生們組成2～3人的小組，選擇一個(gè)問題合作解決。

研究者對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行了錄像分析，認(rèn)為工程設(shè)計(jì)前確定各種限制條件的思維過程非常重要，然而目前還沒有有效的分析和評(píng)價(jià)手段。另外，如何讓學(xué)生真正投入工程設(shè)計(jì)，而不是為教師完成一項(xiàng)任務(wù)、教師在教學(xué)中如何發(fā)揮作用等，都是要考慮的實(shí)際問題。

案例三

馬薩諸塞州一所學(xué)校的三年級(jí)學(xué)生基于《如果你生活在殖民時(shí)代》（If You Lived in Colonial Times）一書開展課程。在開始課程之前，教師會(huì)在文學(xué)課上先讓學(xué)生熟悉這本書，在學(xué)生們對(duì)情節(jié)熟悉后，教師提出問題：“作為一名工程師，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)什么樣的東西讓殖民時(shí)代的人生活更便利？”該活動(dòng)持續(xù)三天，每天上午進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建，學(xué)生以2～3人為一小組，提出一個(gè)想法，并全面考慮該想法的可行性和完成該設(shè)計(jì)的執(zhí)行步驟。例如，某一組提出可以嘗試制造一臺(tái)凈水機(jī)，同時(shí)他們列出了可能需要使用的材料，包括咖啡濾網(wǎng)、錫紙等。接下來，學(xué)生開始設(shè)計(jì)雛形，教師對(duì)各組作品進(jìn)行測試與評(píng)估。最后對(duì)故事內(nèi)容要求進(jìn)行回顧，優(yōu)化作品，以達(dá)到最符合故事時(shí)代設(shè)定、人物需求等的設(shè)計(jì)意圖（McCormick， 2014）。通過研究學(xué)生如何進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的框架，研究者可以更有效地與NGSS中的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)接，開發(fā)出能夠循序漸進(jìn)提升科學(xué)素養(yǎng)的課程。

案例評(píng)析

現(xiàn)有的小說工程教學(xué)案例，教學(xué)對(duì)象多為小學(xué)中高年級(jí)學(xué)生，且都傾向于較為集中的教學(xué)時(shí)間，因?yàn)樵谙鄬?duì)連貫的時(shí)間里，學(xué)生的搭建熱情能夠較好地延續(xù)，設(shè)計(jì)想法也能夠更加流暢地執(zhí)行，過程中也能盡量避免因遺忘而可能導(dǎo)致的低效率。

課程中，學(xué)生選擇解決哪個(gè)問題有不同的決定方案。例如，在案例一的文學(xué)作品中，主人公面臨的問題一目了然，幫助小男孩解救小狗。這種情況下，所有學(xué)生都解決同一個(gè)問題（McCormick & Hammer， 2014）。而另一種情況就是類似案例二、三中，文學(xué)作品篇幅較長，故事情節(jié)比較豐富，主人公們面對(duì)著各種各樣的問題。這種情況下，教師都選擇讓學(xué)生共同發(fā)現(xiàn)問題，制作“需要解決的問題列表”，然后讓每組學(xué)生選擇其中一個(gè)問題進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題的過程，其實(shí)也是加深對(duì)文學(xué)作品的閱讀理解的過程。

在作品的評(píng)價(jià)方面，案例一中提到了教師制定的標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生所理解的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生沖突，筆者認(rèn)為可能是由于教師制定的測試標(biāo)準(zhǔn)中所模擬的情況不能真實(shí)地反映故事中的實(shí)際情境，這種情況也提醒了教師在設(shè)計(jì)測試評(píng)價(jià)細(xì)則時(shí)應(yīng)該做更充分的準(zhǔn)備，讓模擬更接近實(shí)際。

結(jié)語與建議

小說工程的主題式教學(xué)項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，還可提升學(xué)生的語文素養(yǎng)。這種新穎的學(xué)科整合形式，無疑能夠鼓勵(lì)國內(nèi)教育工作者進(jìn)行有關(guān)嘗試，用于幫助學(xué)生初步接觸工程領(lǐng)域的知識(shí)，提升文學(xué)作品閱讀熱情，同時(shí)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

由于美國小學(xué)的教學(xué)模式與國內(nèi)大不相同，國內(nèi)教育工作者在進(jìn)行IEL的教學(xué)嘗試時(shí)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，遇到與實(shí)際情況不符的問題，需要教學(xué)者隨機(jī)應(yīng)變。同時(shí)，為了使課程更具有目的性，教師需要確定該課程應(yīng)該將側(cè)重點(diǎn)放在文學(xué)還是工程上。如教師可以在課程中增加教學(xué)環(huán)節(jié)以著重培養(yǎng)學(xué)生的語文能力，在課程總結(jié)階段布置寫作任務(wù)，經(jīng)過工程搭建和合作的整體教學(xué)過程，原本不擅長或不喜歡寫作的學(xué)生也能言之有物。另外，讓國內(nèi)中小學(xué)生連續(xù)多日花費(fèi)1～2個(gè)小時(shí)甚至整個(gè)上午參與該課程項(xiàng)目較難實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，可以將課程周期拉長，如一周一節(jié)課，連續(xù)上五至六周課，把任務(wù)拆分得更為細(xì)致。如圖紙?jiān)O(shè)計(jì)一節(jié)課，搭建一節(jié)課，測試與改良一節(jié)課。若采用長周期、低頻率教學(xué)法，教師需要確保學(xué)生作品能在兩節(jié)課之間妥善保管。在文學(xué)作品的選擇上，可以盡量選擇與教材有關(guān)的作品，比如語文課本中有某本名著的片段，教師就可以選擇這本名著作為課程閱讀材料。這樣不僅有利于學(xué)生對(duì)語文課上該部分內(nèi)容的理解，更重要的是選擇課程體系中本就有的內(nèi)容，能夠降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，避免學(xué)生產(chǎn)生閱讀文學(xué)作品方面的學(xué)習(xí)壓力，同時(shí)也更容易讓教師接受，有利于在學(xué)校推廣。

小說工程教育是非常有意義的嘗試。這樣的課程整合能促進(jìn)學(xué)生均衡發(fā)展，讓懼怕科學(xué)、工程學(xué)科學(xué)習(xí)的學(xué)生克服心理障礙，用新穎的方式幫助他們發(fā)現(xiàn)其中的樂趣，并能夠主動(dòng)投入學(xué)習(xí)；讓對(duì)語文學(xué)習(xí)不感興趣的學(xué)生能夠在解決工程問題的環(huán)境下加強(qiáng)對(duì)閱讀材料的理解，同時(shí)提升其文學(xué)素養(yǎng)。

注：本研究成果得到北京師范大學(xué)教育學(xué)部2014年度科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（項(xiàng)目編號(hào)為：CXTD 201401）。