賀甜甜

（西安歐亞學(xué)院 人文教育學(xué)院，陜西 西安 710065）

STEM 教育提出跨學(xué)科整合教育，是將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)四門學(xué)科進(jìn)行融合，通過解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科意識與高階思維的一種創(chuàng)新教育模式[1]。以機(jī)器人活動為代表的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例，對于STEM 教育有很大的促進(jìn)作用。通過參與機(jī)器人工程挑戰(zhàn)活動可以激發(fā)學(xué)生對不同學(xué)科的興趣和潛能，培養(yǎng)應(yīng)用物理、數(shù)學(xué)、計算機(jī)編程等知識與技術(shù)，解決實(shí)際問題、鍛煉團(tuán)隊(duì)合作意識、工程思維和領(lǐng)導(dǎo)能力[2]。有研究表明，不論是獨(dú)立的工程教育課程還是基于STEM 教育理念的跨學(xué)科整合教育或工程實(shí)踐活動均可以一定程度促進(jìn)工程思維的發(fā)展[3]。本研究主要結(jié)合STEM 教育視閾下機(jī)器人教育的特點(diǎn)，探析了工程思維的定義、特征以及基本構(gòu)成要素，將工程思維的理論基礎(chǔ)和機(jī)器人教育的指導(dǎo)方針進(jìn)行有效結(jié)合，系統(tǒng)地闡述了工程思維的價值與培養(yǎng)路徑，旨在為培養(yǎng)學(xué)生工程思維研究提供參考。

一、STEM教育

STEM 教育起源于美國，19 世紀(jì)中期科學(xué)技術(shù)快速變革，美國為解決STEM 領(lǐng)域人才缺乏的問題，掀起了以科學(xué)技術(shù)為主題的教育改革運(yùn)動。1986 年，美國國家科學(xué)委員會在《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》中提出了綱領(lǐng)性理念，旨在打破學(xué)科界限，重視學(xué)生的理工素養(yǎng)，培養(yǎng)可以綜合STEM 學(xué)科知識與技能解決實(shí)際問題的公民[4]。STEM 教育從提出實(shí)踐到理論研究發(fā)展至今呈現(xiàn)出一種偏向于分科教學(xué)和整合式教育并存的趨勢，但教育領(lǐng)域?qū)W者多傾向于整合式教育。美國的學(xué)者M(jìn)ark Sanders 認(rèn)為STEM 教育就是一種整合的教育，通過項(xiàng)目式的形式開展教學(xué)活動，給學(xué)習(xí)者提供綜合運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)、數(shù)學(xué)知識解決現(xiàn)實(shí)世界存在的工程或技術(shù)問題。STEM 領(lǐng)域的重要代表人物Johnson 認(rèn)為整合式STEM 教育是為了解決實(shí)際問題，通過工程設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、數(shù)學(xué)知識技能的深度融合[5]。在STEM 教育的發(fā)展過程中，研究者們發(fā)現(xiàn)“工程”對于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題有一定的作用，并將其看作是整合的黏合劑（integrator）；通過工程問題將科學(xué)、數(shù)學(xué)以及其他學(xué)科知識結(jié)合，為跨學(xué)科融合提供真實(shí)的問題情境[6]，學(xué)生在解決問題過程中進(jìn)行問題判斷、方案決策與課程設(shè)計。《STEM 路線圖（STEM Road Map）》中指出優(yōu)質(zhì)的整合式STEM 教育應(yīng)遵循以下原則：①STEM 教育學(xué)習(xí)的內(nèi)容要包含科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)科知識，還要有必要的實(shí)踐活動，利用工程設(shè)計或?qū)嵺`提供現(xiàn)實(shí)的問題情境；②工程實(shí)踐活動要能反過來促進(jìn)STEM 學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，驅(qū)動學(xué)生對于知識的內(nèi)化與應(yīng)用；③教學(xué)要能置于真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，結(jié)合學(xué)生已有的知識儲備進(jìn)行意義建構(gòu)，而且要與社會文化相關(guān)；④教師要能通過教學(xué)引導(dǎo)靈活地開展STEM 主題相關(guān)的內(nèi)容，通過創(chuàng)設(shè)團(tuán)隊(duì)合作交流的教學(xué)情境，培養(yǎng)學(xué)生21 世紀(jì)所需要的新技能[7]。

我國的STEM 教育研究也呈現(xiàn)整合式的趨勢，旨在通過STEM 學(xué)科融合解決實(shí)際問題，從而培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才。余勝泉等學(xué)者認(rèn)為STEM 教育主要是通過學(xué)科整合的方式培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，靈活應(yīng)用遷移所學(xué)的學(xué)科知識與實(shí)際技能，具備跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性等核心特征，注重學(xué)習(xí)者中心和生活經(jīng)驗(yàn)整合[8]。傅蹇等學(xué)者認(rèn)為STEM教育的目標(biāo)是提升學(xué)習(xí)者的STEM 素養(yǎng)，可以通過設(shè)計性學(xué)習(xí)或項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式來培養(yǎng)學(xué)生綜合利用STEM 知識解決現(xiàn)實(shí)問題的能力[9]。教育機(jī)器人作為典型的STEM 教育載體，可以通過不同的工程項(xiàng)目或主題活動，讓學(xué)習(xí)者綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程等學(xué)科知識去進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計和制造，讓學(xué)習(xí)者更加熟悉工程，體驗(yàn)工程[10]。

本研究基于STEM 教育整合理論，結(jié)合機(jī)器人工程挑戰(zhàn)項(xiàng)目難度，分析工程思維的內(nèi)涵與特征，探析工程思維的意義與價值。以期通過真實(shí)的工程情境問題，在工程決策、設(shè)計、實(shí)施、評價、優(yōu)化環(huán)節(jié)中探索STEM 學(xué)科知識與實(shí)際技能，為形成高階思維能力做好鋪墊。

二、工程思維的內(nèi)涵與特征

（一）工程思維的內(nèi)涵

2018 年發(fā)布的2017 版《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中將工程思維和技術(shù)意識、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達(dá)、物化能力列為高中通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為工程思維是一種以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的籌劃性思維；學(xué)生可以針對生活中某一技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際問題進(jìn)行要素分析，針對問題給出具體解決方案，并運(yùn)用簡單的建?；蚰M的方法進(jìn)行產(chǎn)品或模型設(shè)計。學(xué)生在這個過程中領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)控制等基本思想，并簡單地進(jìn)行風(fēng)險評估和決策[11]。

工程思維的具體深入研究始于徐長福學(xué)者，在他的研究中主要將工程思維與理論思維做辨析和論述，他從工程論的視角說明工程活動是接近現(xiàn)實(shí)世界的途徑和窗口，而工程思維是建立在真實(shí)的工程項(xiàng)目基礎(chǔ)上的一種主體意識[12]。李伯聰教授從工程哲學(xué)的角度出發(fā)，認(rèn)為工程思維是人們通過和現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)結(jié)創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)、塑造并改變現(xiàn)實(shí)的一種反映，它區(qū)別于科學(xué)思維對現(xiàn)實(shí)世界的“反映性”，具有“設(shè)計性”與“實(shí)踐性”[13]。李永勝認(rèn)為，工程思維是以人工造物為著手點(diǎn)，用工程的理性觀察與評估判斷事物并籌劃新產(chǎn)物的一種高階思維[14]。趙曉聞指出，工程思維直接影響著對學(xué)習(xí)者工程能力的塑造，是指導(dǎo)工程活動的核心思維方式，也是卓越工程師需要具備的基本素養(yǎng)[15]。

在基礎(chǔ)教育階段對工程思維的研究中，王穎認(rèn)為工程思維是學(xué)生在進(jìn)行工程決策、工程設(shè)計等過程中的思維方式，并不是指專業(yè)的某一領(lǐng)域的工程思維，對于高中生而言就是在真實(shí)的工程實(shí)踐活動中通過應(yīng)用工程知識或技術(shù)，解決實(shí)際問題過程中形成的一種思維，沒有這種工程思維的幫助，學(xué)生無法順利解決工程問題[16]。王美茹認(rèn)為，工程思維是在一系列如工程決策、工程設(shè)計、工程實(shí)施以及工程評價等工程活動中形成的獨(dú)特思維方式與習(xí)慣[17]。

本研究主要探析的是STEM 教育視閾下的工程思維，指學(xué)生可以通過真實(shí)的工程挑戰(zhàn)活動認(rèn)識工程項(xiàng)目，將學(xué)到的知識與技能應(yīng)用于具體的工程活動中并不斷優(yōu)化完善，從而形成基本的系統(tǒng)分析、籌劃權(quán)衡、綜合決策的一種高階思維。

（二）工程思維的主要特征

工程思維的特性和要素是相互包含、相互影響的。不同的學(xué)者認(rèn)為工程思維的特征也是不盡相同的，他們從不一樣的視角出發(fā)對工程思維有著不同的看法和見解。具有代表性的有李伯聰從工程哲學(xué)的角度出發(fā)，分析工程思維應(yīng)不止具有邏輯性、科學(xué)性、藝術(shù)性，還應(yīng)包含操作性、集成性、不確定性等。趙美嵐從工程的定義和內(nèi)涵分析了工程思維的特征，認(rèn)為工程思維具有復(fù)雜性、現(xiàn)實(shí)性、創(chuàng)造性[18]。李永勝從工程實(shí)踐角度分析工程思維，表明工程思維要考慮整體籌劃，綜合集成，具有價值性、規(guī)則性、權(quán)衡性、科學(xué)性與藝術(shù)性。而在基礎(chǔ)教育研究階段王美茹認(rèn)為，工程思維具有籌劃性、科學(xué)性、全局性、創(chuàng)造性。

本研究以STEM 教育視閾下項(xiàng)目式工程挑戰(zhàn)活動為背景，基于工程思維的內(nèi)涵進(jìn)一步分析工程思維的特征。以機(jī)器人教學(xué)為代表的工程實(shí)踐活動區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)中只進(jìn)行單一的知識傳授，這個過程學(xué)生不僅會經(jīng)歷基礎(chǔ)知識和技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐，還會因?yàn)橐幌盗械墓こ汰h(huán)節(jié)和活動對其人格和綜合素質(zhì)產(chǎn)生影響。本研究認(rèn)為工程思維會貫穿于整個工程項(xiàng)目中，具有系統(tǒng)性、籌劃性、邏輯性、嚴(yán)謹(jǐn)性、實(shí)踐性以及創(chuàng)新性。學(xué)生在參與工程實(shí)踐活動過程中可能會面臨各種各樣的問題，會涉及方案的決策、風(fēng)險評估、利弊權(quán)衡等，整個工程設(shè)計和實(shí)施環(huán)節(jié)非常嚴(yán)謹(jǐn)，需要一定的創(chuàng)新和籌劃，并且具有可實(shí)施性。

三、工程思維的構(gòu)成要素

工程思維的內(nèi)涵在不同領(lǐng)域的定義各有不同，它的要素分類也有不同的方式，一種是按照具體的工程環(huán)節(jié)進(jìn)行劃分，一種是從工程思維的性質(zhì)與特點(diǎn)進(jìn)行要素分類。衡孝慶等將工程思維分為工程設(shè)計、工程實(shí)施、工程消費(fèi)思維，強(qiáng)調(diào)工程活動必須要有相應(yīng)的規(guī)劃和實(shí)施、消費(fèi)階段[19]。而李永勝則從工程思維的特征和思維品質(zhì)出發(fā)，認(rèn)為工程思維包含規(guī)則思維、籌劃思維、集成性思維、權(quán)衡性思維、價值型思維、科學(xué)與藝術(shù)性融合的思維等。

殊途同歸的是在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域里，工程思維的要素研究和高等教育研究領(lǐng)域的分類方式基本相同。比如王穎按照工程活動的階段將工程思維分為工程決策、工程設(shè)計、工程實(shí)施思維；王美茹認(rèn)為工程思維除了工程決策、設(shè)計、實(shí)施思維外，還要求主體在進(jìn)行工程活動后，對整個工程實(shí)施活動和工程的價值進(jìn)行評價反思，工程評價思維是對整個工程環(huán)節(jié)的分析與總結(jié)。而美國工程與技術(shù)教育中心（NCETE）按照思維特征和品質(zhì)進(jìn)行分類，認(rèn)為通過工程實(shí)踐活動培養(yǎng)學(xué)生的工程思維習(xí)慣很重要，主要指系統(tǒng)性解決問題的思維方式；美國國家工程科學(xué)院（NAE）認(rèn)為主要通過工程教育來促使學(xué)生形成工程思維習(xí)慣，而這種習(xí)慣方式和21 世紀(jì)對人才需求的基本能力如出一轍，不僅包含系統(tǒng)思維、創(chuàng)造性思維還有合作溝通、積極樂觀與倫理道德、批判性思維等[20]。

本研究是在探索通過機(jī)器人為代表的工程挑戰(zhàn)活動促進(jìn)學(xué)習(xí)者工程思維發(fā)展，注重學(xué)生在真實(shí)的工程實(shí)踐活動中系統(tǒng)地思考問題、解決問題，按照工程思維在工程實(shí)踐過程中不同階段的具體表現(xiàn)將其分為工程決策思維、工程設(shè)計思維、工程實(shí)施思維、工程評價思維、工程優(yōu)化思維，具體分為以下幾點(diǎn)。

（一）工程決策（Decision）思維

工程決策思維是指在真實(shí)的工程問題情境下，需要根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合已有的知識與技能，對問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析、風(fēng)險評估、利弊權(quán)衡，制定出合理方案的思維習(xí)慣。工程決策環(huán)節(jié)主要分為明確問題、分析問題、確定方案等環(huán)節(jié)，即能夠從不同角度分析工程活動、充分理解工程情境、明確需要解決的實(shí)際問題，并能夠根據(jù)任務(wù)要求制訂出合理的方案，最終進(jìn)行取舍，選擇最佳可行性方案。這個過程需要對已有知識、技能、環(huán)境、條件進(jìn)行統(tǒng)籌權(quán)衡。

（二）工程設(shè)計（Design）思維

工程設(shè)計思維是指在明確工程問題情境以后進(jìn)行的一系列方案構(gòu)思或想法?？梢允蔷唧w的問題解決方案，也可以是具體的工程建構(gòu)設(shè)計，這個過程需要結(jié)合工程問題的特點(diǎn)，從復(fù)雜到細(xì)化，從抽象到具象，需要結(jié)合各個學(xué)科領(lǐng)域的知識，可收集相關(guān)信息與資料，充分考慮人機(jī)關(guān)系及工程需求進(jìn)行綜合系統(tǒng)的設(shè)計建構(gòu)。本研究認(rèn)為工程設(shè)計思維主要是指學(xué)生能根據(jù)具體的工程活動進(jìn)行基本的機(jī)器人設(shè)計，此環(huán)節(jié)包括功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、程序設(shè)計。要能圍繞項(xiàng)目的主題完成對應(yīng)任務(wù)的產(chǎn)品設(shè)計，根據(jù)不同的功能設(shè)計出具體的工程結(jié)構(gòu)，將其以圖樣的形式呈現(xiàn)出來，進(jìn)行合理的軟硬件搭配，這需要有系統(tǒng)的全局意識和創(chuàng)新意識。

（三）工程實(shí)施（Implement）思維

工程實(shí)施思維是指能展開對工程項(xiàng)目的具體實(shí)施，包括將一個工程從無到有的物化過程。在這個過程中要根據(jù)前期的工程決策和設(shè)計的方案執(zhí)行可視化操作，不止停留在計劃和決策中，參與者需要投入到具體的真實(shí)情境中解決工程問題。在機(jī)器人工程挑戰(zhàn)活動中，學(xué)生的工程實(shí)施階段體現(xiàn)在要能判斷并選擇出合適的器材進(jìn)行搭建，這一過程要充分參考前期的設(shè)計方案，根據(jù)實(shí)際情況做出及時調(diào)整，還要能對搭建好的機(jī)器人進(jìn)行程序編寫，使硬件能在軟件的輔助下實(shí)現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)化。工程實(shí)施的過程要充分考慮各個環(huán)節(jié)，需要有整體的籌劃能力。

（四）工程評價（Evaluation）思維

工程評價思維是指能對工程項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)和測評，這個階段要求對整個工程具有衡量和反思的評價習(xí)慣。在機(jī)器人學(xué)習(xí)中，工程評價不僅包含成果檢驗(yàn)型評價，還要有過程性評價，而且不能僅局限于教師評價，還要有學(xué)生的自主評價和他人評價等，評價過程應(yīng)該是多維度的、可持續(xù)的。學(xué)生通過自主評價和他人評價可以客觀全面地認(rèn)識工程項(xiàng)目的進(jìn)展情況，根據(jù)評價反饋進(jìn)行后續(xù)的改進(jìn)與優(yōu)化。

（五）工程優(yōu)化（Optimization）思維

工程優(yōu)化思維是指工程環(huán)節(jié)進(jìn)行過程中參與者要能對工程項(xiàng)目進(jìn)展情況進(jìn)行系統(tǒng)性的審視，要能明確定位工程進(jìn)展中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行新一輪的修改優(yōu)化。比如在機(jī)器人工程挑戰(zhàn)活動中，要能夠通過工程檢驗(yàn)和工程評價等方式發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的問題所在，從而針對性解決問題。這些問題可能是由于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計引起的，也可能是程序設(shè)計或策略方案導(dǎo)致的，需要學(xué)習(xí)者根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)篩查，需要工程參與者貫穿整個工程環(huán)節(jié)去判斷決策并優(yōu)化，使得整個工程流程和成果更加完善。

四、工程思維的價值與培養(yǎng)路徑

隨著技術(shù)與社會的快速發(fā)展，現(xiàn)代的卓越工程師不僅需要廣博的工程知識、扎實(shí)的方法技能，還需要具備從事專業(yè)工程實(shí)踐的創(chuàng)新能力與工程素質(zhì)[21]。工程素質(zhì)的養(yǎng)成并不是一蹴而就的，是一個循序漸進(jìn)的過程，需要將不同學(xué)科知識與技能融合在工程教育或工程實(shí)踐活動中，將工程素質(zhì)的各個要素系統(tǒng)化、綜合化、目標(biāo)化[22]。工程思維作為工程素質(zhì)的核心要素，是工程技術(shù)人員或工程師必須具備的思維方式，其對于工程型人才的培養(yǎng)和能力提升具有重要的促進(jìn)作用。工程素質(zhì)的培養(yǎng)要體現(xiàn)在整個教育過程中，對于高等教育不同專業(yè)的工程素質(zhì)，要因地制宜、因材施教地進(jìn)行綜合培養(yǎng)。而對于工程思維的培養(yǎng)要從小抓起，落實(shí)到基礎(chǔ)教育的各個階段、各個環(huán)節(jié)、各個方面。

基礎(chǔ)教育階段的工程教育需更加注重學(xué)生工程思維的養(yǎng)成與發(fā)展。在進(jìn)入高等教育之前，學(xué)生需要理解工程對現(xiàn)代社會發(fā)展的重要價值與現(xiàn)實(shí)意義，通過經(jīng)歷真實(shí)工程項(xiàng)目的一般流程，形成系統(tǒng)的工程思維。這個過程學(xué)生可以通過具體的工程案例理解工程特性與文化價值，扮演工程師的角色，體驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作的重要性；結(jié)合工程實(shí)踐活動，驗(yàn)證工程模型或方案的科學(xué)性；在工程項(xiàng)目進(jìn)展中體驗(yàn)時間管理、成本管理等[23]。傳統(tǒng)的教育方式已經(jīng)不足以滿足學(xué)生核心素養(yǎng)養(yǎng)成的需求，以機(jī)器人課為代表的工程教育類課程和活動，具有長遠(yuǎn)且豐富的教育價值[24]?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生通過某一主題的機(jī)器人項(xiàng)目完成工程挑戰(zhàn)活動，從而在工程決策、工程設(shè)計、工程實(shí)施、工程評價、工程優(yōu)化等環(huán)節(jié)形成自我思考、協(xié)作探究、統(tǒng)籌優(yōu)化等高階工程思維。學(xué)生可以利用所學(xué)的相關(guān)科學(xué)技術(shù)知識與原理，思考并解決機(jī)器人結(jié)構(gòu)或編程問題，在實(shí)踐活動中了解工程結(jié)構(gòu)原理、熟悉工程流程、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識、解決實(shí)際問題能力、促進(jìn)工程思維發(fā)展等[25]。

五、結(jié)語

工程教育作為培養(yǎng)工程型人才的重要途徑，要明確不同階段的價值取向和目標(biāo)定位，對于工程思維的培養(yǎng)不能只依托于某一個專業(yè)或某一門課程，需要做長遠(yuǎn)的系統(tǒng)籌劃。為此厘清工程思維的內(nèi)涵與特征，要素與價值對培養(yǎng)工程思維具有重要意義。對于基礎(chǔ)教育階段，教師可嘗試依托不同的教育工具或項(xiàng)目，構(gòu)建真實(shí)的工程情景，在問題解決過程中培養(yǎng)學(xué)生工程思維；利用具體的情景分析定義工程項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)，以開放的項(xiàng)目優(yōu)化方案，在實(shí)踐過程中不斷改進(jìn)；引導(dǎo)學(xué)生努力將創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)從知識本位轉(zhuǎn)向素養(yǎng)本位，從淺層學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向深層學(xué)習(xí)發(fā)展。