理解什么是工程學(xué)、探討工程學(xué)教育在基礎(chǔ)教育中的價(jià)值，對(duì)于我國(guó)推進(jìn)和深化理科課程改革，將工程學(xué)教育融入基礎(chǔ)教育理科課程來(lái)說(shuō)，是基礎(chǔ)性的工作，具有加深認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)實(shí)踐的意義。

　　為培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才，基礎(chǔ)教育階段的理科課程應(yīng)做哪些革新？美國(guó)近10年來(lái)的大量文獻(xiàn)中屢屢提及科學(xué)技術(shù)的滑坡會(huì)造成其人才的嚴(yán)重短缺，并開(kāi)始大力培養(yǎng)訓(xùn)練有素的科學(xué)家、數(shù)學(xué)家、工程師、技術(shù)人員和具備科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)的公民。

　　今天的科學(xué)已經(jīng)越來(lái)越關(guān)注“整個(gè)自然界”和“跨學(xué)科知識(shí)”，美國(guó)工程教育協(xié)會(huì)（ITEEA）和美國(guó)國(guó)家工程院（NAE），呼吁更多關(guān)注與親身實(shí)踐、跨學(xué)科以及與社會(huì)相關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育（STEM）方法，特別強(qiáng)調(diào)了要加強(qiáng)工程學(xué)教育，將其作為一門(mén)學(xué)科來(lái)發(fā)展。這對(duì)發(fā)展基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育也有著重要意義。在2013年美國(guó)頒布的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中，工程學(xué)教育成為基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育框架中的新元素。

　　理解什么是工程學(xué)、探討工程學(xué)教育在基礎(chǔ)教育中的價(jià)值，對(duì)于我國(guó)推進(jìn)和深化理科課程改革，將工程學(xué)教育融入基礎(chǔ)教育理科課程來(lái)說(shuō)，是基礎(chǔ)性的工作，具有加深認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)實(shí)踐的意義。

　　工程學(xué)包含設(shè)計(jì)和滿(mǎn)足需求兩個(gè)元素

　　不同的研究者對(duì)于工程學(xué)有著不同的定義。1998年，著名學(xué)者伍爾夫（Wulf）提出，工程學(xué)是指“在約束條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)”。美國(guó)工程教育協(xié)會(huì)在2008年頒布的《基礎(chǔ)教育階段教育中的工程學(xué)》中指出，工程學(xué)是“設(shè)計(jì)人造世界的過(guò)程”。著名學(xué)者羅杰斯（Rogers）等人認(rèn)為，工程學(xué)是“工程師們利用學(xué)科知識(shí)和認(rèn)知過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)、分析和解決復(fù)雜的系統(tǒng)，從而滿(mǎn)足社會(huì)的需求”。這些設(shè)計(jì)、分析和解決問(wèn)題的過(guò)程就是工程學(xué)的主要活動(dòng)，用來(lái)創(chuàng)造新的設(shè)備、過(guò)程和公共設(shè)施，或者改變已有的事物。美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)在2013年頒布的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中指出，工程學(xué)是“參與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而解決特定的人類(lèi)問(wèn)題”。美國(guó)國(guó)家工程院在《基礎(chǔ)教育階段工程學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中指出，工程學(xué)是“為滿(mǎn)足人們的需求而進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。

　　歸納來(lái)看，上述有關(guān)工程學(xué)的定義主要涉及兩個(gè)元素，一個(gè)是“設(shè)計(jì)”，一個(gè)是“滿(mǎn)足人們的需求”�！霸O(shè)計(jì)”是工程師解決問(wèn)題的基本過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，工程師能夠找出為達(dá)到某個(gè)特定目的而制造出設(shè)備或設(shè)計(jì)過(guò)程的最好方法�！肮こ淘O(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)、智能的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者要在特定的限制條件下，為滿(mǎn)足用戶(hù)需求的設(shè)備、系統(tǒng)或者過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)和詳細(xì)的說(shuō)明�！蓖ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程，人們能夠整合多種類(lèi)型的技能和思維——分析、整合的能力，更深刻、細(xì)致、全面地理解問(wèn)題；還能夠從中學(xué)會(huì)如何計(jì)劃和構(gòu)建問(wèn)題；同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中領(lǐng)會(huì)過(guò)程性的知識(shí)，理解、掌握陳述性的知識(shí)。

　　工程學(xué)的定義中另外一個(gè)重要元素是“滿(mǎn)足人們的需求”。設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，存在問(wèn)題即意味著存在需求。工程學(xué)主要針對(duì)事物的功能、材料、結(jié)構(gòu)、安全、舒適和易用等要素，主要關(guān)注人類(lèi)的生理需求和安全需求，解決存在的問(wèn)題。

　　工程學(xué)教育融入基礎(chǔ)教育意義重大

　　工程學(xué)與科學(xué)、技術(shù)不同�！翱茖W(xué)”指的是傳統(tǒng)的自然科學(xué)，包括物理、化學(xué)、生物、地球空間和環(huán)境科學(xué)：“技術(shù)”指的則是各種類(lèi)型的人工（人造）系統(tǒng)和進(jìn)程。而“工程學(xué)”則指的是參與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而解決特定的人類(lèi)問(wèn)題。工程學(xué)與科學(xué)的目的不同，科學(xué)的目的是研究自然世界，試圖揭示自然界的規(guī)律，而工程學(xué)的目的則是通過(guò)發(fā)展或者應(yīng)用技術(shù)來(lái)解決實(shí)際的問(wèn)題，使人類(lèi)能夠更好地主宰這個(gè)世界并享受這個(gè)世界。

　　盡管最終目的不同，它們?cè)谠S多領(lǐng)域聯(lián)系密切�？茖W(xué)家們使用的工具，例如顯微鏡、天平和計(jì)時(shí)器都是從工程學(xué)中產(chǎn)生的。而科學(xué)理論，例如運(yùn)動(dòng)定律、電磁之間的關(guān)系、原子模型等則對(duì)工程學(xué)做出了極大的貢獻(xiàn)。工程學(xué)與技術(shù)之間又有區(qū)別，工程學(xué)是為了解決問(wèn)題而進(jìn)行的一種系統(tǒng)的實(shí)踐活動(dòng)，而技術(shù)則是這種實(shí)踐活動(dòng)的結(jié)果。《基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育的框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念與核心概念》中已經(jīng)用“工程設(shè)計(jì)”代替了“技術(shù)設(shè)計(jì)”，更加重視設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程而不是最終的結(jié)果。

　　當(dāng)前，全球都在倡導(dǎo)科學(xué)教育，美國(guó)甚至將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育上升到國(guó)家安全戰(zhàn)略層面�？茖W(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)在目前的中學(xué)課堂上存在較為普遍，然而工程學(xué)在中學(xué)提及較少。目前有許多標(biāo)榜著“工程學(xué)”的課程，其本質(zhì)與工程技術(shù)和操作技術(shù)并沒(méi)有明顯的界限，缺乏數(shù)學(xué)與科學(xué)的成分。

　　在基礎(chǔ)教育階段開(kāi)展工程學(xué)教育有重要的意義。首先，基礎(chǔ)教育階段工程學(xué)教育對(duì)于實(shí)施科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育以及學(xué)生將來(lái)的職業(yè)發(fā)展有著重要的作用。其次，工程學(xué)教育能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生數(shù)學(xué)、科學(xué)的學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生對(duì)工程和技術(shù)的理解；工程學(xué)促進(jìn)了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的整合與實(shí)施。再其次，工程學(xué)的設(shè)計(jì)任務(wù)能提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力、交流的技能以及團(tuán)隊(duì)合作的能力。最后，工程學(xué)教育促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育學(xué)科概念的理解，增強(qiáng)人們對(duì)于“工程學(xué)在支持、促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)中扮演重要角色”的認(rèn)識(shí)。

　　工程學(xué)課程的設(shè)計(jì)原則

　　在基礎(chǔ)教育階段開(kāi)展工程學(xué)教育需要遵循哪些原則？根據(jù)美國(guó)工程教育協(xié)會(huì)在《工程學(xué)教育的本質(zhì)》中的論述，開(kāi)展工程學(xué)教育要遵循以下三個(gè)原則。

　　強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)�！霸O(shè)計(jì)”是工程師解決問(wèn)題的基本過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，工程師能夠找出為達(dá)到某個(gè)特定目的而制造設(shè)備或設(shè)計(jì)過(guò)程的最好方法�；A(chǔ)教育階段工程學(xué)教育主要是通過(guò)讓學(xué)生自主參與到工程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中來(lái)進(jìn)行的，工程學(xué)設(shè)計(jì)的課題需要具有以下的特征：首先，工程設(shè)計(jì)必須具有高度的反復(fù)迭代性。從最初的找出問(wèn)題到最終以最優(yōu)解決方法告終，考慮到多方面的限制條件，工程師們需要利用模型評(píng)估潛在的解決方案，不斷摸索，最終選出最優(yōu)方法，滿(mǎn)足人們的需求。其次，工程設(shè)計(jì)的問(wèn)題必須具有很強(qiáng)的開(kāi)放性。設(shè)計(jì)的問(wèn)題沒(méi)有傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)答案，一個(gè)問(wèn)題可以有多種解決方法。另外，工程設(shè)計(jì)的課題要有一個(gè)完整的過(guò)程，包括學(xué)生提出問(wèn)題、做出假設(shè)、列出計(jì)劃、創(chuàng)造設(shè)計(jì)、改進(jìn)方案。通過(guò)這樣一個(gè)完整的過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)思考、構(gòu)建模型和分析解決問(wèn)題的能力。

　　融合重要的數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)知識(shí)與技能。工程學(xué)不是一個(gè)單獨(dú)的學(xué)科，需要用到其他眾多學(xué)科的知識(shí)，工程學(xué)設(shè)計(jì)中融入了許多數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)的跨學(xué)科概念。例如，一些科學(xué)的概念和探究方法能夠用來(lái)理解工程學(xué)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，一些數(shù)學(xué)建模和計(jì)算方法能夠用來(lái)構(gòu)建工程設(shè)計(jì)的模型，并對(duì)其進(jìn)行模擬和分析。另外，一些技術(shù)和技術(shù)概念也可以用來(lái)解釋工程設(shè)計(jì)結(jié)果。

　　促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生工程學(xué)的“思維習(xí)慣”。“思維習(xí)慣”是指人們?cè)谟龅奖嫖龆炔桓�、不能馬上得出答案的問(wèn)題時(shí)，思考問(wèn)題的特征。工程學(xué)的“思維習(xí)慣”是21世紀(jì)所必需的技能。這些“思維習(xí)慣”主要包括系統(tǒng)思考的能力、創(chuàng)造力、樂(lè)觀(guān)主義、合作能力、交流能力和考慮道德倫理的能力等。

　　基礎(chǔ)教育階段工程學(xué)教育的特點(diǎn)

　　目前比較成熟的工程學(xué)項(xiàng)目主要有“基礎(chǔ)工程學(xué)”項(xiàng)目和“項(xiàng)目引領(lǐng)學(xué)習(xí)”（PLTW）項(xiàng)目。這些項(xiàng)目旨在將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育帶入基礎(chǔ)教育，通過(guò)整合科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)的主題、內(nèi)容，設(shè)計(jì)出工程學(xué)的課程框架。

　　“基礎(chǔ)工程學(xué)”提出，基礎(chǔ)教育中的工程學(xué)教育課程框架應(yīng)該包括知識(shí)層面和技能層面兩個(gè)方面的內(nèi)容。

　　知識(shí)層面主要指學(xué)生通過(guò)工程學(xué)的課程，能夠了解工程和技術(shù)是什么、工程師做什么；了解不同領(lǐng)域的工程學(xué)；了解在人類(lèi)社會(huì)中，幾乎所有的東西都與工程學(xué)息息相關(guān)；理解一個(gè)工程學(xué)問(wèn)題常常有多種解決方案；理解社會(huì)與工程學(xué)之間是如何相互影響的；理解技術(shù)是如何影響這個(gè)世界的（包括積極和消極的層面）；理解工程師沒(méi)有國(guó)別、性別和種族的差異，可以是健全的人，也可以是身體有缺陷的人等。

　　技能層面主要指能夠讓學(xué)生參與到工程設(shè)計(jì)的活動(dòng)過(guò)程中；應(yīng)用科學(xué)和數(shù)學(xué)來(lái)解決工程學(xué)問(wèn)題；用創(chuàng)造性和謹(jǐn)慎的思維來(lái)思考和解決問(wèn)題；能夠解決疑難問(wèn)題，并從失敗中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)；理解在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用材料的作用及其在解決工程問(wèn)題中所發(fā)揮的作用。

　　課程內(nèi)容和活動(dòng)要反映以下方面的特征：工程學(xué)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目必須反映出工程師是如何幫助人類(lèi)、動(dòng)物和社會(huì)的；項(xiàng)目設(shè)計(jì)必須在一個(gè)大的、真實(shí)的情境中；參與者需要涉及不同的性別、種族，且擁有不同特點(diǎn)、不同興趣愛(ài)好；有關(guān)設(shè)計(jì)類(lèi)的問(wèn)題必須有開(kāi)放性的答案；設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)要經(jīng)得起數(shù)量和質(zhì)量方面的考驗(yàn)；失敗是必不可少的一部分；步驟要經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，循序漸進(jìn)地提高學(xué)生的能力，而不是刻板地將過(guò)程公式化、形式化；要假設(shè)學(xué)生事先對(duì)材料和專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)都不熟悉；設(shè)計(jì)類(lèi)的項(xiàng)目要考慮采用低成本、易獲取的材料；鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)合作；專(zhuān)注于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力等。

　　工程學(xué)教育已經(jīng)進(jìn)入了課堂實(shí)踐的階段，將是科學(xué)教育發(fā)展的突出特點(diǎn)和趨勢(shì)。我國(guó)教育工作者應(yīng)該對(duì)此加以關(guān)注和研究，創(chuàng)造條件并逐步將工程學(xué)教育融入基礎(chǔ)教育理科課程中，探索出自己的工程學(xué)課程框架，為我國(guó)創(chuàng)新型國(guó)家的實(shí)現(xiàn)和學(xué)生科技素養(yǎng)的提高創(chuàng)設(shè)良好的教育條件。（作者單位：北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；劉恩山系北京師范大學(xué)生物學(xué)教育系主任、北京師范大學(xué)科學(xué)教育研究中心主任、普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組組長(zhǎng)、小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組副組長(zhǎng)）