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工程实践融入基础科学教育：内涵、目标和路径
一、问题提出
随着世界文明的飞速发展,技术的进步,当前在全球范围内对工程类人才的需求巨大,而我国工程教育主要在高等教育阶段开展,基础工程教育长期缺失,在很大程度上影响了学生的专业追求和职业取向的形成.与此同时,我们可以看到现代科学既高度分化又高度综合,科学内部以及科学与其他学科领域的交叉为研究和解决复杂问题提供了更加广阔的途径,为此近年来国际科学教育的理论和实践发生了革命性的变化,学校科学教育已不再是以往的“纯”科学教育,科学教育与数学、技术、工程的“联姻”或互相渗透,形成了今日国际科学教育既分又合的新态势.[1]国际上科学教育内涵的扩展之一——科学与工程教育的融合,同科学与工业过程设计之间共生的、良性的互动趋势可谓是一脉相承.将工程实践的核心思想融入到现有的科学课程中,把发展学生工程设计的能力和对工程设计的理解力作为科学教育的主要目标,是目前许多国家正在发生的基础科学教育与工程教育的范式转换.
工程实践融入科学教育这一范式的转换给科学教育理论研究提出了新的课题.工程实践的本质、科学教育与工程教育的关系、工程实践融入科学教育的基本方式等问题,现已成为国际科学教育界关注的焦点.只有弄清这些问题,工程教育才可能在日益膨胀的中小学课程中占有一席之地,科学教育与工程教育的融合也才具有理论依据.
二、科学教育与工程实践融合的内涵
科学教育与工程实践融合是本文的核心范畴,明确其基本内涵是前提.“融合”是系统科学中描述系统运动发展的一个概念,与“分化”相对应,有聚合、合并、一体化的意思,指的是把一些局部的零散的要素通过某种方式而结合在一起,最终形成功能更高的一个整体[2].上述定义主要强调了融合的过程和结果的属性,而未能反映融合的利益基础或价值认同的本质.为此,我们结合上述定义认为,科学教育与工程实践融合是在共同的利益和价值认同基础上,对工程与科学教育各自独立又有一定内在联系的要素按照某种规则或规范进行功能耦合、结构协调、相互配合的过程或结果.其中“价值认同”是以面向社会发展的未来主义态度来认识、考察、审视、剖析当下的科学教育与工程教育发展与变革问题,从而成为教育实践中的课程设计、实施与变革导向的理论认识和发展观点；“规则或规范”是融合的具体行动方法和微观教育实践方式；“要素”则包含教育活动的目标、内容、形式等多个方面.
三、工程实践融入科学教育的理论与现实依据
(一)工程教育与科学教育的特征及关系
工程教育与科学教育有着天然的联系,对两者关系的认识首先需要进行科学与工程的辨别区分,因此对科学与工程的本质作出概括十分重要.科学活动以发现为核心,其基本任务是发现事物的一般规律,形成科学的知识体系；工程活动则是以建造为核心,基本任务是建设具体的项目,本质是集成技术要素和其他要素实现优化的价值目标,创造直接的物质财富.从上述界说中可以看出工程和科学都是一个包含创新的实践过程,当然纯科学和工程之间存在着真实的区别,具体表现在两者追求不同的成果类型、涉及不同的知识类型、受不同类型的问题驱动等三个方面,[3]概言之,即理论与人造制品产出之间的对比.
工程与科学的创造性和实践本质以及其他关键性区分决定了工程教育和科学教育各自的属性.工程教育就是培养能在工程设计和工程实践过程中发挥主要作用的工程设计型人才的教育活动,是学校和工作单位在社会环境中所进行的创造性专业教育.[4]它的目的是使受教育者学会在一定环境条件下,为满足社会需要而从事科学和技术的开发与应用,创造“人工产物”.科学教育则是面向全体学生,以学校教育为主阵地,以自然科学学科教育为主要内容,以科学知识、科学思想（观念）、科学方法、科学精神四个层次有机结合的综合培养的系统教育活动[5].可以说,科学教育以学生科学研究实践的过程体验和科学素养及创新意识培养为旨趣,工程教育关注学生工程实践过程和产品设计的生命周期的体验以及人工造物能力的培养.除此之外,科学教育与工程教育存在更多的相似之处和关联：科学教育中的研究实践往往是工程教育中的实践过程不可获缺的知识创获或积累的环节,同时工程实践又是科学知识、方法与工具合理性检验或发挥价值的重要途径,这为两者的有机融合奠定了天然的基础.
(二)工程教育与科学教育融合的现实依据
作为一种融合型的理科教育尝试,STEM教育强调将原先独立的科学、数学、技术和工程四门学科内容组合成整体以解决真实世界中的问题[6].STEM教育中学科相互融合的方式很多,按照融合程度的大小可以区分为：教授STEM中的四门学科,同时强调其中的一门或两门,例如强调技术和工程学科学习的课程形式；将一门学科融入另外三门学科展开教学,例如工程学科融入科学、技术和数学学科,形成E-S、E-T、E-M等课程形式；教授STEM四门学科,但其最终是为了提高科学教育质量服务的课程形式；以及将四门学科作为一个融合学科整体.
当前,如何在信息大爆炸的时代背景下给予学生必要的科学与工程学知识,使他们更好地面对生活和未来职业成为美国科学教育面临的问题.为此,美国兴起新一轮基础阶段科学教育改革,并在2013年颁布的《新一代科学教育标准》中采用STEM教育里第二类学科融合的方式,前所未有地将科学与工程实践的内容整合进K-12教育的重要位置,使“科学与工程实践”与“学科核心概念”和“跨学科共同概念”进行有效整合,并明确提出了关于科学与工程实践的表现性期望、类型、内容以及具体的学习目标[7].可以说,美国《新一代科学教育标准》以跨学科思维来整合各学科的核心概念,建立起科学与工程实践相结合的、新的人才培养路径,体现了全球经济和贸易自由化背景下科学教育的新方向,这无疑会为世界各国课程改革和科学教育提供一定的借鉴和参考.
四、工程实践融入科学教育的培养目标
工程实践融入基础科学教育中的培养目标,即通过科学与工程实践对各学科的知识与能力两方面进行整合所要达到的期望结果.
工程教育是一个多层次、多类型有机构成的巨型系统,从基础到专业化再到综合创新,是循序渐进的过程.认清不同教育阶段的工程教育目标是我们理解在特定形式下的工程教育目标的前提.长期以来高等教育阶段是工程教育组织和实施的主要阶段,高等工程教育是以“企业、社会及学校”三位一体培养机制为核心,参照企业或社会的需求创设真实的或仿现实的工程实践任务,以培养满足未来需要的工程型人才为目标的[8].K-12工程教育则是指从幼儿园到12年级教育阶段学生的工程培育,它构成了工程教育体系的底层架构,是高等工程教育的基础和前提.近年来,工程教育体系最为完备的美国陆续颁布了《美国K-12工程教育：现状及未来》《K-12工程教育标准》和《K-12科学教育框架》等文件,强调K-12工程教育的关键在于“激发对工程设计的兴趣、对工程职业的向往和养成习惯的工程思维”[9].除美国以外,其他国家也相继制定了K-12教育阶段的工程教育项目或计划,让学生投入工程教育与学习.并且明确指出K-12工程教育的主要目的有两个：主线目的（即工程通识教育）和输送目的（为工程职业做准备）[7].显然,不同于高等工程教育注重工程人才的实践能力培养,K-12工程教育更加重视中小学生对工程的基本认识、形成工程思维习惯、对工程职业的向往以及动手设计能力的培育.
那么,在基础教育阶段,在科学教育中融入工程实践的目标如何定位？应该说,在融合的情境下,科学教育和工程教育目标的细致区分和辨别不再是我们关心的主要问题.目前的焦点是如何看待科学学习过程中融入工程实践之后,科学教育和工程教育各自利益基础的协调和统一关系.美国在2011年发布的科学教育纲领性文件《K-12科学教育框架》中指出,K-12教育的实践应取材于科学家和工程师的日常工作.通过实践,学生了解科学知识是如何逐步发展的,通过一系列方法去探究、建模和解释世界,通过了解科学家和工程师的工作,厘清科学和工程之间的区别与联系,并能从跨学科和单独学科的角度,更深层次地理解学科和工程领域的知识与意义,从而激发学生的好奇心、吸引学习兴趣、鼓励学生在该领域继续学习.显然,工程实践融入基础科学教育,它贯通了科学知识与基础工程知识学习的通道.一方面,重视学生获取与阶段相适应科学知识和技能以及工程基本原理,帮助学生初步了解科学研究和工程实践,发展运用相关科学知识与工程基本原理创造性地解决问题的实践能力,培育学生的创造兴趣以及对工程职业的向往；另一方面,为课堂提供更加真实和有现实意义的案例,帮助学生更好地适应多学科间一些复杂的问题,促成学生跨学科视野与工程思维方式的形成.在融合的基础上,科学教育与工程教育的基本利益得到了很好地耦合,不仅实现了科学教育和工程教育的旨趣,而且两者的实现过程是彼此协同,相互支持和影响的.
毋庸置疑,在现行的科学课程中融入工程实践,与中小学阶段开设独立工程课程或项目的目标不是完全一致的.除了工程通识教育和为工程职业做准备以外,科学课程中的工程实践在很大程度上是为了丰富学生科学学习的实践形式,为了学生更好地获得科学知识和实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用提高解决实际问题的能力.因此,审慎地把握基础科学教育中融入工程实践的定位,无疑是成功开展基础工程教育的重要一步.
五、工程实践融入科学教育的基本方式——科学探究与工程设计整合
从工程实践融入科学教育的本体论建设转向教育教学实践,我们将面临最为关键和艰巨的任务,那便是解决工程实践融入科学教育的基本方式或途径的问题.
美国2013版科学教育标准中不仅将工程实践与科学实践并提,而且提出了以工程设计与科学学习活动的整合作为基本途径[10].Schunn（2008）等在具体的课程实践基础上指出以工程为框架可赋科学探究以意义,使学习者从这样的整合中受益[11].我国学者唐小为（2015）分析了科学领域和工程技术领域所强调的“思”的共性和特色,也认为在基础科学教育里整合理论性探究和工程设计能让学生打通这两类“思”[12].可见,在科学课堂中科学探究这一科学学习方式与工程实践的核心——工程设计整合,可以作为工程实践融入科学教育的基本方式.整合工程设计和科学探究的过程模式是工程实践融入科学教育的课堂教学实践的关键,这需要以工程设计和科学探究的本体认识为基础.
(一)科学探究与工程设计的内涵及过程特征
“探究（inquiry）”一词源于拉丁文的in或inward（在……之中）和quaerere（质询、寻找）.我国1989年版的《辞海》将探究界定为“深入探讨、反复研究”,其目的是获得知识、真理,探究的途径或方法是搜寻、调查、研究、检验[13].在教育学领域,研究者们主要是将探究作为个体的一种学习方式来进行研究.早在科学探究兴起的20世纪90年代,美国《国家科学教育标准》（1996）开篇就指出“探究”应使用在科学学习活动中,使其成为学生用以获取知识,领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动.从上述定义中我们可以看到,学者普遍认为,科学探究是个体围绕着问题或任务进行的一种探索活动,因此,问题是探究的起点.其次,探究作为一种类似于科学研究的活动,要经历科学研究的一般过程.同时,问题的解决并不是探究的全部,通过探究,个体在知识、技能、情感和态度等各方面都将获得发展和提高.
工程实践是指工程师所从事的工程构想、设计、实现和运行工作.其中,设计是工程实践的本质与核心.工程设计贯穿于产品孕育至消亡的全寿命周期,涵盖了需求辨识、概念设计、总体设计、技术设计、生产设计、营销设计、回用处理等设计活动,起到了促进科学研究、生产经营和社会需求之间互动的中介作用.工程无处不体现着“设计”这一思想.因此,工程设计实践也成为了工程教育领域的核心.工程设计实践通常要直面“结构不良的问题”或“无明确边界的问题”,在最初阶段,学习者会基于问题范围的充分界定并利用解决方案聚焦的方式开展信息收集.为了解决问题,学习者通常需要采取探究行动以寻求解决方案,并尝试通过检验、优化迭代的方式不断缩小问题解决方案的空间,产生一些能形成设计概念的初步想法,最终促进问题解决方案的获得.
从本质上看,科学探究和工程设计实践都是问题解决的过程,往往需要经历一个“面对问题——提出解决方案——进行验证——结果反思”的循环过程.这两种实践过程相似点颇多——都需要结合前认知与合理想象进行建构,反复实证检验,根据检验结果修正和调整理论或问题解决方案；它们又各有特色——科学强调证据一致性和理论解释力,必须着力筛选最合理的解释和理论；而工程设计关注问题解决方案的开发与优化,对同一限定问题可同时有多种可行的设计.这些共性和差异为科学课堂教学中两种实践形式的整合提供了契机.
(二)科学探究与工程设计整合的主要模式
文献分析发现,有关科学探究与工程设计整合的研究尚在最初的探索阶段,其中教学案例的开发占据主导,而对于教学活动过程模式构造和教学逻辑提炼、类别化的研究却鲜有涉及[14].因此,如何把握科学探究与工程设计过程的关键特征及其联系,建立以工程设计为主、科学探究为主、科-工并重的过程模式[12]具有重要意义.
1.以工程设计为框架的整合
以工程设计为框架的整合是以工程设计任务为基搭建学习情境,由设计需求走向相关的科学探究,再通过假设检验和解释建构为设计概念形成及改进提供依据.这类整合将科学探究作为工程设计过程的有机组成部分.工程设计实践中学习者常常面对的是分解后的设计任务系列,因此将经历“设计——探究——设计”的学习循环,这就是工程设计的循环迭代过程,充分体现了科学与工程设计的双向联系,探究主要是作为设计的依据或支撑存在,以发现或理解设计所需的特定科学原理为基础；工程设计实践也为探究赋予了更具真实性和丰富性的情境,拓展了探究的创新空间,彰显了探究的价值和生命力.
2.以科学探究为内核的整合
以科学探究为内核的整合主要以科学探究为学习的基本过程,以高效地“悟”出科学规律为旨趣.这一过程中的工程设计通常是利用模拟技术拓展科学探究的视野为特征的,通过完成工程设计任务,科学探究即获得了相应的手段或媒介,为科学探究拓宽了创造性的空间.
3.科学探究与工程设计并重的整合
科学探究与工程设计并重的整合,强调两者的过程比例和重要性的均衡,形成“先科学探究后工程设计”的格局.工程设计过程基本独立于理论性探究过程,两者的联系仅在于探究成果可为设计这一“实战演习”所用.此类整合,一方面可达到深化科学探究获得科学规律的目的；另一方面,通过对设计进行测试,学生可联系新旧知识,进一步理解真实世界中科学规律发挥作用的具体方式；在已有科学知识基础上进行开发解决方案、检验设计合理性、权衡方案、讨论修正等过程的体验,着力提升实际问题解决能力,理解设计理性和方法.
需要指出的是,在科学教育的体系中,工程实践的融入必定是有限的,目前主要还是以科学探究为核心的科学学习为主,适时插入相关工程内容和工程实践；在少量的主题课堂中可以有针对性地开展以工程设计为框架的教学活动；至于科-工并重在常规课堂中付诸实践较为困难.
工程实践融入科学教育作为基础工程教育的创新性改革,是一个崭新的课题,需要以整合的一般理论和实施路径为研究重点,并以此作为指南,才能从根本上解决问题.本研究对工程实践融入科学教育的探索仅仅是初步的,对科学探究与工程设计整合中的科学与工程内容选择与组织以及类别化的整合过程模式的细化构造和实证探索,将是研究深化的重要方向.
参考文献：
[1] 丁邦平.论国际理科教育的范式转换——从科学教育到科技教育
[J].比较教育研究,2002(1):1-6.
[2] A.S.Hornby.牛津高阶英汉双解词典（第四版）[Z].李北达,译.北
京:商务印书馆,2002:777.
[3] 殷瑞钰. 关于工程与工程哲学的若干认识[J].工程研究-跨学科
视野中的工程,2004:9-13.
[4] 冯厚植.工程教育设计与工程设计方法[M].北京:北京航空航天
大学出版社,2003:92.
[5] 张敏.科学教育:人性迷失与理性遍寻[D].长春:东北师范大学,
2004:42.
[6] 余胜泉,胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研
究,2015(4):13.
[7] 史永悦,杜欣,苏玉成.从科学与工程教育看美国新科学教育标准
[J].现代中小学教育,2016(2):113-117.
[8] 林健.工程教育认证与工程教育改革和发展[J].高等工程教育研
究,2015(2):10-19.
[9] National Academy of Engineering and National Research Council.
Engineering in K-12 education: Understanding the status and
improving the prospects[R]. Washington, DC: National Academies
Press,2009.
[10] 郭玉英,姚建欣,彭征.美国《新一代科学教育标准》述评[J].课
程·教材·教法,2013(8):118-127.
[11] Apedoe X. S., Reynolds B., Ellefson M. R., & Schunn C. D.. Bringing
engineering design into high school science classrooms: the heating/
cooling unit [J].Journal of Science Education and Technology, 2008,
17(5): 454-465.
[12] 唐小为,王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径
分析[J].教育研究,2014(9):61-68.
[13] 陈琴,庞丽娟.科学探究:本质、特征与过程的思考[J].教育科学,
2005(1):1-5.
[14] Householder D.L.(Ed.). (2011). Engineering design challenges in high
school STEM courses: A compilation of invited position papers[EB/
OL].http://ncete.org/flash/pdfs/Engr_Design_Challenges_Compilation.pdf.
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