徐冉冉+占小紅

摘要：在基礎(chǔ)教育階段，科學(xué)課程中整合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，是實(shí)施基礎(chǔ)工程教育的基本途徑。分析高等教育工程實(shí)踐與美國K-12科學(xué)課程文件中工程設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，探討基礎(chǔ)科學(xué)課程中整合工程實(shí)踐的目標(biāo)和過程模式，為我國基礎(chǔ)工程教育提供參考。

關(guān)鍵詞：工程實(shí)踐；科學(xué)課程；整合；課程目標(biāo)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）2–0016–06 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

工程教育起源于技術(shù)教育，是一項(xiàng)古老的教育活動(dòng)。中國的工程教育發(fā)端于第二次鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)之后，由于缺乏系統(tǒng)的學(xué)校教育制度，教學(xué)效率及質(zhì)量一直很低。近年來，中國的工程教育開始關(guān)注歐美工程教育模式的改革與創(chuàng)新，嘗試與國際接軌，開啟高等工程教育多元化發(fā)展的新時(shí)代。但是，由于基礎(chǔ)教育階段工程教育的缺位，使得學(xué)生對(duì)工程領(lǐng)域知之甚少，在學(xué)科認(rèn)識(shí)與專業(yè)選擇上存在諸多困惑，進(jìn)而直接影響了高等工程教育的發(fā)展及人才培養(yǎng)。因此，在基礎(chǔ)教育階段開展工程教育是當(dāng)前備受關(guān)注和亟待解決的問題。

STEM是以問題解決驅(qū)動(dòng)的跨學(xué)科理科教育，提倡通過工程方法來解決科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的問題，促使未來人才適應(yīng)當(dāng)今知識(shí)經(jīng)濟(jì)全球化水平、復(fù)雜性和合作性不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)。21世紀(jì)初期，STEM教育逐漸走入基礎(chǔ)教育，圍繞與日常生活息息相關(guān)的工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)與開發(fā)一系列工程教育活動(dòng)，旨在幫助學(xué)生了解生活中科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)際問題和動(dòng)手實(shí)踐的能力，加深其對(duì)科學(xué)概念及工程技術(shù)的理解。最具代表性的是美國2011年頒布的《K-12年級(jí)科學(xué)教育的框架：實(shí)踐、交叉概念、以及核心觀念》（A Framework for K-12 Science Education，以下簡(jiǎn)稱“框架”）與2013年頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，以下簡(jiǎn)稱“新標(biāo)準(zhǔn)”）中，整合了STEM教育理念，并引入“科學(xué)和工程實(shí)踐”作為科學(xué)教育的三個(gè)維度之一。在基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)課程中整合工程教育，為學(xué)生提供工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)成為基礎(chǔ)科學(xué)教育改革的必然趨勢(shì)。我國基礎(chǔ)科學(xué)課程中如何合理引入工程教育，其目標(biāo)要求以及過程模式的特征如何，這些問題的回答是基礎(chǔ)教育階段開展工程教育的前提。為此，本文在梳理工程教育與科學(xué)教育的關(guān)系基礎(chǔ)上，通過分析現(xiàn)階段高等工程教育的課程目標(biāo)、內(nèi)容與形式，并聯(lián)系真實(shí)工程作業(yè)環(huán)境中的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)的要求與特征，結(jié)合美國科學(xué)課程綱領(lǐng)性文件中的工程設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，探討基礎(chǔ)科學(xué)課程中整合工程教育的目標(biāo)和過程模式；并對(duì)我國基礎(chǔ)工程教育實(shí)踐形成啟示。

1 工程教育與科學(xué)教育的關(guān)系認(rèn)識(shí)

課程整合是以共同的功能基礎(chǔ)和價(jià)值取向?yàn)榍疤岬?，科學(xué)課程中整合工程實(shí)踐是否具有可行性，我們需要通過認(rèn)識(shí)工程、工程教育及其與科學(xué)教育的關(guān)系來理解。

關(guān)于工程的定義眾說紛壇，張錫純?cè)谡劦焦こ烫攸c(diǎn)時(shí)指出“工程是科學(xué)、技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的最后階段。工程活動(dòng)的結(jié)果，總是完成符合某種社會(huì)目的的人工自然物”，強(qiáng)調(diào)工程活動(dòng)的應(yīng)用性與目的性。美國工程教育協(xié)會(huì)（ASEE）認(rèn)為工程是一項(xiàng)藝術(shù)，“是應(yīng)用科學(xué)、數(shù)學(xué)原理、經(jīng)驗(yàn)，判斷和嘗試以造福人類的一種藝術(shù)，生產(chǎn)某種技術(shù)產(chǎn)品的過程或滿足特定需要的體系”，突出了工程活動(dòng)的創(chuàng)造性本質(zhì)。清華大學(xué)羅福午教授給出了工程的完整概念，“工程是運(yùn)用科學(xué)原理、技術(shù)手段、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，利用和改造自然，生產(chǎn)、開發(fā)對(duì)社會(huì)有用產(chǎn)品的實(shí)踐活動(dòng)的總稱”，強(qiáng)調(diào)工程活動(dòng)是一項(xiàng)改造自然、服務(wù)社會(huì)的生產(chǎn)活動(dòng)，突出其實(shí)踐性特征。綜合可見，工程活動(dòng)的開展是以掌握一定的科學(xué)、數(shù)學(xué)原理與技術(shù)手段為基礎(chǔ)的；工程活動(dòng)的目標(biāo)是生產(chǎn)出符合社會(huì)需要的人工產(chǎn)物；從目標(biāo)向結(jié)果的轉(zhuǎn)化過程需要“開發(fā)、改造、生產(chǎn)”的實(shí)踐過程，這類實(shí)踐活動(dòng)不是將條件、目標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的拼接組合，而是從自然和社會(huì)因素的雙重角度出發(fā)，在考慮現(xiàn)實(shí)的各種限制因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)思解決方案并付諸實(shí)施的。概括而言，工程是以科學(xué)、技術(shù)的應(yīng)用為主線，在生產(chǎn)生活中產(chǎn)生、發(fā)現(xiàn)、提出問題，考慮多種自然和社會(huì)因素的制約影響和工程設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)解決方案，通過實(shí)踐活動(dòng)生產(chǎn)出符合社會(huì)需求的人工產(chǎn)物（包括實(shí)物硬件和非實(shí)物軟件）的創(chuàng)新活動(dòng)。工程的創(chuàng)造性本質(zhì)決定了工程教育的屬性。工程教育作為培養(yǎng)工程人才的教育活動(dòng)，是學(xué)校和工作單位在社會(huì)環(huán)境中所進(jìn)行的創(chuàng)造性專業(yè)教育。它的目的是使受教育者為滿足社會(huì)需要而從事科學(xué)和技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，通過創(chuàng)造“人工產(chǎn)物”的活動(dòng)，成為各個(gè)工程領(lǐng)域所需的工程人才。

通過對(duì)科學(xué)與工程學(xué)科特點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn)，科學(xué)是解釋世界的理論層次，強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識(shí)的形成與發(fā)展；工程屬于改造世界的實(shí)踐層次，關(guān)注活動(dòng)過程的體驗(yàn)和結(jié)果的形成。二者又彼此交叉融合，前者的認(rèn)知構(gòu)建可以基于一定的工程情境中，工程實(shí)踐也離不開通過科學(xué)認(rèn)識(shí)過程獲得依據(jù)。根據(jù)工程與科學(xué)的關(guān)系，我們不難發(fā)現(xiàn)，工程教育與科學(xué)教育具有著本質(zhì)的聯(lián)系?？茖W(xué)教育活動(dòng)中學(xué)生進(jìn)行的認(rèn)知活動(dòng)都是建立在已有的科學(xué)解釋的基礎(chǔ)上，即通過各種教育教學(xué)活動(dòng)去認(rèn)識(shí)科學(xué)世界；工程教育則需要以科學(xué)教育為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新活動(dòng)為載體，讓學(xué)生在活動(dòng)中運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)知識(shí)與原理解決現(xiàn)實(shí)問題?？茖W(xué)教育強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)結(jié)果，即科學(xué)知識(shí)的獲得和技能的訓(xùn)練，而工程教育更為關(guān)注學(xué)生實(shí)踐過程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的生命周期的體驗(yàn)。

2 科學(xué)課程中整合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的目標(biāo)和過程模式

工程實(shí)踐是指工程師所從事的工程構(gòu)想、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行工作。其中，工程設(shè)計(jì)貫穿于產(chǎn)品孕育至消亡的全壽命周期，起到了促進(jìn)科學(xué)研究、生產(chǎn)經(jīng)營和社會(huì)需求之間互動(dòng)的中介作用，因此，工程設(shè)計(jì)實(shí)踐成為了工程教育領(lǐng)域的核心，基礎(chǔ)科學(xué)課程中整合工程教育主要表現(xiàn)為科學(xué)與工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的整合。

以下我們將在對(duì)比分析現(xiàn)實(shí)的工程實(shí)踐與高等教育的工程實(shí)踐的目標(biāo)和過程基礎(chǔ)上，參考美國“新標(biāo)準(zhǔn)”中對(duì)于工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的相關(guān)規(guī)定，探討我國基礎(chǔ)教育階段工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的要求和過程特征。

2.1 真實(shí)的工程實(shí)踐及其過程

工程活動(dòng)從需求出發(fā)，明確任務(wù)，選定目標(biāo)，依靠人類文明積累起來的科學(xué)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，協(xié)調(diào)諸多現(xiàn)實(shí)制約中的矛盾，去構(gòu)成一個(gè)有效、可靠、實(shí)用且系統(tǒng)化的信息加工過程。其實(shí)質(zhì)是運(yùn)用現(xiàn)代工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法，將工程系統(tǒng)任務(wù)要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)技術(shù)要求和系統(tǒng)最優(yōu)配置的過程，是一個(gè)以信息為主的輸入輸出轉(zhuǎn)換過程。

真實(shí)的工程實(shí)踐一般都遵循一套基本的思考程序流程，基本步驟表現(xiàn)為：①分析需求，明確目標(biāo)：通過對(duì)環(huán)境的辨識(shí)，正確地分析社會(huì)需求，明確應(yīng)該做什么，解決什么樣的問題，特別強(qiáng)調(diào)目標(biāo)的準(zhǔn)確度；②發(fā)散綜合，產(chǎn)生方案：使用發(fā)散思維，通過類比、聯(lián)想等多種方式，尋求解決問題的辦法，提出盡可能多的備選方案，以資比較；③收斂分析，比較方案：從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、人與社會(huì)等多個(gè)角度，對(duì)產(chǎn)生的諸方案進(jìn)行分析比較，找出各個(gè)方案存在的優(yōu)勢(shì)與不足；④綜合評(píng)價(jià)，決策選優(yōu)：依據(jù)一定的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，找出應(yīng)使用的評(píng)價(jià)特征，對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，權(quán)衡利弊得失，選出最佳方案。顯然，真實(shí)環(huán)境中的工程實(shí)踐將面對(duì)復(fù)雜的外界環(huán)境和社會(huì)需求，需要綜合多元的標(biāo)準(zhǔn)和限制條件，進(jìn)行充分的事先評(píng)價(jià)及利弊衡量促成方案選擇或優(yōu)化，這是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的過程。

2.2 高等教育的工程實(shí)踐目標(biāo)及過程

2.2.1 高等教育的工程實(shí)踐目標(biāo)

高等工程教育是以培養(yǎng)能將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的工程師為基本任務(wù)的專業(yè)教育?，F(xiàn)行的高等工程教育具有多種人才培養(yǎng)模式，不同的培養(yǎng)模式中包含了不同的工程實(shí)踐目標(biāo)和過程，現(xiàn)以近年來國際工程教育改革中較為推崇的卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）和CDIO模式為例，簡(jiǎn)述其培養(yǎng)目標(biāo)和過程。

“卓越計(jì)劃”是國家教育部貫徹落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》的重大改革項(xiàng)目，對(duì)我國高等工程教育乃至整個(gè)高等教育的改革與發(fā)展都起到了重要的示范、引領(lǐng)和推動(dòng)作用?！白吭接?jì)劃”要求在行業(yè)、企業(yè)深度參與下，綜合通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定工程人才培養(yǎng)方案和目標(biāo)，充分遵循工程的實(shí)踐、集成與創(chuàng)新的特征，以強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力與工程創(chuàng)新能力為核心，培養(yǎng)復(fù)合型、高素質(zhì)、滿足未來需要的優(yōu)秀工程型人才。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是在“回歸工程實(shí)踐”的背景下，由麻省理工學(xué)院和瑞典查爾摩斯工業(yè)大學(xué)等四所大學(xué)經(jīng)過四年的探索研究，提出的工程教育理念，開創(chuàng)了工程教育課程改革實(shí)踐的新模式。CDIO模式的教育目標(biāo)是指通過在實(shí)際系統(tǒng)和產(chǎn)品的“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”的背景環(huán)境下強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的工程教育，學(xué)生能夠掌握深厚的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行，理解工程技術(shù)的研究與發(fā)展對(duì)社會(huì)的重要性和戰(zhàn)略影響。CDIO教學(xué)大綱的培養(yǎng)目標(biāo)具體包含以下四個(gè)層面：

（1）學(xué)科知識(shí)和推理。為了發(fā)展復(fù)雜、高附加值的工程系統(tǒng)，學(xué)生需要掌握工程教育所必備的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，包括基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)、高級(jí)的工程基本原理和核心的工程基本原理。其中，推理是工程過程中知識(shí)形成過程的基本形式。

（2）個(gè)人的和職業(yè)的技能與態(tài)度。涵蓋工程思維（工程推理和解決問題）、科學(xué)思維（實(shí)驗(yàn)和知識(shí)發(fā)現(xiàn)）、系統(tǒng)思維、職業(yè)技能和態(tài)度與個(gè)人技能和態(tài)度五個(gè)方面。在高等教育階段，學(xué)生不僅需要在知識(shí)的形成和應(yīng)用（工程推理）上獲得成長，更要在心理和社會(huì)意識(shí)上得到發(fā)展。

（3）團(tuán)隊(duì)合作和交流的人際關(guān)系技能。包括團(tuán)隊(duì)工作、溝通和外語交流三個(gè)方面，其重要性在它是產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)建造知識(shí)和能力在社會(huì)和企業(yè)環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行產(chǎn)品和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

（4）在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行系統(tǒng)。學(xué)生通過體驗(yàn)完整且真實(shí)的工程實(shí)踐過程，理解研究和技術(shù)發(fā)展對(duì)社會(huì)的重要性和戰(zhàn)略影響，理解工程師的努力對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)的實(shí)際影響。

無論是“卓越計(jì)劃”亦或是CDIO模式的人才培養(yǎng)目標(biāo)，都較為一致地反映出高等工程教育以“企業(yè)、社會(huì)及學(xué)?！比灰惑w培養(yǎng)機(jī)制為核心的特征，它參照企業(yè)或設(shè)計(jì)的工程建設(shè)要求創(chuàng)設(shè)真實(shí)的或仿現(xiàn)實(shí)的工程實(shí)踐任務(wù)，要求學(xué)生通過在真實(shí)的問題情境中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)滿足工業(yè)及社會(huì)需求的產(chǎn)品，提高自身的工程能力與創(chuàng)新能力。

2.2.2 高等教育中工程實(shí)踐的過程

工程實(shí)踐作為工程教育的實(shí)現(xiàn)途徑，在高等工程教育中具有舉足輕重的地位，它的基本過程涉及如下四個(gè)階段：

（1）構(gòu)思階段。建立在個(gè)人的和職業(yè)的技能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行判斷和定性分析工程問題，主要表現(xiàn)為確定客戶需求，考慮技術(shù)，企業(yè)戰(zhàn)略和有關(guān)規(guī)定，開發(fā)理念、技術(shù)和商業(yè)計(jì)劃。

（2）設(shè)計(jì)階段。標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)需要從多個(gè)角度考慮工程對(duì)社會(huì)與環(huán)境的影響、參考相應(yīng)的歷史和文化背景、考慮工程項(xiàng)目的財(cái)務(wù)與經(jīng)濟(jì)學(xué)以及企業(yè)的利益相關(guān)者、戰(zhàn)略與目標(biāo)等，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)集中表現(xiàn)為創(chuàng)建設(shè)計(jì)，包括計(jì)劃、圖紙和描述產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)實(shí)施的方法和算法。

（3）實(shí)施階段。完成從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過程，包括硬件制造、軟件編程、測(cè)試和驗(yàn)證。通過硬件制造與軟件實(shí)現(xiàn)的集成，完成可持續(xù)的實(shí)施過程，并測(cè)試、證實(shí)、驗(yàn)證與認(rèn)證工程設(shè)計(jì)。

（4）運(yùn)行階段。通過產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)為用戶提供預(yù)期的價(jià)值，以及對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)、改造、回收和報(bào)廢。

與真實(shí)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐相較，高等教育中的工程實(shí)踐旨在通過各種工程實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)該領(lǐng)域?qū)W生達(dá)到特定的培養(yǎng)目標(biāo)，即其作為一種教育活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)工程人才的最終目的；而真實(shí)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐則是使具備工程能力與創(chuàng)新能力的人才創(chuàng)造出符合社會(huì)需求的人工產(chǎn)物。此外，就所面對(duì)的工程實(shí)踐任務(wù)而言，高等教育中的工程實(shí)踐任務(wù)是通過對(duì)現(xiàn)實(shí)中的工程實(shí)踐任務(wù)進(jìn)行必要的改造和調(diào)整而形成的，與培養(yǎng)目標(biāo)及其階段性相適應(yīng)；至于其實(shí)踐過程，高等教育的工程實(shí)踐與真實(shí)工程實(shí)踐過程相似，盡可能地為學(xué)生創(chuàng)造體驗(yàn)真實(shí)完整實(shí)踐過程的機(jī)會(huì)。

2.3 美國K-12科學(xué)課程中的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐

美國在科學(xué)教育綱領(lǐng)性文件“框架”中，用“實(shí)踐”一詞取代原標(biāo)準(zhǔn)中的“探究”，將科學(xué)和工程實(shí)踐作為三個(gè)維度之一，通過在科學(xué)課程中整合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的方式，組織和實(shí)施基礎(chǔ)工程教育，這是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略性意義的科學(xué)教育變革和創(chuàng)新。“框架”認(rèn)為，K-12教育的實(shí)踐應(yīng)取材于科學(xué)家和工程師的日常工作。通過實(shí)踐，學(xué)生了解科學(xué)知識(shí)是如何逐步發(fā)展的，通過一系列方法去探究、建模和解釋世界，通過了解科學(xué)家和工程師的工作，厘清科學(xué)和工程之間的區(qū)別與聯(lián)系，并能從跨學(xué)科和單獨(dú)學(xué)科的角度，更深層次地理解學(xué)科和工程領(lǐng)域的知識(shí)與意義，從而激發(fā)學(xué)生好奇心、吸引學(xué)習(xí)興趣、鼓勵(lì)學(xué)生在該領(lǐng)域繼續(xù)學(xué)習(xí)。可見，“框架”強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)科學(xué)課程中通過整合科學(xué)和工程兩種實(shí)踐活動(dòng)，貫通科學(xué)知識(shí)與基礎(chǔ)工程知識(shí)學(xué)習(xí)的通道，幫助學(xué)生初步了解科學(xué)研究和工程實(shí)踐，促成學(xué)生跨學(xué)科視野與思維方式的形成?！翱蚣堋边€提煉了科學(xué)探究實(shí)踐和工程實(shí)踐的共同要素，據(jù)此劃分并闡明了K-12階段科學(xué)課堂的實(shí)踐的8個(gè)環(huán)節(jié)，分別為：①提出、定義問題；②開發(fā)并使用模型；③計(jì)劃并實(shí)施研究；④分析并解釋數(shù)據(jù)；⑤運(yùn)用數(shù)學(xué)、信息及計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)思維；⑥建立解釋、構(gòu)建解決方案；⑦參與基于事實(shí)的論證；⑧獲取、評(píng)價(jià)并交流信息。其中，在步驟①、⑥中明確區(qū)分科學(xué)實(shí)踐與工程實(shí)踐的區(qū)別，即科學(xué)側(cè)重問題的提出，工程側(cè)重對(duì)問題的定義；在解決問題方面，科學(xué)側(cè)重于建立解釋，而工程更側(cè)重于構(gòu)建解決方案，這與前文分析的科學(xué)教育與工程教育特征相吻合。

在“框架”提出的“學(xué)科核心概念”、“跨學(xué)科概念”和“科學(xué)和工程實(shí)踐”三個(gè)維度基礎(chǔ)上，美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)圍繞工程設(shè)計(jì)這一主題，按照不同學(xué)段學(xué)生認(rèn)知水平和能力水平，提出學(xué)生在工程實(shí)踐的8個(gè)環(huán)節(jié)中應(yīng)該達(dá)到的表現(xiàn)期望，見表1。

綜合分析“框架”與“新標(biāo)準(zhǔn)”中K-12階段工程實(shí)踐要素及其具體要求，并與高等教育的工程實(shí)踐培養(yǎng)目標(biāo)與過程作比較，不難發(fā)現(xiàn)，無論是哪一個(gè)教育階段的工程實(shí)踐，都要求含有與真實(shí)的工程實(shí)踐相一致的過程要素，即涵蓋了問題分析，尋求、比較與優(yōu)化解決方案，構(gòu)建模型或原型以表征解決方案，運(yùn)行與修訂產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但由于不同階段學(xué)生學(xué)科知識(shí)水平、思維能力水平以及在該領(lǐng)域的各項(xiàng)技能水平的限制，使得不同階段工程實(shí)踐的培養(yǎng)目標(biāo)、任務(wù)復(fù)雜度與過程存在較大差異，具體表現(xiàn)如下：

（1）培養(yǎng)目標(biāo)。高等工程教育以培養(yǎng)將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的專業(yè)人才——工程師為宗旨。與此相較，K-12階段工程教育的首要目標(biāo)為：①強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)；②融合重要的且與發(fā)展階段相適應(yīng)的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)知識(shí)和技能；③形成工程思維習(xí)慣。

（2）任務(wù)復(fù)雜度。任務(wù)復(fù)雜度主要是從任務(wù)是否需要分解和所涉及的領(lǐng)域知識(shí)來看的。高等教育工程實(shí)踐任務(wù)強(qiáng)調(diào)真實(shí)性，因此往往包含復(fù)雜的問題解決過程，需要進(jìn)行任務(wù)分解才能得以完成；而基礎(chǔ)工程實(shí)踐關(guān)注過程體驗(yàn)，對(duì)實(shí)踐任務(wù)會(huì)作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。因此，在高等教育的工程活動(dòng)中，學(xué)生需要掌握工程教育所必備的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，包括基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)、高級(jí)的工程基本原理和核心的工程基本原理；相比而言，K-12階段的工程實(shí)踐所要求的科學(xué)知識(shí)與該學(xué)段相對(duì)應(yīng)，一般不要求以完備的工程原理為基礎(chǔ)。

（3）過程差異。高等工程教育要求學(xué)生能夠分析需求和現(xiàn)實(shí)的約束，在對(duì)問題進(jìn)行專業(yè)性和倫理性的理解的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)學(xué)、技術(shù)、科學(xué)、工程知識(shí)，使用技術(shù)、技能和當(dāng)代工程工具設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)踐，分析并解釋數(shù)據(jù)，解決工程問題，并且，高等工程教育的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是一個(gè)螺旋優(yōu)化的過程，其過程遠(yuǎn)比K-12階段復(fù)雜。對(duì)于K-12階段的學(xué)生而言，強(qiáng)調(diào)“更加精確地定義問題，在選擇最佳解決方案時(shí)能夠設(shè)計(jì)一個(gè)更為周密的過程，優(yōu)化最終設(shè)計(jì)”，即側(cè)重“定義問題”、“開發(fā)方案”和“優(yōu)化設(shè)計(jì)”三個(gè)階段的體驗(yàn)。其中，開發(fā)方案主要表現(xiàn)為考慮約束和現(xiàn)實(shí)限制條件，并利用科學(xué)知識(shí)，形成解決問題的方案，凸顯知識(shí)的應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)的要求并不高。

3 對(duì)我國基礎(chǔ)工程教育的啟示

當(dāng)前我國工學(xué)門類本科招生人數(shù)日益增長，但工程類人才卻明顯存在供不應(yīng)求的現(xiàn)象，這主要源于基礎(chǔ)工程教育缺位，學(xué)生在接受高等教育之前很少有參與工程學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，對(duì)于該領(lǐng)域陌生難免會(huì)降低學(xué)生對(duì)工學(xué)門類學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。我們通過對(duì)美國科學(xué)課程相關(guān)綱領(lǐng)性文件的分析，看到科學(xué)與工程的整合教育是未來我國基礎(chǔ)教育階段開展工程教育的突破口，探索與之相匹配的目標(biāo)定位和實(shí)踐過程模式是基礎(chǔ)工程教育的需要。

（1）培養(yǎng)目標(biāo)方面。通過對(duì)高等工程教育人才培養(yǎng)模式及目標(biāo)與美國科學(xué)課程文件K-12階段工程教育表現(xiàn)期望的解讀，為我國基礎(chǔ)教育階段工程教育的培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)計(jì)提供了重要的參考。我們需要結(jié)合我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的現(xiàn)實(shí)條件，把握工程教育的兩個(gè)基本的目標(biāo)維度：體現(xiàn)工程領(lǐng)域特色的能力與態(tài)度（工程意識(shí)、工程思維、全球化和創(chuàng)新性意識(shí)、合作與實(shí)踐的能力等）；發(fā)展在整合背景下的與階段相適應(yīng)的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)知識(shí)和技能。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行地域化或校本化的課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

（2）過程要素及特征方面。目前我國學(xué)者在美國K-12基礎(chǔ)工程教育實(shí)踐要素和要求的基礎(chǔ)上，探索構(gòu)建了諸多更為詳細(xì)且符合真實(shí)情境的工程實(shí)踐步驟，但單純的借鑒或簡(jiǎn)單的移植拼接痕跡明顯。針對(duì)美國課程文件以及相關(guān)的主要研究中提出的工程實(shí)踐的主要環(huán)節(jié)：“定義問題、構(gòu)建解決方案、構(gòu)建模型或原型、優(yōu)化與完善”，我們需要做進(jìn)一步的辨析和演繹，比如“定義問題”中“定義”存在一定的模糊性，考慮到此環(huán)節(jié)旨在明確工程活動(dòng)的目的所在和尋找限制問題解決的可能因素，因此將“定義問題”調(diào)整為“構(gòu)思問題”更為貼切?！靶聵?biāo)準(zhǔn)”在“構(gòu)建解決方案”環(huán)節(jié)降低了對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)層面的要求，將工程設(shè)計(jì)和解決工程問題等同，但這會(huì)影響學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)要求和過程的體驗(yàn)，因此我們可以考慮保留但降低設(shè)計(jì)的要求，并分解為“開發(fā)、形成與優(yōu)化解決方案”與“構(gòu)建模型或原型”兩個(gè)階段，幫助學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)在工程活動(dòng)中的重要性，深入了解設(shè)計(jì)的基本程序和要義。此外，關(guān)注學(xué)生在構(gòu)建問題和設(shè)計(jì)方案之間的信息收集體驗(yàn)，設(shè)置“學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識(shí)并收集信息”環(huán)節(jié)，要求學(xué)生根據(jù)自己所規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)和約束條件，結(jié)合已知的知識(shí)或信息，對(duì)需要補(bǔ)充的加以收集。至此，我們初步提出了適應(yīng)性的工程實(shí)踐環(huán)節(jié)：①構(gòu)思問題；②學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識(shí)并收集信息；③開發(fā)、形成與優(yōu)化解決方案；④創(chuàng)建模型或原型；⑤測(cè)試模型或原型，記錄并處理數(shù)據(jù)；⑥交流與評(píng)價(jià)；⑦迭代循環(huán)，優(yōu)化設(shè)計(jì)。需要指出的是，在開展工程實(shí)踐活動(dòng)時(shí)，上述環(huán)節(jié)可以有所側(cè)重，關(guān)鍵在于讓學(xué)生了解工程實(shí)踐的基本過程和要求，在實(shí)踐基礎(chǔ)上發(fā)展相應(yīng)的能力。

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