這幾年，工程思維在STEM教育中廣受重視。為什麼要在中小學教育中強調工程教育？在STEM教育中E處於怎樣的位置，有什麼作用？教師在設計實施STEM教育時如何體現工程要素？解決好這些問題，是有效實施STEM教育的關鍵。寶華小學的這個案例，為我們展示了E在STEM教育中的角色，以及如何藉助工程設計，學習科學、數學和技術的概念、技巧和思維習慣，對於我們進一步理解STEM教育以及課程開發提供了思路。
案例介紹
來自濟南市寶華小學的「海綿家園」案例是為解決濟南市雨水四季分布不均導致泉水停湧、雨季積水成「海」這一現實問題提出的STEM學習項目。該問題來自學生的真實生活，具備有意義的情境，是結合地域資源提出的項目研究問題。學生在此過程中，以工程設計流程為指導，逐步研究利用海綿體控制地表徑流、淨化水至中水再利用等方法，從根本上解決城市水資源分布不均的難題，實現改善家園環境的目標。
1.課程開發依據
STEM課程如何開發？這是很多學校在實施STEM教育時面臨的問題。濟南市寶華小學的課程開發經歷了數輪迭代，最終確定以國家課程標準為依據，結合國家標準和學生核心素養要求確定STEM課程目標，在此基礎上尋找合適的課程資源，實施課程教學，進行課程評價。「海綿家園」研究項目在小學階段實施，以小學科學、數學等學科的國家課程標準和《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》為課程開發指導依據，併兼顧語文、藝術等學科，強調工程設計思想在其中的體現。
在寶華小學看來，STEM課程與國家課程互相支持，共同促進學生核心素養的提升。STEM課程的實施離不開國家課程已學內容作為知識和方法基礎，並依據國家課程標準，圍繞核心素養而展開；同時，對於國家分科課程中由於課時有限無法顧及的內容，如本項目中泉水的成因調查、家庭用水中長期觀察和數據分析、設計淨水系統等，STEM教育為培養學生運用跨學科知識解決真實情境中的問題提供了機會，有助於學生聯結抽象知識與現實生活，是目前分科教學的有效補充。
在課程開發過程中，寶華小學經歷了以下流程：
歡小編認為，寶華小學在實施STEM教育時，沒有拋開國家課程標準另闢途徑，而是從研讀國家標準出發，只不過研讀的範圍從本學科擴大到多個學科，以單人閱讀豐富到教師團隊集體研讀；將課程標準中與研究項目相關的分段目標作為參考依據，從S、T、E、M四個維度制訂目標，併兼顧A領域，最終將各領域目標打通、整合，參考《下一代科學課程標準》（NGSS）中提出的三維統整目標，提出科學探究與工程設計、跨學科知識與技能、科技與現實生活三個維度的目標【思維方法、知識與技能、與社會的聯繫】。
簡而言之，該項目目標的制訂經歷了以下四個環節：
當然，這一過程並不是課程目標制定的標準答案，也不是終極結論，大家可以有借鑑，有創新。
2.本案例中S、T、E、M、A內容分析
3.工程教育怎麼看，怎樣做？
（1）工程的內涵和特徵
工程是在特殊的情境中達成特定的目標或解決特殊的問題。工程師通過使用數學、科學、技術等專業知識，進行反覆的設計、決策、建模、分析並進行最優化動態調整。工程設計是中小學工程教育中的核心地位。我們常常在藝術、時尚領域使用「設計」一詞，教師也常常需要進行教學設計。何為工程設計？美國國家工程院和國家研究委員會將工程設計定義為「工程師賴以解決問題的方式——通常是為達到某一特定目的尋找製造設備或工藝的最佳方式」。紐約州在其STEM教育標準中提出：「工程設計是一個反覆的建模和最優化的過程，在既定條件下發現最優的解決方案。」【見《美國中小學STEM教育研究》】
通過這兩個定義，我們不難看出工程設計的一些核心特徵：
通過上圖，歡小編將工程設計概括為兩件事情：明確問題，解決問題，當然在解決問題的過程中也需要時不時「回頭看」，不斷明確問題的具體要求。
（2）工程思維是21世紀公民必備的技能之一
工程知識包羅萬象，在中小學STEM教育中應該怎樣給學生開展工程教育？《k12教育中的工程：理解現狀和提升未來》指出，k12工程教育應促進培養學生的工程思維習慣，「工程思維習慣是21世紀公民必備的技能之一」。
何為工程的「思維習慣」？通俗來說，就是培養學生的思維，使其像工程師一樣思考。從這一要求來看，工程教育的目標不是簡單地讓學生學會動手製作一個模型，會做出一個物品，而是將培養的著眼點放在學生思維層面，培養的是學生的高階認知能力和思維方式。
《k12教育中的工程》報告將工程中的思維習慣表述為以下5個方面：
為什麼要把工程設計思維引入中小學教育中？為什麼說它是21世紀公民必備技能之一？歡小編認為，具備工程設計思維者具有以下能力：
系統思考問題的能力，不是片面地分析現象，不從簡單的線性因果關係分析問題【現實世界不正如此嗎？很多事情之間都有著盤根錯節的關係】
審視批判世界，認為世界可以被改造，每種技術都有可能被改善【不斷迭代，批判性思維】
積極應對挑戰，掌握思考問題的方式、解決問題的程序，懂得問題可以被解決【積極的問題解決者】
善於合作，能綜合不同視角、知識和能力成員的貢獻【合作、共贏】
充分考慮限制因素和具體要求【了解現實需求】
（3）E和S、T、M之間的關係
工程與STEM中的科學、技術和數學學科存在著天然的聯繫。工程設計創設真實的問題情境和學習環境，在其中，科學提供解釋和認識世界的概念、原理知識和探究方法，有助於工程問題的確定和做出工程設計決策；數學為工程學習提供工具基礎，如數據收集方法、數據分析和處理工具、問題解決模型等；技術與工程的關係更加緊密，呈現半分離的狀態，工程是技術的選擇和集成，技術不僅串起了工程內容的「珠子」，為工程設計提供實現手段，也可以是工程內容本身。同時，在工程學習環境中，科學、數學、技術的學習有了更豐富的意義和價值。
在上周末安徽舉辦的「中國STEM教育2029行動計劃種子及骨幹教師培訓會議」上，中國教科院STEM教育研究中心王素主任請大家繪製STEM框架——你認為的STEM各要素之間的關係。我也嘗試一把，把四者間關係描述如下：
（4）在中小學階段引入工程教育具有怎樣的意義
給學生提供一種新的視角，嘗試用批判性的思維看待自然世界和設計世界的不同。Katehi、Pearson和Feder等研究者認為，工程設計是中小學工程教育的最高層次追求，它讓學生理解世界是如何設計的，為什麼如此設計，反過來設計又怎樣影響我們。以「海綿家園」案例為例，學生通過調查研究、動手設計「海綿家園」，理解家鄉的水資源問題是可以通過一定的辦法解決的，需要藉助科學、數學、技術和工程學知識，成為積極的問題解決者。同時，在設計過程中，不斷思考社會、環境、經濟等限制因素，使設計不斷聚焦，方案不斷優化。實踐成功的設計方案可以解決家鄉的水資源問題，改善我們的生活。
給學生提供一個真實的情境，理解抽象概念及其與社會的作用。工程設計為學生提供一種情境，在這一情境中，學生進行知識的深度學習，理解知識與社會的相互作用，以更加全面的方式思考和行動。在「海綿家園」這個案例中，通過工程創設的學習環境，學生不僅理解科學、技術和數學概念，同時掌握如何在真實情境中應用這些概念、方法和思維方式，理解其對社會的貢獻。
提供系統的思維方式。《學習羅盤2030》提出，個體必須學會成為「系統思考者」（systems thinkers），解決真實世界問題。設計之所以成為工程師的重要工作，在於其複雜性和難以把握性。當運用設計時，我們面對的是複雜的具體情境，這一情境是真實的，受大量外部因素和人為因素的影響，如「海綿家園」案例中「如何保持趵突泉的可持續噴薄活力」這一問題情境。通過設計解決問題的過程不是一個線性的、按部就班的過程，學生可能需要經歷反覆的設計和測試，以及體驗失敗，並不斷調整完善自己的做法。在「海綿家園」這個案例中，學生的設計活動經歷了如下過程：
（5）中小學工程教育怎麼做
如何做是一線教師們最關心的問題。結合美國k12工程教育委員會的觀點和「海綿家園」這一案例的具體做法，本文提出以下三點供大家參考。
第一，為學生提供足夠的課堂時間，拓展工程設計活動。
第二，鼓勵學生有目的地對設計進行反覆修正；
第三，依據從易到難的原則對工程教育的內容排序。
重要的概念和技能無法通過單一課堂獲得，思維習慣更是需要長期培養，因此，只有給予學生足夠充分的時間體驗和設計，才能引發學生的興趣，促進學生的理解，實現學生的深度學習。在「海綿家園」這個案例中，除去課下調研和查閱資料的時間，教師將課堂學習分為8個課時，分主題、分層次逐步實施，化繁為簡，拔丁抽楔：
而在每一個模塊的學習中，又以工程設計流程引導學生體驗設計思維，學習科學、數學和技術知識，解決問題。
結語
設計是工程學的核心，也是STEM教育的顯著特徵。不是搭建一個橋梁就是工程設計活動，只有具備設計特徵的製造和建造活動才能稱為工程活動。在STEM過程中，體現工程思維，不是看學生是否動手組裝材料，而要看在此過程中，是否體現了「設計」思想。
設計通常是創新，對於情境問題無現成答案，需要提供一種方案解答；
設計又是反覆的，面對複雜問題，設計的過程必然是一種反覆修正、改良和協商的過程，在此過程中，設計者依據限制條件、測試結果、客戶要求，不斷優化解決方案，直至最大化滿足要求。
工程教育將STEM的跨學科特性充分顯現出來。在STEM教育中，我們既要注重培養學生跨學科解決實際問題的能力，也要重視單學科領域的教學。濟南市寶華小學「海綿家園」案例從單學科國家課程標準出發，以工程設計綜合STEM學習的做法為我們提供了一個良好的案例參考。
讓我知道你在看