科学课程中的工程实践目标和过程-精品文档

科学课程中的工程实践目标和过程

工程教育起源于技术教育，是一项古老的教育活动。中国的工程教育发端于第二次鸦片战争之后，由于缺乏系统的学校教育制度，教学效率及质量一直很低。近年来，中国的工程教育开始关注欧美工程教育模式的改革与创新，尝试与国际接轨，开启高等工程教育多元化发展的新时代。但是，由于基础教育阶段工程教育的缺位，使得学生对工程领域知之甚少，在学科认识与专业选择上存在诸多困惑，进而直接影响了高等工程教育的发展及人才培养。因此，在基础教育阶段开展工程教育是当前备受关注和亟待解决的问题。

STEM是以问题解决驱动的跨学科理科教育，提倡通过工程方法来解决科学与技术领域的问题，促使未来人才适应当今知识经济全球化水平、复杂性和合作性不断增强的趋势。21世纪初期，STEM教育逐渐走入基础教育，围绕与日常生活息息相关的工程领域设计与开发一系列工程教育活动，旨在帮助学生了解生活中科学、技术、工程和数学之间的联系，培养学生分析实际问题和动手实践的能力，加深其对科学概念及工程技术的理解。最具代表性的是美国2011年颁布的《K-12年级科学教育的框架：实践、交叉概念、以及核心观念》（A Framework for K-12 Science Education，以下简称“框架”）与2013年颁布的《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，以下简称“新标准”）

中，整合了STEM教育理念，并引入“科学和工程实践”作为科学教育的三个维度之一。在基础教育阶段的科学课程中整合工程教育，为学生提供工程实践的机会成为基础科学教育改革的必然趋势。我国基础科学课程中如何合理引入工程教育，其目标要求以及过程模式的特征如何，这些问题的回答是基础教育阶段开展工程教育的前提。为此，本文在梳理工程教育与科学教育的关系基础上，通过分析现阶段高等工程教育的课程目标、内容与形式，并联系真实工程作业环境中的工程设计实践活动的要求与特征，结合美国科学课程纲领性文件中的工程设计的相关内容，探讨基础科学课程中整合工程教育的目标和过程模式；并对我国基础工程教育实践形成启示。

1 工程教育与科学教育的关系认识

课程整合是以共同的功能基础和价值取向为前提的，科学课程中整合工程实践是否具有可行性，我们需要通过认识工程、工程教育及其与科学教育的关系来理解。

关于工程的定义众说纷坛，张锡纯在谈到工程特点时指出“工程是科学、技术转化为生产力的最后阶段。工程活动的结果，总是完成符合某种社会目的的人工自然物”，强调工程活动的应用性与目的性。美国工程教育协会（ASEE）认为工程是一项艺术，“是应用科学、数学原理、经验，判断和尝试以造福人类的一种艺术，生产某种技术产品的过程或满足特定需要的体系”，突出了工程活动的创造性本质。清华大学罗福午教授给出了工程

的完整概念，“工程是运用科学原理、技术手段、实践经验，利用和改造自然，生产、开发对社会有用产品的实践活动的总称”，强调工程活动是一项改造自然、服务社会的生产活动，突出其实践性特征。综合可见，工程活动的开展是以掌握一定的科学、数学原理与技术手段为基础的；工程活动的目标是生产出符合社会需要的人工产物；从目标向结果的转化过程需要“开发、改造、生产”的实践过程，这类实践活动不是将条件、目标进行简单的拼接组合，而是从自然和社会因素的双重角度出发，在考虑现实的各种限制因素的基础上，构思解决方案并付诸实施的。概括而言，工程是以科学、技术的应用为主线，在生产生活中产生、发现、提出问题，考虑多种自然和社会因素的制约影响和工程设计原则设计解决方案，通过实践活动生产出符合社会需求的人工产物（包括实物硬件和非实物软件）的创新活动。工程的创造性本质决定了工程教育的属性。工程教育作为培养工程人才的教育活动，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。它的目的是使受教育者为满足社会需要而从事科学和技术的开

发与应用，通过创造“人工产物”的活动，成为各个工程领域所需的工程人才。

通过对科学与工程学科特点的分析发现，科学是解释世界的理论层次，强调科学知识的形成与发展；工程属于改造世界的实践层次，关注活动过程的体验和结果的形成。二者又彼此交叉融合，前者的认知构建可以基于一定的工程情境中，工程实践也离

不开通过科学认识过程获得依据。根据工程与科学的关系，我们不难发现，工程教育与科学教育具有着本质的联系。科学教育活动中学生进行的认知活动都是建立在已有的科学解释的基础上，即通过各种教育教学活动去认识科学世界；工程教育则需要以科学教育为基础，以创新活动为载体，让学生在活动中运用所学的科学知识与原理解决现实问题。科学教育强调学习结果，即科学知识的获得和技能的训练，而工程教育更为关注学生实践过程和产品设计的生命周期的体验。

2 科学课程中整合工程设实践的目标和过程模式

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，工程设计贯穿于产品孕育至消亡的全寿命周期，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，因此，工程设计实践成为了工程教育领域的核心，基础科学课程中整合工程教育主要表现为科学与工程设计实践的整合。

以下我们将在对比分析现实的工程实践与高等教育的工程实践的目标和过程基础上，参考美国“新标准”中对于工程设计实践的相关规定，探讨我国基础教育阶段工程设计实践的要求和过程特征。

真实的工程实践及其过程工程活动从需求出发，明确任务，选定目标，依靠人类文明积累起来的科学技术知识和实践经验，协调诸多现实制约中的矛盾，去构成一个有效、可靠、实用且系统化的信息加工过程。其实质是运用现代工程系统设计

的基本原理和方法，将工程系统任务要求转化为系统技术要求和系统最优配置的过程，是一个以信息为主的输入输出转换过程。

真实的工程实践一般都遵循一套基本的思考程序流程，基本步骤表现为：①分析需求，明确目标：通过对环境的辨识，正确地分析社会需求，明确应该做什么，解决什么样的问题，特别强调目标的准确度；②发散综合，产生方案：使用发散思维，通过类比、联想等多种方式，寻求解决问题的办法，提出尽可能多的备选方案，以资比较；③收敛分析，比较方案：从技术、经济、人与社会等多个角度，对产生的诸方案进行分析比较，找出各个方案存在的优势与不足；④综合评价，决策选优：依据一定的评价准则，找出应使用的评价特征，对各个方案进行综合评价，权衡利弊得失，选出最佳方案。显然，真实环境中的工程实践将面对复杂的外界环境和社会需求，需要综合多元的标准和限制条件，进行充分的事先评价及利弊衡量促成方案选择或优化，这是一个系统复杂的过程。

高等教育的工程实践目标及过程

高等教育的工程实践目标

高等工程教育是以培养能将科学技术转化为生产力的工程

师为基本任务的专业教育。现行的高等工程教育具有多种人才培养模式，不同的培B模式中包含了不同的工程实践目标和过程，现以近年来国际工程教育改革中较为推崇的卓越工程师教育培

养计划（以下简称“卓越计划”）和CDIO模式为例，简述其培养