以工程设计为中心的STEM活动，美国幼儿园是这样做的

作者：Beth Van Meeteren，Betty Zan，北爱荷华大学早期教育发展中心

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本文选自《奕阳幼教评论》2018年12月刊、总第47期

经济危机和气候变化导致人们越来越关注科学、技术、工程、数学（STEM）领域。许多人认为，维持我们的生活品质，应对这个时代重大挑战的能力取决于我们的儿童能否成功地参与STEM教育。全美各地都在讨论如何改进STEM教育，以及如何让更多的学生参与STEM教育。然而，在诸多讨论中，工程似乎被忽略了。（Katehi, Pearson, Feder, 2009）在白宫主办的STEM教育研讨会上，有人向麻省理工学院名誉校长、机械工程学教授查尔斯•维斯特(Charles Vest)提出了一个问题：工程在STEM教育学科中占什么地位？难道它不是一个重要的角色吗？ (Vest, 2009)

两年来，一个由教育工作者和政策制定者组成的团队对中小学工程教育的地位和作用进行了调查研究。在他们最近发布的《K-12工程教育：了解现状和改善前景》（Engineering in K-12 Education: Understanding the Status and Improving the Prospects）报告中，他们的结论是：尽管最近大家都在关注K-12 STEM课程，但是工程教育还需要不断改进。他们还提出了实施工程教育的三条原则：强调工程设计；进行工程教育时，要结合数学、科学、技术知识和技能；培养工程思维习惯。（Katehi et al., 2009）

工程在儿童早期教育中的作用是什么？在本文中，我们认为幼儿教育项目已经具备了丰富的工程和技术教育的潜力。但是，这种潜力在很大程度上并未获得幼儿教育工作者和STEM教育倡导者的认可。通过观察幼儿自发的设计与创造，我们发现STEM综合教育对幼儿发展具有重要作用，它尊重幼儿的思想和能力，能提高整个幼儿教育的质量。

通过工程设计学习

工程的英文单词engineering来自于拉丁词ingeniare，意思是设计或发明。(Flexner, 1987; cited in NAE & NRC, 2009) 工程是指满足数学和科学、设计程序、概率、统计知识等方面发展需要的活动。(Nguyen,1998)进一步说，工程师还应该有技术文化，(Petroski, 1992; Nguyen, 1998)他们应该获得关于问题解决和决策的技能,获得批判性思维、评估和优化、分析和综合、设计和建模、组织、管理、沟通等技能。(Koen,1984; Petroski, 1992; Nguyen, 1998; ABET, 1998)

美国国家教育进步评估机构（National Assessment of Educational Progress，NAGB）发布的《技术与工程素养框架》（Technology and Engineering Literacy Framework，2014）将工程定义为“指为满足人类需求和愿望而系统且经常是反复地设计对象、过程和系统的一种途径。”工程是为了满足人类需求进行的创造性活动，它是运用技术进行设计、解决问题并制作产品的过程，工程是不断更新的。学龄前儿童有很好的想法，但是他们缺乏将这些想法转化为最终产品的技能，这经常导致孩子们放弃工作。(Bers，2008)

进行工程活动需要掌握科学内容和方法、程序知识、批判思维和解决问题技能、组织和管理技能、交流技能以及多学科知识。工程作为一个高度集成的跨学科活动，不仅仅是所有这些部分的总和，更是解决实际问题和创新实践的过程。工程重在工程设计。（Aikaterini Bagiati，2011）设计是指基于特定需求，有目的、有计划、有步骤地寻找解决方案的创造性活动。设计是个创意的过程。当我们为了解决一个问题而开动脑筋的时候，会激发人的创造力和将想法转变为现实的行动力。

工程设计的过程一般包括：识别需求、定义问题、头脑风暴、进行调查、理解限制条件、提出多种解决方案、评估并选择最优方案、制作模型、交流想法、测试改进、制作成品。这是一个迭代的过程。（Aikaterini Bagiati，2011）（如图1所示）

图1：工程设计过程

如前所述，工程设计被定义为识别和解决问题的方法。这种方法是迭代推进的；具有开放性，以找寻可能的解决方案；是促进儿童理解数学、科学、技术概念的助推器；是儿童思维、建模和分析的灵感来源。在讨论工程设计过程之前，我们先简要讨论建构主义教学与工程设计之间的关系。

建构主义教学的核心是解决问题，其理念与工程教育相契合——确定儿童的兴趣；围绕核心理念组织课程；并向儿童提出相关的、有趣的问题，以帮助他们理解基本概念。建构主义教师重视儿童的观点，同时通过提问挑战儿童的假设，促进儿童不断思考和探索。（Brooks, 1999）

在建构主义教学法中，教师所设计的知识和主题内容、结构应引起儿童的认知冲突，鼓励儿童去解决问题。教师支持和引导他们探索，通过提问或调整材料，帮助儿童解决认知冲突，从而达到认知上的平衡（Piaget, Duckworth, 1973），这些都与工程设计理念相契合。

那么，什么样的问题能促使孩子们参与工程设计？在童年早期，工程设计是什么样的？我们认为，在幼儿园活动室的几个传统区域中，积木建构游戏区含有丰富的工程设计机会。

Brophy和Evangelou(2007)认为，孩子探索建筑结构的工作可以为其发展工程思维奠定基础。他们基于对孩子建筑游戏的观察，发现：孩子们能够超越视觉表象，建构实际的结构。同时，他们的观察还显示，幼儿会利用物体的细节来创造越来越复杂的设计。因此，积木建构游戏区是教师与幼儿一起探索工程设计的绝佳场所。

当弗里堡的教师注意到孩子对建造积木结构的兴趣减弱时，他们在积木游戏区增加了斜坡组件和道路组件。他们发现，通过增加如一、二、三、四英尺长度的凹槽积木，孩子们会受到这些材料的启发，使用这些材料建造斜坡结构，使各种物体移动。这些活动能促进孩子们独立探索力、运动，理解自然科学领域的概念。（图2）

图2：孩子们受到这些材料的启发，使用这些材料建造斜坡结构，使各种物体移动，锻炼探索力、运动，理解自然科学领域的概念

在图2活动中，教师很快观察到儿童能理解物体运动的速度与物体的属性、重量、距离、轨道坡度等之间的关系。他们还注意到孩子们的态度，即孩子们从不要求撤掉积木建构游戏区。在这里，孩子们会不断尝试不同的工程设计。随着时间的推移，孩子们建造的斜坡轨道结构变得越来越复杂；他们对想法的解释和描述越来越详细；他们对自我的挑战越来越难。

通过观察儿童的兴趣以及他们在科学推理上所取得的进步，我们决定启动美国科学基金会（National Science Foundation，NSF）资助的 “探索斜坡和轨道项目”，研究儿童对物体运动的探索，支持儿童对力与运动的理解，为儿童以后的概念理解发展奠定基础。我们认为该项目如此成功的原因在于我们在STEM中不知不觉加入了工程设计。我们的孩子与初露头角的工程师相似。

虽然目前有人尝试在早期教育中设置工程设计项目（其中包括许多持续一至两周的项目），但我们仍然相信，“探索斜坡和轨道”项目会有很好的效果。我们认为，从工程学的角度出发，并有选择地调整材料，教师能更好地遵循K-12教育..提出的3个工程原则，使儿童参与工程设计的时间远远超过几个星期。

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K-12教育..认为，强调采用迭代、开放、解决问题的方法应该成为工程师的中心活动以及工程教育的首要原则。

目前，为小学生设计的工程课程遵循了教育..的建议，非常强调设计过程。由波士顿科学博物馆开发的“工程是基础”项目（Engineering is Elementary，EiE），提倡儿童进行5步工程设计过程，包括提问、想象、计划、创造和改进。

﹒提问

这个问题是什么？

其他人做了什么？

解决这个问题的限制条件是什么？

﹒想象

有哪些解决方案？

头脑风暴。

选择最佳的方案。

﹒计划

画图。

列出需要的材料。

﹒创造

遵循你的计划，创造它。

测试它。

﹒改进

讨论这项工作，有哪些做得不够好，还有哪些可以进一步改进。

调整你认为可以进一步改进的设计。

测试它。

图3：工程设计的五个步骤（Cunningham& Hester, 2007, p. 5）

EiE课程将工程设计作为一个持续的过程。工程设计的过程，就像任何详细的流程一样，需要专注力和持久性。五步工程设计过程是一个适当的工程设计指南，但不是处方或要求。工程设计过程也有多种形式。工程师可能会调整步骤顺序，或跳过一个步骤，这取决于特定项目的需要。然而，完成所有步骤对一个好的工程设计来说是非常重要的。

我们发现，对于幼儿来说，工程设计通常是由幼儿同时(有时在几秒钟内)完成的，且很快就会产生新的问题。而且幼儿进行头脑风暴、计划、创造和改进的方式有所不同。例如，关于工程设计中的提问部分，儿童并不总是坚持一个问题。有时，他们会被同伴的工作所吸引，并放弃原来的问题，与同伴一起工作，以解决同伴的设计挑战。

在做计划方面，孩子们会融合想象、计划、创造、改进的过程。我们发现，有的孩子通常会用语言表达他们的计划或在心里做计划，但几乎不会在他们开始建造前、期间或者之后，在纸上画出他们的计划。我们认为，孩子们习惯在心里做计划。首先，孩子们已经了解了他们看到的事物，便渴望通过操作材料再现他们的想法。对于年幼的孩子来说，在他们的设计过程中，要求他们先画画，是打断了他们的思路，浪费了他们的宝贵时间。第二，虽然幼儿可以进行立体思维，但是，他们仍然很难在二维平面上表示三维心理图像。第三，幼儿的设计计划是动态的，随着创造和设计的过程而变化。