培养孩子像工程师一样思考

当波士顿科学博物馆教育研究员兼副主席 Christine Cunningham 要求小学生们画出一位正在工作的工程师时，他们交上来的画从未让她感到意外。事实上，近几年来，Cunningham 在全国范围内调查过的数千名学生对工程师的童年认知都惊人地一致——而且一直不准确。

“孩子们认为工程师是开火车的人，”她说。有些孩子画出了建造建筑、桥梁或道路的建筑工人。“孩子们认为工程师建造这些结构，而不是设计它们，”Cunningham 解释说。尽管并非完全出乎意料，Cunningham 认为这种童年时期的误解令人担忧。“如果你不知道工程师做什么，那么你不太可能将它视为一个职业道路，”她说。

孩子们在科学课上学习自然世界，但对于他们花费大量时间生活的，建立在自然世界之上的“人造世界”——建筑、交通工具和屏幕呢？这个由工程师建造的世界，在大学之前的课程中很少出现，即使在那时，选择攻读工程学位的大学新生也只有 8% 左右，马里兰大学工程学院和教育学院的研究助理 Leigh Abts 说道。其中只有一半的学生能够真正获得该领域的学位。

修复人才管道

缺陷显而易见。我们的社会依赖工程师来设计我们生活的方方面面——我们居住的地方、我们驾驶的汽车、我们沟通的方式，甚至我们吃的食物——但美国的初高中教育体系却未能培养出足够多的批判性思维者来满足需求。这是根据国家科学院、Achieve、美国科学促进会和美国科学教师协会牵头的一项旨在识别和修复美国教育系统“人才流失严重的工程人才管道”的国家倡议得出的结论。

该组织最近发布了基于美国国家科学基金会（NSF）研究的下一代科学标准。这些标准提高了将科学、技术、工程和数学内容——统称为 STEM——融入小学和高中课堂的要求。

“我们关注的是 STEM 中的‘E’，”NSF 教育和人力资源部助理主任 Joan Ferrini-Mundy 说。Ferrini-Mundy 认为，工程学提供了一个被忽视的机会，可以教孩子们如何在很小的年龄就学会合作和解决问题。这样的经历可以让他们在日后承担更重要责任时，能够更好地应对。

科学和工程标准没有提供具体的课程或学生必须通过的考试，而是为学生在特定年级应该掌握的概念设定了基准，每年都在前一年的基础上进行巩固。它们通过将工程理念融入数学和语言艺术课程，并将工程技能应用于现实世界的情境，从而提高了以往科学标准的水平，使学生能够更好地为校外经验做好准备。这意味着，例如，科学教育不应只是教授孩子们可以轻易在谷歌上找到的事实，而应“使学生能够评估和选择可靠的科学信息来源，”根据标准。

新一套标准必然是开放式的，承认教师需要灵活性来以不同的方式教授不同的学生。因此，标准并没有提供关于教师如何将工程学引入课堂的具体细节。“许多 K-12 教师不知道如何利用工程学来激发和提高学生的学习成绩，”美国机械工程师学会教育委员会副主席 Mo Hosni 说。而像 Cunningham 的项目就是为此而生的。

工程入门

“年轻学生需要在工程和技术方面获得经验，这样他们才能在我们这个日益依赖这些学科的 21 世纪世界中取得成功，”Cunningham 说，她也是“工程入门”项目的创始主任，该项目将工程概念引入全国各地的小学课堂。

在波士顿科学博物馆“工程入门”项目中，Cunningham 看到无数孩子在玩耍。她看着 3 岁的孩子建造桥梁、推倒塔楼。她观察他们拆卸东西以了解其工作原理。“我越是观察年幼的孩子与周围世界的互动，就越确信他们是天生的工程师，”她说。

但学校未能培养这些与生俱来的设计倾向，Cunningham 说。更糟糕的是，僵化的以数学和语言艺术为中心的课程实际上可能会扼杀孩子们这些工程倾向。普遍存在的练习册模式要求孩子们记忆和复述事实，而不是创造性地应用这些事实来解决问题。

Cunningham 说，解决问题的能力应该被视为一种基础读写能力。“无论他们是否上大学或成为工程师，每个人都需要了解他们所生活的“人造世界”是如何形成的，”她说。Cunningham 表示，STEM 领域在我们快速发展的社会中变得越来越重要，但在学校中仍然代表性不足。

“工程入门”提供教师可以使用的课程，以实现“下一代科学标准”设定的目标。她和她的同事们编写了互动课程，使幼儿园到五年级的教师能够介绍可能超出他们专业领域或熟悉范围的主题。

例如，很少有老师是机械工程师，但有一个单元向学生介绍了运动空气的动力和行为，然后让他们设计机械风力涡轮机，将这种运动转化为可用能源。通过这种方式，课程向孩子们展示了如何切实地掌握现实世界的问题，并展示了工程师如何使用数学和科学来构建、分析并最终解决这些问题。

到目前为止，Cunningham 的项目已经触及了 400 万儿童，通过熟悉的途径，如故事书，来介绍工程概念。例如，为了解决环境工程问题，学生们读到一个名叫 Tehya 的美洲原住民女孩，她在华盛顿州部落家园附近拍摄风景照时，在 Elwha 河表面发现了石油。

当 Tehya 探索对她的社区赖以生存的生态系统的相互关联因素造成的损害程度时，学生们看到了即使是小规模的水污染也具有深远的社会和环境影响。

在一个配套的课程中，学生们对提供的土壤和水样本进行 pH 测试，以追踪一个虚构地点“绿城”一家工厂污染物的来源。他们还使用各种材料和方法来测试什么能最好地清理一个在 9x9 英寸平底锅中模拟的石油泄漏。他们通过反复试验发现，勺子作为清洁剂的效果远不如肥皂和海绵。

Cunningham 说，这些简单的练习非常有价值：学生们学会了如何通过尝试、失败、反思他们的设计，然后再次尝试来应对挑战。“失败是有益的这个想法在课堂上可能是一个激进的概念，对学生来说可能是一种新的体验，但这正是工程运作的方式，”Cunningham 说。每一次失败都为未来的设计提供了信息，使工程师离成功更近一步。

测试，测试，1, 2, 3

Cunningham 说，这种解决问题的视角最好在年幼时就传授，因为它符合孩子们的学习方式。她认为，具体的、需要动手解决的例子对孩子们来说比质数或分数等抽象概念更有意义。

随着学生们在教育体系中的进步，可以继续锻炼这些思维肌肉并充实这些概念。因此，工程学教授 Abts 在过去八年中一直致力于开发一项针对高中生的工程学 AP 考试。Abts 解释说，这是少数没有 AP 评估的主流学科之一。

Abts 说，工程学不像英国文学和化学那样，可以通过选择题来评估。衡量学生对主题的掌握程度还不够；更重要的是评估学生如何着手解决问题或任务以找到可行的解决方案。

Abts 建议 AP 考试应基于在线作品集，学生提交视频、草图或其他视觉材料，以展示他们从构思到原型再到解决方案的解决问题过程。尽管 College Board 对 AP 考试的批准仍在进行中，但名为 Innovation Portal 的作品集提交网站的测试版已经上线并运行。

Innovation Portal 提供了一个评估围绕设计过程构建的项目。学生提交他们的作品，获得教师的反馈，从其他项目中汲取灵感，并在过程中不断改进他们的设计。该门户的通用性使其设计过程既适用于七年级数学项目，也适用于研究生工程作品集，这两个类别都代表了该网站 12,000 名注册用户的设计提交。

一些用户是像 Abts 那样的大学课程中的学生。其他人则是提交课堂项目的高中生，或参加课外工程竞赛的参赛者。Abts 说，他还在与美国国防部合作，计划将该作品集应用于在线工程课程，旨在帮助退役军人将他们的技能过渡到非战斗环境。每个作品集都记录了学生尝试解决设计挑战的过程。

其中一个例子是，一群高中生问道，如果一个徒步旅行者在离医院或手机信号塔很远的地方扭伤了脚踝，她该如何艰难地走出去寻求帮助。在偏远地区，即使是轻微的伤害也可能是致命的，因此学生们提交了一个徒步登山杖的设计，该登山杖还可以兼作拐杖，结合了轻巧的耐用性以及可拆卸的腋垫和把手，以备紧急情况使用。

门户网站上的另一个学生项目旨在提高水上运动的安全性。学生们认识到，人们为了方便游泳、钓鱼或划船，常常会抛弃不合身的笨重救生衣。学生们解释说，如果救生衣不舒服，人们可能会冒更大的风险而不穿。

Abts 将该门户网站描述为一个急需的工具，供教师和学生共同完成设计过程，如上述示例所示。鉴于新的科学标准强调 STEM 课程需要更多的动手解决问题项目，他预计这样的资源在未来将变得越来越有用。

传授达芬奇密码

Abts 在自己的课堂上教授工程学，他称之为“莱昂纳多·达·芬奇方法”。当达·芬奇在 1480 年代构思飞行器时，人类能够飞行的想法是如此荒谬，以至于他设计的类似直升机的“螺旋桨”从未离开过他的素描本。

然而，这个想法引发了四个半世纪的建造、坠毁和改进达·芬奇最初设想的过程，直到 20 世纪初第一架直升机终于起飞。此后，进一步的改进已经将曾经只存在于想象中的悬停飞行器变成了一种强大而普遍的机器。

Abts 说：“工程师，基本上就是解决问题的人。”他除了怀有 AP 考试的设想外，还将工程概念融入他在马里兰大学教授的课程中。在他的“能源 101”课程中，学生们识别一个与能源相关的问题，然后设计一种方法来解决它。

尽管他的学生并非工程师（大多数是大一和大二学生，尚未选择专业），但他们能根据自己的兴趣和专长提出新颖的想法。一位建筑学专业的学生绘制了一所房屋的平面图，其中有一个专门用于种植藻类以提供家庭能源的生物质反应器区域。另一位学生构思了一种地板材料，可以将马里兰大学体育场观众席上狂热的足球迷的动能转化为电能，为球场上的灯光供电。

Abts 认为这些项目是否在技术上可行并不重要。这是因为他的目标不是要培养出一批工程师。相反，他希望他的学生能够像工程师一样思考和学习——有创意、有批判性、协作性——即使他们提出的想法超前于时代或技术。

Abts 解释说：“设计本身就是一个过程”，并且是一个需要无数次迭代和专业知识才能执行的过程。Abts 说，无论他的学生最终成为食品科学家、时装设计师还是工程师，如果他们能够运用设计过程来解决我们社会未来一定会面临的问题，那么他们将为自己的职业生涯和生活做好更充分的准备。

[本文最初以“E 是工程学”的名称印刷出版。]

下一代科学标准

一套新发布的美国科学教育标准为幼儿园到十二年级的学生设定了学习期望。200 项标准中的每一项都针对特定年级在科学、技术、工程或数学方面的某个概念。一项标准并不告诉教师如何教学；它提供了一个三部分框架，以帮助创建适合其课堂的课程计划。

首先，课程应让学生参与科学家和工程师用来探索世界、发展理论、构建模型和设计系统的实践活动。在 Cunningham 的一项旨在符合标准的活动中，小学生们会清理一个假设的石油泄漏，就像环境工程师一样：提出解决方案并进行动手测试。

其次，课程应帮助学生理解科学、工程和技术的核心理念，并使他们能够评估未来关于这些主题的新信息来源。这在石油泄漏的例子中得到了体现，学生们学习水的化学性质、石油和洗涤剂，以及这些物质如何与环境相互作用。

第三，学生应学会如何将概念应用于许多不同的科学领域。石油泄漏不仅仅是一个化学问题；学生们了解到它也是环境的、生物的和社会的，并且在提出可行的解决方案时需要考虑问题的每一个方面。请在 nextgenscience.org 搜索标准。