前言

我一直在思考如何改善STEM（科学、技术、工程、数学）教育。上学后，我就开始了“教学”工作，带着弟弟妹妹玩“上学”游戏。我不必远寻STEM学科的榜样：我的母亲是在一个由建筑工人和机械师组成的家庭里长大的，他们习惯于修理设备、设计他们需要的东西。母亲继承了外祖父母的手艺和聪明才智，又发展了自己的兴趣。在大学里，她先攻读数学专业，后来转为生物学专业，当时的一流大学刚刚开始向蓝领、公立学校的学生敞开大门。虽然女性被有意或无意地鼓励学习文学等科目，但母亲不懈地追求她所喜欢的专业，她的大学生涯一直在科学实验室中工作。当她遇到了我同样主修生物学的父亲，这位善良的知识分子欣赏她的好奇心、她对自然界的亲身参与，以及她修复家里每一件坏掉的设备的决心。

我一直很钦佩父母对孩子智力发展的专注投入。我们的家在佛蒙特州一个小镇上，家里摆满了书籍和杂志：《游侠瑞克》（ Ranger Rick ）、《国家地理世界》（ National Geographic World ）和一系列“如何做”的书籍，以及海伦·凯勒（Helen Keller）、塔布曼（Harriet Tubman）和爱迪生（Thomas Edison）的传记。整套《世界百科全书》（ World Book Encyclopedia ）就放在客厅里，当我们对所生活的世界有任何疑问时，就可以打开它们来寻找答案。我的母亲在大自然中看到了科学之美，她带着我们在山林中长途跋涉。她拿着一本指南，会停下来仔细观察某种有趣的真菌、一片野蘑菇、鸣叫的林中鸟儿、一队令人眼花缭乱的忙碌的蚂蚁，或者形状奇特的野花。她总是强调观察的力量，从观察聚集在我们厨房外丁香丛中的蜂鸟来获得知识。她树立了好奇心的榜样，而这种好奇心往往在我们的教育体系中被忽视和遗忘。她喜欢问这样的问题——为什么我们的世界以这种方式运行：“为什么冰柱的形状是这样的？”“潮汐池中的生物是如何生存的？”“时钟钟摆摆动的原理和机制是什么？”同样，她也非常乐于见到我们反问问题。

幼年时在科学和工程领域受到的熏陶，使我免受学校里单调乏味的科学课的影响。我所读的学校几乎不向小学生讲授科学知识，而只向较年长的学生讲授非常传统的科学知识。很少有教师拥有他们所教授的科学学科的学位或修过相关学术课程，所以他们只是拿着教材照本宣科，有时甚至直接把课本念一遍。我的多数课程都是在毫无意义的课后练习和测试中度过的，与我所体验过的科学毫无关系。数学学习中也有类似的煎熬，成绩比实质内容或其在生活中的应用更重要。

我在大学期间致力于培养对生物学的深刻理解——在这 4 年里，我选修了足够多的科学课程，从而获得了学士和硕士学位。有一天下课后，走在回家的路上，一位朋友告诉我，她要放弃生物学去主修哲学，原因是她“不被允许在科学上进行创造性的思考”。这件事情令我震惊，尤其是当年还有另外 3 个人表达了类似的观点。在我的大学生涯中，我眼看着科学专业的人群变得越来越单一。以某种固定方式思考的学生留了下来，许多不随波逐流的独立思考者离开了。这让我很困惑——实际上聪明、有创造力的头脑被赶走了。任何生物学家都知道，杂交和新基因（或思想）最终会使一个群体变得更加强大，并且能够适应新的挑战。我认为，学生和学科都可以从更多样化的路径中受益。正是这种创造性的思考推动了科学的发展。

我把我的课程和实验室研究看作实现我的更大目标的工具，即在公立学校K-12 STEM教育中奋斗。作为一名优秀的理科学生，我去研究生院学习教育学的决定并不受欢迎，耶鲁大学的许多教师（除了我的导师之外）告诉我不要“浪费生命”去学习教育学。他们认为“任何人都可以教书”，并建议我继续从事科学研究，这是更有价值的道路。我被改变K-12 STEM教育的可能性所吸引，并坚定了决心。早年与母亲的那些经历使我相信，科学和工程是很有魅力的，问题只在于该如何更好地教授它们。

14 年来，我在波士顿科学博物馆领导着一个由才华卓越的课程开发人员和教育研究人员所组成的团队，致力于为小学生创建并推广工程课程。我们的主要目标是：确定包容性设计原则，创建适合所有类型学生学习的工程课程——包括女生、在STEM领域代表性不足的（underrepresented）种族或族裔群体的学生、社会经济背景较差的学生、接受特殊教育服务的学生和母语非英语的学习者。我选择专注于工程而不是科学、技术或数学，部分原因是这个阶段的工程教育没有标准化考试，也没有对应当如何教授该科目的预期。这意味着，我可以仔细而创新地思考什么是高质量的活动与教学所需要的。

困难和阻碍确实存在，而且现在仍然存在。传统的学校教学，特别是强调标准化考试的，已经磨灭了学生学习工程的兴趣。在绝大多数情况下，学生们被要求在考试中复述既定的、“正确的”事实或填答题卡，而不是以创造性的方式应用这些知识来解决和他们有关的、有意义的问题。工程对学生有很大吸引力，因为他们能学会如何以结构化且原创的方式解决实际问题。

关于如何向孩子们教授工程，人们没有任何预期，这给了我和我的团队一个难得的探索机会。工程为小学生提供了理解人造（或工程）世界和他们所居住的自然（科学）世界的新方法。工程学习中的活动增强了孩子的批判性思维和解决问题的能力、创造力、对于创新的信心，以及与同伴沟通和合作的能力。这些都是重要的“21 世纪技能”，能更好地帮助学生为未来更复杂的工作和生活环境做好准备。

越来越多的教师和校长认识到工程教育的价值。部分得益于科学博物馆的宣传，美国 18 个州和哥伦比亚特区已经采用了《新一代科学教育标准》，其中就包括工程，其他许多州也以类似或更重视的方式将工程纳入该州的科学教育标准。然而，许多热心于此的教育工作者仍然需要很多支持才能将工程教育纳入他们的课程。教师往往对工程学知之甚少，觉得自己没有准备好上工程课。管理者也不确定应当如何整合工程教育并支持教师的专业培训。感兴趣的家长、社区主管和教师培训人员需要更多地了解小学工程教育的好处，然后才能在他们的课堂上倡导工程教学。

如果你曾经思考过如何以符合学生年龄特征、具有包容性和吸引力的方式，将工程教育融入你的教学、学校或学区课程中，这本书就是为你准备的。本书旨在帮助任何参与小学教育的人——学校里的教师、STEM专家和学校管理者，学院和大学的准教师和教育工作者，推广STEM教育的科学家、工程师和组织，教师专业培训提供者，学校董事会成员和政策制定者，家长和社区主管——了解如何以更符合实际课堂教学的方式，将“E”纳入STEM教育。

本书解释了为什么工程教育应该作为小学教育，甚至是K-12 教育的一部分。它提供了组织结构和框架，帮助你理解什么是工程，以及如何将其融入课堂。我借鉴了一个跨学科课程设计团队的工作，他们花了数千小时阅读关于学生如何学习的文献，观察小学课堂里的工程教学活动，与教师和学生交谈以了解如何向小学生教授工程。听从他们的建议后，我们制作了一套含印刷品、图片和视频的课程材料、教育短片、案例研究和评价方案，这对于他们在小学课堂中实施工程教学提供了宝贵的支持。这些具体的、真实世界的案例有助于教育工作者深入理解什么是高质量的小学工程教学，并展示出如何将理论性的设计原则应用在真实课堂里的真实学生身上。在本书中，我会描述教室里的场景，并提供视频和其他资源的链接，在阅读的过程中，你可以用电脑、平板电脑或智能手机观看小学工程课堂的样子。我会提供资源的网址，这些资源都可以在eie.org/book上找到。资源按章节和资源编号进行编排。例如，eie.org/book/3b表示第三章的第二个资源。在阅读本书的草稿后，教师还要求我制作一套“焦点问题”，用于指导本书阅读或支持教师学习小组的活动。这些问题也可以在资源网站（eie.org/book）上下载。希望这些外部资源能对你有所帮助。

我撰写本书的目的是为了解决小学工程教学在实践中常遇到的问题。本书有三个部分。第一部分为概述和介绍：介绍了在小学阶段引入工程教育的理由，解读了STEM，描述了学生对技术和工程基本概念的认知，并提供了可以帮助学生更准确地理解这些概念的活动。丰富、真实的课堂案例会展示出年幼的学生学习的工程到底是什么样子的。

第二部分先从工程的视角来审视《新一代科学教育标准》。然后，介绍了一些工程思维习惯和设计元素，这些使K-12 工程课程对所有学生更具有包容性和有效性。最后探讨了教师在课堂上实施工程教学时普遍关注的一些问题。如果你是一名课程开发者、教师、学校/学区管理者或者拓展活动专家，这些信息、框架和案例可以指导你在工程教育上的工作和决策。

最后一部分概述了我的团队的研究成果。工程教育到底能给学生、教师和学校带来什么影响呢？我们的研究表明，小学工程教育可以促进学生对工程和技术的深入理解，同时强化学生的科学知识。教师和学生都会对问题解决和工程更加熟悉并被深深吸引。我希望当你倡导工程教育、考虑如何构建和支持工程体验时，这些研究结果对你能够有所帮助。小学工程教育仍处于起步阶段——尽管我们已经学到了很多，但仍有很多东西需要进一步研究。最后一章探讨的是我们未来将如何继续改进工程教育。

通过精心设计，工程可以促进跨学科联系和项目化学习（PBL），且不会给你的工作增加太大负担。工程作为一门综合性课程，要求学生应用科学和数学的知识、技能来解决真实世界的问题。此外，通过让学生有目的地阅读和写作，工程还可以与读写能力和社会学科相联系。我希望通过阅读本书，你能够创造出更丰富的教学体验，帮助学生更好地理解和参与他们所生活的这个人造世界。