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在康奈尔大学研究生院几年令人兴奋的学习过程中，我阅读了一些描述和批判科学实际运作方式的学术著作。我知道学校的科学教学通常不能准确地展现科学是如何运作的。当然，它也不总像我在课外经历过的项目那样引人入胜！为了改善学校的科学教学，我与一群高校的科学教育研究者、科学研究者、科学拓展专家、教师一起工作致力于开发资源，为教育工作者提供更真实的科学体验。我们为初高中的科学、数学和技术教师团队创建了环境科学课程和专业培训项目。
作为项目的一部分，每年我们都会开发一个新颖的工程挑战赛，并在校园内举行工程设计大会，来自各个学校的学生团队可以分享他们的工程设计。有一年，一个 5 年级的学生参加了比赛。他住在乡村的一个小农场，经常帮家人修理机器和工具。他前一年的英语课不及格，教师想尽各种办法殷切地希望他能够有所进步。那一年，我们设定的挑战是设计一个采集水样的装置。挑战给出了装置的详细规格，要求装置能够收集离岸边 4 英尺、水面以下 6 英寸
的水样。这个挑战吸引了这位学生，他成为团队的领导者。他经常使用教室的电脑在网上搜索、阅读，为小组的设计提供信息。建立和测试收集系统的任务激发了学生的活力。对他来说，这项任务并不像学校里的大多数作业那样令人生畏。
学生们将自己的设计展示给同伴，同伴们会给设计打分和点评。我注意到在同伴评议中排名最高的设计，便与他们的教师交流。一个现象出现了——那些传统上“不好学”或曾经退学的学生却能够重新被工程吸引。那一年，这位学生所在小组的设计作品排名第一。参加工程设计大会的教师们谈到了经验的力量，它能够全面激发学生的学习和表现，特别是能够打破课堂上关于谁擅长科学的固有认知，重塑学生对自身能力的认识。
工程设计挑战让我对工程这个学科有了更深入的思考。它与科学（或其他学科）究竟有何不同？有些人群在科学和工程领域代表性不足，我深入阅读了与此相关的研究文献。有些研究解释了为什么女性和其他代表性不足的群体会离开某个学科，但这在工程中并不成立。例如，专业科学家往往研究系统里小的、孤立的要素，他们寻求单一的“正确”解释，几乎没有自我表达的空间，并在几乎独立于广阔的社会和政治背景下工作。例如，他们可能会研究青蛙大脑中一簇神经元的相互作用。而工程通常允许更多不同的解决方案，更能容纳不同的意见和观点，且工程通常需要考虑该技术应用的大环境。我想知道是否可以利用这些特点，邀请更广泛的学生参与工程和科学学习，特别是那些缺乏资源、代表性不足和表现欠佳的群体——女生、在STEM领域代表性不足的种族和族裔学生、社会经济地位较低的学生、接受特殊教育的学生和母语非英语学习者。
我把注意力转向如何将工程整合到科学、数学和技术的课堂里，从而吸引 所有 学生参与其中，特别是那些传统意义上在这些学科中代表性不足的学生。最初几年，我在塔夫茨大学工程教育和推广中心工作，专注于我以前工作过的学段，为初高中教师开发工程课程和专业培训。然而，我们的工作表明，工程教育需要开始得更早——从小学生开始。
虽然在 2000 年初时，大学预科性质的工程教育已经开始进入一些高中和初中课堂，但对年幼的孩子开展工程教育几乎是前所未闻的。这个想法是如此新颖，许多人认为它是疯狂的，部分原因是他们想不出小学生学工程可能是什么样子的。一些工程师激烈地争辩说，他们的学科不可能教给小学生。同样，教育工作者也想不明白 7 岁的孩子怎么搞工程。在我加入波士顿科学博物馆后不久，该博物馆就开启了在K-12 阶段开展工程教育的工作。我开始积极地开发面向小学生的工程课程。在一次会议演讲中我提到，我正在着手开发这个年龄段的工程课程。在提问环节，一位教育工作者举起手来不可思议地喊道：“什么？！你要 2 年级的学生学微积分吗？”
这种质疑可不止一次。我不断收到这样的消息：“在小学教工程？这绝对不可能。”当时，许多教育工作者和工程师对工程到底是什么的认识有限，很难想象工程技能的早期培养。这促使我思考与学生年龄相适应的工程教育是什么样的，并需要证明学生可以参与。我相信工程学习有一个逐步发展的进程，就像科学、数学和阅读都有各自的学习进程一样。
然而，在创建有效的教学材料和活动之前，我们需要了解孩子们是如何思考的。孩子们认为的工程和技术是什么？2002 年，当我和我的团队开始考虑向学生介绍工程时，我们做了优秀的开发人员所应做的事情，并在教育文献中搜寻论文以便启发我们关于儿童对工程师、工程和技术的理解。我们需要弄清楚孩子们知道什么，以及他们有哪些误解。我们在这个领域的搜寻几乎没有收获，所以决定自己进行研究。
应该如何衡量学生对技术和工程的理解呢？我们首先设计了一个调查问卷，要求 700 多名K-12 年级的学生画一幅关于工程师工作的画，并配以文字说明。如图 1-1 所示为一些代表性描述。我们给学生的回答编了号，了解到许多学生对工程师有一些刻板印象和误解——例如，工程师是建造各种结构、桥梁和道路的建筑工人，是计算机技术人员，是火车售票员，是汽车修理工。从孩子的角度来看，这些假设是合理的。 工程 （engineering）这个词就包含了 发动机 （engine）这个词根。也许孩子们最常在汽车上接触发动机，汽车有发动机，所以工程师必须修理汽车。
图1-1 学生画的关于工程师工作的画
在分析了最初研究的数据后，我们观察到一些令人不安的共性。首先，学生对工程师的工作没有非常准确或完整的认识。他们既不了解工程所涵盖的领域，对工程领域的描述也很有限。如果学生对工程的认知不准确或不全面，就会影响他们理解工程在生活中的作用，影响将工程师作为职业的兴趣。其次，学生会认为与工程相关的工作人员通常以男性为主。目前，大多数建筑工人、汽车修理工、计算机技术人员都是男性。所以，这些（不恰当）认知可能会影响女生对该学科的亲近感。第三，我们从最开始的研究中就猜测，学生在思考工程问题时，考虑的是对象而不是行动。也就是说，在建筑物或计算机上进行的任何工作都是工程，不管这个工作究竟是在设计、建造还是粉刷建筑。
但我们也知道，我们第一个研究工具的设计是有问题的。我们只要求学生画一幅画。也许他们真正知道的东西比能画的多，也许他们选择了更“刻板”的回答，但他们的确知道（只是未表现出来）更多工程领域的工作。为了更深入、更系统地研究孩子们所知道的，我们开发了一种更好的研究工具，即第二份以“什么是工程”为主题的调查问卷。这个工具自我们第一次使用以来已经修订了 5 次，它提供了任务的图片或描述，并要求学生判断工程师是否会做手头上的任务。学生还要回答“什么是工程”这个开放式问题（访问eie.org/book/1a可以查看该问卷），已经有超过 3 万名小学生完成了这个调查问卷。如图 1-2 所示，我们的研究结果揭示了来自不同性别、所有地域以及种族/族裔群体学生的共同特点。学生倾向于关注描述性 名词 ，而不是 动词 。学生并没有选择人们正在设计或开发中的新技术项目，而是选择与任何电子、汽车或建造相关的工作。例如，学生偏爱“布线”或“修车”等项目，而不是“设计净化水的方法”或“开发更好的泡泡糖”这类项目。学生关注的是工作的对象，而不是工作的类型（Lachapelle，Phadnis，Hertel，& Cunningham，2012）。
图1-2 学生对“什么是工程”的回答（基线）
学生们对开放性问卷的回答与这些结果也是相呼应的——比如，他们表示：
●工程师是造（原文为build）建筑物、汽车、电力设施及与建造相关的人。
●工程师是在各种东西，如发动机和电子设备上工作的人。
●工程师是研究汽车的人。他们把汽车拆开，他们研究有“发洞机”（原文为moters）
的东西。这就是工程师。
我们关于儿童对工程师认识的研究、我们与学生和教师的对话，以及其他人的研究都表明，儿童对什么是技术也有误解。如果请一个孩子说出一项技术，他或她很可能会说出一个需要用电的物品——通常是智能手机、平板电脑、电脑或其他电子设备。这不足为奇——这就是媒体和日常对话中最常提及的 技术 一词的含义。然而，我们希望更深入地研究关于技术，孩子们究竟知道什么，不知道什么。
于是，我的研究小组开发了以“什么是技术”为主题的问卷。它要求学生指出哪些条目是技术，以及他们如何确定某样东西是技术。（可访问eie.org/book/1b。）我们对 3 万余名小学生进行调查的结果表明，学生们认为技术与电力和靠动力运转的物品相关（Lachapelle，Hertel，Jocz，& Cunningham，2013）。学生们还可以正确地辨别出自然界的事物不是技术，如鸟类和树木。但是，他们不太会把简单的、常见的、非电气和非机械的物品看作技术，如扫帚、杯子或鞋子（见图1-3）。稍多一点的学生正确地把机械且非电气类物品识别为技术，如自行车、钢琴或风车等。
学生们对某物为什么是技术的回答，展现出他们头脑中对技术与动力、电力之间的联系。例如，学生们写道：
●我知道一个东西是技术，它们必须有“点”（原文为elerecty）
或能量在里面。
●技术就是关于光—电的。
●我认为，技术就像是电话、电视、收音机、手机等需要用电工作的东西。
●如果它被弄湿了，会有火花出来。
●如果它使用复杂的微芯片、发动机、计算机或其他需要使用电力的东西。
●我要知道这个东西是不是技术，我就看这个东西是不是用电才能动，而且我不用做任何事情。
图1-3 学生对“什么是技术”的回答（基线）
我们的研究表明，小学的工程教育需要帮助学生更准确、更全面地理解什么是技术。他们要明白，技术包括我们生活中随处可见的非电气和非机械物品，不仅包括实体物品，还包括更抽象的系统和过程。小学STEM教学中的根本原则之一，就是要帮助学生建立对工程和技术更全面的认识。学生需要了解，工程师所要解决的问题的范围非常广泛——不仅包括土木、机械、计算机工程问题，还包括诸如生物医学、环境、化学、绿色工程等方面的挑战。此外，我们还需要帮助年幼的学生知晓，工程师不只是制造或修理各种器具，还要 设计 各种各样的新技术。孩子们，即便是幼儿，都 可以 进行工程设计，孩子们也 应该 进行工程设计。这里有 8 个理由。
工程教育帮助孩子们理解并改善他们所生活的世界。 我们每个人 98%以上的时间都在与工程产品打交道。为了了解所处的世界，孩子们应该意识到，工程师创造了他们周围几乎所有的东西，他们应该了解这些技术是如何产生的。我们的社会越来越依赖工程和技术，所有公民都需要对这些领域有基本的了解，这样他们才能在权衡新技术的好处、后果和成本时，做出明智的决定。
孩子们会理所当然地认为，未受污染的食物会出现在超市货架的盒子里，打开开关灯就会亮，冲马桶时排泄物就会消失。孩子们需要了解，工程使得这些技术和现象得以实现；孩子们要认识到，我们有能力设计并塑造我们周围的世界，倡导新的或不同的解决方案，当那些可以改变生活的产品需要资金和推广时，我们可以支持相关倡议或提案。
工程教育培养解决问题的能力和倾向。 人类天生有解决问题和改造环境的倾向。儿童在探索周围世界的过程中，会自然而然地进行非正式的工程设计。课堂活动可以利用孩子的这些倾向，为其提供脚手架，帮助学生发展解决复杂问题所需的思维方式和策划能力。例如，解决问题往往需要把问题分解成一系列更小的部分，需要坚持不懈和从失败中学习的能力。这些品质可以在学生参与结构化的工程设计时得到培养。在孩子的一生中，他们会遇到各种各样的问题。培养孩子们的信心和毅力，帮助他们形成提出并评估可能的解决方案的能力，将对他们的学校和生活有益，无论他们选择怎样的职业发展方向。我们无法想象下一代将面临的许多问题或机遇。未来会有新的通信方式、交通方式以及疾病诊断和治疗技术，可用的内容和信息量正在以爆炸式的速度增长，使得掌握所有相关事实成为不可能。因此，为了让学生为未来做好准备，我们应当确保他们掌握解决问题的流程，发展相关技能，如创造力、合作和沟通能力（Partnership for 21st Century Skills［P21］，2009）。
工程教育可以提高学习的动机、参与度、责任感和自主性。 与生活相关联的、有意义的和开放性的项目可以激发学生的学习动机和参与度（Blumenfeld et al.，1991；Miaoulis，2010）。精心设计的工程教学活动可以同时做到这 3 点。毕竟，学生每天都会受到工程的影响，工程塑造了他们所生活的世界，而且任何工程挑战都会有许多可能的解决方案。对真实世界的问题提出原创性解决方案的机会能够激发学生的兴趣和动力。孩子们会花上几个小时创造一个可以清洁脏水的滤水器、一座抗震建筑或者为被自然灾害阻隔的地区制作一个人道主义空投包裹——通过设计和重新设计，产品可以更好地满足需求和标准。当学生们接触真实的工程情境，接触可以从解决方案中受益的客户，他们就能看到自己工作的潜在作用，就会开始关心技术的影响。参与工程任务还可以让学生承担更多的学习责任。学生将拥有自己原创设计的所有权。正因为他们的设计是独一无二的，所以需要仔细考虑项目的下一步，需要知道的内容，以及可以做出的主张——他们不能向其他小组或教师寻求信息。
工程教育可以提高数学和科学成绩。 学生在应用所学知识来解决问题时，他们对知识会产生更深层次的理解。因此，当学生参与需要应用科学知识的工程项目时，他们对科学的理解就会得到提升，这并不奇怪（Fortus，Dershimer，Krajcik，Marx，& Mamlok-Naaman，2004；Mehalik，Doppelt，& Schunn，2008）。为太阳能烤箱设计真正有效而又环保的绝缘材料，是基于对绝缘材料特性的理解；设计一个既能启动灯又能启动蜂鸣器的报警电路，需要了解并联电路和串联电路的区别；而为植物设计一个有效的包装，意味着学生要了解植物的基本需求和结构及其功能。原本只是学术性的科学概念，一旦它们能够为设计提供信息或改进性能时，就会突然变得有用。
同样，工程项目也会促进教师和学生以更有意义的方式使用数学。学生在设计、构建和改进解决方案的过程中，会应用各项数学技能：测量、使用数学函数、绘制图表、解释和分析数据等。如何确保系统的各个部分能准确地拼合在一起？你如何“知道”一种设计比另一种设计在性能上更好？如何从收集的数据中找出趋势？在实践中应用数学可以帮助你战胜所有这些挑战。依靠数学和科学来帮助解决真实情境中的问题，可以帮助学生真正理解这些学科之间的联系，为理解和准确把握这些领域提供了动力。
工程教育可以增加学生进入STEM行业的机会。 学习工程可以帮助学生准确理解工程师和技术人员的工作类型，及其在塑造我们周围世界中所起的作用。参与工程项目可以建立起学生对其工程能力的信心，发展他们作为工程师的自主性和身份认同，并让他们接触可能成为职业选择的工程学科（Kelly，Cunningham，& Ricketts，2017）。通过将学生所做的工作称为“工程”，将学生称为“工程师”，教师可以向他们介绍这些职业选项，并支持学生称自己是“工程师”。
研究表明，许多科学家和工程师在小学时就开始对这些职业产生兴趣（Maltese & Tai，2010）。到了初中，女生和少数族裔对科学和数学的兴趣往往会开始下降（Catsambis，1995）。在学校教育的早期就向所有学生介绍工程，可以使他们在对STEM或谁“擅长”这些科目产生成见之前，就将其视为一种可能的职业选择。当他们积极地参与工程项目并感到自己与工程紧密相连时，他们就可以将工程视为一种可能的未来。在小学就对工程有强烈兴趣的学生，在初高中时仍然需要高质量的学习经历，也需要学习适当的科学和数学课程做好充分的准备。让 所有 学生都接触工程，可以使他们意识到未来的可能性，并激励他们将其作为职业。
工程教育可以促进教育公平。 工程在K-12 阶段是一门新学科。因此，工程教育从一开始就可以采用包容性的措施，让不同的学生参与进来。与他人不同是基本的参与规则。创新、原创性和打破常规的想法受到重视。工作任务与客户的需求和真实的情境直接相关。你可以展示自己的想法，而不仅仅是阅读和写作。你很可能会失败，然后会继续尝试。团队合作和协作是至关重要的。这里没有单一的正确答案。重新定义学业竞争环境也可以使其变得更加公平，特别是对于那些在更为传统的课程教学中不够出彩的学生。精心设计的工程学习体验有可能改变整个课堂动态、学生对自己或同伴及其能力的看法，以及教师对学生的看法。北卡罗来纳大学格林斯伯勒分校的卡洛内（Heidi Carlone）博士研究了教育公平、资源获取和身份认同的问题。她在小学工程教育方面的工作表明，传统的关于谁是“聪明”学生的课堂等级体制在工程学习的过程中经常被打破——学生会以更多样的方式自我认同或认同同伴为“聪明的工程师”（Carlone，Lancaster，Mangrum，& Hegedus，2016）。（访问eie.org/book/1c可查看关于这项研究的简短视频。）那些学业成绩不是最高的学生往往被公认为是“优秀的工程师”。也许正是因为工程是一门“新”学科，几乎没有什么历史包袱；也许是因为工程需要学习者不同的特质，它有能力以有意义、变革性的方式吸引 所有 学生。
工程教育有潜力重塑教学。 通过与全国各地的教师和学生一起工作，我看到了引入工程教育如何促使教师或学校更全面地重新思考教学。高质量的工程挑战问题涉及动手操作、基于项目和开放性的体验，并没有单一的正确答案。消除引导所有学生寻找正确答案的压力能够鼓励教师思考如何重构自己的角色，就可以在学生小组尝试原创性解决方案的过程中给予支持。许多教师报告说，这种经验鼓励他们“开放”所教的其他学科，并尝试更多的开放式挑战。教师们也很重视工程项目的跨学科性质——学生们可以从科学、数学、英语文学、社会学和传播学中汲取灵感，并将它们联系起来。正如第七章所描述的，学生们的强烈反应、积极参与和作品质量，鼓励教师和学校重新思考应当如何安排课程，甚至是学校的一整天。
工程教育已经被纳入州和国家标准。 由于上述原因，因而国家和许多州标准现在都包含了工程。《新一代科学教育标准》也包含了工程。当各州采用这些标准时，它们应当在课堂上引入工程。其他州也修改了科学和技术标准，将工程纳入其中。要达到这些标准，就需要学生理解工程观念并参与工程实践活动。
接触工程可以改变学生对周围世界的理解，改变他们对自己能力的认识，改变他们对学校、项目或学术活动的参与，改变他们未来可能的职业选择。年幼的学生参与工程实践，其实是在玩耍和建造的过程中，自然而然地发展解决问题和建造的能力。随着学生的成长，他们在认知、体能和社会成熟度上收获更多，我们可以在工程活动中引入更多的“工程”工具，如数学、科学、设计决策依据，以及图表和模型。
对小学生进行工程教育确实很有意义。我们生活在一个充满设计的世界里，我们看到的几乎所有东西，都是人类为了满足需求或欲望而创造出来的：鞋子、便签、咖啡杯、牙刷、绷带、自行车、办公楼和智能手机，这些发明都是工程师为了解决问题而做的。纵观历史，人类一直在发现问题和机遇，并改造周围的世界。
这些解决问题的倾向开始得很早，比我们很多人想象的要早得多。孩子们天生就是工程师。观察玩耍中的幼儿，你会看到他们的工程行为。他们建桥、建娃娃屋、建堡垒或沙堡，看着它们倒塌，然后再重建。他们会拆开设备，找出它们的工作原理——有时甚至没得到父母的允许。他们想象着新设备或新技术的奇妙的解决方案。这种倾向为培养儿童理解工程和周围的工程世界奠定了良好的基础。很明显，在儿童与世界互动的过程中，他们正在为未来理解世界打下基础：材料的性质是怎样的，技术是如何设计、组织、筹措资源和建造的，工程是如何影响人类、社会和环境的。他们还在树立自己作为工程师的愿景——这种身份认同可能对他们今后的课程学习和职业选择很重要。