克里斯蒂娜·坎寧安：美國如何重視工程教育？要從娃娃抓起

【文/ 克里斯蒂娜·坎寧安】

我們的社會越來越依賴工程和技術，所有美國公民都需要對這些領域有基本的瞭解，這樣他們才能在權衡新技術的好處、後果和成本時，做出明智的決定。

為了瞭解所處的世界，孩子們應該意識到，工程師創造了他們周圍幾乎所有的東西，他們應該瞭解這些技術是如何產生的。

孩子們會理所當然地認為，未受污染的食物會出現在超市貨架的盒子裏，打開開關燈就會亮，衝馬桶時排泄物就會消失。孩子們需要了解，工程使得這些技術和現象得以實現。

工程教育有多重要，為何要在小學開展？

學習工程正可以幫助學生準確理解工程師和技術人員的工作類型，及其在塑造我們周圍世界中所起的作用。

參與工程項目可以建立起學生對其工程能力的信心，發展他們作為工程師的自主性和身份認同，並讓他們接觸可能成為職業選擇的工程學科。通過將學生所做的工作稱為“工程”，將學生稱為“工程師”， 教師可以向他們介紹這些職業選項，並支持學生稱自己是“工程師”。

研究表明，許多科學家和工程師在小學時就開始對這些職業產生興趣。在學校教育的早期就向所有學生介紹工程，可以使他們在對STEM（科學、技術、工程、數學）或誰“擅長”這些科目產生成見之前，就將其視為一種可能的職業選擇。

當他們積極地參與工程項目並感到自己與工程緊密相連時，他們就可以將工程視為一種可能的未來。讓所有學生都接觸工程，可以使他們意識到未來的可能性，並激勵他們將其作為職業。

也要注意到，科學、數學和工程這些學科有不同的學術目標，而且在學校裏往往是單獨教授的，但在真實世界中，這些學科緊密相連。

許多科學家和工程師工作時遊走於這些領域。通常情況下，科學家使用儀器來測量或研究物理現象，有時他們可能需要設計和製作適合其研究的新儀器。例如，地球物理學家研究海底的地震活動以便更好地預測地震和海嘯，他們可能需要設計探測器，新技術可能會得到更準確的數據，並推動相關科學理論的發展。

而且，未來會有新的通信方式、交通方式以及疾病診斷和治療技術，可用的內容和信息量正在以爆炸式的速度增長，使得掌握所有相關事實成為不可能。因此，為了讓學生為未來做好準備，我們應當確保他們掌握解決問題的流程，發展相關技能，如創造力、合作和溝通能力。

小學工程教育在美國

1994年，時任塔夫茨大學工程學院院長的米亞奧利斯（Ioannis Miaoulis）和羅傑斯（Chris Rogers）教授成立了工程教育和推廣中心（CEEO）。2001 年，馬薩諸塞州成為第一個對工程進行測試的州，作為5年級、8年級和10年級州科學測試的一部分。

米亞奧利斯後來還建立了美國國家技術素養中心（NCTL），任務是通過宣傳、課程開發和教師專業培訓，將工程教育引入K-12學校和非正式教育中。

NCTL的活動展示，圖片來源：NCTL

由於NCTL的持續倡導，國家和許多州的標準、立法和評價中，現在都包含了工程，如《K-12 科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》、《新一代科學教育標準》和《國家教育進展評估》。

我們團隊的目標則是開發可以在全國範圍內使用的課程。在美國，我們沒有國家統一的課程設置。但STEM教育這個詞現在正掀起一股流行浪潮。

新的STEM學校如雨後春筍般出現，而現有的學校也在重新命名，將STEM納入校名。學校網站宣傳着STEM項目，以STEM為主題的課後俱樂部和夏令營也很受歡迎。

行業和企業領袖們都在強調對具有STEM素養的員工的需求，政治家們則呼籲需要改變教育體系。

全國各地的教師在不同的年級教授數學和科學，課程配置也是多樣的。我們的工程課程高度依賴科學，這意味着我們希望教師根據他們所教的科學主題來選擇相應的工程單元。

當然，工程和技術教育對小學來説依然是相當新鮮的，即使在今天，大多數學校仍然忽視這些學科。但積極開展工程教育的學校，已經產生了明顯的變化。

北卡羅來納州的布倫特伍德小學，60%是西語裔，40%英語不是母語。2008年，只有20%-30%的學生在州測試中達到“熟練”，成為所在縣最差的學校之一。

變成專注工程教育的小學後，學生的科學成績提高了200%——“熟練”率從19%提高到了60%，成為當地最好的10所學校之一，2015年被評為STEM示範學校。

布倫特伍德小學的工程教育

三、四年級的工程教育案例

多年來，造太陽能烤箱一直是科學課的一項熱門活動。我們決定將工程和傳統活動混合，讓學生使用鋁箔和黑色表面來建造一個烤箱。

我們為學生提供一個標準的基礎烤箱設計，挑戰是他們要為太陽能烤箱設計隔熱層，從而引入綠色環保工程的相關概念。根據烤箱的保温能力以及保温材料的環保性，對學生的設計進行評估。

故事書先向學生介紹了工程設計挑戰的背景。在開始這一設計挑戰之前，學生還會探索工程師用於評估技術對環境影響的工具——生命週期評估。學生學習使用這一工具，並對紙這種天天打交道的產品進行簡單的生命週期評估。

在設計太陽能烤箱的隔熱材料時，他們將利用從這個活動中學到的材料如何影響環境的知識，以及科學課上學到的能量知識。

本課從提示學生思考太陽能烤箱的設計開始。教師問學生設計太陽能烤箱的目的（或目標）是什麼，並回顧太陽能烤箱的4個組成部分——反射器、箱體、窗口和烤盤。在此基礎上，她會提示學生思考，為什麼示例中太陽能烤箱這樣設計，她會問：“你覺得為什麼反射器可用鋁箔製作？”和“為什麼烤箱頂部的孔用透明塑料覆蓋？”

然後，教師會引導學生將他們的思路與能量，特別是熱能，聯繫起來。她會進一步提示學生思考烤箱中能量的來源，以及它是如何工作的。

她還要幫助學生認識到，在設計產品的各個部分時要考慮熱量保存，這是非常重要的。例如，烤箱頂部的窗口用塑料覆蓋，以保存烤箱中的熱量，隔熱材料也可以保存熱量。

設計活動的第一步是收集“科學”數據，為工程決策和設計提供參考依據——學生們將開展對照實驗，測試現有材料（鋁箔、泡沫塑料、毛氈、塑料和報紙）作為隔熱材料的性能。

首先，學生們仔細研究了熱的不良導體和良導體，確定每種材料的特性，並對其作為不良導體的隔熱能力進行預測。他們建立僅有一個變量的對照實驗，以測試每種材料的隔熱性能。他們對每種材料都進行兩次測試——一次使用“完整”材料，一次使用“碎屑”材料。

學生會做出預測，哪種材料是他們認為最好的隔熱材料，然後以小組為單位測試 10 種材料。他們將材料放入杯中後再將杯子放入冰浴，在此之前，教師會向學生提問，杯中的空氣温度會怎樣變化及其原因。這促使學生思考這個系統中的能量是如何流動的——熱能從較熱的杯子流向較冷的冰浴。

學生每30秒記錄一次杯中空氣的温度來收集數據。數據收集完成後，學生通過計算每種材料的温度變化來分析數據。

在課堂上，學生描述觀察到的温度變化，教師再以“熱能到哪裏去了？你為什麼這麼認為？”等科學問題讓學生思考系統中的熱運動情況。

學生在分析數據時會繼續反思。全班同學會建立一個從熱的不良導體到熱的良導體的隔熱量表，並根據測量的温度變化，找到每一種測試材料（複合或完整/碎屑）在量表上的位置。在對材料進行排名後，學生就可以生成柱狀圖以比較這5種材料在完整或碎屑狀態下的温度變化，並將它們與沒有隔熱材料的對照組比較。

藉助這些數據，學生需要從熱能和空氣流動的角度，對碎屑材料的隔熱性能比完整材料好這一現象進行觀察並解釋。學生在反思材料的哪些特性能很好地起到隔熱作用後，再繼續思考每種材料對環境的影響。

在材料探索的最後階段，學生會考慮材料對環境的影響。他們要確定每種材料是天然的還是加工過的以及需要多少量（能減少材料的使用量嗎？），材料是否曾用於其他的目的（是否循環使用過），或者可否回收利用。學生將建立第二個量表即環境影響量表，按照對環境影響從小到大的順序，將每種材料放在對應的位置。

在教師的指導下，學生會仔細考慮這兩個材料性質量表（隔熱性和環境影響）。他們權衡材料的優劣，並仔細考慮在設計中可能使用哪種材料。

當收集到更多的信息以應用於設計選擇時，學生會提出問題並開展相關實驗，這也強化了對能量相關科學概念的理解。他們還運用數學工具來理解和比較這些結果。

當學生圍繞隔熱設計進行頭腦風暴時，他們就會（或應該）應用所學的知識。然後，學生設計太陽能烤箱的隔熱材料，需要平衡隔熱性能以及對環境的影響。他們要規劃整個設計並製作樣品。

學生將太陽能烤箱放在陽光或強光下進行測試，每隔5分鐘記錄烤箱內温度，持續30分鐘。然後，再將烤箱放到陰涼處，記錄下烤箱內温度每分鐘下降的情況，持續10分鐘。

學生用以下分值評估設計：

• 熱度得分（將烤箱達到的最高温度與對照組進行比較）；

• 時間得分（將烤箱放在陰涼處時，用了多長時間恢復到原來的温度）；

• 環境影響得分（所用材料對環境的影響）。

根據這些單項指標，學生算出一個總分。他們要觀察自己和同學們的烤箱及其性能，每個小組都要反思設計中哪些地方做得好，以及應該如何改進。然後，他們需要至少再重新設計和測試一次。

基於真實世界的背景，他們得以拓展與解決當前問題有關的知識，同時也加深了對熱傳遞和隔熱材料的理解。這使得他們在完成工程挑戰的過程中能夠應用這些知識。

太陽能烤箱隔熱工程挑戰要求學生運用並進一步強化與能量、能量傳遞和隔熱材料相關的科學概念。通過實踐應用，學生對一些科學概念有了更深的理解，包括以下幾個方面：

• 某些材料比其他材料更容易傳遞熱能（如熱的不良導體和熱的良導體）。

• 熱是能量的一種形式。

• 能量可以從一個物體或材料轉移到另一個物體或材料上。

• 熱能總是從温度較高的地方轉移到温度較低的地方。

我們的研究表明，與僅學習科學且不學習任何工程的學生相比，參與此整合工程單元的學生科學學科的學習效果確實更好。不出所料，通過在相互關聯和有意義的情境中應用所學的科學概念，通過精心的項目設計將科學和工程整合在一起，可以加強學生對工程和科學的理解。

此外，設計太陽能烤箱活動為學生提供了一個機會，讓他們瞭解到數學是多麼有用和重要。學生在工作時收集數據、創建表格並計算，以根據規定的標準，最大限度地發揮產品的設計功能。

對於許多學生來説，這些數學主題可能不是他們目前在數學課上學習的內容。然而，計算能力（如測量、計算差值和變化率），以及創建圖表來展示和分析數據，需要在整個學校教育中不斷加強。

（本文摘編自《基於項目的小學工程教育》）