Beth Van Meeteren，Betty Zan
北爱荷华大学早期教育发展中心
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
一、积木建构游戏区中的科学实践与工程启蒙
对于如何在先学前班到二年级（PreK-2）整合物理科学课程，北爱荷华大学弗里堡（Freeburg）儿童早期教育项目（Freeburg Early Childhood Program）的教师选择将单元积木（unitblocks）作为积木建构游戏区的基本材料，并创造了一个让孩子自由探索、设计、建造复杂建筑结构的环境。
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、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，探索力、运动、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。
二、“探索斜坡和轨道”项目中蕴含的工程设计
当前已有不少早期教育实践引入了工程设计项目，其中包含许多1—2周的短期活动。不过我们依然相信，“探索斜坡和轨道” 这一项目能发挥良好效果。教师从工程学角度出发，有针对性地调整活动材料，就能更好地落实K-12教育委员会提出的三项工程原则，让孩子们参与工程设计的时间远超几个星期。
01.
儿童早期工程设计的五个步骤
K-12教育委员会认为，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委员会的建议，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。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。
“改进”很难与其他部分割裂开。因为孩子们是在不断试误中进行设计和建造的。在这个过程中，孩子们根据新的问题进行想象、计划、创造和改进。
在提问、想象、计划、创造和改进中，孩子们还会运用到数数、排序、测量和比较、考虑空间和时间等，这符合教育委员会所倡导的第二条原则“进行工程教育时，要结合数学、科学、技术知识和技能”。
02.
“探索斜坡和轨道”项目中的工程设计
这里，我们通过呈现几名儿童运用积木搭建斜坡和轨道结构的案例，来说明他们的工程设计。
案例1
在搭建建筑的开始，一个小女孩兴奋地创造了一个斜坡，使她的玻璃弹珠快速移动。她希望她的弹珠跑得快，因为在她的世界里，快是最好的。她还找了一颗尺寸很大，比较重的弹珠，因为在她的世界里，大的胜过小的。她将一段凹槽积木靠在椅子上，并将弹珠放在积木顶部并放手。她高兴地尖叫着，看着弹珠迅速滚下斜坡，滚过地板。几次尝试后，她决定改变斜坡的位置，将它放在一个书架较低的位置，发现弹珠没有滚动得那么快、那么远。在几次改变斜坡陡度后，她发现斜坡越陡，弹珠滚动的速度就越快。
之后她将弹珠放在几乎垂直于地面的坡道上，释放弹珠，希望它能走得最远、最快。（图4）但是，弹珠掉下来，弹了几下，并停了下来，她对此感到很惊讶。她又试了几次这个设计，直到她发现这个设计是不可行的，于是她重新将凹槽积木靠在椅子上，但是，她并不满意自己仅仅只有这个能力。她将一些单元积木堆叠起来达到所需的高度，并将凹槽积木靠在堆叠起来的积木上。她通过添加或减少单元积木调整斜坡的陡度，直到弹珠在斜坡上滚动的速度达到她满意的速度。一旦满意，她的注意力就转向增加设计的复杂性，如增加斜坡等。
图4：一个小女孩正在创造一个让她的玻璃弹珠滚动更快的斜坡
通过分析上面的场景，我们可以看到她在工程设计的各个部分之间快速而频繁地移动。她想象弹珠移动得很快，计划通过把坡道放在椅子上让弹珠移动得很快，并在不到15秒的时间内创造出倾斜的角度。她的认知可能处于一种平衡状态，所以，她一开始就没有提问，她相信她的计划会奏效。也许只有当她遇到困难或自己认知处于不平衡状态时，她的设计过程才会变得更加系统化。
之后，当她在设计中遇到问题时，如弹珠掉下来，弹了几下，并停了下来，她可能在心里问了自己问题，设想了一些解决方案，如通过增减单元积木数量调整斜坡的陡度，然后立即创造并测试它，直到她对结果满意为止。在这一过程中，她通过迭代改进，不断完善了她的设计。
案例2
两个孩子用单元积木和斜坡积木合作设计了她们想要创造的事物——垂直的弹珠滚动轨道（图5、图6、图7、图8）。她们用单元积木作为支撑，将斜坡积木从下至上、从左至右交替排列成轨道，排在最上面的也是相互交替的斜坡积木。这样，当他们将弹珠从最上面的斜坡积木滑下时，弹珠能随着轨道一层一层滑下，最后从最底层左边的空隙出来（这里，她们做了特别的设计，将最底层的一块斜坡积木放置在右边，并在最底层左边留出空隙，这样弹珠最后就能从最底层左边空隙出来了）。
随后，老师进入现场，要求孩子们展示自己是如何建造的，并对孩子们搭建的结构提问，引导孩子们不仅注意他们所做的事情，还要注意他们是如何做的。例如，她问：“我注意到从下至上轨道之间有一定的空隙，为什么这么做？在做的过程中遇到了什么问题，如何解决的？”为了回答她的问题，孩子们必须全面反思他们搭建的结构系统。孩子表示：“当上下的轨道重叠或距离过小时，弹珠不能沿着轨道滚动下来；但是，当轨道之间相隔很远时，弹珠有时会直接掉下来。因此，我们不断调整、测试斜坡积木之间的距离，以保证上下轨道之间的距离合适，能让弹珠顺利滑下来”。
图5：两个孩子合作搭建
图6：两个孩子合作搭建的轨道
图7：教师介入，提问引导
图8：孩子将弹珠从顶端放下，测试轨道
在这种环境下，孩子们有充分的时间沉浸在每天的工程设计中，深入参与解决有意义的问题。孩子们不依赖于成人引导，他们自由选择每一个设计组件，独立实现自己的创意设计。在这个开放式的积木建构游戏中心，孩子们可以每天多次参与设计过程,培养工程思维习惯。
03.
早期教育中，培养工程思维习惯
教育委员会第三个原则是k – 12工程教育要培养儿童的工程思维习惯。教育委员会认为，这些“思维习惯”是21世纪公民需要掌握的基本技能。这些技能包括系统思维、创造力、乐观、协作、沟通和考虑伦理性(Katehi et al .,2009)。我们发现儿童在“探索斜坡和轨道”项目中进行的有意义探索，能帮助他们逐渐获得这些技能或品质。
（1）系统思维
系统思维包含“识别技术世界的相互联系的能力”(Katehi et al .,2009)。儿童在创造轨道结构中，会逐渐理解结构下的一系列子系统间的关系，明白调整一个子系统会影响其他系统。
例如，当孩子们努力调整积木轨道结构而让玻璃弹珠能够顺利转角时，系统思维就发生了。解决转角问题的一个方法是将第一个斜坡的起始端抬高，然后在斜坡的末端放置一个木块，让玻璃弹珠弹到下一个斜坡上。如果弹力太大，玻璃弹珠的轨迹则会偏离第二个轨道。因此，幼儿需要调整两个斜坡的角度，以使它们相协调。孩子们可以降低斜坡的坡度，从而使弹珠慢下来，这样弹珠就不会以那么大的力度撞击弹珠块，然后轻轻弹到第二个斜坡上。 (见图9)。
图9：孩子们努力让弹珠转弯
孩子们调整斜坡角度让玻璃弹珠顺利弹跳、转角，就属于儿童工程活动。我们还观察到这样一个案例：一个二年级的儿童让13个3英尺长的斜坡彼此成直角，创造了一个螺旋下降的轨道结构，使得玻璃弹珠可以在9平方英尺的建筑面积上移动39英尺。这个轨道结构的形式和功能都很棒。孩子在创造轨道结构的过程中非常专注，她花了2天时间来创造这个作品。（如图10和图11）
图10 ：孩子创造的螺旋下降轨道结构
图11：孩子创造的螺旋下降轨道结构
我们还观察到小建造者们创造的复杂系统，如将一些坡道在某个支点上保持平衡，不断调整坡道倾斜的角度，以保证玻璃弹珠能顺利地从一节坡道上滑入下一节坡道上。（如图12）
图12：将坡道在某个支点上保持平衡，不断调整坡道倾斜的角度，以保证玻璃弹珠能顺利地从一节坡道滑入下一节坡道
（2）创造力
从以上案例可以看出，设计过程本身就体现了创造力。我们希望为孩子们提供更多机会，让他们通过工程设计来展示他们的创造力。但是，令我们沮丧的是，《不让一个孩子掉队》如此强调阅读和数学，却忽略了STEM教育。
学生的考试成绩会影响学校教学时间、课程重点、专业发展以及课堂的最终价值。在过去的一年里，我们从小学教师那里了解到，在他们的学校被认定为“需要帮助的学校”后，他们被教导不能教科学或社会学方面的内容，只能专注于阅读和数学。我们对这些教室因缺乏工程创新的机会导致的儿童教育和专业生产力的萎缩感到非常痛心。
（3）乐观
乐观主义被定义为“一种在每一次挑战中都能发现可能性和机会的世界观”。(Katehi et al., 2009) “探索斜坡和轨道”项目发展了年幼儿童的适应力。我们发现，当孩子们设计他们的轨道结构时，他们会非常自信，且有坚持性。儿童对自己的信念会影响他们的学业和最终的成功。具有较高自我效能感的儿童在面对困难时能够坚持下去，在面对学习挑战时能够展现出坚韧性(Bandura, 2001)。
年幼儿童在工程设计中展现出的努力、坚持和创造力，也许能促使教育政策制定者考虑从幼儿时期就重视STEM教育，促使研究读写技能的学者开始注意社会情感发展对儿童读写能力发展的重要性。帕哈雷斯（Pajares，1996）发现，读写技能的发展和社会情感的发展同等重要。读写能力很重要，但如果没有努力和坚持，它们就无法发展。儿童对错误和失败的态度对他们的学业发展有很大的影响。
适应力强的学习者并不太关注自己拥有的能力，而是利用挑战来培养能力，他们更多关注学习过程，而不是学习结果。（Johnston, 2005）Niemi和Poskiparta(2002)发现，对幼儿园孩子的适应力进行评估，比对他们的语音意识进行评估，更能预测今后他们在阅读方面的成功。
（4）合作性
工程教育环境中的协作是指 “如何利用团队成员的观点、知识和能力来解决设计挑战”。(Katehi et al., 2009)我们在年幼儿童身上看到了这一点，他们在工程设计中得到了别人的帮助，同时也给别人提供建议和鼓励，甚至努力想办法把两个工作系统合并成一个更大的系统。（图13）
图13：儿童在工程设计中的协作
（5）交流
我们观察到“探索斜坡和轨道”项目为儿童使用语言提供了丰富的背景。活动中，孩子们与同伴讨论设计轨道结构的目标、寻找合适的词汇进行表达、彼此倾听想法。
很多时候，弗里堡（Freeburg）的老师和孩子们会以小组的形式聚在一起，讨论他们在工程设计中所学到的东西，以及他们遇到的问题。教师们使用数码相机来捕捉整个系统的图像以及系统中自己感兴趣的特定设计点。孩子们使用这些照片和他们的书面解释创建海报，以便与学校访问者交流他们的学习。
（6）考虑伦理性
设计轨道结构的幼儿需要尊重彼此的安全、思想、材料和空间。
在安全方面上，教师组织孩子们讨论如何在不破坏其他同学的结构的情况下安全地在活动室内携带长的直线轨道，讨论如何跟踪玻璃弹珠，以防止同伴和访问者滑倒。
在思想方面上，当孩子们发现他们通过合作和分享能学到更多东西时，就不会去“保护”思想。他们常常说的不是“他抄袭了我!”而是“嘿!你给了我一个主意!”他们发现，独自活动很好，但在一起协作会更棒！
最后，在材料和空间方面，当孩子们在创建结构时用完了所有积木，他们就会知道更有目的地使用资源，可以让更多人建造更多东西。另外，当许多孩子参与创造长坡道时，教室空间就成了一个问题。所以，他们讨论了这种设计如何影响教室的其他区域，并决定要学会在更狭窄的空间里进行工程活动。（图14）
图14：在地毯上粘贴部分建筑物的图形，要求孩子们设计成堆叠的弹珠滚动轨道。
三、结论
长期以来，儿童一直被认为是年轻的科学家。我们认为，年幼的儿童也是年轻的工程师，他们通过改造世界满足自己的需求。早期教育工作者可以利用已经出现在大多数幼儿教室的活动(如利用单元积木建造建筑物)来培养幼儿的工程设计能力,以及提供新的活动(如“探索斜坡和轨道”项目),进一步发展孩子新的能力——创造、解决问题、实验、测试、适应、合作、解释等。总之，他们可以像年轻的工程师一样参与工程设计。（图15）
图15：儿童作为年轻的工程师参与工程设计
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