孙妍妍, 何沣燊 | 以“工程”为中心的STEM课程驱动问题设计研究
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新刊速递 | 华东师范大学学报（教育科学版）2021年第8期目录
特稿
专题：智慧教育
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以“工程”为中心的STEM课程驱动问题设计研究
文 / 孙妍妍, 何沣燊
摘要：STEM教育源于美国实用主义国策，意在通过跨学科的学习方式培养学生的问题解决能力、创新能力、团队协作能力等21世纪人才需要的综合素养。近年来，STEM教育在我国蓬勃发展的同时，在实践中也存在着课程体系不成熟、教学设计不合理、与学科知识脱节等偏离STEM教育初衷的问题。针对这一情况，本文围绕STEM教育中的核心元素“工程”，以工程设计过程为出发点，结合相关案例的分析，从问题的结构与基本特征两个维度探讨了STEM课程中驱动问题的设计。在STEM课程中，以“工程”为中心的驱动问题应当是劣构的、与情境紧密相连的，并且具有领域相关性与动态性。问题的3个关键元素——初始条件、障碍、目标通过与工程设计过程的融合可转换为课程设计的关键元素。以“工程”为中心的驱动问题设计对STEM教育实践的启示包括：在课程中正确地体现跨学科性，注重对学生问题解决能力与工程思维的培养、转变课程评价方式以及多方合力建设STEM课程生态共同体。
关键词： STEM课程设计 ; 驱动问题 ; 工程设计过程
作者简介
孙妍妍，华东师范大学教育信息技术学系副教授，博士。
目录概览
一、STEM课程中的“工程”：驱动问题的核心
二、STEM课程驱动问题的元素
三、STEM课程中驱动问题的基本特征
四、以“工程”为中心的STEM课程驱动问题设计
五、总结与建议
STEM（Science、Technology、Engineering、Math）教育源于美国20世纪80年代基于实用主义的国策，经历30余年的发展，目前已成为世界多国培养新世纪创新人才、提高公民综合素质的战略性教育政策选择（祝智庭 & 雷云鹤，2018）。在我国2016年发布的《教育信息化“十三五”规划》中，STEM教育首次被纳入国家战略发展政策，成为我国培养面向未来高素 质人才的重要手段。
STEM教育是一种跨学科的学习方式，它消除了科学、技术、工程、数学4个学科之间的传统障碍（Vasquez & Sneider，2013），通过聚焦于真实世界的问题来培养学生解决实际问题的综合能力，如知识迁移能力、团队协作能力及科学探究精神等（余胜泉 & 胡翔，2015）。近年来，STEM教育在我国蓬勃发展，多个省市（江苏省、深圳市、成都市等）正式发文支持STEM课程建设，STEM课程的设计也逐渐成为教育实践与研究的焦点。
然而，与传统课程相比，中小学STEM课程建设仍缺乏成熟的科学体系，经常存在偏离STEM教学理念的课程设计（余胜泉 & 吴斓，2019）。这种偏离主要源于两类理解上的不足：一是对STEM教育中学科融合的学习方式理解不足。如果教师将跨学科学习等同于不同学科知识的简单叠加，就会产生在授课过程中强调单独的学科知识、过于关注结果的问题。例如，有些STEM课程的教学目标偏离为让学生学习使用激光切割、3D打印、开源电路板等新技术来完成作品设计，除了技术本身，在课程设计中并无学科知识的融合。二是对STEM教育中聚焦真实问题的学习方式理解不足。与传统课程不同，STEM课程的学习是围绕问题的解决来展开的。在这个过程中，除了知识学习本身，也需要学生具备解决问题的相关高阶思维能力。而教师在课程设计中往往会忽略对学生问题解决系列能力的培养，导致将STEM课程沦为机械的操作与简单的模仿。
在STEM教育中，科学、技术与数学都是在中小学开设的传统学科，只有“工程”是新加入的元素。而教师对STEM教育教学理念的两种理解不足都与对“工程”在STEM教育中的作用理解不足相关，往往直接体现在STEM课程中驱动问题的设计上。简要来说，驱动问题是STEM教育中的核心元素，它既为学科知识融合提供了纽带，也为问题解决过程提供了支撑。驱动问题是课程中的核心骨架，决定了STEM课程中活动的设计和评价方式。缺乏“工程”的STEM驱动问题，往往难以做到跨学科知识的融合，也忽视了问题解决过程。为解决这一问题，本研究从STEM课程中的关键元素“工程”出发，对课程驱动问题的结构与特征进行分析，在此基础上探讨STEM课程中驱动问题的设计方法与构建原则，并分析了相关案例，以期为中小学STEM课程的设计提供指导。
一、STEM课程中的“工程”：驱动问题的核心
（一）STEM课程中的驱动问题
STEM课程以促进教学实践的变革为出发点，目的为培养学生跨学科知识融合能力、知识迁移能力、问题解决能力、协同创新能力等高阶思维能力（杜文彬，2018）。聚焦于真实情境下的问题解决是STEM课程的核心特征，问题化学习（problem-based learning）与项目学习（project-based learning）是STEM课程的一般实践模式，驱动问题（Driving question）是STEM课程设计中的关键支撑。余胜泉等人（2015）认为，STEM课程中跨学科整合最核心的部分是项目或问题的设计，这与驱动问题的构建密切相关。在STEM课程中，驱动问题（Driving question）向学生介绍了现实世界中的难题，其中包括一个让学生觉得有趣并且想去回答的问题或需要解决的困境（LaForce，Noble & Blackwell，2017）。好的驱动问题应能促使学生去讨论与调查某一主题，并在此基础上构建解决方案。驱动问题作为STEM课程的核心，起到了确立课程主题与目标、支撑课程结构、确定评估维度的作用。与一般问题化/项目学习相比，STEM课程中的驱动问题包含着一个不可或缺的元素，即“工程”。在STEM课程中，“工程”既不是传统意义上的工程教育，也不局限于工程思维。
（二）驱动问题的中心元素：“工程”
1. 对“工程”的教学：工程教育的三次范式转变
人类进入工业时代后，如何教授与“工程”相关的知识与技能日渐重要。工程教育在不同的历史时期经历了不同范式的转变：经验范式到技术范式、技术范式到科学范式、科学范式到工程实践范式 （时慧 & 李峰，2019；肖凤翔 & 覃丽君，2018），这体现了工业体系的发展需求与教育理念的变迁。
工程教育最初的目的是培养工程领域中的“普通工作者”（孔寒冰，2014），因此遵循着个人通过长期的学徒期走上工程实践的经验范式。工业发展初期，工业经济快速发展，为培养可以参与到经济建设的现场工程师，满足简单的工业生产需要（李茂国 & 朱正伟，2017），形成了重视实践、强调工程技术应用和实践操作的技术范式。人才的培养方式也从“学徒制”言传身教转变为院校式工程教育模式（叶民 & 叶伟巍，2013）。
而后美国和苏联在二战后的工程教育都强调基础科学知识，反映了工程教育向科学范式的转变，工程师与科学家的培养方式趋向雷同，工程教育越来越“科学化”（项聪，2014）。至20世纪末，国际工程界开始反思这种科学化的工程教育，提出了回归工程实践的建议，美国麻省理工学院提出了构思、设计、实现和运作（Conceive，Design，Implement，Operate，简称CDIO）的工程教育理念，成为了工程范式的典型代表（上海理工大学规划发展处，2018）。
随着人工智能、虚拟现实等新技术的兴起，在线学习、智慧学习等新的学习方式的出现，美国麻省理工学院启动了新一轮的工程教育改革计划，提出“新工程教育转型”。该计划强调关注学生的学习兴趣、方式和内容，培养学生的工程思维、科学思维和人本思维，造就能引领未来工程产业发展的，兼具工具理性和价值理性的人本式工程人才（时慧 & 李峰，2019；肖凤翔 & 覃丽君2018）
2. “工程”在K-12教育中的重要体现：工程思维
工程教育范式的转变与K-12阶段教育目标的转变具有一致性，即从知识与技能的传授转向对学习者思维能力与个人素养的关注。随着STEM教育的发展，工程教育在K-12阶段受到的关注持续增加。2009年美国国家研究委员会（National Research Council，2009）公布了《K-12教育中的工程：现状理解与未来提升》和《K-12工程教育标准》两份研究报告，其中说到工程教育已经缓慢进入了美国的K-12课堂，不同程度的正规工程教育已经覆盖到数百万的中小学生（赵中建，2016）；报告中亦指出了中小学工程教育标准的3大原则：强调工程设计、发展STM（科学、技术、数学）知识与技能、培养工程思维习惯（National Research Council，2009），其中，工程思维的培养是工程教育在K-12阶段实践的重要方向，也是连接工程设计与科学、技术、数学知识与技能的桥梁。
张艳秋等（2014）认为工程思维是工程师作为工程活动的主体在解决工程活动实际问题时运用的思维。李永胜（2015）认为工程思维是一种广泛存在于各类工程活动中的特定思维模式，它与科学思维和技术思维既相互联系、渗透，又互相区别。侯甜等（2019）认为工程思维是在完成工程项目的过程中人们形成的一种思维方式，其主要特点是现实性、创造性及复杂性。现实性体现在工程思维的目标为创造满足需求的产品，工程活动创造出人造实体的特征体现出工程思维的创造性，而工程过程中需满足不同限定因素需要体现了工程思维的复杂性。
不同学者在对工程思维进行定义时，均强调了在工程实践当中工程思维作为一种思维模式的重要性。在中小学阶段，要求学生掌握具体而复杂的工程技术既难达到也非必要，因此，培养学生的工程思维是工程教育在K-12阶段的合理切入点。
3. STEM课程中的“工程” 驱动
科学、技术与数学是学校中传统的教学科目，而“工程”则是新加入的元素，成为STEM教育区别于传统跨学科教学的核心标志（Jolly，2016）。在STEM教育当中，“工程”既有别于传统的工程教育，也不局限于工程思维的教学。与传统工程教育相比，STEM课程中“工程”虽然包含一些与工程相关的动手操作或知识技能，但并不涉及对工程知识的系统讲授，即没有将“工程”视为一个与科学、技术与数学并列的单独学科；培养学生的工程思维也非STEM课程中学生思维培养的唯一目标，而是以“工程”为中心，为工程思维与其他高阶思维的培养提供框架、创造环境。总结来说，“工程”作为STEM课程中的核心元素，起到了驱动力的作用。这种驱动力主要通过工程设计过程来体现，作用集中于两个方面：一是对科学、技术、数学相关知识概念的串联，二是对学生工程思维能力及其他高阶思维的培养。
在串联知识方面，工程与科学、技术、数学有着天然的联系。在工程设计过程当中，往往需要使用数学、科学、技术的相关概念与知识来解决复杂的问题，这个过程既具有系统性，也需要创造力（Capraro，Capraro，& Morgan，2013），是理论知识在实践当中的综合应用。因此，在中小学工程教育当中，帮助学生发展相关STM（科学、技术、数学）知识与技能是重要原则之一（National Research Council，2009）。工程中要解决的问题是真实世界中的复杂问题，解决问题的过程为学生提供了一个良好的学习情境。在工程设计过程中，学生可以将不同学科中的抽象知识进行综合性的实践应用，从而对学科知识产生更大兴趣与更深入的理解。在培养学生思维能力方面，工程的驱动力通过工程设计过程得到了直接体现。工程设计过程为复杂问题的解决提供了可行性框架（祝智庭 & 雷云鹤，2018），这个框架可以帮助学生们培养问题解决能力、逻辑思维、协作能力，同时更好地发挥创造力。
综上可知，“工程”是STEM课程区别于传统数学教育与科学教育的关键元素。在工程元素的连接和驱动下，STEM课程不再是几个学科知识的简单组合和机械叠加，而是跨学科知识的综合实践应用与高阶思维能力的培养。有了工程的支撑，STEM课程才不会落入重知识而轻创新、重模仿而轻思考、重技术而轻素养的错误路径。
4.工程设计过程：STEM驱动问题的核心
在STEM课程当中，“工程”主要体现在工程设计过程中（Jolly，2016）。工程设计过程（Engineering Design Process，简称EDP）是指工程师在解决工程问题时遵循的一系列步骤。多位学者强调了工程设计过程在STEM教育中的重要性。祝智庭等人（祝智庭 & 雷云鹤，2018）认为，STEM教育需要融合工程设计过程是因为工程设计果决性的特点。在李克东等人提出的STEM 教育跨学科学习活动5EX 设计模型中，工程设计与技术设计活动（Engineering and Technology ）是其中的重要环节之一（李克东 & 李颖，2019）。工程设计过程有一些不同的版本，但这些版本中的基本步骤都遵循着一致的理念。
Jolly（2016）将STEM课程中的工程设计过程描述为8个步骤（如图1所示）：第一步是定义问题（Define the problem），即从真实情境中抽象出需要解决的工程问题；第二步是背景研究（Research），即从多种渠道（线上、线下、领域专家等）收集解决问题需要的相关知识与信息，为问题解决做准备；第三步是想象（Imagine），即在背景研究的基础之上进行头脑风暴，开拓思维，为问题解决方法提出具有创造力的方案；第四步是计划（Plan），即在遴选最佳方案后，制定开展此方案的详细计划；第五步是创造（Create），即根据计划来制作解决问题的原型（Prototype）；第六步是测试与评估（Test and evaluate），即对解决方案及原型进行测试，并评估其效果；第七步是重新设计（Redesign），即根据测试与评估的结果来对解决方案及原型进行重新设计，解决存在的问题并进行优化；第八步是交流（Communication），其中包括团队成员的交流和团队成员与外部人员对问题、解决方案及其效果的交流。值得注意的是，这8个步骤并不是线性关系，而是不断迭代的。在解决问题的过程当中，可以不断重复这些步骤，甚至在两个步骤之间往复，直到找到最优的解决方法。
在STEM课程中，驱动问题的设计是“工程”中心地位的集中体现。一个好的驱动问题可以为课程提供结构合理的骨架，支撑以工程为中心的教学设计，并为合理的评估方式提供框架。在设计驱动问题时，工程设计过程的中心驱动作用体现在以下3个方面：
第一是对跨学科知识的串联。在传统的学科教学中，知识的讲授是以单一学科为基础的。在STEM课程当中，课程设计当中往往以问题或项目为中心，涉及跨学科的知识点（余胜泉 & 胡翔，2015）。在驱动问题中，这些学科知识点是以工程设计过程为中心而串联在一起的，并非简单的叠加。
第二是作为课程结构的支撑，为培养学生高阶思维能力提供有利环境。工程设计过程本身具有清晰的结构，代表了解决工程问题的一般逻辑。因此，以工程设计过程为支架的驱动问题设计对培养学生的工程思维具有先天的优势。美国国家研究委员会将工程思维分解为几种不同的能力：系统思维、创造力、乐观主义、合作、交流沟通和伦理考虑（National Research Council，2009）。工程设计过程为系统思维和创造力的培养搭建了实践框架。与此同时，课程中以工程设计过程为中心的驱动问题设计往以小组为单位，是一种建构主义教学实践（余胜泉 & 胡翔，2015；Sanders，2009），可以为乐观主义、合作、交流沟通、伦理考虑等能力的培养提供适合的情境。
第三是支撑了多元化的评价方式。工程设计过程本身具有迭代性，这反应了真实问题解决的过程，也代表了解决方案不断完善的过程。因此，这使得单纯使用传统的测验型等总结性评价无法有效评估学生在课程中的表现。对学生在STEM课程中的表现可以采用多元化的评估方式和角度，例如对学生任务完成或作品进行量表式评估、对学生的协作过程进行观察与互评、在上课的过程中通过提问来评估学生的掌握程度等（Jolly，2016）。
二、STEM课程驱动问题的元素
（一）问题中的基本元素
Davidson（1994）等人认为，所有问题都包含3个重要元素：假设条件（Givens），目标（A goal）和障碍（Obstacles）。假设条件是指构成问题情境初始状态的要素、它们之间的关系以及条件；目标是指问题的解决方案或期望的结果；障碍既包括问题解决者的特征也包括问题状况的特征，这些特征使得解决者很难将问题从初始状态转换为目标状态。
在STEM课程的驱动问题设计中，通过与工程设计过程的融合，这3个元素都可以转化为课程元素。如图2所示，在STEM课程当中，假设条件相当于问题情境的设置、学生具有的先验知识和问题或项目的已有条件，这3个方面共同构成了驱动问题的初始状态。驱动问题中的目标在STEM课程当中相当于最终作品或最终解决方案，对驱动问题目标的表述可以决定对学生学习效果的评估维度。而“障碍”，即可能阻碍将问题从初始状态转化为目标状态的因素，可以成为STEM课程中教学设计的基础。在STEM课程当中，教学活动的设计应该围绕着障碍进行，在分析学生特性与问题特征的基础之上，通过支撑性教学活动的设计，帮助学生从问题的初始状态向问题的目标过渡，即克服障碍以达到目标。
图 2 问题经典结构与STEM课程设计
（二）基于问题元素分解的案例分析：海岸堤坝设计活动
史蒂文斯理工学院工程与科学教育创新中心（the Center for Innovation in Engineering and Science Education，Stevens Institute of Technology，2009）为6—12年级学生设计了关于海岸堤坝建设的STEM课程项目，见图3。课程的驱动问题，即项目本身，要求学生为一个600米海堤的设计提交方案，以保护主要的沿海公路免受侵蚀。其中，问题的情境为某一特定海岸防波堤的建设。根据问题的情境，课程设计为学生提供了海岸的相关信息，其中包括该海岸历史浪高峰值、海岸周边的环境与生态信息等；根据学生的先验知识，问题的已知条件被设定为已知海堤所需承受海浪能量的计算方法、已知计算海浪能量的参数、建造海堤不同材料的特性（强度、用量等）与成本。问题情境与根据学生先验知识设定的已知条件共同构成了问题的假设/初始条件。
问题的目标设定为特定海岸建设一座稳固的、在成本预算内的、对周围生态友好的堤坝，以保护公路免受海水侵蚀。根据问题的目标，课程将对最终方案的评估维度设置为计算的正确性、结构的稳固性、堤坝的预期寿命、设计的美观程度以及项目成本。成果的呈现形式为一份对海岸堤坝设计的方案以及对此方案的汇报。
从问题的初始状态到目标的主要障碍可以分为3点：一是如何设计合理的结构以阻挡海浪能量；二是如何选择材料以平衡成本效益；三是如何在考虑美观性的情况下平衡对生态环境的影响。项目的学习活动正是围绕这3点来展开的，引导学生调研当地海岸特征（海浪峰值、当地生态环境等）计算海浪能量、搭建合理结构、对材料进行选择、对成本进行控制，最终得出最佳方案，作为项目的成果。
在课程的进行过程当中，学生需要反复验证自己的假设，发现问题，进行重新设计，定义问题—背景调查—想象—计划—创造—验证与评估—重新设计的工程设计过程一直贯穿始终。
三、STEM课程中驱动问题的基本特征
（一）问题的基本特征
在问题化和项目学习中，除了问题结构，驱动问题的基本特征也影响着教学的难度与教学活动的设计。本小节总结了Jonassen提出的驱动问题的5个基本特征：结构、情境性、复杂性、动态性与领域特殊性（Jonassen & Huang，2008；Jonassen，2000；Jonassen，2010），并讨论了在以“工程”为中心的STEM驱动问题中这5个特征的表现。
从结构特征（structure）上来说，驱动问题可以分为良构问题（well-structured question）与劣构问题（ill-structured question）（Jonassen，2000）。良构问题是指去情境化的、已经转化好了的问题。在一个良构问题中，问题条件中已经呈现了解决问题所需的全部信息，且在解决过程中要求应用有限的、规律性的外部规则和原理。一般来说，良构问题具有唯一的答案，教师可以为学生提供规划好的解决过程。例如，数学中的追及问题就是典型的良构问题。
与良构问题相反，劣构问题条件中有一个或多个问题要素不清楚或有某种程度上的不确定性，在问题解决过程中拥有多种解决方案、多种解决途径，因此也拥有多种评价解决方案的标准。问题要素与解决方案的不确定性决定了在解决劣构问题的过程中并没有固定的理论和原则。劣构问题更加接近存在于我们生活和工作中的问题，具有情景化的特性。例如，在某地搭建桥梁时，桥梁结构的设计除了理论上的计算，往往要综合考虑当地的气候特点、地质条件、资金情况、使用频率，与周围建筑的审美搭配情况等多个情境性的问题来选择最优方案。相对来说，工程问题因为具有依赖情境、有多种解决方案等特性，属于劣构问题。因此，在以“工程”为中心的STEM课程设计当中，驱动问题应为劣构问题。
问题的情境（context）和问题的结构相关，是驱动问题的另一重要特征。情境性的程度是良构问题和劣构问题的重要区别。良构问题往往对问题进行了去情境化的处理。例如数学中的追及问题是指两物体或两人在同一直线或封闭图形上运动所涉及的追及、相遇问题，在进行应用问题的条件描述时，重点落在对两物体或两人在距离和速度上的特征，而不关心人或物体本身特征，或者环境中可能影响运动的其他因素。问题的条件和问题解决的过程都是经过抽象的。
在劣构问题中，问题所发生的情境是问题不可分割的一部分，也必然会成为解决方案的一部分（Wood，1983）。例如，广东省广州市花都区秀全外国语学校以小课题研究的形式开展的“花都天马河水质状况的初步调查与探究”活动（黄春媚，2018），在问题提出时仅给定调查天马河水质这一主题，不同河道流段情况、水质污染程度、水质污染原因、水质污染带来哪些影响均需学生通过设计、调查、实验进行一一探索。解决这样的现实问题促使学生带着已有的知识储备深入到真实情景中，在现实条件（水域情况、有限经费、相关人员配合程度等）的制约或支持下，设计并实施不同的调查方案（观察记录、问卷、访谈）、实验（化学实验、生物实验），并最终形成不同的成果。在以“工程”为中心的STEM课程设计当中，驱动问题应当具有高情境性，课程中的情境设置不仅为了激发学生的学习情趣，也应成为问题条件和解决方案的一部分。
驱动问题的第三个特征是复杂性（Complexity）。Kotovsky（1985）等人认为问题的难易程度和复杂性由问题空间（Problem space）的大小决定，而问题空间的大小由“每个节点（nodes）上的分支数（number of branches）以及解决一个节点所需要的探究深度”（Kotovsky，1985，p. 248）组成。值得注意的是，问题的复杂性和问题的结构并没有直接的关系，既存在复杂性高的良构问题，也存在复杂性低的劣构问题。Jonassen（2008）等人认为，问题的复杂性由4个因素所决定：解决问题所需的知识广度、在解决过程中所涉及概念理解与应用的难度、解决问题所需的技能和知识水平以及问题空间中变量之间关系的非线性度。在以“工程”为中心的STEM课程设计中，对驱动问题的复杂性并没有硬性的要求。根据课程的长短与学生的基本水平，教师可以通过调整解决问题所需的节点分支、所需学科知识与概念广度与难度，以及问题条件与解决方案之间的线性程度来调整驱动问题的复杂性。
动态性（Dynamicity）是驱动问题的第4个特征。动态性是指问题中某个因子的改变可能引起其他因子的输出变化，而实际上改变了问题的属性（Jonassen & Huang，2008）。在良构问题中，因为问题条件确定、因子没有变化，所以问题是趋于静态的。而在劣构问题当中，因为问题条件中有一个或多个问题要素不清楚或有某种程度上的不确定性，则问题趋于动态。在以“工程”为中心的STEM课程设计当中，驱动问题是趋于动态的，这与生活中工程问题具有一致性。例如，上海市上海中学陈希和程林（2019）设计的“建筑结构设计”课程，是基于“设计制作一个能经受特定考验的三层建筑结构模型”这一任务，要求学生解决通过结构设计使模型承载尽量大的竖向荷载作用（建筑结构实际承受的永久荷载和使用活荷载）和具有扭转分量的水平运动（模拟地震作用）这一问题。不同的常见建筑物具有不同的结构和功能，承受的常见荷载的作用方向和时间是不同的。而当遭遇地震、大风、大雪等灾害时建筑物又会承受动态的荷载。学生设计的不同方案在不断改变的“考验”下输出不同的结果。由此可见，驱动问题的动态性可以支持解决方案的多样性，从而为学生的批判性思维与创新能力提供发展空间。
领域特殊性（Domain Specificity）是驱动问题的第5个特征。领域特殊性是指解决问题时依赖于某领域内特定的认知策略的程度，也决定了问题的难度。在问题解决过程当中，对特殊领域知识和认知策略形成特定的模式是专家和新手的区别（孙妍妍 & 祝智庭，2018），在问题解决过程中对知识的领域特殊性要求越高，驱动问题的难度就越大。跨学科的知识学习模式是STEM课程的重要特点，在以“工程”为中心的STEM课程设计当中，驱动问题应具有一定领域特殊性，即探索问题解决方案的过程需要学生有效地应用数学、科学、信息技术、通用技术、工程等多个学科中的领域知识。
（二）基于问题特征的案例分析：火星教育项目
火星教育项目由美国亚利桑那州立大学（ASU）和美国宇航局喷气推进实验室（JPL）合作开发，它根据美国宇航局（NASA）的火星探测项目中的科学研究和工程实践活动展开，鼓励教育工作者和学生在现实或模拟环境中参与，形成了一系列K-12阶段的STEM课程（杨彦军 & 饶菲菲，2019）。从问题特征上来说，该课程的驱动问题具有以下特点（图4）：
劣构性。火星教育项目STEM课程主要采用基于问题和项目两种学习方式。在基于问题的学习中为学生设计复杂的、真实的劣构问题，如火星居住地设计、火星探测器设计等，学生需通过学习探索，并考虑不同条件的限制，形成多样的解决方案如不同的火星居住地设计、不同的探测器设计等。在问题中既有不确定的条件，也不存在唯一的、既定的解决方案，是典型的劣构问题。
高情境性。火星教育项目STEM课程中驱动问题均具有非常高的情境性。如在课程任务“火星上的建造者”当中，学生需要使用工具和材料来解决人类在火星上的居住问题。在问题解决过程当中，设计不仅需要考虑工程性和结构性，也要考虑火星真实环境的情境性。在设计的过程当中，火星上的地理与气候环境即是问题的一部分，也是问题解决方案中的重要元素。
高复杂性。在火星教育项目STEM课程中，由火星探索主题衍生出的驱动问题，都具有较高的复杂性。如课程中的环节之一是探索火星上的生物，问题有较多的分支节点，涉及学科包括地质、机械、遥感、生物学等，具有较高的广度与难度，不同的条件变量与问题之间存在较高的非线性程度。
高动态性。火星教育项目STEM课程中驱动问题的因子具有不确定性，因此具有较高的动态性。例如在关于生命探测部分，教师引导学生讨论出不同的生命标准，这些标准只需逻辑自洽而没有定标，因此在后续探索活动中使用不同的标准对土壤样本进行分析，会得出不同结果，这使整个问题的解决具有动态性。
领域特殊性：火星教育项目STEM课程这一以外星探测为主题的课程，需要学生有效地运用科学知识（航天航空、机器人、生物学、物理、化学等）、数学、信息技术、通用技术及工程的方法，才能完成这一具有较高特殊性的主题学习。
四、以“工程”为中心的STEM课程驱动问题设计
（一）STEM课程驱动问题的结构
如图5所示，在STEM课程当中，可以以工程设计过程为基础，根据对驱动问题结构的分解来进行课程设计。首先，确立问题的假设/初始条件，明确问题的情境是什么，学生的先验知识是什么，并在此基础上设计并明确问题的已知条件。然后，对问题的理想目标进行详细描述，其中包括学生完成任务的具体标准是什么，评价的维度是什么，以及成果是如何呈现的。在问题的初始条件与目标明确之后，学习活动的设计则可以围绕初始条件和目标中间的障碍展开，以帮助学生达到解决问题的目标。
以“工程”为中心的驱动问题具有特定的问题特征。一个好的驱动问题应当是劣构的、与情境紧密相连的，并且具有领域相关性与动态性。课程的驱动问题对其复杂性并没有明确要求，可以根据学生的情况与课时来灵活安排，通过控制解决问题的知识广度与概念难度、问题的分支节点等关键元素来调节问题的复杂性。与此同时，在驱动问题的设计过程当中，工程设计过程起到了学科知识串联与问题解决框架的作用。
（二）以“工程”为中心的STEM课程驱动问题设计原则
在以“工程”为中心STEM课程中，驱动问题的结构与特征决定了课程问题的设计原则：
首先是通过开放性设计来保证驱动问题劣构性与动态性。驱动问题中的“工程”决定了问题的劣构性及动态性。为保证驱动问题的劣构性和动态性，问题设计应当是开放的，这种开放性既体现在问题的解决方案中，也体现在学习过程当中。驱动问题的劣构性决定了问题解决方案的开放性。在劣构的驱动问题中，问题条件因素中的不确定性使问题的解决方法可以有多种方式，这和真实世界中的工程问题往往没有固定的解决方案具有一致性。驱动问题的动态性决定了学习过程的开放性。在STEM课程当中，驱动问题的动态性表现为因子的不确定性。这种不确定性是工程问题的特性，可以引起辩论和讨论，激励学生进行协作学习与自主学习，鼓励学生探索多种解决问题的方式，为学生充分提供思考与学习的空间。这种开放式的学习过程可以达到培养学生协作能力、问题解决能力和创新思维的目的。以“工程”为中心，劣构的、动态的驱动问题可以从根本上避免在STEM课程中将学习技术本身作为课程的核心、落入学生模仿教师过程性操作的窠臼，防止课程设计背离STEM教育理念的初衷（余胜泉 & 吴斓，2019）。
第二是通过与真实世界的相关性来保证驱动问题的高情境性与领域特殊性。在以“工程”为中心的STEM课程设计当中，驱动问题应当是高情境性的。设计得当的问题情境应当与真实世界中的问题一样，即问题的情境是问题解决方法的一部分，这也是劣构问题的特性。例如在前文分析的火星教育STEM课程当中，问题的情境始终贯穿在工程设计过程中。火星的环境既是问题的情境设置，也是学生在完成项目中需要考虑的条件。与真实世界相关的驱动问题往往具有领域特殊性，使学生在解决问题的过程中可以将特定的学科理论知识使用在具体情境当中，这个过程可以帮助学生完成学科中的知识迁移，达到深度学习的状态（孙妍妍 & 祝智庭，2018）。除此之外，驱动问题与真实世界的相关性也有助于提高学生参与课程学习的兴趣。当学生们认为他们需要学习的主题与现实世界息息相关时，他们就有可能更加积极主动地投入。
第三是以“工程”为中心的整合性原则。在以“工程”为中心的STEM课程中，一个好的驱动问题应当具有整合性。首先，驱动问题的整合性表现为通过工程设计过程对数学、技术、科学等学科知识进行串联。在通过工程设计解决问题的过程中，学生应当能够融合多个学科知识来进行理论知识的跨学科综合应用，这是驱动问题领域特殊性特征的集中体现。其次，好的驱动问题应当对STEM课程具有整体的推动作用。学生们可以将驱动问题作为一个跳板来引领课程的整体学习。在跨学科知识学习的基础上，学生应当可以通过工程设计过程来找寻问题的解决方式，课程中所有的学习和研究都在驱动问题的引领之下。
第四是保证问题适度复杂性的原则，这也是驱动问题设计的一般性原则。驱动问题的复杂性由4个因素决定：解决问题所需的知识广度、在解决过程中所涉及概念理解与应用的难度、解决问题所需的技能和知识水平以及问题空间中变量之间关系的非线性度（Jonassen，2008）。根据这4个因素，以“工程”为中心的STEM课程中驱动问题的复杂性可以灵活调整。
这4个因素对驱动问题的影响主要集中在两个方面：首先，解决问题所需的知识广度、在解决过程中所涉及概念理解与应用的难度、解决问题所需的技能3个因素均与学生先验知识相关联。一个好的驱动问题应该能够促使学生用到以前的知识与技能，通过工程设计过程的纽带作用，帮助学生将他们的所学应用到新的情境中去。在这个过程中，学生可以学习新的相关知识、概念与技能，完成知识的迁移。其次，在学生先验知识的基础之上，好的驱动问题应当能够促使学生在解决问题的过程中进行研究、调查与反思，而问题解决过程的复杂性与问题空间中变量之间关系的非线性度相关。以“工程”为中心的驱动问题是劣构的，没有确定的答案，需要学生用他们在整个项目中获得的研究和知识来支持他们的解决方式。问题的复杂程度可以由设置问题的分支节点来控制，问题空间中变量之间的非线性关系越强，问题的复杂性就越高。一个好的驱动问题的复杂性应当是既可以鼓励学生在解决问题的过程中发挥其最大潜力，又可以保证学生能够通过努力而找到适合的解决方案。
五、总结与建议
本文提出STEM课程中以“工程”为中心的驱动问题设计方式，并通过分析问题的结构与特征讨论了驱动问题对课程设计的支架性作用与驱动问题的设计原则。驱动问题是STEM课程设计中的关键元素，驱动问题的设计决定了问题的初始条件与目标，为学习活动的设计提供了框架。
在教学实践方面，以“工程”为中心的驱动问题设计不但对教师的理论基础与教学设计能力提出了要求，也需要学校提供有效的组织与支持。在此基础上，本文从教师与学校两个层面对以“工程”为中心的STEM课程实践提出以下建议：
首先是以“工程”为纽带，在课程中正确地体现跨学科性。STEM课程中的跨学科学习并非学科知识的简单叠加，而是以工程设计过程为纽带，将科学、数学、技术知识在问题解决的过程中串联在一起，形成整体上的融合。要做到这一点，既需要教师个人对工程设计过程的深入理解，也需要学校组织跨学科团队在课程建设中进行深度合作。教师对工程设计过程的深入理解可以帮助他们定位学科在STEM课程问题解决过程中起到的作用，因而能够将STEM课程的教学目标与具体学科知识点与学科技能紧密联系；学校组织的跨学科团队可以促进不同学科教师之间的深度合作，通过集体研讨，团队可以围绕着工程设计过程合理融合不同学科的知识点与知识技能，作为课程的整体学习目标 。
第二是转变课程评价方式。对标驱动问题中的工程设计过程，注重对学生问题解决能力与工程思维的培养。以“工程”为中心的驱动问题具有劣构性、动态性的特征，即问题的解决方式与问题情境紧密相连。工程设计过程本身就是解决工程问题的程序，因此可以为课程中的问题解决过程提供可行性框架，即为课程设计提供了支撑。这种支撑既体现在围绕着工程设计过程所构建的学习活动上，也体现在课程的评价方式上。以“工程”为中心的驱动问题设计鼓励学生探寻多种解决问题的方式。这种特性决定了在对学生的表现进行评价时，使用传统的总结性评价方式并不能达到效果。如何采用多元化评价方式对学生的问题解决过程进行多维度的过程性评价是转变评价方式的关键。
许多研究者也注意到了这一问题，对STEM课程的评价提出了相关建议，例如余胜泉等人（2019）在证据导向的STEM教育模式中，强调了学习成果的可验证性，认为教师应当基于证据对学生进行表现性与形成性评价；吴忭等人（2018）提出了将认知网络分析法作为STEM课程中的学习评价新思路。对教师来说，应当在理解以“工程”为中心的STEM课程设计的基础上，通过研修来了解多元化评价方式，并将评价标准与驱动问题的设计相互对应；对学校来说，应当为STEM课程的实施提供多种实践方式，除正式课程外，也可以校本学习、课外兴趣小组等进行，为教师对课程进行多元化评价创造更为灵活的环境。
第三是多方合力建设，构建STEM课程的生态共同体。基于工程设计过程的驱动问题设计强调真实的问题情境。然而，在教育实践的过程当中，基础教育中的教师可能存在因为缺乏工程学训练而无法很好地将工程设计思维融入课程的问题（Thornburg，2008）。与此同时，教师在课程设计中构建真实问题时也可能会受到条件与材料的限制，无法最大程度的模拟真实世界。为解决这一问题，首先应当为教师提供相关的培训与研修，使教师充分理解STEM教育的内涵与工程特性。其次，学校应当借助多方面力量进行STEM课程的建设，以学校为中心，通过联接家庭、社区、高等院校、博物馆/图书馆/科技馆等文化机构、本地企业，形成STEM教育生态共同体，为提高学生工程思维能力、问题解决能力，与创新实践能力等新世纪人才的综合素养而通力协作（黄桦，2019；祝智庭 & 雷云鹤，2018）。
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