眾所周知，STEM是科學Science、科技Technology、工程Engineering及數學Mathematics的簡稱，亦為近年世界各地教育界所大力推廣。但鑑於世界各地中、小學普遍沒有工程科目，大眾對工程的認識不足，間接令立志投身工程行業及報讀大學工程學系的學生人數比例較少。本應STEM的普及有望進一步推廣工程科目，可望改善這方面問題，但現行STEM的推行，仍甚少在工程着墨，大部分是圍繞科學及數學學習，或科技製作。到底甚麼是工程？

工程(可以說Engineering) 是應用科學和數學知識，透過各式各樣結構、裝置、系統，以最符合成本效益、最少資源、人力、時間共同造出能解決困難，又對人有益處的東西。工程師(Engineer) 便是懂工程及做工程或管理工程的人。工程師有其特有的思考模式和習慣。我們相信優秀工程師的思考方式和習慣，不但只有助年青一代將來於工程界別發展，也是一個很好的思考習慣，迎合21世紀新人類所面對的種種挑戰。我們稱這思考習慣為工程思維(Engineering Thinking) 。

STEM教育中工程的教育部份不應在大學工程科目中隨便找些淺白的勉強塞進中、小學課程中。反之，透過動手動腦的STEMaker Project，我們可以培育學生良好的工程思維。

史提芬·巴百陶在培訓會內所帶出的工程思維主要分為六部分，分別是：1. 系統性思維；2.創意思維；3. 樂觀； 4. 協作；5.溝通；及 6.道德考量。

系統性思維的訓練是指要裝備學生去了解科技世界中必要的相互關係、學會欣賞這些系統有機會於個別子系統正常情況下出現非預期情況。至於創意思維是直接承繼工程設計而來的。史提芬指出工程思維是樂觀的，勇於接受失敗，任何設計永遠有改善空間。因此在他們的世界，任何的科技均有可能改良，及充滿挑戰機遇的。他指出協作能力可善用團隊中各成員的視野、知識及能力去解決設計挑戰。而要達至有效協作的先決條件是團隊每一位成員必須擁有良好溝通能力，使各人理解使用者個別的需要和需求，從而解釋和判斷最後設計方案。道德考量是審視工程對人、對環境的衝擊，包括科技有機會所引至的意外後果。

筆者基於多年在工程及科技教育的體會，參考了史提芬的工程思維概要，總結出五項工程思維的要素：1. 物化； 2. 圖化； 3. 優化； 4. 系統化；及5. 內化。除了此五項工程思維上的要素，工程師亦有良好的存檔記錄習慣。

1. 物化(objectify)

工程師就是做工程的人，腦袋裡常想著「如何做？」，凡看到新事物必會想想它背後的運作原理及如何製造。這點思考方式與現今所謂「創客」非常相似。所以工程師提出的解難方案多是可以製作出來、以物料、設備等實現的。因應此工程思維的要素，進行STEM相關習作時，我們應以真確解難任務為首，強調真確經歷，設法讓學生的構思實現出來，不是紙上談兵的意念。課程上宜加入多些鑑賞現存科技的課時及學習內容，讓學生從小學習各式各樣人造世界的內裡乾坤。

2. 圖化(visualize)

眾所周知，一圖勝萬字。善用圖樣表達可簡潔且有效表達設計意念。以產品設計及機械工程而言，工程師採用的圖樣表達方式稱為工程圖，一般是用直角投影圖方式，分為正視圖、側視圖及頂視圖，並需加上足夠尺寸以令其他人可按照尺寸進行複製。不同的工程專科也有不同的專用圖樣表達方式，如電子工程用的是電子線路圖、軟件工程師喜愛用流程圖、氣動工程師用氣路圖等。在進行STEM習作設計時不防鼓勵學生多用圖樣表達，將設計及設計過程記錄下來。課程亦需配合，多加入投影圖、透視圖、立體圖等學習內容，希望下一代的人可有基本讀圖和繪圖的能力。我們認為科藝創建師STEMaker必須擁有此工程思維能力方能立足於未來的創新創業世界。

3. 優化(optimize)

工程師處理的項目多是在有限資源下進行，這包括財政預算、人力需求、完工時間、物料和器材等。工程師的訓練便是不停在眾多資源限制下找出最佳方案，同時亦要不停審視進度和成效，不停對項目進行優化。工程師亦較習慣預備應急方案、後備方案及保險方案。以學生為參加比賽而製作的機械人為例，學生籌劃好機械人設計方案後便開始進行沒完沒了的優化方案，時而減少整體重量，時而調升速度，時而增強力度，時而改動機關設計。任何有帶隊參加機械人比賽的老師都體驗過學生到最後一刻仍不停改動調整機械人的經歷。電腦工程師更深體會後備方案與冗餘(redundancy)方案的重要性。優化方案的制定在許多情況下都要用數學手段去解決的，在STEM的大前提下數學更顯重要。其中線性規劃(linear programming)應可算是最淺易應用數學進行優化求解的例子了。深信愈早教導學生優化的工程思維，愈早培育出願意終身追求卓越的新一化。

4. 系統化(Systemize)

這點與史提芬所提出的系統性思維非常接近，他所強調的是對大系統中子系統與其他子系的相互關係的認知；而筆者反觀香港教育體系學科內容，他所提出的是較高要求。筆者認為香港學生需要先在頭腦上認識甚麼是系統，甚麼是子系統，及對子系統的存在有足夠認知。為了讓讀者更易理解，舉一個Arduino自動平衡車為例。整架車子的電子部份是一個大系統，裡面包括邏輯運算子系統、訊號控制子系統(如藍芽)、電源供應子系統、馬達驅動子系統、PID平衡控制子系統等。將所見事物分拆理解為不同子系統是工程思維重要元素之一。思想上對系統概念的掌握會加強系統設計的能力。這種系統化思維可推展至一般產品設計，例如設計椅子，我們便可將椅子分為坐墊、扶手、靠背、櫈腳等不同部份來進行設計。系統化一步一步化整為零的解難技巧必定可提升設計效能和水平。在進行STEM習作時，我們可引導學生將要設計的東西分成不同部份，以系統化模式來進行細項設計。在學生有足夠水平進行設計後，我們亦可進行一些個別子系統的優化設計，以加速整體設計進度。要令學生有系統化的工程思維，進行STEM習作中的個別指導是不可少的。課程中加入欣賞現存不同設計，在設計評鑑時刻意分拆子系統來進行，也可取得借鑒之效。

5. 內化(adept)

所謂「內行看門道，外行看熱鬧」，熟練的工程師只一眼便看出要做的物器問題所在，他們不需要將所有資料或抽象素質進行量度來獲取數據，卻可輕易知道這些資料的大概數值。在物質世界存在許多不同的物理量；作為工程師是懂得準確拿捏這些物理量的。最基本的物理量包括長度、位置和重量。經驗豐富的工程人員一眼便可看出螺絲的直徑和長度，並不需用儀器測量。就如熟識建築和室內設計的工程師可憑經驗告訴你單位樓宇面積及是否能擺放某些屋宇設備等。同樣我有一些熟識機械人製作的學生會告訴我那些機械人設計重心太高，那些部份太輕，那些動起來會容易翻倒。以上皆是輕重和分寸問題，有興趣探討這方便的可參閱本刊2016年11月份筆者所作名為「有分寸、知輕重、方成器」的文章。

這裡我不再將其他物理量逐一去詳加解說，但除以上的例子外，諸如溫度、時間、速度、角度、顏色、音頻等皆為工程上常接觸的物理量。筆者指出的「內行」並不是要工程師求出這些物理量的數值，而是思維上對這些物理量的警覺性、理解能力、及準確的評估能力。所謂「心中有數」是也。

富有工程思維與毫無工程思維的人最大分別是要在空間感上。空間感是包括位置、大小和方向。例如：如何將一件不規則物件穿越一狹小空間放置在另外一處？這物件是否可穿越？是否需要分件進行穿越？如何以分成最小件數來進行穿越等。我以大型傢俱訂製工程一例來說明，有工程思維的製作人員，很快便意會到搬運、裝箱、組合過程中遇到的種種情況，能有效規劃以最少件數，減低現場組裝工序為前提下將傢俱進行分件製作，同時亦會兼顧現場環境因素，如升降機大小、門口大小、樓底高度、要經過的樓梯和走廊等形狀因素。

STEMaker習作正好給予學生對這些物理量有真確的體驗機會。老師應把握這些機會潛而默化將這些物理量的概念給予學生。例如小學生可強調長度、平直、正角、對稱等概念；中學生處理機械人競賽便可引入時間、速度、加速度等更抽象的物理量概念。

6. 存檔習慣(Documentation)

除了上述五項工程思維的要素，存檔習慣亦是優秀工程師必具的良好習慣。筆者年輕時曾試過替別人進行軟件除錯，那軟件是別人編寫後留下來的，離職前沒有相關說明文件留下。程式碼雜亂無章，變數名詞沒有跟隨標準命名方式。要找出一個變數的意義要花上幾天。明顯這是沒有做好存檔習慣的例子。近年學界的流行的VEX機械人世界賽亦要求參賽隊伍繳交工程記錄冊以作評核卓越獎之用。可見存檔記錄是工程項目不可或缺的一環。在各位教師推行不同形式的STEM項目時，不防考慮要求學生將設計及製作過程記錄下來，培養出良好的工程思維習慣。

總結

工程思維是工程師思考的習慣。培育工程思維不但可令年青人更了解工程師的思考模式和習慣，增加年青人報考工程相關學系的意欲，間接鼓勵更多年青人於畢業後投入工程界別工作；更重要的是工程思維方式有助創新解難，培養良好及正面的思維，使更多人了解工程師思考的世界。謹此希望STEM教師在推行不同形式的習作及學習活動時，嘗試引入多些工程思維要素，為培育更多優秀工程人才而努力。

工程思維與STEMaker 素養：杭州市通用技術教師課程教材培訓會後感

2017年12月

梁偉業