基礎(chǔ)教育階段的工程教育：目標(biāo)框架與實施建議

王長江，盛 洋，安 秋

近年來，培育工程領(lǐng)域優(yōu)秀人才的工程教育，得到世界各國政府的高度重視?；趪覒?zhàn)略發(fā)展的新需求、國際競爭的新局面、立德樹人的新要求，代表我國高等工程教育改革方向的“新工科”應(yīng)運而生，并成為近兩年學(xué)界討論的熱點話題?！靶鹿た啤笔且粤⒌聵淙藶橐I(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略型、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特征。［1］［2］

建設(shè)“新工科”從國家戰(zhàn)略上體現(xiàn)了對未來工科人才的新需求，是今后若干年高等工程教育的重要目標(biāo)。但是，教育是一種緩慢的、連續(xù)的、承接的人才培育系統(tǒng)工程。培養(yǎng)“創(chuàng)新型卓越工程人才”，不僅需要高等工程教育的“全力以赴”，更需要基礎(chǔ)教育階段工程教育的啟蒙、積累與良好基礎(chǔ)。目前，我國基礎(chǔ)教育階段的工程教育理論和實踐研究才剛剛起步，還沒有引起大家的足夠重視。基于這樣的認(rèn)識，本文將在“新工科”背景下，從基礎(chǔ)教育階段工程教育的建設(shè)目標(biāo)入手，探索我國基礎(chǔ)教育階段工程教育的目標(biāo)框架、課程體系、課程實施等問題。

一、我國基礎(chǔ)教育階段工程教育的現(xiàn)狀

如前文所述，目前，我國高等教育階段的“新工科”建設(shè)如火如荼，而基礎(chǔ)教育階段的工程教育卻悄無聲息。從國家教育政策來看，建國后，我國歷經(jīng)多次基礎(chǔ)教育課程改革，出臺了多個重要的教育綱要、規(guī)劃，其中卻極少涉及基礎(chǔ)教育階段的工程教育。從教學(xué)實踐來看，除了中國青少年機(jī)器人競賽、全國青少年創(chuàng)意工程挑戰(zhàn)賽、全國青少年科技創(chuàng)新大賽等校外活動，各地中小學(xué)課程體系中關(guān)于工程教育的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容基本上處于空白狀態(tài)。缺少國家政策層面的指導(dǎo)與推動，加之研究者、社會各界、中小學(xué)一線教師對于基礎(chǔ)教育階段工程教育的重要性認(rèn)識不足，導(dǎo)致我國基礎(chǔ)教育階段的工程教育成了“被忽視和遺忘的角落”。

在與中小學(xué)生的訪談中，我們發(fā)現(xiàn)：小學(xué)生對工程師職業(yè)不僅知之甚少，且有一些“刻板印象”：認(rèn)為工程師就是泥瓦工，或包工頭等；在初中生中，想當(dāng)演藝明星、老板的多，愿意當(dāng)工程師的少；高中生對大學(xué)專業(yè)缺乏足夠的了解，大多根據(jù)自己的高考分?jǐn)?shù)選擇一個錄取“性價比”較高的高校和專業(yè)，其中每年高考志愿填報工科專業(yè)人數(shù)眾多，但很多學(xué)生對“工程師是什么”卻知之甚少。

創(chuàng)新能力是卓越工程師的重要品質(zhì)，也是我國工程教育的目標(biāo)；創(chuàng)新能力在基礎(chǔ)教育階段主要表現(xiàn)為創(chuàng)造力。基礎(chǔ)教育階段的工程教育所呈現(xiàn)的國際趨勢和發(fā)展經(jīng)驗印證了這一趨向。多項研究表明，我國中小學(xué)學(xué)生的創(chuàng)造力表現(xiàn)堪憂。其中一項研究選取了上海、天津、重慶、南京、杭州和南昌等6個城市106所中小學(xué)校，對1 1098名學(xué)生進(jìn)行了大樣本調(diào)查，研究發(fā)現(xiàn)6城市中小學(xué)生創(chuàng)造力存在如下突出問題：學(xué)生的假設(shè)能力、設(shè)計能力不足，課外的科技活動開展不充分；學(xué)生的模仿能力強(qiáng)、設(shè)計能力弱，課內(nèi)教育活動多、課外教育活動少。另外一項調(diào)查同時發(fā)現(xiàn)：學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計的各項指標(biāo)均較低，尤其在掌握材料性能、使用工具、評估產(chǎn)品等方面明顯薄弱。［3］［4］

綜合分析我國中小學(xué)工程教育的現(xiàn)狀，可以得出：我國基礎(chǔ)教育階段的工程教育存在“國家教育政策”和“課程教學(xué)實施”等多方面的問題。基礎(chǔ)教育階段工程教育的“基礎(chǔ)不牢”極有可能造成國家人才戰(zhàn)略的“后期乏力”，需要引起我們的警醒。國外相關(guān)研究與實踐進(jìn)一步印證了重視和加強(qiáng)基礎(chǔ)教育階段工程教育的積極意義：改善學(xué)生在科學(xué)和數(shù)學(xué)科目上的學(xué)習(xí)和成績；增強(qiáng)對工程和工程師職業(yè)的了解與認(rèn)識；理解并有能力參與到工程設(shè)計；將工程師作為職業(yè)的興趣增強(qiáng)。［5］（p49）

二、基礎(chǔ)教育階段工程教育的目標(biāo)框架設(shè)計

基礎(chǔ)教育階段的工程教育是本科及以上階段工程教育的基礎(chǔ)，其目的在于為提高全體學(xué)生的工程素養(yǎng)奠定良好基礎(chǔ)。工程素養(yǎng)是學(xué)生在接受工程教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會需要的知識、能力、態(tài)度的綜合，是學(xué)生通過工程學(xué)習(xí)內(nèi)化了的帶有工程學(xué)科特性的品質(zhì)。相關(guān)研究顯示，不同于高等工程教育注重對工程人才的高階創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，基礎(chǔ)教育階段的工程教育應(yīng)注重全體學(xué)生對工程的基本認(rèn)知、對工程與科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科關(guān)系的基本認(rèn)識、工程設(shè)計興趣、工程思維習(xí)慣的培養(yǎng)。比如，美國在《美國K-12工程教育：現(xiàn)狀及未來》、《K-12工程教育標(biāo)準(zhǔn)》、《K-12科學(xué)教育框架：實踐、交叉概念和核心概念》等教育文件中強(qiáng)調(diào)，K-12工程教育的關(guān)鍵在于“激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造興趣、對工程設(shè)計的興趣、對工程職業(yè)的向往和養(yǎng)成習(xí)慣性的工程思維?！保?］還有研究表明，優(yōu)秀的工程師具有以下素養(yǎng)：先進(jìn)的工程觀念、積極的工程思維習(xí)慣和良好的工程設(shè)計能力。

綜合已有研究，考慮到處于基礎(chǔ)教育階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點以及對科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)知識等學(xué)科知識的掌握情況，我們將基礎(chǔ)教育階段工程教育的目標(biāo)確定為：形成初步的工程觀念；具有初步的工程設(shè)計能力；養(yǎng)成良好的工程思維習(xí)慣（參見圖1）。

圖1 我國基礎(chǔ)教育階段工程教育的目標(biāo)

（一）形成初步的工程觀念

觀念是客觀事物在人腦中的反映，是概念的概念；反映客觀事物，同時又反作用于客觀事物，具有預(yù)測、指導(dǎo)、改造客觀存在的強(qiáng)大反作用力。［7］（p28）“工程觀念”是從工程學(xué)科視角形成的關(guān)于工程的知識、工程與人、工程與數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)的關(guān)系等基本認(rèn)識，是工程知識在頭腦中的提煉和升華。［8］

表1. 基礎(chǔ)教育階段工程觀念目標(biāo)

工程觀念是工程知識領(lǐng)域的核心內(nèi)容，是解決工程問題的關(guān)鍵視角和思維指南?！肮こ逃^念”主要包括工程知識、工程與人的關(guān)系、工程與數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)的關(guān)系等要素。基礎(chǔ)教育階段的工程教育促進(jìn)全體學(xué)生形成初步的工程觀念。四個學(xué)段的工程觀念目標(biāo)參見表1。

（二）具有初步的工程設(shè)計能力

設(shè)計是人類一切有目的行為的起點。工程設(shè)計是一種以滿足人們的需求和愿望為目的的，對不同問題提出解決方案的反復(fù)的、系統(tǒng)的活動。［9］工程設(shè)計涉及到解決實際問題的能力、研究、開發(fā)和發(fā)明創(chuàng)新，并要求設(shè)計、繪圖、構(gòu)建、測試和重新設(shè)計。［10］廣義而言，工程設(shè)計包括了諸如建筑設(shè)計、制造設(shè)計、工業(yè)設(shè)計和軟件設(shè)計等的設(shè)計活動。工程設(shè)計的流程包括界定問題、產(chǎn)生想法、方法選擇、制作草圖（或制作模型）、優(yōu)化方案、測評設(shè)計（包括根據(jù)測評結(jié)果修改、完善設(shè)計）、交流結(jié)果。

在教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生運用一定的操作技能解決生活中的問題，將一定的想法或創(chuàng)意付諸實踐，通過設(shè)計、制作或裝配等，制作和不斷改進(jìn)較為復(fù)雜的制品或用品，發(fā)展實踐創(chuàng)新意識，提高工程設(shè)計能力。

“工程設(shè)計能力”主要包括確定問題、方案設(shè)計、評估改進(jìn)等要素。基礎(chǔ)教育階段的工程教育應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力，并努力激發(fā)學(xué)生的工程設(shè)計興趣。四個學(xué)段的工程設(shè)計能力培養(yǎng)目標(biāo)參見表2。

表2. 基礎(chǔ)教育階段工程設(shè)計能力目標(biāo)

（三）養(yǎng)成良好的工程思維習(xí)慣

工程思維是人類最常見、最重要的思維方式之一；在工程教育中，工程思維方式的教育和培養(yǎng)是最核心的任務(wù)和內(nèi)容之一。［11］工程思維是以工程知識為質(zhì)料，以工程眼光和工程觀念看待世界和處理問題的思考方式。［12］

工程思維習(xí)慣是工程素養(yǎng)的核心品質(zhì)，主要包括：創(chuàng)造力、批判性思維、系統(tǒng)思維等要素?；A(chǔ)教育階段的工程教育應(yīng)努力培育學(xué)生的工程思維習(xí)慣。四個學(xué)段的工程思維習(xí)慣目標(biāo)參見表3。

三、基礎(chǔ)教育階段工程教育的課程設(shè)計思路

基礎(chǔ)教育階段工程教育的目標(biāo)應(yīng)通過設(shè)計具體、可行的課程內(nèi)容來完成。開展基礎(chǔ)教育階段的工程教育不宜在“過度填充的筒倉”中擠占中小學(xué)課程空間，而應(yīng)通過合理方式將工程教育整合到中小學(xué)課程的銜接“縫隙”中［13］，操作性較強(qiáng)的方式是：通過“浸入式”的方式增加工程教育的課程。根據(jù)國外STEM的相關(guān)研究，可以將工程教育課程內(nèi)容“浸入”到基礎(chǔ)教育階段開設(shè)的綜合實踐活動、綜合科學(xué)課程（包括中學(xué)的物理、化學(xué)、生物課程）、數(shù)學(xué)、科學(xué)（包括小學(xué)和中學(xué)的科學(xué)課程）、技術(shù)等課程內(nèi)容中。

其一，將工程教育的課程內(nèi)容浸入到中小學(xué)“綜合實踐活動”課程中。

綜合實踐活動是從學(xué)生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題，轉(zhuǎn)化為活動主題，通過探究、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科實踐性課程。綜合實踐活動是國家義務(wù)教育和普通高中課程方案規(guī)定的必修課程，與學(xué)科課程并列設(shè)置。在教育部2017年9月25日發(fā)布的“中小學(xué)綜合實踐活動推薦主題匯總”中，有大量的可以用作工程教育的素材。

將工程教育課程浸入到中小學(xué)“綜合實踐活動”課程中，既能豐富“綜合性活動”課程的內(nèi)容，將創(chuàng)新觀念物化為具體可見的產(chǎn)品或作品，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，又能進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對工程職業(yè)的向往和期待，為部分學(xué)生成為未來的“卓越工程人才”播下希望的種子。

其二，將工程教育課程浸入到小學(xué)科學(xué)課程或中學(xué)“綜合科學(xué)類”課程（如物理、化學(xué)、生物等）中。

在我國新出版的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，增加了“技術(shù)與工程領(lǐng)域”內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)：工程技術(shù)人員依據(jù)科學(xué)原理設(shè)計和制造物品、解決技術(shù)應(yīng)用的難題，創(chuàng)造了豐富多彩的人工世界；工具延伸和增強(qiáng)了人類的能力；人們利用工具生產(chǎn)產(chǎn)品、改造環(huán)境，以滿足自身和社會發(fā)展的需求；工程技術(shù)的核心是設(shè)計，創(chuàng)新是設(shè)計的靈魂，每一項設(shè)計都需要不斷完善。［14］（p52）

2017版小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)吸收了國際上STEM的最新研究成果，嘗試將工程教育整合到科學(xué)課程中，這對于國內(nèi)基礎(chǔ)教育階段的工程教育無疑是一種絕好的浸入渠道；另外，中學(xué)階段的“綜合科學(xué)類”課程中的實驗活動與工程設(shè)計相輔相成、關(guān)聯(lián)密切，兩種活動都有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、批判性思維、積極交流和協(xié)同合作能力。

在總結(jié)國內(nèi)外基礎(chǔ)階段工程教育實踐的基礎(chǔ)上，我們以示例的形式，提出了我國基礎(chǔ)教育階段工程教育的課程內(nèi)容設(shè)計思路（參見表4）。

表3. 基礎(chǔ)教育階段工程思維習(xí)慣目標(biāo)

四、基礎(chǔ)教育階段工程教育的課程實施

課程實施對應(yīng)著教學(xué)方法。教學(xué)方法是達(dá)成工程教育目的的橋梁。眾多的教學(xué)實踐和理論探索都表明：傳統(tǒng)的教學(xué)方法對于工程課程教學(xué)質(zhì)量來說是低效的。根據(jù)國內(nèi)外工程教育實踐的情況，較為有效的課程教學(xué)是圍繞著一個主題開展教學(xué)，即基于項目的學(xué)習(xí)。［15］［16］

基于設(shè)計的學(xué)習(xí)作為基于項目學(xué)習(xí)的三種形式之一，是一種新興的學(xué)習(xí)研究范式，目前在世界教育領(lǐng)域倍受關(guān)注。它聚焦于對有效學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計和自然發(fā)生其中的學(xué)習(xí)的理解，強(qiáng)調(diào)在真實、復(fù)雜、獨特和靈活的學(xué)習(xí)情景下研究真實的教學(xué)問題，通過為特定的場合設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)境，通過迭代式的設(shè)計研究過程將理論與實踐連接起來，是將理論連接實踐活動的方法。［17］工程設(shè)計具有迭代性、開放性等特點，特別適合采取基于設(shè)計的學(xué)習(xí)方式?；谝陨险J(rèn)識，我們設(shè)計了基礎(chǔ)教育階段工程教育課程的教學(xué)流程圖（參見圖2）。

1.理解任務(wù)

在“創(chuàng)設(shè)情境，理解任務(wù)”環(huán)節(jié)，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)工程設(shè)計情境，引導(dǎo)學(xué)生自己提出工程問題；并且描述工程設(shè)計的過程，示范工程思維過程。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，理解工程設(shè)計任務(wù)，及時記錄工程活動日志。

表4. 基礎(chǔ)教育階段工程教育課程內(nèi)容設(shè)計示例

圖2 基礎(chǔ)教育階段工程教育課程的教學(xué)流程圖

2.建立聯(lián)系

在“搭建橋梁，建立聯(lián)系”環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生從已有知識中檢索與工程設(shè)計活動主題有關(guān)的信息。幫助學(xué)生對相關(guān)的工程設(shè)計問題進(jìn)行分解和分類。學(xué)生能用科學(xué)的眼光，從工程思維的角度，去審視這些工程問題與資料，發(fā)現(xiàn)它們之間的聯(lián)系。

3.設(shè)計方案

在“設(shè)計實施，修正完善”環(huán)節(jié)，教師要指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計方案、建模與檢驗、分析與解釋、展示與分享等迭代循環(huán)過程，不斷完善設(shè)計方案、實施方案。學(xué)生需要在教師和同伴協(xié)助下，經(jīng)歷以上方案的設(shè)計、修正、實施等迭代循環(huán)過程。

4.反思小結(jié)

在“交流評價，反思小結(jié)”環(huán)節(jié)，教師要引導(dǎo)學(xué)生展示工程設(shè)計活動成果，總結(jié)和歸納活動中涉及到的工程知識，幫助學(xué)生進(jìn)行知識建構(gòu)和重組。學(xué)生需要在教師的引導(dǎo)下，展示活動成果，總結(jié)所學(xué)工程知識、反思整個學(xué)習(xí)活動。

五、結(jié)語

培養(yǎng)國家需要的“創(chuàng)新型卓越工程人才”，是一個持續(xù)的教育過程，既需要高等教育階段工程教育的“全力以赴”，也需要基礎(chǔ)教育階段工程教育的不斷積累與良好奠基。在新世紀(jì)，將工程教育的重心下移、時間前移，已經(jīng)成為世界各國推進(jìn)中小學(xué)工程教育發(fā)展的主要舉措。當(dāng)前，我們應(yīng)該做好以下工作：

其一，政府相關(guān)部門應(yīng)該盡快啟動、制定、頒布基礎(chǔ)教育階段工程教育的“國家政策”，其中最為迫切的是研制基礎(chǔ)教育階段的“工程教育課程標(biāo)準(zhǔn)”。

課程標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)定某一學(xué)科的課程性質(zhì)、課程目標(biāo)、內(nèi)容要求、實施建議的教學(xué)指導(dǎo)性文件。在基礎(chǔ)教育階段的“工程教育課程標(biāo)準(zhǔn)”中，應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)教育階段工程教育在“提升學(xué)生的工程學(xué)科素養(yǎng)”方面的“基礎(chǔ)性”地位，處理好它與高等工程教育培養(yǎng)“創(chuàng)新型卓越工程人才”目標(biāo)的銜接，在此基礎(chǔ)上，確定我國基礎(chǔ)教育階段工程教育的總目標(biāo)；應(yīng)凝練并提出工程學(xué)科素養(yǎng)（可以涵蓋工程觀念、工程思維習(xí)慣、工程設(shè)計能力等主要核心素養(yǎng)）；應(yīng)明確提出基礎(chǔ)教育不同階段的工程教育學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步評價中小幼學(xué)生的工程教育學(xué)業(yè)質(zhì)量水平提供依據(jù)。還可通過教學(xué)建議的形式給出工程教育“浸入式”教學(xué)的教學(xué)建議。

其二，政府相關(guān)部門、研究者、中小幼一線教師應(yīng)多方聯(lián)動，協(xié)同運作，扎實、有序地開展中小幼的工程教育實踐，努力找到解決不同教育情境下“課程實施”問題的鑰匙。

我國基礎(chǔ)教育階段工程教育的研究與實踐，還處在“拓荒”的初期，包括政府部門、高校研究者、中小幼一線教師，應(yīng)該從國家人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略眼光，來積極探索有效的工程教育教學(xué)策略。例如，如何將工程教育的課程內(nèi)容有效地“浸入”到基礎(chǔ)教育階段開設(shè)的綜合實踐活動、綜合科學(xué)課程等課程內(nèi)容中，就是一項極為緊迫的課題。還有，工程教育的評價，應(yīng)該選擇恰當(dāng)?shù)?、多樣的評價證據(jù)類型。表現(xiàn)性任務(wù)是其中一種重要的評價類型。表現(xiàn)性任務(wù)要求學(xué)生在真實的或現(xiàn)實的情境中，解決多階段、復(fù)雜的學(xué)科內(nèi)或跨學(xué)科難題，可以充分地反映和表現(xiàn)學(xué)生對包括工程學(xué)科觀念、工程思維習(xí)慣、工程設(shè)計能力等工程學(xué)科核心素養(yǎng)掌握情況。表現(xiàn)性任務(wù)可以廣泛地應(yīng)用于中小幼各個不同學(xué)習(xí)階段的工程學(xué)科核心素養(yǎng)的評價。