高校實驗設(shè)備在中學(xué)工程素養(yǎng)培養(yǎng)中應(yīng)用

洪 玲， 江志彬， 段曉英

(同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804)

0 引 言

工程素養(yǎng)(Literacy on Engineering)培育和特色高中建設(shè)已成為國內(nèi)外教育界研究的熱點問題。

工程素養(yǎng)的形成起始于簡單知識的學(xué)習(xí)，經(jīng)歷復(fù)雜的漸進過程：敏捷的思維、正確的判斷和發(fā)現(xiàn)問題→理論知識和實踐的融會貫通→現(xiàn)實的技術(shù)能力→具有綜合優(yōu)化的能力并達到預(yù)期目的，需要將不同學(xué)科的知識和素養(yǎng)要素融合在工程實踐活動中，使素養(yǎng)要素在工程實踐活動中綜合化、整體化和目標(biāo)化。對于工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，不僅僅是高等教育的范疇，應(yīng)該從基礎(chǔ)教育抓起，不因小學(xué)、初中、高中和大學(xué)的差別而出現(xiàn)斷層或縫隙，需要不同的階段緊密結(jié)合進行循序漸進地培養(yǎng)[1-4]。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外工程素養(yǎng)教育發(fā)展趨勢

對于工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，德國提出了以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)模式，日本則建立了KIT工程設(shè)計教育目標(biāo)。在美國，由國家評估管理委員會和美國教育部聯(lián)合公布《2104 年NAEP 技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》闡明了對所有學(xué)生在技術(shù)知識和技能方面所應(yīng)掌握程度的期望[5-12]。2014年初，全美約840所學(xué)校的21 500名八年級學(xué)生參加了首次完全獨立作為核心學(xué)科的“技術(shù)和工程素養(yǎng)”(Technology and Engineering Literacy)的樣本評估。這在相當(dāng)程度上與美國近些年來對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)綜合素養(yǎng)的STEM(科學(xué)Science、技術(shù)Technology、工程Engineering、數(shù)學(xué)Mathematics)教育的高度關(guān)注和重視密切相關(guān)。

隨著我國工業(yè)化和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，社會(企業(yè))對高校畢業(yè)生的工程實踐能力越來越看重。為此，國家從長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，在戰(zhàn)略上提出“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[13](簡稱“卓越計劃”)的重大舉措，著重強化培養(yǎng)學(xué)生的工程和創(chuàng)新能力，對促進高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才以及全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，具有十分重要的示范和引導(dǎo)作用[14-15]。

1.2 我國特色普通高中教育建設(shè)狀況

隨著社會和科技的發(fā)展，教育教學(xué)需尋求各種途徑和方式激發(fā)學(xué)生各方面的智能，使學(xué)生能夠全面、差異化的發(fā)展，而不是千人一面、千篇一律固化的模式。在現(xiàn)實教育工作中，由于中學(xué)應(yīng)試教育的影響使得學(xué)校和學(xué)生都只專注于文化課，很大程度上束縛了一部分學(xué)生的個性特質(zhì)和潛能的發(fā)展[16-17]。

2010年，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》發(fā)布，提出“推動普通高中多樣化發(fā)展。促進辦學(xué)體制多樣化，擴大優(yōu)質(zhì)資源。推進培養(yǎng)模式多樣化，滿足不同潛質(zhì)學(xué)生的發(fā)展，探索和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的途徑。鼓勵普通高中辦出特色。”，為開展特色普通高中建設(shè)提供國家政策依據(jù)[18-20]。

“十三五”期間，上海正加速推進四個中心建設(shè)，隨著科創(chuàng)中心建設(shè)正式提上議事日程，創(chuàng)新人才培養(yǎng)問題日益凸顯。2016年制定的《上海市推進特色普通高中建設(shè)3年行動計劃(2016～2018年)》，要求相關(guān)工程素養(yǎng)特色課程實施方式以社會實踐、動手實驗和操作、自主探究為主，注重學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。推動普通高中多樣化特色辦學(xué)，是上海教育主動適應(yīng)上海城市功能定位、社會和地方經(jīng)濟發(fā)展以及學(xué)生發(fā)展需求的重大戰(zhàn)略選擇。

1.3 高校實驗設(shè)備共享應(yīng)用現(xiàn)狀

高校的主要功能是人才培養(yǎng)，其所屬的實驗設(shè)備有兩大主要服務(wù)領(lǐng)域：① 科學(xué)研究，② 高等教育教學(xué)，主要服務(wù)對象是本校教師和學(xué)生，目前大型儀器設(shè)備共享應(yīng)用存在的問題：

(1) 受經(jīng)濟效益的直接性和社會效益的難以考量影響，通常大型儀器設(shè)備的共享應(yīng)用都重視科研成果以及經(jīng)濟效益，而忽視針對人才培養(yǎng)的應(yīng)用以及忽略其所產(chǎn)生的社會效益。

(2) 大型儀器設(shè)備的共享應(yīng)用對象主要為本校相近專業(yè)或其他高校相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，象很少或者幾乎沒有為中學(xué)生服務(wù)。

(3) 大型儀器設(shè)備的共享服務(wù)內(nèi)容主要是提供科研實驗和學(xué)生的開放實驗，能夠承擔(dān)中學(xué)實驗室建設(shè)、實驗項目設(shè)計、實驗教學(xué)、中學(xué)教師的專業(yè)培訓(xùn)等一系列全方位共享服務(wù)的應(yīng)用幾乎沒有。

(4) 高校大型儀器設(shè)備和相關(guān)實驗技術(shù)人員的資源利用率還有提高空間。

國際社會以及我國教育改革對于卓越人才培養(yǎng)的要求逐步規(guī)范和加強，上海市正在推進工程素養(yǎng)特色普通高中建設(shè)，雖然社會急需高質(zhì)量工程技術(shù)人才、高校具有資源、地方教育積極推進，但是對于中學(xué)生工程素養(yǎng)的培育還沒有明確有效的銜接途徑。

2 實驗設(shè)備對工程素養(yǎng)培育的共享應(yīng)用

我國的義務(wù)教育、高中教育乃至大學(xué)教育，其根本目的在于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。但是由于中學(xué)的應(yīng)試教育模式和學(xué)生自主實驗機會的稀缺，經(jīng)常要面對一個問題，即大學(xué)工程教育與高中科學(xué)教育脫節(jié)。事實上，創(chuàng)造力貫穿于人的一生，對創(chuàng)造力的培養(yǎng)不應(yīng)該因為教育的不同階段而斷裂。

既然中學(xué)有加強特色教育的需求，而高校又擁有專業(yè)實驗設(shè)備、實驗教學(xué)方法以及專業(yè)教師等豐富的資源，為了使兩者能夠更好銜接，大學(xué)實驗設(shè)備的服務(wù)對象和服務(wù)范圍需要向中學(xué)和中學(xué)生延伸，使中學(xué)生能夠利用大學(xué)的實驗設(shè)備進行科學(xué)探索和工程實踐。既可以彌補中學(xué)生利用高校教育科研設(shè)備動手實驗的空白，開闊學(xué)生的眼界，培養(yǎng)其自主創(chuàng)新的思維和對理工科專業(yè)的興趣，又將大學(xué)與中學(xué)工程素養(yǎng)培養(yǎng)的斷層連接了起來；同時，有助于幫助其打破理工科教育壁壘，提高實驗設(shè)備資源的利用率以及提升實驗技術(shù)人員的實驗教學(xué)等各項專業(yè)技能。

(1) 發(fā)揮實驗教學(xué)對人才培養(yǎng)的優(yōu)勢。對于中學(xué)生工程素養(yǎng)的培育，除了實驗設(shè)備的共享和建設(shè)，更重要是配套的實驗項目的設(shè)計和實驗教學(xué)方法的應(yīng)用。因此，要培養(yǎng)中學(xué)生具備“工程思維、創(chuàng)新意識、實踐能力、合作精神”的高品質(zhì)工程素養(yǎng)，使中學(xué)成為培養(yǎng)工程素養(yǎng)的搖籃，其主要手段是通過工程特色課程，尤其是工程類實驗室課程。在硬件設(shè)備上，高校的大型設(shè)備資源是中學(xué)無法比擬的，尤其實驗技術(shù)人員豐富的專業(yè)知識和教學(xué)經(jīng)驗，對于設(shè)備的使用和實驗課程的培育具有優(yōu)勢。

(2) 滿足中學(xué)生的成長創(chuàng)新意識。注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，實際動手能力和團隊合作精神，學(xué)生經(jīng)過工程素養(yǎng)培育，分析、解決問題的能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)有了明顯的提高，其中優(yōu)秀中學(xué)生可以加入大學(xué)生科技競賽團隊，參與高校專業(yè)科研團隊的課題活動，讓學(xué)生早日明確何謂“理工科”，也對選擇理工科專業(yè)有一定幫助。有利于培養(yǎng)學(xué)生形成將知識理論創(chuàng)造性地聯(lián)系并應(yīng)用于實踐的意識和能力，為將來學(xué)生步入大學(xué)后的學(xué)習(xí)以致未來的專業(yè)發(fā)展奠定比較厚實的基礎(chǔ)。

(3) 提高高校實驗技術(shù)人員的專業(yè)服務(wù)水平。高校實驗技術(shù)人員通過對中學(xué)實驗室建設(shè)的全面負(fù)責(zé)實施，對中學(xué)實驗軟件的開發(fā)設(shè)計以及對中學(xué)課堂及教師的培育等共享應(yīng)用服務(wù)，全面鍛煉實驗室建設(shè)與管理、實驗教學(xué)以及專業(yè)技術(shù)水平，在能力上能得到全面綜合提升。

(4) 配合《上海市推進特色普通高中建設(shè)3年行動計劃(2016—2018)》。上海市于2016年發(fā)布《上海市推進特設(shè)普通高中建設(shè)3年行動計劃(2016—2018)》，未來3年，上海將通過涵蓋人文、社科、理工、藝術(shù)等諸多領(lǐng)域普通高中的特色辦學(xué)撬動學(xué)校發(fā)展方式和育人模式轉(zhuǎn)型，進一步“推動普通高中多樣化和特色化”發(fā)展。整合高等院校理工科的實驗力量，可以為工程素養(yǎng)特色普通高中創(chuàng)建工作形成多方位、多維度的支撐力量，促進特色創(chuàng)建工作，豐富特色育人的有效資源供給。

(5) 注重工程素養(yǎng)培育。推動大型科學(xué)儀器對外共享服務(wù)，能夠提升大型科學(xué)儀器操作應(yīng)用人員的技術(shù)水平和專業(yè)化服務(wù)能力，更重要的是將高校的人才培養(yǎng)從“工程師搖籃”的中學(xué)抓起，注重工程素養(yǎng)培育，加強卓越工程師的基礎(chǔ)教育培養(yǎng)，為上海市建設(shè)科技創(chuàng)新中心提供人才培養(yǎng)支持和保障。

(6) 契合社會發(fā)展的人才培養(yǎng)需要。以軌道交通行業(yè)為例，截至2015年底，我國已成為世界上高速鐵路運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。另一方面，預(yù)計到2020年，我國城市軌道交通通車?yán)锍逃型_到8 500 km，比2015年末增長150%以上。因此，中國已形成一個世界上規(guī)模最大、發(fā)展最快的軌道交通建設(shè)市場。而高校交通運輸專業(yè)主要是為了培養(yǎng)具備現(xiàn)代交通運輸規(guī)劃、設(shè)計、組織與管理知識及相關(guān)開發(fā)能力的人才[21]。交通運輸專業(yè)的工科性質(zhì)決定了所報考的高中學(xué)生必須具有一定工程素養(yǎng)基礎(chǔ)。

3 以軌道交通系統(tǒng)仿真實驗室為例

依托理工科院校實驗室平臺，以中學(xué)生工程素養(yǎng)培育為導(dǎo)向，通過軌道交通仿真實驗系統(tǒng)的實驗設(shè)備“軌道交通仿真沙盤”和“高鐵動車CRH380模擬駕駛器”開展共享服務(wù)于人才培養(yǎng)的共享應(yīng)用研究，結(jié)合中學(xué)實驗室建設(shè)，與中學(xué)共建人才培養(yǎng)實訓(xùn)基地，為中學(xué)生提供全面的工程素養(yǎng)培育支撐，利用高校實驗室這一得天獨厚的資源創(chuàng)新對中學(xué)生的工程素養(yǎng)培育方式[22]，調(diào)動中學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣，開闊中學(xué)生科學(xué)視野以及培養(yǎng)他們分析和解決問題的能力。不僅利用實驗教學(xué)將大學(xué)與中學(xué)連接起來，為中學(xué)生創(chuàng)造一個良好的實驗環(huán)境，提高了學(xué)生的實際動手能力，也有助于樹立科學(xué)的意識和思維，提高中學(xué)生的STEM素質(zhì)，培養(yǎng)中學(xué)生的創(chuàng)新能力。有利于提高高校理工科生源的質(zhì)量，改變過去基礎(chǔ)教育與高等教育割裂的情況。

3.1 加強中學(xué)實驗室共享應(yīng)用建設(shè)

(1) 完善中學(xué)實驗室建設(shè)。以建設(shè)徐匯中學(xué)一期“高鐵運輸組織仿真實驗室”的“軌道交通仿真沙盤”實驗設(shè)備共享應(yīng)用為基礎(chǔ)，進一步進行徐匯中學(xué)二期“高速列車模擬駕駛實驗室”實驗設(shè)備“高鐵動車CRH380模擬駕駛器”的招標(biāo)采購和驗收、實驗室設(shè)計和規(guī)劃以及管理規(guī)章制度的制定等。

(2) 改進實驗項目設(shè)計和實驗教學(xué)方法。完成“軌道交通仿真沙盤”和“高鐵動車CRH380模擬駕駛器”的中學(xué)生實驗項目的軟件開發(fā)，改進的適合中學(xué)生的實驗教學(xué)方法，完成兩個設(shè)備至少6個實驗的中學(xué)實驗指導(dǎo)書。

(3) 提高中學(xué)教師的專業(yè)素養(yǎng)。對中學(xué)實驗帶教教師進行專業(yè)知識培訓(xùn)，對兩個設(shè)備的實驗課程分別進行各一個學(xué)期的帶教，每學(xué)期對課程進行指導(dǎo)和經(jīng)驗交流，完成“軌道交通仿真沙盤”和“高鐵動車CRH380模擬駕駛器”設(shè)備相關(guān)實驗課程的課件以及中學(xué)實驗課程培育。

(4) 與中學(xué)共建工程素養(yǎng)培育基地。交通運輸工程學(xué)院與徐匯中學(xué)共建人才培養(yǎng)中學(xué)生實訓(xùn)基地，以銜接高校和中學(xué)的工程素養(yǎng)培育為目標(biāo)，組織夏令營參觀和學(xué)習(xí)、進行專業(yè)知識講座、對中學(xué)生參與科技競賽進行指導(dǎo)等形式完善共享應(yīng)用服務(wù)，為中學(xué)的工程素養(yǎng)培育提供長期共享保障。

3.2 關(guān)鍵問題和具體實施方法

以高校資源對中學(xué)服務(wù)的延伸為抓手，從提高實驗技術(shù)人員的專業(yè)技能和對中學(xué)生的人才培養(yǎng)兩個層面發(fā)揮高校實驗設(shè)備對科技創(chuàng)新中心的服務(wù)和支撐作用。其關(guān)鍵問題為：高校實驗技術(shù)人員負(fù)責(zé)全面實施中學(xué)實驗室建設(shè)的可行性；基于專業(yè)實驗設(shè)備的針對中學(xué)生工程素養(yǎng)培育的實驗項目的開發(fā)設(shè)計；對中學(xué)實驗教師的專業(yè)知識培訓(xùn)和中學(xué)開設(shè)工程素養(yǎng)課程培育；高校實驗教學(xué)方法和中學(xué)實驗教學(xué)模式的如何對接融合更有利于中學(xué)生的工程素養(yǎng)提高，以及如何保障共享應(yīng)用服務(wù)的有效性和長期性。

因此，在共享應(yīng)用服務(wù)中通過對實驗進行“設(shè)計—試做—再改進—再試做”、對教師培訓(xùn)和課程培育進行“教授專業(yè)知識—示范教學(xué)—帶教—試講—獨立教學(xué)—開課完善”的方法，不斷觀察和檢驗所設(shè)計的實驗和所采用的教學(xué)方法對培養(yǎng)中學(xué)生工程素養(yǎng)培育的效果；在專業(yè)團隊的支持下，利用國內(nèi)一流高校實驗設(shè)備項目的建設(shè)經(jīng)驗和豐富的專業(yè)實驗教學(xué)經(jīng)驗，將高校的高精設(shè)備和實驗教學(xué)共享應(yīng)用到中學(xué)課堂，創(chuàng)新中學(xué)生工程素養(yǎng)培育方式，共建高校與中學(xué)的專業(yè)人才培養(yǎng)基地以保障共享應(yīng)用的有效性和長期性，不斷完善和優(yōu)化中學(xué)生工程素養(yǎng)課程培育。

4 結(jié) 語

高校專業(yè)實驗設(shè)備共享應(yīng)用于中學(xué)的工程素養(yǎng)培育，是從單一的硬件設(shè)備實驗的共享向?qū)嶒炇医ㄔO(shè)、實驗項目設(shè)計、實驗教學(xué)、課程培育等全方位教育教學(xué)資源拓展，共享應(yīng)用從考量科研成果以及經(jīng)濟效益為主，轉(zhuǎn)向?qū)θ瞬排囵B(yǎng)的基礎(chǔ)培育擴展以及注重其所產(chǎn)生的社會效益。對于高校而言，既提高了實驗設(shè)備的資源利用率，有效銜接高校與中學(xué)人才培養(yǎng)中工程素養(yǎng)培育，也提升了大型科學(xué)儀器實驗人員的技術(shù)水平和專業(yè)化服務(wù)能力。

因此，高校實驗設(shè)備與工程素養(yǎng)特色在高中課程的共享應(yīng)用，契合上海市特色普通高中建設(shè)和社會行業(yè)發(fā)展對于人才的迫切需求，更重要的是將高校的人才培養(yǎng)從特色普通中學(xué)抓起，注重工程素養(yǎng)培育，加強卓越工程師的基礎(chǔ)教育培養(yǎng)，使高校更有效地為上海市建設(shè)科技創(chuàng)新中心提供人才培養(yǎng)支持和保障。