美國(guó)《P-12工程學(xué)習(xí)框架》探析

劉天偉

摘? ?要：美國(guó)工程教育協(xié)會(huì)和P-12工程教育卓越推進(jìn)組織牽頭，于2020年11月聯(lián)合發(fā)布《P-12工程學(xué)習(xí)框架》。文章在對(duì)該框架進(jìn)行內(nèi)容分析的基礎(chǔ)上，對(duì)比美國(guó)近年來(lái)發(fā)布的其他有關(guān)P-12工程學(xué)習(xí)的政策文本和工程教育實(shí)踐，對(duì)其進(jìn)行特點(diǎn)分析。該框架著眼于改善美國(guó)各州以及各學(xué)校P-12工程學(xué)習(xí)缺乏一致性和連貫性的現(xiàn)象，致力于提供共同的認(rèn)知基礎(chǔ)，明確界定了P-12工程學(xué)習(xí)的愿景和定位、內(nèi)容結(jié)構(gòu)以及成就期望?？蚣芫哂谢A(chǔ)性和全面性，對(duì)工程概念進(jìn)行澄清;關(guān)注工程的學(xué)科本質(zhì)，明確工程教育在P-12教育系統(tǒng)的定位;強(qiáng)調(diào)工程學(xué)習(xí)要適應(yīng)學(xué)生的發(fā)展三個(gè)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：P-12年級(jí) 工程學(xué)習(xí) 工程素養(yǎng)

工程作為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）學(xué)科的組成部分之一，被譽(yù)為STEM學(xué)科的粘合劑和實(shí)現(xiàn)課程整合的催化劑，可以為學(xué)生提供知識(shí)應(yīng)用和跨學(xué)科學(xué)習(xí)的真實(shí)情境和機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生了解數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)與周圍環(huán)境的相關(guān)性，增加學(xué)習(xí)興趣，成為創(chuàng)造性的問題解決者。2000年以后，伴隨著國(guó)際中小學(xué)科學(xué)教育與技術(shù)教育的學(xué)科轉(zhuǎn)型，中小學(xué)工程學(xué)習(xí)的重要性日益凸顯，包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都以科學(xué)或技術(shù)課程為載體納入工程學(xué)習(xí)內(nèi)容。[1]

美國(guó)工程教育協(xié)會(huì)（American Society for Engineering Education）和P-12工程教育卓越推進(jìn)組織（Advancing Excellence in P-12 Engineering Education）牽頭，匯集32個(gè)州的300多位工程教育者、管理員、研究人員、行業(yè)代表等，建立了P-12工程教育共同體，經(jīng)過3年的研制，于2020年11月聯(lián)合發(fā)布《P-12工程學(xué)習(xí)框架》（Framework for P-12 Engineering Learning，下文簡(jiǎn)稱《框架》）。下文就《框架》的主要內(nèi)容和特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期為我國(guó)P-12工程教育實(shí)踐提供參考。

一、《框架》主要內(nèi)容

（一）愿景和目標(biāo)定位

目前，世界范圍內(nèi)的P-12工程學(xué)習(xí)多以STEM教育的形式開展，將培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)作為目標(biāo)。[2]但是，現(xiàn)有的許多STEM教育實(shí)踐往往被視為常規(guī)教育以外的一種“消遣”，加上STEM是一個(gè)內(nèi)涵廣泛的術(shù)語(yǔ)，其各個(gè)組成部分在實(shí)踐中往往受到不同程度的弱化，因而很難真正落實(shí)跨學(xué)科教學(xué)。工程是一種涉及應(yīng)用科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)知識(shí)，設(shè)計(jì)、開發(fā)和評(píng)估產(chǎn)品、過程、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，優(yōu)化問題解決方案，進(jìn)而解決問題的過程，具有整合性和真實(shí)性的特點(diǎn)，在促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)上具有天然的學(xué)科優(yōu)勢(shì)。美國(guó)發(fā)布的《框架》的愿景和目標(biāo)定位是確保每個(gè)學(xué)生，無(wú)論種族、性別、能力、職業(yè)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位，都有機(jī)會(huì)通過學(xué)校學(xué)習(xí)培養(yǎng)工程素養(yǎng)，成為能夠理解工程、能夠適應(yīng)未來(lái)職場(chǎng)和社會(huì)并充分發(fā)展的公民;指出有效的工程學(xué)習(xí)可以彌補(bǔ)現(xiàn)有STEM教學(xué)實(shí)踐中的缺陷，實(shí)現(xiàn)STEM教育愿景;倡議為所有學(xué)生提供公平的、具有一致性和連貫性、體現(xiàn)真實(shí)性和深度的工程學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，促進(jìn)P-12工程學(xué)習(xí)的普及和高質(zhì)量發(fā)展。[3]

為進(jìn)一步明確工程學(xué)科在P-12教育系統(tǒng)中的定位，《框架》進(jìn)一步闡明了科學(xué)和工程兩門學(xué)科的聯(lián)系和區(qū)別。一方面，科學(xué)和工程作為兩門獨(dú)立的學(xué)科，二者具有本質(zhì)區(qū)別，可以體現(xiàn)在科學(xué)家和工程師的工作實(shí)踐中?？茖W(xué)家的工作是發(fā)現(xiàn)世界的過程，專注于了解自然現(xiàn)象及其中的相互關(guān)系，而工程師的工作是改造世界的過程，需要解決問題，創(chuàng)造新事物。另一方面，《框架》指出科學(xué)和工程之間也有密切的聯(lián)系，人們對(duì)周圍世界了解得越多，就越容易完善自己的想法來(lái)改造世界。

（二）內(nèi)容結(jié)構(gòu)及成就期望

《框架》認(rèn)為，具備工程素養(yǎng)的人是具備工程思維的綜合學(xué)習(xí)者，能夠“在工程情境（人造世界）中將內(nèi)容知識(shí)、思維習(xí)慣、實(shí)踐能力（如交流、思考和執(zhí)行）以一種有意義的方式進(jìn)行整合”[4]?！犊蚣堋犯鶕?jù)相關(guān)研究，將P-12工程學(xué)習(xí)內(nèi)容劃分為三個(gè)維度，每一個(gè)維度下詳細(xì)劃分了下位概念。第一個(gè)維度是工程思維習(xí)慣——一種個(gè)人特征和思維方式。《框架》期望學(xué)生中學(xué)畢業(yè)時(shí)，能夠?qū)⒐こ趟季S融入自己的思維方式，在參與或解決與工程相關(guān)的活動(dòng)或問題時(shí)能夠形成自動(dòng)反應(yīng)，包括樂觀、堅(jiān)持、合作、創(chuàng)造力、責(zé)任心和系統(tǒng)思維六個(gè)下位概念。第二個(gè)維度是工程實(shí)踐——在工程領(lǐng)域從事的實(shí)踐活動(dòng)?！犊蚣堋菲谕麑W(xué)生中學(xué)畢業(yè)時(shí)能完全勝任四種工程實(shí)踐：工程設(shè)計(jì)、材料加工（制造）、定量分析和專業(yè)性實(shí)踐。第三個(gè)維度是工程知識(shí)——學(xué)生在工程實(shí)踐過程中可以識(shí)別并能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候利用的相關(guān)概念，可以指導(dǎo)學(xué)生以一種分析性、預(yù)測(cè)性、可重復(fù)性和實(shí)用性的方式解決問題。工程知識(shí)跨越三個(gè)知識(shí)領(lǐng)域：工程科學(xué)、工程數(shù)學(xué)和工程技術(shù)應(yīng)用。工程知識(shí)維度是P-12工程學(xué)習(xí)內(nèi)容中的一個(gè)輔助性維度?！犊蚣堋分赋觯瑢W(xué)生在工程知識(shí)方面的發(fā)展往往晚于工程思維的發(fā)展，許多學(xué)生在高中畢業(yè)時(shí)也無(wú)法完全深入了解這些領(lǐng)域的全部概念性知識(shí)，但他們應(yīng)該養(yǎng)成工程思維習(xí)慣，并應(yīng)具備完成一項(xiàng)工程實(shí)踐所必需的基本知識(shí)和能力。

同時(shí)，在學(xué)習(xí)內(nèi)容及其表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，《框架》明確指出學(xué)生高中畢業(yè)時(shí)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的成就期望（見表1）。

（三）實(shí)施原則

為保障P-12工程學(xué)習(xí)的高質(zhì)量普及，促進(jìn)學(xué)生工程思維的養(yǎng)成，《框架》提出六項(xiàng)指導(dǎo)原則。一是將公平作為首要原則?！犊蚣堋氛J(rèn)為教育策略深刻地影響著學(xué)校實(shí)踐和學(xué)生行為，P-12工程學(xué)習(xí)實(shí)踐必須采用將公平作為首要原則的教學(xué)策略和方法，以學(xué)生的個(gè)人需要為依據(jù)提供教育支持，確保所有人都能養(yǎng)成工程素養(yǎng)。二是力求工程學(xué)習(xí)的真實(shí)性?！犊蚣堋氛J(rèn)為真實(shí)性體現(xiàn)了工程的學(xué)科特性，與工程相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)應(yīng)該以一種真實(shí)的、相關(guān)的方式準(zhǔn)確地教授。三是關(guān)注工程學(xué)習(xí)的深度?！犊蚣堋氛J(rèn)為基礎(chǔ)教育階段的工程學(xué)習(xí)目標(biāo)和內(nèi)容應(yīng)該具備三個(gè)特征——必要性、具體、高度情景化，從而使工程概念不那么抽象。建議在日常教學(xué)實(shí)踐中，不要設(shè)定諸如“應(yīng)用工程設(shè)計(jì)過程來(lái)解決問題”等廣泛的學(xué)習(xí)目標(biāo)，而應(yīng)將學(xué)習(xí)目標(biāo)具體到滿足學(xué)生特殊需要的層次上。四是建立在學(xué)生解決問題的能力之上。《框架》認(rèn)為具備工程素養(yǎng)的個(gè)體在解決問題時(shí)采用的方法往往是結(jié)構(gòu)化的，且更能體現(xiàn)工程的學(xué)科特性。因此，工程教育活動(dòng)中應(yīng)該有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生從常規(guī)的、通用的方法轉(zhuǎn)向更嚴(yán)格的工程實(shí)踐方法。五是重視制作活動(dòng)，將其視為激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的一種教育形式。制作活動(dòng)是一種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)活動(dòng)，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，使其在真實(shí)情景中學(xué)習(xí)，應(yīng)該成為學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐、應(yīng)用知識(shí)的一種學(xué)習(xí)形式。六是與學(xué)生的興趣、文化和經(jīng)驗(yàn)建立聯(lián)系?！犊蚣堋氛J(rèn)為包容性的工程學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生減少學(xué)習(xí)過程中和從事相關(guān)職業(yè)面臨的潛在障礙，學(xué)校要有意識(shí)地讓學(xué)生感受到工程學(xué)習(xí)與日常生活的聯(lián)系，指導(dǎo)學(xué)生以更具個(gè)性化的方式形成自己的工程學(xué)習(xí)體驗(yàn)。[6]

二、《框架》主要特點(diǎn)

除了《框架》，美國(guó)還曾發(fā)布多份涉及P-12工程學(xué)習(xí)的相關(guān)文件，包括2013年發(fā)布的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，NGSS），美國(guó)國(guó)家教育進(jìn)展評(píng)估（National Assessment of Educational Progress）于2018年發(fā)布的《技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》（Technology and Engineering Literacy Framework，TEL），美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育者協(xié)會(huì)（International Technology and Engineering Educators Association）于2020年發(fā)布的《技術(shù)與工程素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》（Standards for Technological and Engineering Literacy，STEL）。這三個(gè)文件受到學(xué)者廣泛重視，下文基于NGSS、TEL和STEL三份文件，結(jié)合國(guó)內(nèi)學(xué)者的解讀，對(duì)《框架》的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

（一）具有基礎(chǔ)性和全面性，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程概念的澄清

《框架》為學(xué)生提供了一個(gè)具有基礎(chǔ)性和全面性的工程學(xué)習(xí)愿景圖。《框架》建立在美國(guó)已有的工程學(xué)習(xí)實(shí)踐之上，明確將工程教育定位為貫穿P-12階段，發(fā)展學(xué)生工程素養(yǎng)的普通教育。在《框架》出臺(tái)之前，以美國(guó)為代表的工程學(xué)習(xí)實(shí)踐更多地是以已有的科學(xué)或技術(shù)學(xué)科為載體，工程在其中扮演著“助手”的角色，其本質(zhì)是引入工程以改善另一學(xué)科。比如，NGSS納入工程內(nèi)容的出發(fā)點(diǎn)是給予學(xué)生更多應(yīng)用科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，通過“做”和“實(shí)踐”提高學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)興趣進(jìn)而改善學(xué)生的學(xué)業(yè)成績(jī)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。[7]相比于其他政策文本，工程在《框架》中具有學(xué)科主體地位，著眼于提供共同的認(rèn)知基礎(chǔ)以改善和提升中小學(xué)工程教育。

同時(shí)，《框架》中提供的工程三維學(xué)習(xí)框架實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程概念的澄清，由于過去缺乏明確的標(biāo)準(zhǔn)和定義，已有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在呈現(xiàn)的內(nèi)容以及表述方式上都存在差異，導(dǎo)致基于標(biāo)準(zhǔn)的教育實(shí)踐往往存在不全面以及概念不清晰的問題。政策文本間存在的概念不全面、彼此混淆以及表述不清的現(xiàn)象，極大影響了中小學(xué)工程教育的進(jìn)一步發(fā)展?！犊蚣堋坊谶@一點(diǎn)，試圖通過厘清概念，減少教育實(shí)踐中存在的歧義和誤解，促進(jìn)P-12工程學(xué)習(xí)的高質(zhì)量普及。

（二）關(guān)注工程的學(xué)科本質(zhì)，明確工程教育在P-12教育系統(tǒng)的定位

闡明工程學(xué)科本質(zhì)，有利于為中小學(xué)工程教學(xué)和學(xué)習(xí)提供保障?！犊蚣堋穼?duì)工程學(xué)科本質(zhì)的關(guān)注表現(xiàn)在工程學(xué)科的獨(dú)立性、工程學(xué)習(xí)的整合性和工程學(xué)習(xí)的真實(shí)性三個(gè)方面。首先，基于大部分學(xué)校都以STEM課程為載體進(jìn)行工程教育，《框架》強(qiáng)調(diào)了工程學(xué)科的獨(dú)立性，即與數(shù)學(xué)、科學(xué)等課程一樣，工程學(xué)科也有其獨(dú)特的發(fā)展價(jià)值，是關(guān)于人造世界的學(xué)科，與社會(huì)世界和自然世界并列，與人類生活密切相關(guān)。[8]因而，在P-12教育系統(tǒng)中，工程學(xué)科應(yīng)該被落實(shí)為學(xué)校主流課程的必要組成部分。其次，《框架》發(fā)布的目標(biāo)是改善和加強(qiáng)已有的STEM課程標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)工程學(xué)科所具有的天然跨學(xué)科性，認(rèn)為P-12工程學(xué)習(xí)要與其他STEM學(xué)科相結(jié)合，通過跨學(xué)科的方式開展，同時(shí)也要保障工程學(xué)習(xí)的質(zhì)量和深度。最后，《框架》重視P-12工程學(xué)習(xí)的真實(shí)性，強(qiáng)調(diào)教學(xué)實(shí)踐要提供與學(xué)生的社會(huì)文化經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)例。

在學(xué)科本質(zhì)這一點(diǎn)上，《框架》與其他三個(gè)工程學(xué)習(xí)文件具有一致性。NGSS、TEL和STEL也較為關(guān)注工程學(xué)科的特性，它們都是借助其他學(xué)科整合工程教育實(shí)踐，注重澄清科學(xué)、工程和技術(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系。此外，STEL中的“技術(shù)與工程情境”以及NGSS中的“工程、技術(shù)與社會(huì)的聯(lián)系”都突顯了對(duì)學(xué)科真實(shí)性的關(guān)注。[9]

（三）強(qiáng)調(diào)工程學(xué)習(xí)要適應(yīng)學(xué)生的發(fā)展

《框架》非常重視工程學(xué)習(xí)與學(xué)生發(fā)展的匹配程度，指出工程素養(yǎng)的形成是循序漸進(jìn)且具有階段性的，對(duì)學(xué)生中學(xué)畢業(yè)應(yīng)該達(dá)成的成就期望進(jìn)行了規(guī)定，允許開發(fā)者依據(jù)學(xué)生的發(fā)展情況進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。此外，《框架》明確提出建議，工程思維習(xí)慣的養(yǎng)成要早于工程知識(shí)的獲得，小學(xué)階段就可以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，工程實(shí)踐可以貫穿整個(gè)P-12階段并逐漸增加難度，而工程知識(shí)作為一個(gè)輔助概念，要到高年級(jí)及以后才有可能全部實(shí)現(xiàn)。

三、建議

結(jié)合《框架》的主要內(nèi)容和特點(diǎn)，根據(jù)我國(guó)目前中小學(xué)工程教育現(xiàn)狀，提出以下兩點(diǎn)建議。

（一）提升工程學(xué)習(xí)意識(shí)，建立并完善中小學(xué)工程教育體系

我國(guó)的中小學(xué)工程學(xué)習(xí)實(shí)踐主要是以科學(xué)教育為載體，2017年發(fā)布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中設(shè)置了“技術(shù)與工程”模塊，現(xiàn)有的教科書中也在一定程度上呈現(xiàn)了工程內(nèi)容。在實(shí)踐中，工程學(xué)習(xí)大多以STEM教育的形式作為科學(xué)教學(xué)的補(bǔ)充，尚未發(fā)展成為日常教學(xué)的必要組成部分。但正如《框架》所說，工程與科學(xué)是一體兩面的，其學(xué)科思維有本質(zhì)上的區(qū)別。我國(guó)中小學(xué)階段的工程教育還是一個(gè)尚在發(fā)展的新興領(lǐng)域，其發(fā)展與落實(shí)是一個(gè)大規(guī)模、長(zhǎng)期性的工程，我國(guó)可從政策層面推動(dòng)中小學(xué)跨學(xué)科工程教學(xué)的實(shí)施，并進(jìn)一步跟進(jìn)高質(zhì)量課程以及教師培養(yǎng)項(xiàng)目的開發(fā)，塑造教育生態(tài)，落實(shí)工程學(xué)科在中小學(xué)日常教學(xué)中的地位。

（二）構(gòu)建P-12工程學(xué)習(xí)共同體，推進(jìn)本土化研究和實(shí)踐

美國(guó)各界對(duì)中小學(xué)工程教育的關(guān)注時(shí)間較早，且分布廣泛，涉及美國(guó)國(guó)家工程院、各民間工程教育組織、學(xué)校、教師等，形成了研究和實(shí)踐共同體，在學(xué)術(shù)研究和實(shí)踐上均取得了較為成熟的成果與經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)目前雖然已有學(xué)者針對(duì)中小學(xué)工程教育展開了一定程度的研究，但總體上仍處于起步階段，發(fā)展不足[10]，大部分研究更多著眼于概念澄清、價(jià)值陳述以及國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的描述，針對(duì)P-12工程學(xué)習(xí)的進(jìn)階、課程、教學(xué)、評(píng)估、專業(yè)發(fā)展等方面缺乏有深度的本土化研究。因此，建議建設(shè)工程學(xué)習(xí)研究共同體，加強(qiáng)P-12工程教育學(xué)術(shù)研究，為中小學(xué)工程教育課標(biāo)完善、課程開發(fā)、教師培養(yǎng)等提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐支持。

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編輯 朱婷婷? ?校對(duì) 呂伊雯