加強我國中小學(xué)工程啟蒙教育的意義與建議

管光海 張豐

創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，呼喚人才發(fā)展模式變革。大力培養(yǎng)使用戰(zhàn)略科學(xué)家、打造大批一流科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團隊、造就規(guī)模宏大的青年科技人才隊伍、培養(yǎng)大批卓越工程師，成為新時代人才強國戰(zhàn)略。如何推動教育創(chuàng)新、改革人才培養(yǎng)模式是當前教育改革的重要議題。2018年和2019年，浙江省教育廳連續(xù)兩年組織中小學(xué)STEM教育研修團赴美國印第安納州（下文簡稱“印州”）、新澤西州（下文簡稱“新州”）學(xué)習(xí)考察?？疾熘?，美國對中小學(xué)技術(shù)與工程教育的高度重視、區(qū)域和學(xué)校層面的多樣化實施給我們留下深刻印象。為此，在考察的基礎(chǔ)上，我們結(jié)合對美國中小學(xué)技術(shù)與工程教育政策和文獻的分析，提出加強我國中小學(xué)工程啟蒙教育的建議。

美國中小學(xué)技術(shù)與工程教育的主要特點

國家層面高度重視技術(shù)與工程教育，在科學(xué)教育標準和技術(shù)與工程教育標準中得以體現(xiàn)。美國中小學(xué)工程教育與技術(shù)教育、科學(xué)教育關(guān)系密切。1996年，美國國際技術(shù)教育協(xié)會（ITEA）出版《面向所有美國人的技術(shù)：技術(shù)學(xué)習(xí)的原理與結(jié)構(gòu)》，2000年頒布《美國國家技術(shù)教育標準》，五部分標準有兩部分涉及設(shè)計，工程設(shè)計成為二十條標準中的一條。21世紀以來，美國不斷加大投入，出臺一系列重要法案、議案以進一步加強K-12 STEM教育。

2013年，美國發(fā)布《新一代美國國家科學(xué)教育標準》（NGSS），該文件將工程設(shè)計提升到與科學(xué)探究同等的高度，通過強調(diào)工程設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用的核心概念，從而將“科學(xué)與工程”納入科學(xué)教育。2020年，美國國際技術(shù)與工程教育協(xié)會（ITEEA）發(fā)布修訂后的技術(shù)素養(yǎng)標準，將其發(fā)展為《技術(shù)與工程素養(yǎng)標準》。該標準涵蓋技術(shù)與工程核心領(lǐng)域標準（包括技術(shù)與工程特性、核心概念、對社會影響、設(shè)計等）、技術(shù)與工程情境（包括制造技術(shù)、能源與動力技術(shù)、信息與通信技術(shù)等）和技術(shù)與工程實踐（包括系統(tǒng)思維、創(chuàng)造、最優(yōu)化、合作、交流、倫理道德、制作等）。

技術(shù)與工程教育已納入美國各州基礎(chǔ)教育課程框架，并多樣態(tài)實施。在美國各州的中小學(xué)課程標準中，已有關(guān)于工程與設(shè)計的學(xué)習(xí)內(nèi)容標準。新州將工程相關(guān)標準分散在科學(xué)標準和技術(shù)標準中，貫穿K-12年級。印州在《中學(xué)工程與技術(shù)教育標準》中建議6—8年級學(xué)生每年接受工程與技術(shù)教育，具體包括四個領(lǐng)域：一般工程和技術(shù)概念、工程設(shè)計和開發(fā)、生產(chǎn)和使用技術(shù)以及技術(shù)職業(yè)。印州高中課程標準目錄中包含20個工程課程標準，涵蓋工程基礎(chǔ)類、工程與設(shè)計類、計算機類、制造類、建筑類、通信類以及航空航天工程、交通運輸、可持續(xù)的環(huán)境。

在新州西溫莎平原學(xué)區(qū)，自2015年開始，學(xué)區(qū)就主導(dǎo)建設(shè)K-12技術(shù)與工程教育體系。小學(xué)三年級起開設(shè)關(guān)于“設(shè)計思維”的課程，結(jié)合進行每周1課時的編程與工程的啟蒙教育；七年級起分別開設(shè)編程與工程課程，一學(xué)年的面向全體學(xué)生的“工程入門”課程每兩周5課時，并有“設(shè)計+工程”和“木工”等選修課程1-2學(xué)年；高中階段開設(shè)工程與技術(shù)、科學(xué)+工程技術(shù)的課程，還有計算機高級課程、生物醫(yī)學(xué)、數(shù)碼媒體、工程原理、圖形工程、建筑設(shè)計與制造、計算機程序設(shè)計導(dǎo)論、手機應(yīng)用程序設(shè)計等工程類課程，供學(xué)生選修。在該學(xué)區(qū)總共14名學(xué)科主管（類似于我國的教研員）中，有1名以工程課程為主。

教育研究機構(gòu)、企業(yè)在技術(shù)與工程教育中發(fā)揮了重要的支持作用。美國國家工程院（NAE）積極參與加強K-12技術(shù)與工程教育的研究。2006年，美國國家工程院和美國國家研究理事會教育中心（NRCCE）成立K-12工程教育委員會，其職責(zé)是確定K-12工程教育的范圍和性質(zhì)，并于2009年發(fā)布了《K-12教育中的工程教育：了解現(xiàn)狀和改進前景》。美國國家工程院還贊助來自多個領(lǐng)域的專家組成K-12工程教育標準委員會，評估開發(fā)和實施K-12工程教育的潛在價值和可行性，委員會在長達兩年的研究后于2010年發(fā)布了《K-12工程教育的標準》。

美國K-12工程教育受到各種社會力量的支持。許多教育部門、大學(xué)研究機構(gòu)、企業(yè)、學(xué)會為學(xué)校提供課程計劃、教科書等一系列課程資源，還為使用該項目的老師提供培訓(xùn)。例如國際技術(shù)與工程教育協(xié)會開發(fā)的“工程設(shè)計”，“項目引路”（PLTW）公司開發(fā)的“技術(shù)之門”，美國工程教育學(xué)會與多所大學(xué)共同開發(fā)的“教工程”，新澤西學(xué)院開發(fā)的“設(shè)計和工程探索”等。眾多的項目大大推動了技術(shù)與工程課程的實施，且這些項目實施的難度各不相同，可以滿足不同層次學(xué)校的需求。

一些企業(yè)積極與學(xué)校協(xié)同實施工程教育。華沙學(xué)區(qū)的STEM項目開展在印州內(nèi)數(shù)一數(shù)二，主要原因是該學(xué)區(qū)有很多企業(yè)，需要大量技術(shù)與工程方面的人才。于是企業(yè)與學(xué)校聯(lián)合展開卓有成效的校企合作，以推動該地區(qū)技術(shù)與工程人才的培養(yǎng)。華沙埃奇伍德初中的一個特色理念是培養(yǎng)和鼓勵女生從事和技術(shù)與工程相關(guān)的職業(yè)，學(xué)校聯(lián)合當?shù)仄髽I(yè)開展技術(shù)與工程項目，每周都有企業(yè)員工進入課堂與孩子們互動。

高校重視技術(shù)與工程教育專業(yè)建設(shè)與師資培養(yǎng)。與K-12技術(shù)與工程教育實踐相適應(yīng)，美國斯坦福大學(xué)、普渡大學(xué)等設(shè)立技術(shù)與工程教師教育專業(yè)，系統(tǒng)培養(yǎng)K-12技術(shù)與工程課程教師。例如，普渡大學(xué)開設(shè)的工程/技術(shù)教師教育專業(yè)，其核心課程為：工程/技術(shù)教育中的原型、整合教育基礎(chǔ)、工程/技術(shù)教師教育入門、STEM教育中的技術(shù)與工程、工程和技術(shù)教育教學(xué)計劃和評價、定量推理、普通物理、基礎(chǔ)心理學(xué)、語言交流基礎(chǔ)等課程。

從州層面看，技術(shù)與工程教師教育與培養(yǎng)體系完備。例如，印州已建立較為完備的STEM教師培養(yǎng)及培訓(xùn)體系，包括職前培養(yǎng)、入職培養(yǎng)和職后培養(yǎng)三個階段。入職階段的技術(shù)與工程教師在進入學(xué)校任教時，由中小學(xué)與大學(xué)的專任教師負責(zé)他們的入職培訓(xùn)。一年試用期滿，合格者可獲得技術(shù)與工程教師的正式入職資格。技術(shù)與工程教師職后培養(yǎng)形式靈活豐富多樣，在職教育的機構(gòu)包括高等院校、專門性的教師教育機構(gòu)、教師專業(yè)發(fā)展學(xué)校、網(wǎng)絡(luò)遠程培訓(xùn)機構(gòu)等。美國還有很多正式與非正式的項目以及政策法規(guī)，為K-12階段技術(shù)與工程教師的專業(yè)發(fā)展提供了有利條件。

對照美國實踐，我們要意識到加強中小學(xué)技術(shù)與工程教育是國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，是轉(zhuǎn)變育人模式，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要路徑。中小學(xué)技術(shù)與工程教育可能是國際基礎(chǔ)教育未來競爭的前沿。我們要居安思危，加強研究，完善基礎(chǔ)教育課程體系，重視加強技術(shù)與工程教育的時機。

加強中小學(xué)工程啟蒙教育的意義

加強工程教育是提高國民科技實踐與創(chuàng)新能力，促進社會經(jīng)濟發(fā)展的重要途徑?？茖W(xué)、技術(shù)、工程三者有密切聯(lián)系，也有明顯差別?？茖W(xué)是對自然界客觀規(guī)律的探索，科學(xué)知識的基本形式包括科學(xué)概念、科學(xué)假說和科學(xué)定律，科學(xué)活動的典型形式是科學(xué)實驗和理論研究等基礎(chǔ)科學(xué)研究。技術(shù)是改造世界的手段、方法和過程，技術(shù)知識的基本形式是技術(shù)原理和操作方法，技術(shù)活動的典型方式是發(fā)明、創(chuàng)新和轉(zhuǎn)移等技術(shù)開發(fā)。工程是實際的改造世界的物質(zhì)實踐活動和改造實施過程。工程知識的主要形式是工程原理、設(shè)計和施工方案等，工程活動的基本方式是計劃、預(yù)算、執(zhí)行、管理、評估等。

與此相對應(yīng)，技術(shù)與工程教育和科學(xué)教育有著不同的使命。然而在我國，中小學(xué)工程教育并沒有受到應(yīng)有的重視，我們應(yīng)當意識到當前加強中小學(xué)工程啟蒙教育的緊迫性。美國在強調(diào)技術(shù)與工程教育時經(jīng)常以中國為參照，對比中國的工程師和美國的工程師培養(yǎng)。在基礎(chǔ)教育階段加強以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為目標的工程啟蒙教育，是中國走向工程教育強國的重要一步。中小學(xué)工程啟蒙教育更重要的意義在于強調(diào)應(yīng)用性課程與跨學(xué)科課程，有助于彌補以往基礎(chǔ)性課程中學(xué)術(shù)性課程比例過高、分科過于嚴重的缺陷。

加強工程啟蒙教育是豐富基礎(chǔ)教育課程的內(nèi)涵，轉(zhuǎn)變育人模式的重要抓手。加強工程啟蒙教育不只是學(xué)習(xí)領(lǐng)域的拓展，更是人才培養(yǎng)模式的突破與發(fā)展。工程教育所培養(yǎng)的工程思維是一種設(shè)計、籌劃、建造以滿足人的需要為目的的實踐理性思維，包括系統(tǒng)思考能力、創(chuàng)造力、合作、溝通能力以及道德思考等技能。

工程思維的培養(yǎng)是個人能力最重要的因素之一，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效途徑之一。工程教育中的創(chuàng)意、設(shè)計、實踐、產(chǎn)品等重要屬性和要素可以極大地豐富基礎(chǔ)教育課程的內(nèi)涵和育人價值，使包括科學(xué)（綜合或分科）在內(nèi)的相關(guān)課程在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、實踐和問題解決能力上有最直接的支撐點，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供更為真切的途徑。

我們還要體會超越工程學(xué)科價值的教育學(xué)意義。加強工程啟蒙教育的意義，并不完全在于培養(yǎng)工程師，而是探索教育教學(xué)的變革與尋衡，從偏重“學(xué)術(shù)取向”的學(xué)習(xí)向兼顧“應(yīng)用取向”的學(xué)習(xí)發(fā)展，從“知識積累”的學(xué)習(xí)向同時注重“素養(yǎng)發(fā)展”“思維發(fā)展”的學(xué)習(xí)發(fā)展，逐步將理論性的科學(xué)思維、試錯性的工程思維和現(xiàn)實性的設(shè)計思維相結(jié)合，使學(xué)生真正實現(xiàn)“認知學(xué)習(xí)”和“人的社會性成長”的平衡成長。

加強工程啟蒙教育也是推進21世紀勞動教育實施的需要。當前，中小學(xué)勞動教育受到重視。勞動教育要幫助學(xué)生在實踐體驗中理解勞動。勞動是一種付出的過程、實踐的過程，是面對真實問題的探索與解決的過程，是促進學(xué)生社會化的過程。這恰巧與技術(shù)與工程教育的取向高度吻合。另一方面，在人工智能時代，勞動教育不僅僅局限于簡單的體力勞動，而應(yīng)追求智慧勞動與創(chuàng)造性勞動。技術(shù)與工程領(lǐng)域的勞動涉及大量的智慧勞動、創(chuàng)造性勞動。因此，加強中小學(xué)工程啟蒙教育也是推進勞動教育的重要路徑。

加強工程啟蒙教育是引導(dǎo)學(xué)生職業(yè)發(fā)展規(guī)劃的重要手段。中小學(xué)技術(shù)與工程教育涉及廣泛的技術(shù)與工程領(lǐng)域，是引導(dǎo)學(xué)生生涯發(fā)展規(guī)劃的重要手段。在美國一些報告中，強調(diào)中小學(xué)技術(shù)與工程教育的價值之一在于提高對工程和工程師職業(yè)的認識和興趣。印州將“提升早期STEM職業(yè)體驗”，作為推進STEM教育的三大戰(zhàn)略之一，強調(diào)建立STEM生態(tài)系統(tǒng)，擴大和豐富每個學(xué)習(xí)者的教育和職業(yè)經(jīng)歷。

浙江省的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從學(xué)生從事科技相關(guān)工作的意愿來看，隨著年級的增加，學(xué)生的意愿在不斷降低，學(xué)生的意愿系數(shù)從四年級的0.838，到八年級下降至0.427，高中為0.479。特別是“意愿很強烈”的比例，下降明顯。要改變這種局面，工程啟蒙教育是重要手段。加強技術(shù)與工程教育是引導(dǎo)學(xué)生職業(yè)發(fā)展規(guī)劃的重要手段，可以在技術(shù)與工程教育中融入職業(yè)教育，幫助學(xué)生了解技術(shù)與工程領(lǐng)域的職業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生對該領(lǐng)域的興趣和選擇傾向。

加強我國中小學(xué)工程啟蒙教育的建議

我們應(yīng)從戰(zhàn)略高度看待中小學(xué)技術(shù)與工程教育的發(fā)展，從轉(zhuǎn)變育人模式的系統(tǒng)視角理解工程啟蒙教育的意義。由此，我們提出以下建議。

將工程啟蒙教育納入國家義務(wù)教育課程體系中。新課標中已提出在科學(xué)教育中融合技術(shù)與工程，并加強信息科技教育，可見已經(jīng)關(guān)注到技術(shù)與工程，但技術(shù)與工程具有獨立的知識形態(tài)和活動方式，也包括除了信息之外的能源、材料等更廣泛的領(lǐng)域，因此現(xiàn)有的方案并不能替代獨立形態(tài)的工程教育。要制訂至少十年不落后的國家課程標準，在基礎(chǔ)教育階段加強工程啟蒙教育，加強應(yīng)用性課程的建設(shè)。

建議設(shè)立獨立的工程啟蒙課程，研制獨立的課程標準。在小學(xué)階段開展以“設(shè)計思維”培養(yǎng)為主的項目學(xué)習(xí)實踐，開展工程啟蒙教育，初中階段設(shè)立一學(xué)年的工程啟蒙教育的必修課程，以及一定體量的選修課程模塊。義務(wù)教育階段工程啟蒙教育課程應(yīng)與高中通用技術(shù)課程形成配合。

在各地發(fā)展不平衡的情況下推進中小學(xué)工程啟蒙教育。從中小學(xué)工程啟蒙教育實施的基礎(chǔ)來看，浙江、北京、上海、江蘇等地區(qū)有較好的勞動與技術(shù)課程基礎(chǔ)，并且近年來積極推進STEM教育，而一些地區(qū)尚未很好實施技術(shù)類課程，還沒有關(guān)注工程教育，各地發(fā)展不平衡。建議在有一定基礎(chǔ)的地區(qū)先行試驗工程啟蒙教育，鼓勵其他地區(qū)積極參加試驗，分階段推進中小學(xué)工程啟蒙教育。

成立中小學(xué)工程啟蒙教育研究與實施的支持機構(gòu)。我國缺乏中小學(xué)工程啟蒙教育的研究與各種支持。建議在我國成立類似的研究機構(gòu)，積極引導(dǎo)并鼓勵高校、企業(yè)和社會機構(gòu)共同參與工程教育項目，提供工程教育課程支持，作為工程啟蒙教育的學(xué)術(shù)支持，并建設(shè)類似于美國的PLTW 企業(yè)聯(lián)合支持的工程課程資源中心，開展課程資源服務(wù)與師資培養(yǎng)輔導(dǎo)。

加強高校的中小學(xué)工程啟蒙教育專業(yè)建設(shè)和師資培養(yǎng)。要發(fā)展我國中小學(xué)工程啟蒙教育，必須有一支優(yōu)秀的技術(shù)與工程教育教師隊伍。因此，一方面建議在國家層面設(shè)置技術(shù)與工程教育專業(yè)，另一方面可借鑒美國技術(shù)與工程教育教師培養(yǎng)模式，師范院?？稍谖锢?、化學(xué)等科學(xué)專業(yè)增設(shè)技術(shù)與工程教育方向，有教育學(xué)院的綜合性大學(xué)、有工程學(xué)院的師范院?？刹扇」こ虒W(xué)院與教育學(xué)院的聯(lián)合培養(yǎng)。此外，重視工程啟蒙教育教師隊伍的在職培訓(xùn)，在我國可通過國家級培訓(xùn)引領(lǐng)，省、市、縣教研跟進的方式促進工程啟蒙教育教師專業(yè)發(fā)展。