透視美國(guó)K-12工程教育體系：經(jīng)驗(yàn)與特色

鞏曉陽(yáng) 江波 郭曉麗

工程教育是促進(jìn)教育、科技和人才高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。2023年5月，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》，提出中小學(xué)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃科學(xué)教育與工程教育，在活動(dòng)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)實(shí)踐性和綜合性?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》也列出了技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)科核心概念。美國(guó)在K-12階段的工程教育實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在課程建設(shè)、教學(xué)與評(píng)價(jià)、支持保障等方面形成了較為成熟的模式，或可為我國(guó)基礎(chǔ)教育階段開展工程教育提供有益參考。

美國(guó)K-12工程教育的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

工程教育的課程設(shè)計(jì)

工程教育本身具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和綜合性，因此目前美國(guó)K-12工程類課程在課程目標(biāo)、課程內(nèi)容和教學(xué)策略等方面表現(xiàn)出了較大的差異。以“設(shè)計(jì)未來的新澤西”（Engineering Our Future New Jersey）項(xiàng)目為例，它是由斯蒂文斯理工學(xué)院的科學(xué)與工程教育創(chuàng)新中心聯(lián)合波士頓科學(xué)博物館共同發(fā)起的，旨在開發(fā)一系列適合新澤西州K-12不同學(xué)段學(xué)生的工程教育課程：小學(xué)階段以水和風(fēng)為主題，課程內(nèi)容涵蓋環(huán)境工程和機(jī)械工程等；初中階段以玩具設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)活動(dòng)為載體，課程內(nèi)容涵蓋力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)；高中階段以流體、熱力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等為主題單元，學(xué)生在輪船和變速風(fēng)扇的設(shè)計(jì)活動(dòng)中學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。實(shí)踐結(jié)果表明，專門的工程教育課程能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)概念和知識(shí)的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自我效能。

來自美國(guó)威斯康星大學(xué)的韋爾蒂教授在收集整理了大量工程課程案例的基礎(chǔ)上，深度分析總結(jié)了其中蘊(yùn)含的關(guān)鍵特征，最終提出了針對(duì)K-12階段工程教育課程的“珠線模型”（如上圖所示）。其中，“珠”代表工程類課程所涵蓋的內(nèi)容主題，比如磁懸浮列車、數(shù)碼設(shè)備以及各類手工制作活動(dòng)等。穿過珠子的“線”代表工程類課程所蘊(yùn)含的學(xué)科核心概念和過程性技能。其中，“科學(xué)”“數(shù)學(xué)”和“技術(shù)”三條線代表了工程教育涉及的學(xué)科領(lǐng)域，它們之間有著緊密聯(lián)系。首先，學(xué)生需要在工程設(shè)計(jì)過程中收集、分析、解釋和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。其次，工程設(shè)計(jì)類問題常常與科學(xué)學(xué)科內(nèi)容如力、電、能源、材料等息息相關(guān)，學(xué)生也需要用科學(xué)的方法進(jìn)行探究，比如在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中控制變量并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出決策。最后，信息技術(shù)是工程類課程不可或缺的組成部分，例如學(xué)生可以利用可視化技術(shù)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和呈現(xiàn)，也可以在描述、解釋和討論如何運(yùn)用信息技術(shù)的過程中學(xué)習(xí)相關(guān)的工程概念和知識(shí)。除了以上三條內(nèi)容線，最后一條“設(shè)計(jì)”線，主要強(qiáng)調(diào)工程教育的動(dòng)手實(shí)踐。工程設(shè)計(jì)具有明確的目標(biāo)導(dǎo)向性和重復(fù)迭代性，其操作過程涉及諸多內(nèi)容，如定義工程問題、識(shí)別潛在的限制、設(shè)計(jì)不同方案、分析評(píng)價(jià)方案的可行性、權(quán)衡利弊選擇最優(yōu)方案等，其中滲透了豐富多樣的實(shí)踐活動(dòng)。

工程教育的教學(xué)評(píng)價(jià)

工程教育的課程設(shè)計(jì)與教學(xué)評(píng)價(jià)相輔相成。因?yàn)楣こ探逃哂锌鐚W(xué)科屬性，其相關(guān)的實(shí)踐評(píng)價(jià)無(wú)法與科學(xué)學(xué)科和技術(shù)學(xué)科割裂開來。實(shí)際上，美國(guó)K-12階段的工程教育和相關(guān)評(píng)價(jià)常常滲透融合在其他學(xué)科中。以科學(xué)學(xué)科為例，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）發(fā)布的《K-12科學(xué)教育框架》（A Framework for K-12 Science Education）列出了八項(xiàng)具體的科學(xué)工程實(shí)踐內(nèi)容，分別為提出科學(xué)問題或定義工程問題、設(shè)計(jì)和使用模型、計(jì)劃和實(shí)施調(diào)查、分析解釋數(shù)據(jù)、運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維、解釋和設(shè)計(jì)解決方案、基于證據(jù)闡明觀點(diǎn)并論證、獲取評(píng)價(jià)和交流信息。基于以上準(zhǔn)則，相關(guān)文件詳細(xì)列出了幼兒園—2年級(jí)、3—5年級(jí)、6—8年級(jí)、9—12年級(jí)四個(gè)學(xué)段的科學(xué)工程類學(xué)習(xí)的具體學(xué)業(yè)要求，為美國(guó)K-12工程教育的實(shí)踐評(píng)價(jià)提供了政策理論依據(jù)。

2018年，美國(guó)國(guó)家教育進(jìn)展評(píng)估（NAEP）委員會(huì)提出了技術(shù)與工程素養(yǎng)評(píng)價(jià)框架，包含評(píng)價(jià)領(lǐng)域、實(shí)踐和情境三部分。評(píng)價(jià)領(lǐng)域包括“技術(shù)與社會(huì)”“設(shè)計(jì)與系統(tǒng)”“信息與通信技術(shù)”三方面，分別與“理解技術(shù)原理”“設(shè)計(jì)方案并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)”“交流與合作”三項(xiàng)實(shí)踐活動(dòng)相對(duì)應(yīng)，情境則包含“社會(huì)議題”“設(shè)計(jì)問題”“學(xué)校和社區(qū)目標(biāo)”三類。以“設(shè)計(jì)與系統(tǒng)”這一與工程教育密切相關(guān)的評(píng)價(jià)為例，其包含了技術(shù)的本質(zhì)、工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)思維、維護(hù)和故障診斷四個(gè)子項(xiàng)，并詳細(xì)闡述了各項(xiàng)的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，比如工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：工程設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性、創(chuàng)造性和迭代性；設(shè)計(jì)過程包含發(fā)現(xiàn)和描述問題、形成初步想法并進(jìn)行評(píng)估、選擇最優(yōu)方案、構(gòu)建測(cè)試模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)果展示交流等環(huán)節(jié)；評(píng)估方案時(shí)綜合考量設(shè)計(jì)的便捷性、安全性、美觀性等。

除此之外，美國(guó)技術(shù)與工程教師教育協(xié)會(huì)（CTETE）和美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育協(xié)會(huì)（ITEEA）聯(lián)合發(fā)布的《技術(shù)與工程素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)：STEM 教育中技術(shù)與工程的作用》強(qiáng)調(diào)要在跨學(xué)科教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)與工程素養(yǎng)。文件從標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)踐和情境三個(gè)維度闡述了技術(shù)工程素養(yǎng)的內(nèi)涵。標(biāo)準(zhǔn)部分包括技術(shù)與工程的本質(zhì)和特點(diǎn)，技術(shù)與工程的核心概念，知識(shí)、技術(shù)和實(shí)踐的整合，社會(huì)對(duì)技術(shù)發(fā)展的影響，技術(shù)史，技術(shù)與工程教育中的設(shè)計(jì)，技術(shù)產(chǎn)品及系統(tǒng)的應(yīng)用、維護(hù)與評(píng)價(jià)等。實(shí)踐部分包括系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、批判性思維、樂觀的態(tài)度、合作、溝通、倫理關(guān)注等。情境部分包括自動(dòng)化、人工智能和機(jī)器人、材料轉(zhuǎn)換與加工、運(yùn)輸和物流、能源與動(dòng)力、信息與通訊、醫(yī)療與健康技術(shù)、農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)等。該文件同樣也詳細(xì)列出了各學(xué)段的具體學(xué)業(yè)表現(xiàn)要求。

以上兩個(gè)文件具有一定的相似性，三個(gè)維度中，情境是技術(shù)工程素養(yǎng)評(píng)價(jià)的載體，評(píng)價(jià)領(lǐng)域/標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐是評(píng)價(jià)的內(nèi)容與對(duì)象。

美國(guó)K-12工程教育特色

凸顯工程課程的跨學(xué)科性和進(jìn)階性。理論層面上，美國(guó)發(fā)布的一系列文件將工程教育與科學(xué)教育、技術(shù)教育緊密聯(lián)系起來，將科學(xué)工程實(shí)踐和技術(shù)工程素養(yǎng)納入學(xué)生的學(xué)業(yè)成就評(píng)價(jià)體系。實(shí)踐層面上，各地開展的工程教育課程呈現(xiàn)出明顯的跨學(xué)科特征，不同學(xué)段的不同主題和任務(wù)設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了知識(shí)與技能的進(jìn)階性。

注重學(xué)生的高階思維培養(yǎng)。美國(guó)科學(xué)工程實(shí)踐和技術(shù)工程素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)都強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和系統(tǒng)思維等。因此，K-12階段的工程教育除了關(guān)注學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)概念學(xué)習(xí)外，還非常重視學(xué)生高階思維的培養(yǎng)。以“應(yīng)急燈的設(shè)計(jì)和制作”主題任務(wù)為例，學(xué)生既要從產(chǎn)品出發(fā)，全局考慮應(yīng)急燈的組成要素，又要從現(xiàn)實(shí)需要和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定出發(fā)，權(quán)衡電池型號(hào)、燈泡的規(guī)格數(shù)量等參數(shù)。同時(shí)，還需從美學(xué)角度創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)燈罩的外觀和形狀，并從使用效果、經(jīng)濟(jì)成本和安全環(huán)保等角度辯證思考不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，后期應(yīng)急燈出現(xiàn)故障時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行診斷和維修。

發(fā)揮校外科普?qǐng)鏊诠こ探逃械沫h(huán)境優(yōu)勢(shì)。美國(guó)K-12工程教育的開展常有社會(huì)多維力量的參與。施萬(wàn)（Schwan）等學(xué)者認(rèn)為，科技館和博物館等校外科普?qǐng)鏊沫h(huán)境優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在目標(biāo)受眾群體的多樣性、信息呈現(xiàn)方式的多元性和物理空間環(huán)境的獨(dú)特性。比如，校外科普?qǐng)鏊梢岳枚嗝襟w、虛擬現(xiàn)實(shí)、體感互動(dòng)、AI創(chuàng)作等技術(shù)，以展覽、表演、體驗(yàn)、探究等多種形式有效激發(fā)青少年STEM學(xué)習(xí)的好奇心和想象力。因此，美國(guó)中小學(xué)常與校外科普?qǐng)鏊疃群献?，通過課內(nèi)外豐富的實(shí)踐活動(dòng)為學(xué)生創(chuàng)造更多跨學(xué)科學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，構(gòu)建校內(nèi)外協(xié)同的教育學(xué)習(xí)體系。在此過程中，校外科普?qǐng)鏊矠榻處煹膶I(yè)發(fā)展和培訓(xùn)提供了豐富的資源。

【本文系2023年全國(guó)教育科學(xué)規(guī)劃教育部青年課題“跨學(xué)科背景下義務(wù)教育階段學(xué)生系統(tǒng)思維評(píng)價(jià)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：EHA230487）階段性成果】