基础教育阶段的工程教育：目标框架与实施建议

王长江，盛 洋，安 秋

近年来，培育工程领域优秀人才的工程教育，得到世界各国政府的高度重视。基于国家战略发展的新需求、国际竞争的新局面、立德树人的新要求，代表我国高等工程教育改革方向的“新工科”应运而生，并成为近两年学界讨论的热点话题。“新工科”是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新性、系统化、开放式的特征。［1］［2］

建设“新工科”从国家战略上体现了对未来工科人才的新需求，是今后若干年高等工程教育的重要目标。但是，教育是一种缓慢的、连续的、承接的人才培育系统工程。培养“创新型卓越工程人才”，不仅需要高等工程教育的“全力以赴”，更需要基础教育阶段工程教育的启蒙、积累与良好基础。目前，我国基础教育阶段的工程教育理论和实践研究才刚刚起步，还没有引起大家的足够重视。基于这样的认识，本文将在“新工科”背景下，从基础教育阶段工程教育的建设目标入手，探索我国基础教育阶段工程教育的目标框架、课程体系、课程实施等问题。

一、我国基础教育阶段工程教育的现状

如前文所述，目前，我国高等教育阶段的“新工科”建设如火如荼，而基础教育阶段的工程教育却悄无声息。从国家教育政策来看，建国后，我国历经多次基础教育课程改革，出台了多个重要的教育纲要、规划，其中却极少涉及基础教育阶段的工程教育。从教学实践来看，除了中国青少年机器人竞赛、全国青少年创意工程挑战赛、全国青少年科技创新大赛等校外活动，各地中小学课程体系中关于工程教育的相关教学内容基本上处于空白状态。缺少国家政策层面的指导与推动，加之研究者、社会各界、中小学一线教师对于基础教育阶段工程教育的重要性认识不足，导致我国基础教育阶段的工程教育成了“被忽视和遗忘的角落”。

在与中小学生的访谈中，我们发现：小学生对工程师职业不仅知之甚少，且有一些“刻板印象”：认为工程师就是泥瓦工，或包工头等；在初中生中，想当演艺明星、老板的多，愿意当工程师的少；高中生对大学专业缺乏足够的了解，大多根据自己的高考分数选择一个录取“性价比”较高的高校和专业，其中每年高考志愿填报工科专业人数众多，但很多学生对“工程师是什么”却知之甚少。

创新能力是卓越工程师的重要品质，也是我国工程教育的目标；创新能力在基础教育阶段主要表现为创造力。基础教育阶段的工程教育所呈现的国际趋势和发展经验印证了这一趋向。多项研究表明，我国中小学学生的创造力表现堪忧。其中一项研究选取了上海、天津、重庆、南京、杭州和南昌等6个城市106所中小学校，对1 1098名学生进行了大样本调查，研究发现6城市中小学生创造力存在如下突出问题：学生的假设能力、设计能力不足，课外的科技活动开展不充分；学生的模仿能力强、设计能力弱，课内教育活动多、课外教育活动少。另外一项调查同时发现：学生的技术创新设计的各项指标均较低，尤其在掌握材料性能、使用工具、评估产品等方面明显薄弱。［3］［4］

综合分析我国中小学工程教育的现状，可以得出：我国基础教育阶段的工程教育存在“国家教育政策”和“课程教学实施”等多方面的问题。基础教育阶段工程教育的“基础不牢”极有可能造成国家人才战略的“后期乏力”，需要引起我们的警醒。国外相关研究与实践进一步印证了重视和加强基础教育阶段工程教育的积极意义：改善学生在科学和数学科目上的学习和成绩；增强对工程和工程师职业的了解与认识；理解并有能力参与到工程设计；将工程师作为职业的兴趣增强。［5］（p49）

二、基础教育阶段工程教育的目标框架设计

基础教育阶段的工程教育是本科及以上阶段工程教育的基础，其目的在于为提高全体学生的工程素养奠定良好基础。工程素养是学生在接受工程教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的知识、能力、态度的综合，是学生通过工程学习内化了的带有工程学科特性的品质。相关研究显示，不同于高等工程教育注重对工程人才的高阶创新实践能力培养，基础教育阶段的工程教育应注重全体学生对工程的基本认知、对工程与科学、技术、数学等学科关系的基本认识、工程设计兴趣、工程思维习惯的培养。比如，美国在《美国K-12工程教育：现状及未来》、《K-12工程教育标准》、《K-12科学教育框架：实践、交叉概念和核心概念》等教育文件中强调，K-12工程教育的关键在于“激发学生的创造兴趣、对工程设计的兴趣、对工程职业的向往和养成习惯性的工程思维。”［6］还有研究表明，优秀的工程师具有以下素养：先进的工程观念、积极的工程思维习惯和良好的工程设计能力。

综合已有研究，考虑到处于基础教育阶段学生的认知发展特点以及对科学、技术、数学知识等学科知识的掌握情况，我们将基础教育阶段工程教育的目标确定为：形成初步的工程观念；具有初步的工程设计能力；养成良好的工程思维习惯（参见图1）。

图1 我国基础教育阶段工程教育的目标

（一）形成初步的工程观念

观念是客观事物在人脑中的反映，是概念的概念；反映客观事物，同时又反作用于客观事物，具有预测、指导、改造客观存在的强大反作用力。［7］（p28）“工程观念”是从工程学科视角形成的关于工程的知识、工程与人、工程与数学、科学、技术的关系等基本认识，是工程知识在头脑中的提炼和升华。［8］

表1. 基础教育阶段工程观念目标

工程观念是工程知识领域的核心内容，是解决工程问题的关键视角和思维指南。“工程观念”主要包括工程知识、工程与人的关系、工程与数学、科学、技术的关系等要素。基础教育阶段的工程教育促进全体学生形成初步的工程观念。四个学段的工程观念目标参见表1。

（二）具有初步的工程设计能力

设计是人类一切有目的行为的起点。工程设计是一种以满足人们的需求和愿望为目的的，对不同问题提出解决方案的反复的、系统的活动。［9］工程设计涉及到解决实际问题的能力、研究、开发和发明创新，并要求设计、绘图、构建、测试和重新设计。［10］广义而言，工程设计包括了诸如建筑设计、制造设计、工业设计和软件设计等的设计活动。工程设计的流程包括界定问题、产生想法、方法选择、制作草图（或制作模型）、优化方案、测评设计（包括根据测评结果修改、完善设计）、交流结果。

在教学中，要引导学生运用一定的操作技能解决生活中的问题，将一定的想法或创意付诸实践，通过设计、制作或装配等，制作和不断改进较为复杂的制品或用品，发展实践创新意识，提高工程设计能力。

“工程设计能力”主要包括确定问题、方案设计、评估改进等要素。基础教育阶段的工程教育应培养学生的工程设计能力，并努力激发学生的工程设计兴趣。四个学段的工程设计能力培养目标参见表2。

表2. 基础教育阶段工程设计能力目标

（三）养成良好的工程思维习惯

工程思维是人类最常见、最重要的思维方式之一；在工程教育中，工程思维方式的教育和培养是最核心的任务和内容之一。［11］工程思维是以工程知识为质料，以工程眼光和工程观念看待世界和处理问题的思考方式。［12］

工程思维习惯是工程素养的核心品质，主要包括：创造力、批判性思维、系统思维等要素。基础教育阶段的工程教育应努力培育学生的工程思维习惯。四个学段的工程思维习惯目标参见表3。

三、基础教育阶段工程教育的课程设计思路

基础教育阶段工程教育的目标应通过设计具体、可行的课程内容来完成。开展基础教育阶段的工程教育不宜在“过度填充的筒仓”中挤占中小学课程空间，而应通过合理方式将工程教育整合到中小学课程的衔接“缝隙”中［13］，操作性较强的方式是：通过“浸入式”的方式增加工程教育的课程。根据国外STEM的相关研究，可以将工程教育课程内容“浸入”到基础教育阶段开设的综合实践活动、综合科学课程（包括中学的物理、化学、生物课程）、数学、科学（包括小学和中学的科学课程）、技术等课程内容中。

其一，将工程教育的课程内容浸入到中小学“综合实践活动”课程中。

综合实践活动是从学生的真实生活和发展需要出发，从生活情境中发现问题，转化为活动主题，通过探究、制作、体验等方式，培养学生综合素质的跨学科实践性课程。综合实践活动是国家义务教育和普通高中课程方案规定的必修课程，与学科课程并列设置。在教育部2017年9月25日发布的“中小学综合实践活动推荐主题汇总”中，有大量的可以用作工程教育的素材。

将工程教育课程浸入到中小学“综合实践活动”课程中，既能丰富“综合性活动”课程的内容，将创新观念物化为具体可见的产品或作品，培养学生的工程观念，又能进一步增强学生对工程职业的向往和期待，为部分学生成为未来的“卓越工程人才”播下希望的种子。

其二，将工程教育课程浸入到小学科学课程或中学“综合科学类”课程（如物理、化学、生物等）中。

在我国新出版的《义务教育小学科学课程标准》中，增加了“技术与工程领域”内容，强调：工程技术人员依据科学原理设计和制造物品、解决技术应用的难题，创造了丰富多彩的人工世界；工具延伸和增强了人类的能力；人们利用工具生产产品、改造环境，以满足自身和社会发展的需求；工程技术的核心是设计，创新是设计的灵魂，每一项设计都需要不断完善。［14］（p52）

2017版小学科学课程标准吸收了国际上STEM的最新研究成果，尝试将工程教育整合到科学课程中，这对于国内基础教育阶段的工程教育无疑是一种绝好的浸入渠道；另外，中学阶段的“综合科学类”课程中的实验活动与工程设计相辅相成、关联密切，两种活动都有助于培养学生的创造性思维、批判性思维、积极交流和协同合作能力。

在总结国内外基础阶段工程教育实践的基础上，我们以示例的形式，提出了我国基础教育阶段工程教育的课程内容设计思路（参见表4）。

表3. 基础教育阶段工程思维习惯目标

四、基础教育阶段工程教育的课程实施

课程实施对应着教学方法。教学方法是达成工程教育目的的桥梁。众多的教学实践和理论探索都表明：传统的教学方法对于工程课程教学质量来说是低效的。根据国内外工程教育实践的情况，较为有效的课程教学是围绕着一个主题开展教学，即基于项目的学习。［15］［16］

基于设计的学习作为基于项目学习的三种形式之一，是一种新兴的学习研究范式，目前在世界教育领域倍受关注。它聚焦于对有效学习环境的设计和自然发生其中的学习的理解，强调在真实、复杂、独特和灵活的学习情景下研究真实的教学问题，通过为特定的场合设计学习环境，通过迭代式的设计研究过程将理论与实践连接起来，是将理论连接实践活动的方法。［17］工程设计具有迭代性、开放性等特点，特别适合采取基于设计的学习方式。基于以上认识，我们设计了基础教育阶段工程教育课程的教学流程图（参见图2）。

1.理解任务

在“创设情境，理解任务”环节，教师应创设工程设计情境，引导学生自己提出工程问题；并且描述工程设计的过程，示范工程思维过程。学生在教师的引导下，理解工程设计任务，及时记录工程活动日志。

表4. 基础教育阶段工程教育课程内容设计示例

图2 基础教育阶段工程教育课程的教学流程图

2.建立联系

在“搭建桥梁，建立联系”环节，教师引导学生从已有知识中检索与工程设计活动主题有关的信息。帮助学生对相关的工程设计问题进行分解和分类。学生能用科学的眼光，从工程思维的角度，去审视这些工程问题与资料，发现它们之间的联系。

3.设计方案

在“设计实施，修正完善”环节，教师要指导学生经历设计方案、建模与检验、分析与解释、展示与分享等迭代循环过程，不断完善设计方案、实施方案。学生需要在教师和同伴协助下，经历以上方案的设计、修正、实施等迭代循环过程。

4.反思小结

在“交流评价，反思小结”环节，教师要引导学生展示工程设计活动成果，总结和归纳活动中涉及到的工程知识，帮助学生进行知识建构和重组。学生需要在教师的引导下，展示活动成果，总结所学工程知识、反思整个学习活动。

五、结语

培养国家需要的“创新型卓越工程人才”，是一个持续的教育过程，既需要高等教育阶段工程教育的“全力以赴”，也需要基础教育阶段工程教育的不断积累与良好奠基。在新世纪，将工程教育的重心下移、时间前移，已经成为世界各国推进中小学工程教育发展的主要举措。当前，我们应该做好以下工作：

其一，政府相关部门应该尽快启动、制定、颁布基础教育阶段工程教育的“国家政策”，其中最为迫切的是研制基础教育阶段的“工程教育课程标准”。

课程标准是规定某一学科的课程性质、课程目标、内容要求、实施建议的教学指导性文件。在基础教育阶段的“工程教育课程标准”中，应充分考虑基础教育阶段工程教育在“提升学生的工程学科素养”方面的“基础性”地位，处理好它与高等工程教育培养“创新型卓越工程人才”目标的衔接，在此基础上，确定我国基础教育阶段工程教育的总目标；应凝练并提出工程学科素养（可以涵盖工程观念、工程思维习惯、工程设计能力等主要核心素养）；应明确提出基础教育不同阶段的工程教育学业质量标准，为进一步评价中小幼学生的工程教育学业质量水平提供依据。还可通过教学建议的形式给出工程教育“浸入式”教学的教学建议。

其二，政府相关部门、研究者、中小幼一线教师应多方联动，协同运作，扎实、有序地开展中小幼的工程教育实践，努力找到解决不同教育情境下“课程实施”问题的钥匙。

我国基础教育阶段工程教育的研究与实践，还处在“拓荒”的初期，包括政府部门、高校研究者、中小幼一线教师，应该从国家人才培养的战略眼光，来积极探索有效的工程教育教学策略。例如，如何将工程教育的课程内容有效地“浸入”到基础教育阶段开设的综合实践活动、综合科学课程等课程内容中，就是一项极为紧迫的课题。还有，工程教育的评价，应该选择恰当的、多样的评价证据类型。表现性任务是其中一种重要的评价类型。表现性任务要求学生在真实的或现实的情境中，解决多阶段、复杂的学科内或跨学科难题，可以充分地反映和表现学生对包括工程学科观念、工程思维习惯、工程设计能力等工程学科核心素养掌握情况。表现性任务可以广泛地应用于中小幼各个不同学习阶段的工程学科核心素养的评价。