透视美国K-12工程教育体系：经验与特色

巩晓阳 江波 郭晓丽

工程教育是促进教育、科技和人才高质量发展的重要途径。2023年5月，教育部等十八部门联合印发了《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，提出中小学应统筹规划科学教育与工程教育，在活动设计中体现实践性和综合性。《义务教育科学课程标准（2022年版）》也列出了技术与工程领域的学科核心概念。美国在K-12阶段的工程教育实践中积累了丰富的经验，在课程建设、教学与评价、支持保障等方面形成了较为成熟的模式，或可为我国基础教育阶段开展工程教育提供有益参考。

美国K-12工程教育的理论与实践经验

工程教育的课程设计

工程教育本身具有较强的实践性和综合性，因此目前美国K-12工程类课程在课程目标、课程内容和教学策略等方面表现出了较大的差异。以“设计未来的新泽西”（Engineering Our Future New Jersey）项目为例，它是由斯蒂文斯理工学院的科学与工程教育创新中心联合波士顿科学博物馆共同发起的，旨在开发一系列适合新泽西州K-12不同学段学生的工程教育课程：小学阶段以水和风为主题，课程内容涵盖环境工程和机械工程等；初中阶段以玩具设计挑战活动为载体，课程内容涵盖力学和运动学等领域的知识；高中阶段以流体、热力系统、电气系统等为主题单元，学生在轮船和变速风扇的设计活动中学习相关领域的专业知识。实践结果表明，专门的工程教育课程能够促进学生对相关概念和知识的理解，提高学生学习的自我效能。

来自美国威斯康星大学的韦尔蒂教授在收集整理了大量工程课程案例的基础上，深度分析总结了其中蕴含的关键特征，最终提出了针对K-12阶段工程教育课程的“珠线模型”（如上图所示）。其中，“珠”代表工程类课程所涵盖的内容主题，比如磁悬浮列车、数码设备以及各类手工制作活动等。穿过珠子的“线”代表工程类课程所蕴含的学科核心概念和过程性技能。其中，“科学”“数学”和“技术”三条线代表了工程教育涉及的学科领域，它们之间有着紧密联系。首先，学生需要在工程设计过程中收集、分析、解释和呈现数据。其次，工程设计类问题常常与科学学科内容如力、电、能源、材料等息息相关，学生也需要用科学的方法进行探究，比如在实验设计过程中控制变量并根据实验结果作出决策。最后，信息技术是工程类课程不可或缺的组成部分，例如学生可以利用可视化技术工具进行数据的分析和呈现，也可以在描述、解释和讨论如何运用信息技术的过程中学习相关的工程概念和知识。除了以上三条内容线，最后一条“设计”线，主要强调工程教育的动手实践。工程设计具有明确的目标导向性和重复迭代性，其操作过程涉及诸多内容，如定义工程问题、识别潜在的限制、设计不同方案、分析评价方案的可行性、权衡利弊选择最优方案等，其中渗透了丰富多样的实践活动。

工程教育的教学评价

工程教育的课程设计与教学评价相辅相成。因为工程教育具有跨学科属性，其相关的实践评价无法与科学学科和技术学科割裂开来。实际上，美国K-12阶段的工程教育和相关评价常常渗透融合在其他学科中。以科学学科为例，美国国家研究委员会（NRC）发布的《K-12科学教育框架》（A Framework for K-12 Science Education）列出了八项具体的科学工程实践内容，分别为提出科学问题或定义工程问题、设计和使用模型、计划和实施调查、分析解释数据、运用数学和计算思维、解释和设计解决方案、基于证据阐明观点并论证、获取评价和交流信息。基于以上准则，相关文件详细列出了幼儿园—2年级、3—5年级、6—8年级、9—12年级四个学段的科学工程类学习的具体学业要求，为美国K-12工程教育的实践评价提供了政策理论依据。

2018年，美国国家教育进展评估（NAEP）委员会提出了技术与工程素养评价框架，包含评价领域、实践和情境三部分。评价领域包括“技术与社会”“设计与系统”“信息与通信技术”三方面，分别与“理解技术原理”“设计方案并实现目标”“交流与合作”三项实践活动相对应，情境则包含“社会议题”“设计问题”“学校和社区目标”三类。以“设计与系统”这一与工程教育密切相关的评价为例，其包含了技术的本质、工程设计、系统思维、维护和故障诊断四个子项，并详细阐述了各项的关键评价指标，比如工程设计的关键评价指标包括：工程设计具有系统性、创造性和迭代性；设计过程包含发现和描述问题、形成初步想法并进行评估、选择最优方案、构建测试模型、优化设计、结果展示交流等环节；评估方案时综合考量设计的便捷性、安全性、美观性等。

除此之外，美国技术与工程教师教育协会（CTETE）和美国国际技术与工程教育协会（ITEEA）联合发布的《技术与工程素养标准：STEM 教育中技术与工程的作用》强调要在跨学科教学中培养学生的技术与工程素养。文件从标准、实践和情境三个维度阐述了技术工程素养的内涵。标准部分包括技术与工程的本质和特点，技术与工程的核心概念，知识、技术和实践的整合，社会对技术发展的影响，技术史，技术与工程教育中的设计，技术产品及系统的应用、维护与评价等。实践部分包括系统思维、创造力、批判性思维、乐观的态度、合作、沟通、伦理关注等。情境部分包括自动化、人工智能和机器人、材料转换与加工、运输和物流、能源与动力、信息与通讯、医疗与健康技术、农业与生物技术等。该文件同样也详细列出了各学段的具体学业表现要求。

以上两个文件具有一定的相似性，三个维度中，情境是技术工程素养评价的载体，评价领域/标准和实践是评价的内容与对象。

美国K-12工程教育特色

凸显工程课程的跨学科性和进阶性。理论层面上，美国发布的一系列文件将工程教育与科学教育、技术教育紧密联系起来，将科学工程实践和技术工程素养纳入学生的学业成就评价体系。实践层面上，各地开展的工程教育课程呈现出明显的跨学科特征，不同学段的不同主题和任务设计也体现了知识与技能的进阶性。

注重学生的高阶思维培养。美国科学工程实践和技术工程素养标准都强调要培养学生的计算思维和系统思维等。因此，K-12階段的工程教育除了关注学生的基础知识概念学习外，还非常重视学生高阶思维的培养。以“应急灯的设计和制作”主题任务为例，学生既要从产品出发，全局考虑应急灯的组成要素，又要从现实需要和国家标准的相关规定出发，权衡电池型号、灯泡的规格数量等参数。同时，还需从美学角度创造性地设计灯罩的外观和形状，并从使用效果、经济成本和安全环保等角度辩证思考不同设计方案的优劣，后期应急灯出现故障时，要对其进行诊断和维修。

发挥校外科普场所在工程教育中的环境优势。美国K-12工程教育的开展常有社会多维力量的参与。施万（Schwan）等学者认为，科技馆和博物馆等校外科普场所的环境优势体现在目标受众群体的多样性、信息呈现方式的多元性和物理空间环境的独特性。比如，校外科普场所可以利用多媒体、虚拟现实、体感互动、AI创作等技术，以展览、表演、体验、探究等多种形式有效激发青少年STEM学习的好奇心和想象力。因此，美国中小学常与校外科普场所深度合作，通过课内外丰富的实践活动为学生创造更多跨学科学习的机会，构建校内外协同的教育学习体系。在此过程中，校外科普场所也为教师的专业发展和培训提供了丰富的资源。

【本文系2023年全国教育科学规划教育部青年课题“跨学科背景下义务教育阶段学生系统思维评价研究”（项目编号：EHA230487）阶段性成果】