高校實驗設備在中學工程素養培養中應用

洪 玲， 江志彬， 段曉英

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804)

0 引 言

工程素養(Literacy on Engineering)培育和特色高中建設已成為國內外教育界研究的熱點問題。

工程素養的形成起始于簡單知識的學習，經歷復雜的漸進過程：敏捷的思維、正確的判斷和發現問題→理論知識和實踐的融會貫通→現實的技術能力→具有綜合優化的能力并達到預期目的，需要將不同學科的知識和素養要素融合在工程實踐活動中，使素養要素在工程實踐活動中綜合化、整體化和目標化。對于工程素養的培養，不僅僅是高等教育的范疇，應該從基礎教育抓起，不因小學、初中、高中和大學的差別而出現斷層或縫隙，需要不同的階段緊密結合進行循序漸進地培養[1-4]。

1 研究現狀

1.1 國內外工程素養教育發展趨勢

對于工程素養的培養，德國提出了以工程應用為導向的教學模式，日本則建立了KIT工程設計教育目標。在美國，由國家評估管理委員會和美國教育部聯合公布《2104 年NAEP 技術與工程素養框架》闡明了對所有學生在技術知識和技能方面所應掌握程度的期望[5-12]。2014年初，全美約840所學校的21 500名八年級學生參加了首次完全獨立作為核心學科的“技術和工程素養”(Technology and Engineering Literacy)的樣本評估。這在相當程度上與美國近些年來對培養學生科學、技術、工程和數學綜合素養的STEM(科學Science、技術Technology、工程Engineering、數學Mathematics)教育的高度關注和重視密切相關。

隨著我國工業化和科學技術的快速發展，社會(企業)對高校畢業生的工程實踐能力越來越看重。為此，國家從長遠發展考慮，在戰略上提出“卓越工程師教育培養計劃”[13](簡稱“卓越計劃”)的重大舉措，著重強化培養學生的工程和創新能力，對促進高等教育面向社會需求培養人才以及全面提高工程教育人才培養質量，具有十分重要的示范和引導作用[14-15]。

1.2 我國特色普通高中教育建設狀況

隨著社會和科技的發展，教育教學需尋求各種途徑和方式激發學生各方面的智能，使學生能夠全面、差異化的發展，而不是千人一面、千篇一律固化的模式。在現實教育工作中，由于中學應試教育的影響使得學校和學生都只專注于文化課，很大程度上束縛了一部分學生的個性特質和潛能的發展[16-17]。

2010年，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010～2020年)》發布，提出“推動普通高中多樣化發展。促進辦學體制多樣化，擴大優質資源。推進培養模式多樣化，滿足不同潛質學生的發展，探索和培養創新人才的途徑。鼓勵普通高中辦出特色。”，為開展特色普通高中建設提供國家政策依據[18-20]。

“十三五”期間，上海正加速推進四個中心建設，隨著科創中心建設正式提上議事日程，創新人才培養問題日益凸顯。2016年制定的《上海市推進特色普通高中建設3年行動計劃(2016～2018年)》，要求相關工程素養特色課程實施方式以社會實踐、動手實驗和操作、自主探究為主，注重學生創新精神和實踐能力的培養。推動普通高中多樣化特色辦學，是上海教育主動適應上海城市功能定位、社會和地方經濟發展以及學生發展需求的重大戰略選擇。

1.3 高校實驗設備共享應用現狀

高校的主要功能是人才培養，其所屬的實驗設備有兩大主要服務領域：① 科學研究，② 高等教育教學，主要服務對象是本校教師和學生，目前大型儀器設備共享應用存在的問題：

(1) 受經濟效益的直接性和社會效益的難以考量影響，通常大型儀器設備的共享應用都重視科研成果以及經濟效益，而忽視針對人才培養的應用以及忽略其所產生的社會效益。

(2) 大型儀器設備的共享應用對象主要為本校相近專業或其他高校相關專業的學生，象很少或者幾乎沒有為中學生服務。

(3) 大型儀器設備的共享服務內容主要是提供科研實驗和學生的開放實驗，能夠承擔中學實驗室建設、實驗項目設計、實驗教學、中學教師的專業培訓等一系列全方位共享服務的應用幾乎沒有。

(4) 高校大型儀器設備和相關實驗技術人員的資源利用率還有提高空間。

國際社會以及我國教育改革對于卓越人才培養的要求逐步規范和加強，上海市正在推進工程素養特色普通高中建設，雖然社會急需高質量工程技術人才、高校具有資源、地方教育積極推進，但是對于中學生工程素養的培育還沒有明確有效的銜接途徑。

2 實驗設備對工程素養培育的共享應用

我國的義務教育、高中教育乃至大學教育，其根本目的在于培養創新型人才。但是由于中學的應試教育模式和學生自主實驗機會的稀缺，經常要面對一個問題，即大學工程教育與高中科學教育脫節。事實上，創造力貫穿于人的一生，對創造力的培養不應該因為教育的不同階段而斷裂。

既然中學有加強特色教育的需求，而高校又擁有專業實驗設備、實驗教學方法以及專業教師等豐富的資源，為了使兩者能夠更好銜接，大學實驗設備的服務對象和服務范圍需要向中學和中學生延伸，使中學生能夠利用大學的實驗設備進行科學探索和工程實踐。既可以彌補中學生利用高校教育科研設備動手實驗的空白，開闊學生的眼界，培養其自主創新的思維和對理工科專業的興趣，又將大學與中學工程素養培養的斷層連接了起來；同時，有助于幫助其打破理工科教育壁壘，提高實驗設備資源的利用率以及提升實驗技術人員的實驗教學等各項專業技能。

(1) 發揮實驗教學對人才培養的優勢。對于中學生工程素養的培育，除了實驗設備的共享和建設，更重要是配套的實驗項目的設計和實驗教學方法的應用。因此，要培養中學生具備“工程思維、創新意識、實踐能力、合作精神”的高品質工程素養，使中學成為培養工程素養的搖籃，其主要手段是通過工程特色課程，尤其是工程類實驗室課程。在硬件設備上，高校的大型設備資源是中學無法比擬的，尤其實驗技術人員豐富的專業知識和教學經驗，對于設備的使用和實驗課程的培育具有優勢。

(2) 滿足中學生的成長創新意識。注重培養學生的創新意識，實際動手能力和團隊合作精神，學生經過工程素養培育，分析、解決問題的能力、創新能力和綜合素質有了明顯的提高，其中優秀中學生可以加入大學生科技競賽團隊，參與高校專業科研團隊的課題活動，讓學生早日明確何謂“理工科”，也對選擇理工科專業有一定幫助。有利于培養學生形成將知識理論創造性地聯系并應用于實踐的意識和能力，為將來學生步入大學后的學習以致未來的專業發展奠定比較厚實的基礎。

(3) 提高高校實驗技術人員的專業服務水平。高校實驗技術人員通過對中學實驗室建設的全面負責實施，對中學實驗軟件的開發設計以及對中學課堂及教師的培育等共享應用服務，全面鍛煉實驗室建設與管理、實驗教學以及專業技術水平，在能力上能得到全面綜合提升。

(4) 配合《上海市推進特色普通高中建設3年行動計劃(2016—2018)》。上海市于2016年發布《上海市推進特設普通高中建設3年行動計劃(2016—2018)》，未來3年，上海將通過涵蓋人文、社科、理工、藝術等諸多領域普通高中的特色辦學撬動學校發展方式和育人模式轉型，進一步“推動普通高中多樣化和特色化”發展。整合高等院校理工科的實驗力量，可以為工程素養特色普通高中創建工作形成多方位、多維度的支撐力量，促進特色創建工作，豐富特色育人的有效資源供給。

(5) 注重工程素養培育。推動大型科學儀器對外共享服務，能夠提升大型科學儀器操作應用人員的技術水平和專業化服務能力，更重要的是將高校的人才培養從“工程師搖籃”的中學抓起，注重工程素養培育，加強卓越工程師的基礎教育培養，為上海市建設科技創新中心提供人才培養支持和保障。

(6) 契合社會發展的人才培養需要。以軌道交通行業為例，截至2015年底，我國已成為世界上高速鐵路運營里程最長、在建規模最大的國家。另一方面，預計到2020年，我國城市軌道交通通車里程有望達到8 500 km，比2015年末增長150%以上。因此，中國已形成一個世界上規模最大、發展最快的軌道交通建設市場。而高校交通運輸專業主要是為了培養具備現代交通運輸規劃、設計、組織與管理知識及相關開發能力的人才[21]。交通運輸專業的工科性質決定了所報考的高中學生必須具有一定工程素養基礎。

3 以軌道交通系統仿真實驗室為例

依托理工科院校實驗室平臺，以中學生工程素養培育為導向，通過軌道交通仿真實驗系統的實驗設備“軌道交通仿真沙盤”和“高鐵動車CRH380模擬駕駛器”開展共享服務于人才培養的共享應用研究，結合中學實驗室建設，與中學共建人才培養實訓基地，為中學生提供全面的工程素養培育支撐，利用高校實驗室這一得天獨厚的資源創新對中學生的工程素養培育方式[22]，調動中學生學習的積極性和主動性，激發他們學習的興趣，開闊中學生科學視野以及培養他們分析和解決問題的能力。不僅利用實驗教學將大學與中學連接起來，為中學生創造一個良好的實驗環境，提高了學生的實際動手能力，也有助于樹立科學的意識和思維，提高中學生的STEM素質，培養中學生的創新能力。有利于提高高校理工科生源的質量，改變過去基礎教育與高等教育割裂的情況。

3.1 加強中學實驗室共享應用建設

(1) 完善中學實驗室建設。以建設徐匯中學一期“高鐵運輸組織仿真實驗室”的“軌道交通仿真沙盤”實驗設備共享應用為基礎，進一步進行徐匯中學二期“高速列車模擬駕駛實驗室”實驗設備“高鐵動車CRH380模擬駕駛器”的招標采購和驗收、實驗室設計和規劃以及管理規章制度的制定等。

(2) 改進實驗項目設計和實驗教學方法。完成“軌道交通仿真沙盤”和“高鐵動車CRH380模擬駕駛器”的中學生實驗項目的軟件開發，改進的適合中學生的實驗教學方法，完成兩個設備至少6個實驗的中學實驗指導書。

(3) 提高中學教師的專業素養。對中學實驗帶教教師進行專業知識培訓，對兩個設備的實驗課程分別進行各一個學期的帶教，每學期對課程進行指導和經驗交流，完成“軌道交通仿真沙盤”和“高鐵動車CRH380模擬駕駛器”設備相關實驗課程的課件以及中學實驗課程培育。

(4) 與中學共建工程素養培育基地。交通運輸工程學院與徐匯中學共建人才培養中學生實訓基地，以銜接高校和中學的工程素養培育為目標，組織夏令營參觀和學習、進行專業知識講座、對中學生參與科技競賽進行指導等形式完善共享應用服務，為中學的工程素養培育提供長期共享保障。

3.2 關鍵問題和具體實施方法

以高校資源對中學服務的延伸為抓手，從提高實驗技術人員的專業技能和對中學生的人才培養兩個層面發揮高校實驗設備對科技創新中心的服務和支撐作用。其關鍵問題為：高校實驗技術人員負責全面實施中學實驗室建設的可行性；基于專業實驗設備的針對中學生工程素養培育的實驗項目的開發設計；對中學實驗教師的專業知識培訓和中學開設工程素養課程培育；高校實驗教學方法和中學實驗教學模式的如何對接融合更有利于中學生的工程素養提高，以及如何保障共享應用服務的有效性和長期性。

因此，在共享應用服務中通過對實驗進行“設計—試做—再改進—再試做”、對教師培訓和課程培育進行“教授專業知識—示范教學—帶教—試講—獨立教學—開課完善”的方法，不斷觀察和檢驗所設計的實驗和所采用的教學方法對培養中學生工程素養培育的效果；在專業團隊的支持下，利用國內一流高校實驗設備項目的建設經驗和豐富的專業實驗教學經驗，將高校的高精設備和實驗教學共享應用到中學課堂，創新中學生工程素養培育方式，共建高校與中學的專業人才培養基地以保障共享應用的有效性和長期性，不斷完善和優化中學生工程素養課程培育。

4 結 語

高校專業實驗設備共享應用于中學的工程素養培育，是從單一的硬件設備實驗的共享向實驗室建設、實驗項目設計、實驗教學、課程培育等全方位教育教學資源拓展，共享應用從考量科研成果以及經濟效益為主，轉向對人才培養的基礎培育擴展以及注重其所產生的社會效益。對于高校而言，既提高了實驗設備的資源利用率，有效銜接高校與中學人才培養中工程素養培育，也提升了大型科學儀器實驗人員的技術水平和專業化服務能力。

因此，高校實驗設備與工程素養特色在高中課程的共享應用，契合上海市特色普通高中建設和社會行業發展對于人才的迫切需求，更重要的是將高校的人才培養從特色普通中學抓起，注重工程素養培育，加強卓越工程師的基礎教育培養，使高校更有效地為上海市建設科技創新中心提供人才培養支持和保障。