縱橫結合打破產學研用壁壘： 美國《技術與工程素養標準：技術和工程在STEM教育中的作用》探究

修前前 王濤 倫應杰 王忠厚

摘? ?要：作為STEM教育的核心目標，技術與工程素養逐漸受到國際重視。為幫助人們做出有關技術的明智決定，更好地為技術的設計、開發和使用作出貢獻，2020年7月13日美國頒布《技術與工程素養標準：技術和工程在STEM教育中的作用》。文章分析了該標準的研制背景和內涵，闡釋其學段貫通和資源整合的課程體系，深度解構技術和工程的實踐框架與交互圖景。我國可從基于本土STEM實踐和國際經驗，厘清技術和工程素養內涵;橫向整合跨學科課程、縱向貫通學段，構建技術與工程教育框架體系;整合各級各類多元主體，打通產學研用合作壁壘，探索協同育人和評估機制。

關鍵詞：技術與工程素養 素養標準 工程教育? STEM教育

盡管研究者對科學、技術、工程和數學（STEM）概念的觀點莫衷一是，但在其跨學科整合的屬性上達成共識。STEM學科的課程體系經過制度化和標準化的推進后愈發成熟，完成了學校內實體化課程的升級塑造。但在中小學階段，STEM中的“E”基本上是“沉默無聲”的。[1]美國國家教育進展評估（NAEP）于2013年出臺《2014年NAEP技術與工程素養評估框架》（以下簡稱《框架》），是首次將技術和工程學科并列的學科素養與評估框架[2]。但該《框架》的三維學科內容領域仍以技術為主，側重學生應普遍掌握的知識和技能，并未深度解構兩門學科的本質概念和內在邏輯，其評估結果多用于現狀描述，亦在指導教學改進和政策制定方面遭遇困境。2020年7月13日，國際技術與工程教育協會（ITEEA）制定了《技術與工程素養標準：技術和工程在STEM教育中的作用》（Standards for Technological and Engineering Literacy： The Role of Technology and Engineering in STEM Education，STEL），基于STEM教育背景，明確了技術和工程專業人才需具備的知識和技能，強調技術與工程人才的關鍵品質和個性特質，并簡要編寫用于制定特定年級課程計劃的教師和課程開發人員手冊。本文旨在深度闡釋該標準的背景內涵、課程體系，解構其實踐框架與交互圖景，以期為我國技術和工程教育提供借鑒。

一、STEL的研制背景和學科內涵

（一）技術教育的工程轉向

威廉·E. 達格（William E. Dugger）博士于20世紀90年代倡導“面向全體美國人的技術行動”，在2000年首次出版了《技術素養標準》（Standard for Technical Literacy），并全力推行。[3]美國國家科學院在2009年發布《K-12教育中的工程：理解現狀和未來提升》，將工程教育的重要性提升至新高度。2010年，為順應工程教育重要性日益凸顯的趨勢，國際技術教育協會（ITEA）改名為國際技術與工程教育學會（ITEEA）。美國國家教育進展評估于2014年提出了由內容領域、實踐領域和情境領域所建構的《框架》，為2020年STEL的制定奠定理論和實踐基礎。從總體上看，《框架》側重學生知識和技能的習得過程，強調“按需”的評估路徑，關注學生應該普遍掌握的關鍵技術知識和能力，但未能呈現教師如何整合跨學科課程以指導學生領悟知識技能學習的方法并習得社會情感技能的路線圖，因此不能作為技術與工程類課程教學的指南[4]，故而轉向STEL的多學科核心素養。

（二）STEL的學科內涵

八大學科核心素養列出了學生需掌握的技術的基本知識和工作原理、學生需具備的技術技能、學生需達成的意愿和價值觀，從認知、過程和情感三個基準整體建構了學科標準。具身認知理論指認知、身體和環境是動態的統一體，認為生理體驗與心理狀態之間存在強烈聯系，生理體驗“激活”心理感知，反之亦然。[5]因此，在具身認知理念下，良好、真實與多元的情境對技術與工程學習成效極為有利。在教育情境中，深度挖掘技術與工程學科的本質和特征，能夠引導學生理解和熟悉技術與工程的相關概念及其與其他學習領域之間的關系。STEL對學科內容標準、技術與工程實踐、技術與工程情境（分別簡稱為“標準”“實踐”“情境”）三大領域的內容設置均基于學生的身心發展水平，將技術與工程教育劃分為四個學段：學前至二年級、三至五年級、六至八年級、九至十二年級。內容基準是學生需要達到的具體目標，學科內容基準的分段設置不斷深化拓展學生的技術和工程學科知識。STEL從學段貫通與資源整合兩方面拓寬了技術與工程課程體系的構建。

二、學段貫通與資源整合的課程體系

（一）學段貫通逐級深化的素養標準

從學前的具象模具到高年級的抽象問題設置，情境建構機制與水平也在螺旋上升。四個學段內容的有效銜接對逐級提升學生的技術工程素養具有明顯效力，也為一線教師開展教學提供有效參考。學生的技術和工程素養包含了解、歸納、操作、應用設計四個層面，對學生技術和工程實踐能力要求逐步提升。STEL分學段設置學科內容、實踐和情境方面要求，提出了八大核心學科標準：技術與工程的本質與特征（標準1），技術和工程的核心概念（標準2），知識、技術和實踐的整合（標準3），技術的作用（標準4），社會對技術發展的影響（標準5），技術史（標準6），技術與工程教育的設計（標準7），技術產品與系統的應用、維護和評估（標準8）。各標準間環環相扣，層層遞進，回應了學生應了解的技術與工程概念，需進行的技術與工程實踐操作和對待技術與工程應持有的態度。如表1所示，I至IV是其所對應的四個學段，1A至1R代表標準1的18個基準，以此類推，共計142條基準。[6]

（二）夯實校內資源的課程開發基礎

校內如何開展工程教育一直是美國STEM課程體系落實和深化的核心問題之一。2009—2010年，美國先后頒布了《K-12教育中的工程：理解現狀和未來提升》和《K-12年級工程教育標準》兩份文件，強調了工程教育的基本原則[7]，以及工程教育實施的“注入”和“映射”兩條途徑[8]。美國工程教育之所以難以在校內開展，關鍵在于其學科領域涉及面廣、教學開展的靈活性要求高、工程教師學科背景弱、與其他學科整合難度大、工程教育研究數據不充分等因素。STEL將技術與工程教育并列，對學科內容標準、實踐和情境三大領域進行了跨學科整合，使工程文化和概念向技術滲透，降低了學科整合難度。八大核心學科標準對技術與工程的規定的關鍵內容進行詳細描述（標準2），體現出技術與工程的人為性（與自然界區分）、跨學科性（技術、工程、科學、數學四門學科交互影響，標準3）和應用性（標準1）三個核心特征，能夠有效聚焦學科課程內容、規范實踐教學形式，從而夯實校內資源的課程開發基礎。

在具體應用領域，技術與工程的社會影響具有兩面性，技術開發人員需認真權衡技術的經濟、社會和環境效益，推動可持續性發展（標準4），此基準為校內設施資源的建設提供借鑒。不僅如此，新技術的發展和創新需遵循技術的發展軌跡，了解技術史可洞見技術和工程發展的演變路徑（標準6），在此基礎上，社會需求、價值觀和信念等因素驅動技術和工程的變革，推動新技術的傳播（標準5），打開了校內課程資源的實施思路。為安全、高效地使用技術產品及其系統，需要對產品進行評估，對其定期排障、測試和診斷。評估環節為校內隱性資源的開發提供了審查依據，以“技術與工程的本質和特征”學科內容標準1為例，從學前到十二年級，涉及工程教育的內容涵蓋工程師、設計工具、解釋創造性關系、提出新方法等，技術和工程領域的內涵不斷拓展，概念逐漸清晰，為工程教育的學校實施路徑提供了有力抓手。《框架》首次提出的技術與工程素養，對學生現有的技術和工程知識和能力進行了測評，而STEL為校內技術與工程教育所需達到的學科知識目標和學科能力提供了統一明確的指導，為校內資源的開發夯實了課程實施基礎。

三、技術和工程的實踐框架與交互圖景

（一）以實踐統領K-12階段技術和工程學習活動

美國的科學教育改革經歷了由20世紀20年代關注科學知識的傳播，60年代強調科學教育的過程與方法，90年代突出科學探究，到21世紀以實踐為導向的理論流變，STEL的制定進一步拓寬了這一發展路徑。2011年美國《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念、核心概念》（A Framework for K-12 Science Education：Practices，Cross-cutting Concepts，and Core Ideas）首次提出科學實踐的概念，其原因在于此前科學教育中的實踐活動缺乏科學性和方法論層面的認知以及對科學本質的深度理解[9]。實踐強調科學學習需要學生不斷對概念進行解構和建構的深化理解過程。不僅如此，美國的科學教育一直深受杜威實用主義哲學的影響，實踐也有“取之實踐，用之實踐”之意，即以科學知識和技能的運用為最終目標。

STEL的八大實踐領域由系統思維、創造力、制造和做（Making and Doing）、批判性思維、樂觀、交流、合作、道德關注構成（見表2）。系統思維有兩層含義，一是對技術的全面了解，二是對常用的系統模型的理解。創造力是綜合運用認知能力和實踐能力來達成技術與工程目標的能力。與其他學科不同，制造和做是技術與工程的核心，意味著技術和工程的學習需以學生的動覺學習為基礎，并借助計算機軟件或其他方法設計和制造技術產品和系統。批判性思維包括邏輯、推理和質疑等能力。樂觀是一種迎難而上的觀念，是堅信可以通過改進技術、實驗、建模等方法，優化技術與工程問題的解決方案。交流在技術和工程教育中，一是作為一種工具，用于了解目標用戶或社區的需要，二是作為一種手段，用于解釋和辯護設計方案過程中所作的選擇。合作是指團隊成員能夠積極投入個人觀點和能力，為團隊貢獻力量。對道德的關注是指重視技術產品、系統和技術過程的風險評估與利弊，及其對他人和環境的影響。以培養學生的系統性思維為例，學生K-12階段需從認識和例證產品關系、使用系統模型、排除系統故障等一系列具體的事件活動中獲得對技術和工程概念知識的理解，活動的過程是與科學知識相融合的過程，從認識概念、到舉例證明、再到運用和解決現實問題，均是以問題解決為導向的。實踐領域強調了技術與工程學生的關鍵品質和人格特質，為學生未來工作準備創造了條件，也為教師構建課程實施和評估方案、設計和改進教學策略、建立教育社區之間的聯系提供了腳手架和路線圖。

（二）主題解構技術與工程素養的交互圖景

本部分通過隱含狄利克雷分配（Latent Dirichlet Allocation，LDA）模型主題分析挖掘STEL的發展全景與未來趨向。LDA模型是一種文檔主題生成模型，屬于文本主題建模的分析工具，也稱為三層貝葉斯概率模型，涉及詞、主題和文檔三層結構，主要應用于文本數據的淺層語義分析。[10]為發掘文本主題隨STEL內容的變化趨勢，按照章節把文檔合并為一個文檔集，再做主題分析，由此得到五個章節的主題演變。STEL的五章內容分別由技術與工程素養背景、技術與工程素養結構、核心學科標準、技術和工程實踐、技術和工程情境構成。作為概率主題模型的隱含狄利克雷分布，體現的是主題所在章節與其他章節相比出現的概率，背景部分通過技術工具和工程設計，搭建豐富的學習環境，同時側重技術史的體悟和自動化技術的學習過程。結構部分強調自然情境中的環境構建、問題邏輯、運輸等議題，以及對結構要素的深度分析。標準部分關注以醫療健康主題為代表的STEM學習內容，并且側重技術史和技術本質的理解，指向學生創造力的提升。實踐部分側重制作和做，以諸如能源等主題進行跨學科和多水平的實踐。情境部分則基于設計的環境，關注學生在諸如農業和生物技術的主題中的系統思維和學習過程。如表3所示，在LDA模型五個主題分析結果中均有學生作為關鍵特征詞，學生與其他關鍵詞交互研究的頻次最高，可見STEL以學生為中心，涉及學生的學習、能力、實踐、交流、思維和經歷等方面。整體上呈現出對學生STEM素養培育，關注產品設計與制造的過程，強調技術與工程素養教育要與實踐相結合，同時重視產品在真實環境中的應用。

四、啟示與展望

（一）基于本土STEM實踐和國際經驗，厘清技術和工程素養內涵

STEM教育以其跨學科整合的優勢在我國備受關注，但是STEM四門學科的整合存在目標不清晰、內涵界定不統一等問題，使得STEM教育未能深度觸及科學、技術與工程素養的本質問題。STEL明確了技術、工程及技術和工程素養的內涵，技術是對自然環境的改造，通過設計產品、開發系統來滿足人類的需求;工程則是利用科學原理和數學推理優化技術以滿足人類需求;技術與工程素養是指理解、運用、創造和評估技術與工程活動中人類設計環境的能力。我國K-12階段的技術教育往往等同于信息通信技術、計算機技術或職業技術教育等;職業高中階段對學生技術素養、工程教育重視也不足。因此，應從本土STEM教育實踐的瓶頸問題出發，借鑒國際技術和工程教育經驗，在厘清技術和工程素養內涵的同時，明確其實踐路徑和策略，推動我國技術與工程教育向縱深方向前行。

（二）跨學科課程與學段貫通橫縱結合，構建技術與工程教育框架體系

跨學科課程是將多個學科的知識、原則和價值觀進行整合。STEL在其核心學科標準內容、技術與工程實踐和情境中都注重STEM四門學科的知識與技能、能力與實踐、應用情境與場域的整合，并在以上三大體系上分別構建了貫通學段的基準，為教育工作者有針對性開展技術與工程教育提供參考。鑒于此，我國的技術與工程教育需注重技術與工程兩門學科的整合融通和學段的縱向貫通：一是應結合現有的技術學科特點，借鑒國外循證課程開發與實踐研究，明確技術和工程課程標準的編制原則;二是在內容選擇上，以技術和工程學科共通概念（共同主題）為基礎，加強跨學科課程融合;三是參考不同層面的教育研究者對K-12階段學生開展的教與學過程的實證調查，循證提出不同學段和水平的技術與工程教育內容、實踐和情境三維框架體系;四是技術與工程教育框架體系的設計應使用趨向明確的行為動詞，為教師課堂教學和評價提供實施依據。

（三）整合多元主體打通產學研用合作模式，探索協同育人和評估機制

STEL的研發是ITEEA利益相關者共同協作的結晶。STEL的使用者包括課程開發商、教科書出版商、教師教育工作者等，其中真正推動STEL落地的是學校和教師。技術和工程的學習是手腦并用的探究活動，包括問題解決的高層次思維活動以及技術和工程的實踐應用。因此，技術與工程課程標準的制定與人才培養一致，需要打破產學研用的合作壁壘，加強中小學階段學校技術與工程教育與企業和高校之間的合作關系。技術與工程人才的培養離不開實訓基地和專業技術人員、工程師的指導，企業可以提供給學生真實情境學習和實踐觀摩的場地，高校則可以對企業員工進行理論指導，從而增強技術和工程從業人員的理論素養。此外，還應建立產學研用一體化的協同育人模式與監測評估機制，以提高這種育人模式的實效。

參考文獻：

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[6]International Technology and Engineering Educators Association. Standards for technological and engineering literacy： the role of technology and engineering in STEM education[EB/OL].（2020-07）[2022-05].https：//www.iteea.org/STEL.aspx.

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[8]National Research Council. Standards for K-12 engineering education[M]. Washington D.C.： National Academies Press， 2010：45.

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[10]陳曉美，高鋮，關心惠. 網絡輿情觀點提取的LDA主題模型方法[J]. 圖書情報工作，2015，59（21）：21-26.

編輯 呂伊雯? ?校對 王亭亭