美國《P-12工程學習框架》探析

劉天偉

摘? ?要：美國工程教育協會和P-12工程教育卓越推進組織牽頭，于2020年11月聯合發布《P-12工程學習框架》。文章在對該框架進行內容分析的基礎上，對比美國近年來發布的其他有關P-12工程學習的政策文本和工程教育實踐，對其進行特點分析。該框架著眼于改善美國各州以及各學校P-12工程學習缺乏一致性和連貫性的現象，致力于提供共同的認知基礎，明確界定了P-12工程學習的愿景和定位、內容結構以及成就期望。框架具有基礎性和全面性，對工程概念進行澄清;關注工程的學科本質，明確工程教育在P-12教育系統的定位;強調工程學習要適應學生的發展三個特點。

關鍵詞：P-12年級 工程學習 工程素養

工程作為科學、技術、工程和數學（STEM）學科的組成部分之一，被譽為STEM學科的粘合劑和實現課程整合的催化劑，可以為學生提供知識應用和跨學科學習的真實情境和機會，幫助學生了解數學、科學和技術與周圍環境的相關性，增加學習興趣，成為創造性的問題解決者。2000年以后，伴隨著國際中小學科學教育與技術教育的學科轉型，中小學工程學習的重要性日益凸顯，包括我國在內的許多國家都以科學或技術課程為載體納入工程學習內容。[1]

美國工程教育協會（American Society for Engineering Education）和P-12工程教育卓越推進組織（Advancing Excellence in P-12 Engineering Education）牽頭，匯集32個州的300多位工程教育者、管理員、研究人員、行業代表等，建立了P-12工程教育共同體，經過3年的研制，于2020年11月聯合發布《P-12工程學習框架》（Framework for P-12 Engineering Learning，下文簡稱《框架》）。下文就《框架》的主要內容和特點進行分析，以期為我國P-12工程教育實踐提供參考。

一、《框架》主要內容

（一）愿景和目標定位

目前，世界范圍內的P-12工程學習多以STEM教育的形式開展，將培養學生的STEM素養作為目標。[2]但是，現有的許多STEM教育實踐往往被視為常規教育以外的一種“消遣”，加上STEM是一個內涵廣泛的術語，其各個組成部分在實踐中往往受到不同程度的弱化，因而很難真正落實跨學科教學。工程是一種涉及應用科學、數學和技術知識，設計、開發和評估產品、過程、系統和結構，優化問題解決方案，進而解決問題的過程，具有整合性和真實性的特點，在促進學生跨學科學習上具有天然的學科優勢。美國發布的《框架》的愿景和目標定位是確保每個學生，無論種族、性別、能力、職業以及社會經濟地位，都有機會通過學校學習培養工程素養，成為能夠理解工程、能夠適應未來職場和社會并充分發展的公民;指出有效的工程學習可以彌補現有STEM教學實踐中的缺陷，實現STEM教育愿景;倡議為所有學生提供公平的、具有一致性和連貫性、體現真實性和深度的工程學習機會，促進P-12工程學習的普及和高質量發展。[3]

為進一步明確工程學科在P-12教育系統中的定位，《框架》進一步闡明了科學和工程兩門學科的聯系和區別。一方面，科學和工程作為兩門獨立的學科，二者具有本質區別，可以體現在科學家和工程師的工作實踐中。科學家的工作是發現世界的過程，專注于了解自然現象及其中的相互關系，而工程師的工作是改造世界的過程，需要解決問題，創造新事物。另一方面，《框架》指出科學和工程之間也有密切的聯系，人們對周圍世界了解得越多，就越容易完善自己的想法來改造世界。

（二）內容結構及成就期望

《框架》認為，具備工程素養的人是具備工程思維的綜合學習者，能夠“在工程情境（人造世界）中將內容知識、思維習慣、實踐能力（如交流、思考和執行）以一種有意義的方式進行整合”[4]。《框架》根據相關研究，將P-12工程學習內容劃分為三個維度，每一個維度下詳細劃分了下位概念。第一個維度是工程思維習慣——一種個人特征和思維方式。《框架》期望學生中學畢業時，能夠將工程思維融入自己的思維方式，在參與或解決與工程相關的活動或問題時能夠形成自動反應，包括樂觀、堅持、合作、創造力、責任心和系統思維六個下位概念。第二個維度是工程實踐——在工程領域從事的實踐活動。《框架》期望學生中學畢業時能完全勝任四種工程實踐：工程設計、材料加工（制造）、定量分析和專業性實踐。第三個維度是工程知識——學生在工程實踐過程中可以識別并能夠在適當的時候利用的相關概念，可以指導學生以一種分析性、預測性、可重復性和實用性的方式解決問題。工程知識跨越三個知識領域：工程科學、工程數學和工程技術應用。工程知識維度是P-12工程學習內容中的一個輔助性維度?！犊蚣堋分赋?，學生在工程知識方面的發展往往晚于工程思維的發展，許多學生在高中畢業時也無法完全深入了解這些領域的全部概念性知識，但他們應該養成工程思維習慣，并應具備完成一項工程實踐所必需的基本知識和能力。

同時，在學習內容及其表現形式的基礎上，《框架》明確指出學生高中畢業時應該實現的成就期望（見表1）。

（三）實施原則

為保障P-12工程學習的高質量普及，促進學生工程思維的養成，《框架》提出六項指導原則。一是將公平作為首要原則?！犊蚣堋氛J為教育策略深刻地影響著學校實踐和學生行為，P-12工程學習實踐必須采用將公平作為首要原則的教學策略和方法，以學生的個人需要為依據提供教育支持，確保所有人都能養成工程素養。二是力求工程學習的真實性?！犊蚣堋氛J為真實性體現了工程的學科特性，與工程相關的教學活動應該以一種真實的、相關的方式準確地教授。三是關注工程學習的深度?！犊蚣堋氛J為基礎教育階段的工程學習目標和內容應該具備三個特征——必要性、具體、高度情景化，從而使工程概念不那么抽象。建議在日常教學實踐中，不要設定諸如“應用工程設計過程來解決問題”等廣泛的學習目標，而應將學習目標具體到滿足學生特殊需要的層次上。四是建立在學生解決問題的能力之上。《框架》認為具備工程素養的個體在解決問題時采用的方法往往是結構化的，且更能體現工程的學科特性。因此，工程教育活動中應該有意識地引導學生從常規的、通用的方法轉向更嚴格的工程實踐方法。五是重視制作活動，將其視為激勵學生主動學習的一種教育形式。制作活動是一種體驗式學習活動，可以引導學生進行知識建構，使其在真實情景中學習，應該成為學生進行工程實踐、應用知識的一種學習形式。六是與學生的興趣、文化和經驗建立聯系。《框架》認為包容性的工程學習可以幫助學生減少學習過程中和從事相關職業面臨的潛在障礙，學校要有意識地讓學生感受到工程學習與日常生活的聯系，指導學生以更具個性化的方式形成自己的工程學習體驗。[6]

二、《框架》主要特點

除了《框架》，美國還曾發布多份涉及P-12工程學習的相關文件，包括2013年發布的《下一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，NGSS），美國國家教育進展評估（National Assessment of Educational Progress）于2018年發布的《技術與工程素養框架》（Technology and Engineering Literacy Framework，TEL），美國國際技術與工程教育者協會（International Technology and Engineering Educators Association）于2020年發布的《技術與工程素養標準》（Standards for Technological and Engineering Literacy，STEL）。這三個文件受到學者廣泛重視，下文基于NGSS、TEL和STEL三份文件，結合國內學者的解讀，對《框架》的特點進行分析。

（一）具有基礎性和全面性，實現對工程概念的澄清

《框架》為學生提供了一個具有基礎性和全面性的工程學習愿景圖?！犊蚣堋方⒃诿绹延械墓こ虒W習實踐之上，明確將工程教育定位為貫穿P-12階段，發展學生工程素養的普通教育。在《框架》出臺之前，以美國為代表的工程學習實踐更多地是以已有的科學或技術學科為載體，工程在其中扮演著“助手”的角色，其本質是引入工程以改善另一學科。比如，NGSS納入工程內容的出發點是給予學生更多應用科學知識的學習機會，通過“做”和“實踐”提高學生的科學學習興趣進而改善學生的學業成績，培養學生的科學素養。[7]相比于其他政策文本，工程在《框架》中具有學科主體地位，著眼于提供共同的認知基礎以改善和提升中小學工程教育。

同時，《框架》中提供的工程三維學習框架實現了對工程概念的澄清，由于過去缺乏明確的標準和定義，已有的相關標準在呈現的內容以及表述方式上都存在差異，導致基于標準的教育實踐往往存在不全面以及概念不清晰的問題。政策文本間存在的概念不全面、彼此混淆以及表述不清的現象，極大影響了中小學工程教育的進一步發展。《框架》基于這一點，試圖通過厘清概念，減少教育實踐中存在的歧義和誤解，促進P-12工程學習的高質量普及。

（二）關注工程的學科本質，明確工程教育在P-12教育系統的定位

闡明工程學科本質，有利于為中小學工程教學和學習提供保障?！犊蚣堋穼こ虒W科本質的關注表現在工程學科的獨立性、工程學習的整合性和工程學習的真實性三個方面。首先，基于大部分學校都以STEM課程為載體進行工程教育，《框架》強調了工程學科的獨立性，即與數學、科學等課程一樣，工程學科也有其獨特的發展價值，是關于人造世界的學科，與社會世界和自然世界并列，與人類生活密切相關。[8]因而，在P-12教育系統中，工程學科應該被落實為學校主流課程的必要組成部分。其次，《框架》發布的目標是改善和加強已有的STEM課程標準，強調工程學科所具有的天然跨學科性，認為P-12工程學習要與其他STEM學科相結合，通過跨學科的方式開展，同時也要保障工程學習的質量和深度。最后，《框架》重視P-12工程學習的真實性，強調教學實踐要提供與學生的社會文化經驗相結合的實例。

在學科本質這一點上，《框架》與其他三個工程學習文件具有一致性。NGSS、TEL和STEL也較為關注工程學科的特性，它們都是借助其他學科整合工程教育實踐，注重澄清科學、工程和技術之間的復雜關系。此外，STEL中的“技術與工程情境”以及NGSS中的“工程、技術與社會的聯系”都突顯了對學科真實性的關注。[9]

（三）強調工程學習要適應學生的發展

《框架》非常重視工程學習與學生發展的匹配程度，指出工程素養的形成是循序漸進且具有階段性的，對學生中學畢業應該達成的成就期望進行了規定，允許開發者依據學生的發展情況進行靈活調節。此外，《框架》明確提出建議，工程思維習慣的養成要早于工程知識的獲得，小學階段就可以培養學生的工程思維，工程實踐可以貫穿整個P-12階段并逐漸增加難度，而工程知識作為一個輔助概念，要到高年級及以后才有可能全部實現。

三、建議

結合《框架》的主要內容和特點，根據我國目前中小學工程教育現狀，提出以下兩點建議。

（一）提升工程學習意識，建立并完善中小學工程教育體系

我國的中小學工程學習實踐主要是以科學教育為載體，2017年發布的《義務教育小學科學課程標準》中設置了“技術與工程”模塊，現有的教科書中也在一定程度上呈現了工程內容。在實踐中，工程學習大多以STEM教育的形式作為科學教學的補充，尚未發展成為日常教學的必要組成部分。但正如《框架》所說，工程與科學是一體兩面的，其學科思維有本質上的區別。我國中小學階段的工程教育還是一個尚在發展的新興領域，其發展與落實是一個大規模、長期性的工程，我國可從政策層面推動中小學跨學科工程教學的實施，并進一步跟進高質量課程以及教師培養項目的開發，塑造教育生態，落實工程學科在中小學日常教學中的地位。

（二）構建P-12工程學習共同體，推進本土化研究和實踐

美國各界對中小學工程教育的關注時間較早，且分布廣泛，涉及美國國家工程院、各民間工程教育組織、學校、教師等，形成了研究和實踐共同體，在學術研究和實踐上均取得了較為成熟的成果與經驗。我國目前雖然已有學者針對中小學工程教育展開了一定程度的研究，但總體上仍處于起步階段，發展不足[10]，大部分研究更多著眼于概念澄清、價值陳述以及國外經驗的描述，針對P-12工程學習的進階、課程、教學、評估、專業發展等方面缺乏有深度的本土化研究。因此，建議建設工程學習研究共同體，加強P-12工程教育學術研究，為中小學工程教育課標完善、課程開發、教師培養等提供理論基礎和實踐支持。

參考文獻：

[1]時慧，李鋒.面向國際競爭力的新工程教育研究——基于K-12課程標準的國際比較[J].比較教育研究，2020，42（10）：66-73.

[2]UNESCO International Bureau of Education.Exploring STEM competences for the 21st century[R].Geneva：UNESCO International Bureau of Education，2019.

[3]STRIMEL G J. A P-12 engineering learning framework：expectations and resources toward achieving engineering literacy for all[C].Washington D C：American Society for Engineering Education，2021.

[4][5][6]American Society for Engineering Education. Framework for P-12 engineering learning[EB/OL].（2020-11-20）[2022-03-04].https：//p12framework.asee.org/wp-content/uploads/2020/11/Framework-for-P-12-Engineering-Learning-1.pdf.

[7]王磊，黃鳴春，劉恩山.對美國新一代《科學教育標準》的前瞻性分析——基于2011年美國《科學教育的框架》和1996年《國家科學教育標準》的對比[J].全球教育展望，2012，（6）：83-87.

[8]DUGGER W E，Jr. The relationship between technology，science，engineering，and mathematics[J].The technology teacher，1994，53 （7）：5-23.

[9]蘇洵，丁邦平.美國PreK-12年級技術與工程素養標準解讀與啟示[J].比較教育學報，2021（2）：150-166.

[10]邢志強，王偉賓.新時代我國中小學工程教育的必要性與對策——基于高校與中小學教育融合的視角[J].首都師范大學學報（社會科學版），2021（4）：160-168.

編輯 朱婷婷? ?校對 呂伊雯