加強我國中小學工程啟蒙教育的意義與建議

管光海 張豐

創新驅動發展戰略，呼喚人才發展模式變革。大力培養使用戰略科學家、打造大批一流科技領軍人才和創新團隊、造就規模宏大的青年科技人才隊伍、培養大批卓越工程師，成為新時代人才強國戰略。如何推動教育創新、改革人才培養模式是當前教育改革的重要議題。2018年和2019年，浙江省教育廳連續兩年組織中小學STEM教育研修團赴美國印第安納州（下文簡稱“印州”）、新澤西州（下文簡稱“新州”）學習考察。考察中，美國對中小學技術與工程教育的高度重視、區域和學校層面的多樣化實施給我們留下深刻印象。為此，在考察的基礎上，我們結合對美國中小學技術與工程教育政策和文獻的分析，提出加強我國中小學工程啟蒙教育的建議。

美國中小學技術與工程教育的主要特點

國家層面高度重視技術與工程教育，在科學教育標準和技術與工程教育標準中得以體現。美國中小學工程教育與技術教育、科學教育關系密切。1996年，美國國際技術教育協會（ITEA）出版《面向所有美國人的技術：技術學習的原理與結構》，2000年頒布《美國國家技術教育標準》，五部分標準有兩部分涉及設計，工程設計成為二十條標準中的一條。21世紀以來，美國不斷加大投入，出臺一系列重要法案、議案以進一步加強K-12 STEM教育。

2013年，美國發布《新一代美國國家科學教育標準》（NGSS），該文件將工程設計提升到與科學探究同等的高度，通過強調工程設計與技術應用的核心概念，從而將“科學與工程”納入科學教育。2020年，美國國際技術與工程教育協會（ITEEA）發布修訂后的技術素養標準，將其發展為《技術與工程素養標準》。該標準涵蓋技術與工程核心領域標準（包括技術與工程特性、核心概念、對社會影響、設計等）、技術與工程情境（包括制造技術、能源與動力技術、信息與通信技術等）和技術與工程實踐（包括系統思維、創造、最優化、合作、交流、倫理道德、制作等）。

技術與工程教育已納入美國各州基礎教育課程框架，并多樣態實施。在美國各州的中小學課程標準中，已有關于工程與設計的學習內容標準。新州將工程相關標準分散在科學標準和技術標準中，貫穿K-12年級。印州在《中學工程與技術教育標準》中建議6—8年級學生每年接受工程與技術教育，具體包括四個領域：一般工程和技術概念、工程設計和開發、生產和使用技術以及技術職業。印州高中課程標準目錄中包含20個工程課程標準，涵蓋工程基礎類、工程與設計類、計算機類、制造類、建筑類、通信類以及航空航天工程、交通運輸、可持續的環境。

在新州西溫莎平原學區，自2015年開始，學區就主導建設K-12技術與工程教育體系。小學三年級起開設關于“設計思維”的課程，結合進行每周1課時的編程與工程的啟蒙教育；七年級起分別開設編程與工程課程，一學年的面向全體學生的“工程入門”課程每兩周5課時，并有“設計+工程”和“木工”等選修課程1-2學年；高中階段開設工程與技術、科學+工程技術的課程，還有計算機高級課程、生物醫學、數碼媒體、工程原理、圖形工程、建筑設計與制造、計算機程序設計導論、手機應用程序設計等工程類課程，供學生選修。在該學區總共14名學科主管（類似于我國的教研員）中，有1名以工程課程為主。

教育研究機構、企業在技術與工程教育中發揮了重要的支持作用。美國國家工程院（NAE）積極參與加強K-12技術與工程教育的研究。2006年，美國國家工程院和美國國家研究理事會教育中心（NRCCE）成立K-12工程教育委員會，其職責是確定K-12工程教育的范圍和性質，并于2009年發布了《K-12教育中的工程教育：了解現狀和改進前景》。美國國家工程院還贊助來自多個領域的專家組成K-12工程教育標準委員會，評估開發和實施K-12工程教育的潛在價值和可行性，委員會在長達兩年的研究后于2010年發布了《K-12工程教育的標準》。

美國K-12工程教育受到各種社會力量的支持。許多教育部門、大學研究機構、企業、學會為學校提供課程計劃、教科書等一系列課程資源，還為使用該項目的老師提供培訓。例如國際技術與工程教育協會開發的“工程設計”，“項目引路”（PLTW）公司開發的“技術之門”，美國工程教育學會與多所大學共同開發的“教工程”，新澤西學院開發的“設計和工程探索”等。眾多的項目大大推動了技術與工程課程的實施，且這些項目實施的難度各不相同，可以滿足不同層次學校的需求。

一些企業積極與學校協同實施工程教育。華沙學區的STEM項目開展在印州內數一數二，主要原因是該學區有很多企業，需要大量技術與工程方面的人才。于是企業與學校聯合展開卓有成效的校企合作，以推動該地區技術與工程人才的培養。華沙埃奇伍德初中的一個特色理念是培養和鼓勵女生從事和技術與工程相關的職業，學校聯合當地企業開展技術與工程項目，每周都有企業員工進入課堂與孩子們互動。

高校重視技術與工程教育專業建設與師資培養。與K-12技術與工程教育實踐相適應，美國斯坦福大學、普渡大學等設立技術與工程教師教育專業，系統培養K-12技術與工程課程教師。例如，普渡大學開設的工程/技術教師教育專業，其核心課程為：工程/技術教育中的原型、整合教育基礎、工程/技術教師教育入門、STEM教育中的技術與工程、工程和技術教育教學計劃和評價、定量推理、普通物理、基礎心理學、語言交流基礎等課程。

從州層面看，技術與工程教師教育與培養體系完備。例如，印州已建立較為完備的STEM教師培養及培訓體系，包括職前培養、入職培養和職后培養三個階段。入職階段的技術與工程教師在進入學校任教時，由中小學與大學的專任教師負責他們的入職培訓。一年試用期滿，合格者可獲得技術與工程教師的正式入職資格。技術與工程教師職后培養形式靈活豐富多樣，在職教育的機構包括高等院校、專門性的教師教育機構、教師專業發展學校、網絡遠程培訓機構等。美國還有很多正式與非正式的項目以及政策法規，為K-12階段技術與工程教師的專業發展提供了有利條件。

對照美國實踐，我們要意識到加強中小學技術與工程教育是國家創新驅動發展戰略的一部分，是轉變育人模式，培養創新型人才的重要路徑。中小學技術與工程教育可能是國際基礎教育未來競爭的前沿。我們要居安思危，加強研究，完善基礎教育課程體系，重視加強技術與工程教育的時機。

加強中小學工程啟蒙教育的意義

加強工程教育是提高國民科技實踐與創新能力，促進社會經濟發展的重要途徑。科學、技術、工程三者有密切聯系，也有明顯差別。科學是對自然界客觀規律的探索，科學知識的基本形式包括科學概念、科學假說和科學定律，科學活動的典型形式是科學實驗和理論研究等基礎科學研究。技術是改造世界的手段、方法和過程，技術知識的基本形式是技術原理和操作方法，技術活動的典型方式是發明、創新和轉移等技術開發。工程是實際的改造世界的物質實踐活動和改造實施過程。工程知識的主要形式是工程原理、設計和施工方案等，工程活動的基本方式是計劃、預算、執行、管理、評估等。

與此相對應，技術與工程教育和科學教育有著不同的使命。然而在我國，中小學工程教育并沒有受到應有的重視，我們應當意識到當前加強中小學工程啟蒙教育的緊迫性。美國在強調技術與工程教育時經常以中國為參照，對比中國的工程師和美國的工程師培養。在基礎教育階段加強以培養學生創新精神和實踐能力為目標的工程啟蒙教育，是中國走向工程教育強國的重要一步。中小學工程啟蒙教育更重要的意義在于強調應用性課程與跨學科課程，有助于彌補以往基礎性課程中學術性課程比例過高、分科過于嚴重的缺陷。

加強工程啟蒙教育是豐富基礎教育課程的內涵，轉變育人模式的重要抓手。加強工程啟蒙教育不只是學習領域的拓展，更是人才培養模式的突破與發展。工程教育所培養的工程思維是一種設計、籌劃、建造以滿足人的需要為目的的實踐理性思維，包括系統思考能力、創造力、合作、溝通能力以及道德思考等技能。

工程思維的培養是個人能力最重要的因素之一，是培養創新人才的有效途徑之一。工程教育中的創意、設計、實踐、產品等重要屬性和要素可以極大地豐富基礎教育課程的內涵和育人價值，使包括科學（綜合或分科）在內的相關課程在培養學生創新、實踐和問題解決能力上有最直接的支撐點，為培養創新人才提供更為真切的途徑。

我們還要體會超越工程學科價值的教育學意義。加強工程啟蒙教育的意義，并不完全在于培養工程師，而是探索教育教學的變革與尋衡，從偏重“學術取向”的學習向兼顧“應用取向”的學習發展，從“知識積累”的學習向同時注重“素養發展”“思維發展”的學習發展，逐步將理論性的科學思維、試錯性的工程思維和現實性的設計思維相結合，使學生真正實現“認知學習”和“人的社會性成長”的平衡成長。

加強工程啟蒙教育也是推進21世紀勞動教育實施的需要。當前，中小學勞動教育受到重視。勞動教育要幫助學生在實踐體驗中理解勞動。勞動是一種付出的過程、實踐的過程，是面對真實問題的探索與解決的過程，是促進學生社會化的過程。這恰巧與技術與工程教育的取向高度吻合。另一方面，在人工智能時代，勞動教育不僅僅局限于簡單的體力勞動，而應追求智慧勞動與創造性勞動。技術與工程領域的勞動涉及大量的智慧勞動、創造性勞動。因此，加強中小學工程啟蒙教育也是推進勞動教育的重要路徑。

加強工程啟蒙教育是引導學生職業發展規劃的重要手段。中小學技術與工程教育涉及廣泛的技術與工程領域，是引導學生生涯發展規劃的重要手段。在美國一些報告中，強調中小學技術與工程教育的價值之一在于提高對工程和工程師職業的認識和興趣。印州將“提升早期STEM職業體驗”，作為推進STEM教育的三大戰略之一，強調建立STEM生態系統，擴大和豐富每個學習者的教育和職業經歷。

浙江省的一項調查發現，從學生從事科技相關工作的意愿來看，隨著年級的增加，學生的意愿在不斷降低，學生的意愿系數從四年級的0.838，到八年級下降至0.427，高中為0.479。特別是“意愿很強烈”的比例，下降明顯。要改變這種局面，工程啟蒙教育是重要手段。加強技術與工程教育是引導學生職業發展規劃的重要手段，可以在技術與工程教育中融入職業教育，幫助學生了解技術與工程領域的職業，培養學生對該領域的興趣和選擇傾向。

加強我國中小學工程啟蒙教育的建議

我們應從戰略高度看待中小學技術與工程教育的發展，從轉變育人模式的系統視角理解工程啟蒙教育的意義。由此，我們提出以下建議。

將工程啟蒙教育納入國家義務教育課程體系中。新課標中已提出在科學教育中融合技術與工程，并加強信息科技教育，可見已經關注到技術與工程，但技術與工程具有獨立的知識形態和活動方式，也包括除了信息之外的能源、材料等更廣泛的領域，因此現有的方案并不能替代獨立形態的工程教育。要制訂至少十年不落后的國家課程標準，在基礎教育階段加強工程啟蒙教育，加強應用性課程的建設。

建議設立獨立的工程啟蒙課程，研制獨立的課程標準。在小學階段開展以“設計思維”培養為主的項目學習實踐，開展工程啟蒙教育，初中階段設立一學年的工程啟蒙教育的必修課程，以及一定體量的選修課程模塊。義務教育階段工程啟蒙教育課程應與高中通用技術課程形成配合。

在各地發展不平衡的情況下推進中小學工程啟蒙教育。從中小學工程啟蒙教育實施的基礎來看，浙江、北京、上海、江蘇等地區有較好的勞動與技術課程基礎，并且近年來積極推進STEM教育，而一些地區尚未很好實施技術類課程，還沒有關注工程教育，各地發展不平衡。建議在有一定基礎的地區先行試驗工程啟蒙教育，鼓勵其他地區積極參加試驗，分階段推進中小學工程啟蒙教育。

成立中小學工程啟蒙教育研究與實施的支持機構。我國缺乏中小學工程啟蒙教育的研究與各種支持。建議在我國成立類似的研究機構，積極引導并鼓勵高校、企業和社會機構共同參與工程教育項目，提供工程教育課程支持，作為工程啟蒙教育的學術支持，并建設類似于美國的PLTW 企業聯合支持的工程課程資源中心，開展課程資源服務與師資培養輔導。

加強高校的中小學工程啟蒙教育專業建設和師資培養。要發展我國中小學工程啟蒙教育，必須有一支優秀的技術與工程教育教師隊伍。因此，一方面建議在國家層面設置技術與工程教育專業，另一方面可借鑒美國技術與工程教育教師培養模式，師范院校可在物理、化學等科學專業增設技術與工程教育方向，有教育學院的綜合性大學、有工程學院的師范院校可采取工程學院與教育學院的聯合培養。此外，重視工程啟蒙教育教師隊伍的在職培訓，在我國可通過國家級培訓引領，省、市、縣教研跟進的方式促進工程啟蒙教育教師專業發展。