在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育*

蘇 洵 余舒雯 鄭永和

在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育*

蘇 洵 余舒雯 鄭永和[通訊作者]

（北京師范大學 科學教育研究院，北京 100875）

在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育以培養學生的批判性思維、創新與解決問題能力、跨學科知識應用能力、合作溝通能力和倫理意識，是人工智能時代對人才培養提出的新要求。基于此，文章首先分析了統籌規劃高質量中小學工程教育的價值意蘊，以此為基礎定位并闡述在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育的基本內涵。之后，文章從實踐、研究、師資、評價四個層面分析了我國統籌規劃高質量中小學工程教育面臨的現實問題。最后，文章針對這些現實問題，提出在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育的推進路徑，即開發國家中小學工程教育核心內容框架、建立影響廣泛的中小學工程教育研究共同體、提升中小學科技類教師的工程教學水平、構建面向全體中小學生的工程教育評價體系，以期推動我國高質量中小學工程教育的開展，并為實現創新人才的自主培養和深入落實教育、科技、人才一體化發展戰略提供啟示。

科學教育加法；中小學；工程教育；大科學教育；工程素養

當今時代，科技與產業持續變革，人工智能飛速發展并廣泛應用于生產生活各領域，未來世界充滿不確定性。面對未來社會的挑戰，開展中小學工程教育能夠幫助學生為未來生活和工作做好準備。中小學工程教育旨在培養全體中小學生的工程與技術素養，即理解、使用、創造、評價工程與技術產品的能力，并發揮工程學對于STEM教育的學科整合作用。黨的二十大報告明確提出教育、科技、人才一體化的重大發展戰略，并強調努力培養青年科技人才、大國工匠、卓越的工程師等科技領軍人才和創新團隊[1]。2023年2月，習近平總書記在中共中央政治局第三次集體學習時強調在教育“雙減”中做好科學教育加法[2]，奏響了向科學教育進軍的時代強音。同年5月，《教育部等十八部門關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》（下文簡稱《意見》）發布[3]，明確提出統籌規劃科學教育與工程教育，從跨學科教育的視角拓展了科學教育的內容和學習方式。在此背景下，本研究以統籌規劃高質量中小學工程教育的價值意蘊為切入點，剖析在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育的基本內涵，并針對當前我國統籌規劃中小學工程教育面臨的現實問題，提出在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育的具體推進路徑，以期為我國創新人才的自主培養提供思路。

一 統籌規劃高質量中小學工程教育的價值意蘊

中小學階段，在科學教育加法中統籌規劃高質量工程教育有助于為國家培養優質的科技創新人才，提升公民的工程與技術素養，也突顯出工程教育獨特的育人價值。

1 契合國家優質科技創新人才培養的發展邏輯

當今世界正經歷百年未有之大變局，應對大國博弈和新一輪科技革命、產業變革帶來的挑戰，解決關鍵技術“卡脖子”的問題，實現創新人才的自主培養，必須深入實施科教興國戰略和創新驅動發展戰略，增強國家創新發展新動能。依賴高質量科學、工程與技術人才大軍實現技術創新，是推動經濟社會發展的核心驅動力[4]。優質科技創新人才的自主培養不僅要求加強高等工程教育改革，也需要將工程教育前置到中小學階段。研究表明，學生在學校的工程教育經歷與其職業興趣直接相關，因為這些經歷塑造了學生的工程與技術觀[5]。學生通常在14歲之前形成對未來科學、技術、工程相關職業的興趣[6]，而參加工程課程和活動的學生可能對從事工程職業更感興趣[7]。因此，應為全體中小學生提供接受工程教育的機會，深化中小學生對工程、技術和工程師相關工作的認識，培養其未來的職業興趣。

2 順應提升公民工程與技術素養要求的現實邏輯

在各種技術產品、技術系統的設計與制造過程中，工程學扮演了重要角色。當今時代，工程與技術逐漸滲透到人類生產和生活的方方面面，已成為塑造社會的強大力量之一[8]。研究表明，工程教育有助于提升公民的工程與技術素養[9]。隨著我們的生活越來越依賴于工程與技術，在基礎教育階段開展工程教育以提升公民的工程與技術素養，已成為美國、英國、澳大利亞、新西蘭近年來教育改革的一項重要目標。所謂“工程與技術素養”，是指理解、使用、創造、評價工程與技術產品——人類設計的環境的能力[10]。提升公民的工程與技術素養，能幫助他們深入理解人類創造的世界和設計過程，并幫助他們在效益、成本、使用新技術的可行性方面和工程與技術相關社會性科學議題的評價與選擇方面做出明智決定。為了更好地應對當前和未來生活中的工程與技術挑戰，有必要在中小學階段加強工程教育，培養學生的工程與技術素養。

3 突顯工程教育獨特育人價值的學科邏輯

兒童天生喜好設計、建造和拆解物品[11]，而自小學階段起開展工程教育，有助于幫助兒童更持久地保留這份天性。另外，在中小學開展工程教育可以培養學生的問題解決能力和心理傾向[12]。現實世界中問題的解決常常是一個復雜的過程，既涉及問題的界定及其解決方案的設計、測試、迭代、評估等環節[13]，也涉及解決問題的毅力和信心。不同于傳統課程偏重知識的傳授，工程教育學科更多地強調在早期階段培養兒童解決問題的能力和心理傾向。工程教育通常采用項目式學習的方式，內容包含設計、動手實踐、探究、團隊合作等，為培養學生的批判性思維、溝通、合作、創造力等“21世紀技能”創設了絕佳途徑[14]。同時，學生在工程教育活動中可以進行自主設計，并對自己的學習負責，其學習的積極性、參與度相較于傳統課程有了更多提升[15]，這些都顯示出了工程教育學科獨特的育人價值。

二 在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育的基本內涵

做好科學教育加法，是推進黨的二十大提出的教育、科技、人才一體化發展戰略的重要抓手，是培養科技創新人才和高素質勞動者大軍、提升全民科學素質的關鍵，也是建設教育強國的突破口。不同于以培養卓越工程師、工程科學家、技術企業家、高素質技術技能人才為目的的高等工程教育，在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育，可以通過工程設計實踐，為學生提供科學學習的真實問題情境，重在培養全體中小學生的工程與技術素養，發揮工程學在STEM教育中的學科整合作用。基于此，本研究從狹義、廣義兩個角度分析科學教育，并以此為基礎定位并闡述在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育的基本內涵。

1 基本內涵定位

從狹義上講，科學教育以面向中小學生的自然科學教育為主，涉及物理、生物、化學等學科，其目的在于培養學生的科學素養[16]。從廣義上講，科學教育涵蓋幼兒園、小學、中學、大學各學段，在正式的學校教育環境和非正式的校外教育環境（如博物館、科技館、家庭、機構、社區等）均可開展，不僅涉及物理、生物、化學等自然科學學科，還包含技術教育、工程教育、數學教育等方面的內容[17]。《意見》對中小學高質量科學教育體系進行了全方位的頂層設計，并從大中小各學段一體化布局、校內外多元主體協同育人、“學-教-師-資-評-研”教育要素系統改革的三維視角，勾勒出一幅“大科學教育”的全景圖[18]。可見，《意見》中提到的“統籌規劃科學教育和工程教育”并非指向狹義的科學教育，而是直指廣義的科學教育，其基本內涵是在“大科學教育”視域下統籌規劃中小學工程教育。“大科學教育”突破了只關注中小學科學課程教學活動的狹義理解，而將科學教育視為一項涉及多元育人主體、不同學段、各個教育要素、多種保障機制有機融合以及整個社會共同發力以提升全民族科學素養的全局性、系統性大工程。

表1 科學、技術、工程三者的區別

2 基本內涵闡述

（1）突出學校主陣地，在科技類課程體系中融入工程教育元素

學校是統籌規劃工程教育的主陣地。在中小學開展工程教育，并非將其作為獨立課程并講授工程學的全部內容，而是強調在科技類課程體系中融入工程設計、工程思維、技術與工程本質、跨學科概念、工程核心概念等工程教育元素[19][20]。科學、技術、工程三元論強調三者是不同類型的社會實踐活動，具有本質區別，但同時又有密切聯系[21]，這為工程教育整合于科技類課程體系奠定了理論基礎。

根據科學、技術、工程的三元論理論[22]，本研究對科學、技術、工程三者的區別進行了對比分析，如表1所示，可以看出：科學以發現為核心，其目的在于認識世界；技術以發明為核心，其目的在于改造世界；而工程以建造為核心，其目的在于創造世界。具體來說，三者在實踐目的、實踐對象、知識形態、實踐主體、活動過程、研究方法方面都具有本質區別。但與此同時，工程與科學、技術之間也存在密切聯系。

工程與科學的密切聯系主要表現為：①現代工程以科學原理為基礎，科學原理會在工程實踐中得到驗證，而在工程與技術活動中開發的技術工具可以促進科學進步；②科學和工程都基于證據進行論證，且都開發并使用模型；③科學調查和工程設計相互促進，如科學探究生成的數據可以為工程設計決策提供信息參考[23]，而基于真實問題解決的工程設計可以為學生在真實情境中探索并理解科學原理提供支持[24]。研究表明，在科學教育中融入工程教育元素有助于提升學生的科學學習效果[25]。

工程與技術的密切聯系主要表現為：①工程包含技術，技術是工程的基本要素。工程教育與技術教育之所以能進行整合，原因主要在于做工程是從做技術出發的，而技術知識、技術手段和方法、技術設備是開展工程活動的前提。②工程活動不是單純的技術活動。技術與工程雖然都強調通過設計來解決問題，但不同于技術設計側重將資源轉化成可以滿足人類需求的產品或系統，工程設計需要重點考慮自然法則、成本、安全性、可持續性、可制造性等各種限制條件[26]，并且為了達到這些限制條件，工程往往使用科學原理和數學知識來優化技術[27]。這表明與技術教育相比，工程教育具有更強的跨學科性，且能更好地整合STEM各學科。研究表明，通過技術教育整合工程教育可以提升學生對技術的理解和應用能力[28]。

（2）盤活社會大課堂，協同社會力量共建工程教育體系

調動社會各方力量形成中小學教育的合力，已成為當今教育改革的共識。國際上開展的中小學工程教育充分利用社會大課堂資源開發并實踐獨立的中小學工程教育課程，如美國的“工程即基礎”（Engineering is Elementary，EiE）項目、“冒險工程”（Adventure Engineering）項目等。統籌規劃工程教育應暢通各種渠道，建立校外工程教育資源融入機制：①社會教育機構、博物館、科技館等可以利用自身優勢，開發并實施適合中小學生的工程教育課程；②工業界可以利用優勢資源，加強與中小學的合作，為學生提供走進企業操作間、基地、生產線的機會，以近距離感受工程與技術的魅力；③家庭是教育的重要場所，家長應呵護孩子喜好動手、動腦的天性，可以提供工程技術類書籍和玩具，開展相關的親子探索活動。

（3）進行一體化設計，實現大中小各學段工程教育的有機銜接

工程教育是一個從基礎教育到高等教育的完整體系。對大中小各學段的工程教育進行一體化設計，可從以下方面入手：①根據學生的年齡特點和認知水平，設置大中小各學段的工程教育目標，系統規劃不同學段的銜接與進階；②以中小學工程核心教育元素為切入點，根據學段目標和學生的科學、數學知識掌握程度制定工程教學計劃，形成螺旋上升、縱向銜接的工程教育體系，逐步提升學生的工程與技術素養；③推動大中小各學段一體化建設，著力破除各學段的合作與溝通壁壘，搭建各學段貫通培養的通道與交流平臺；④發揮工科高校優勢，選派工程專家到中小學指導具體的工程教學實踐，積極開放面向中小學生的工程實踐場館和軟硬件設備。

三 我國統籌規劃中小學工程教育面臨的現實問題

在澄清在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育之價值意蘊和基本內涵的基礎上，本研究從實踐、研究、師資、評價四個層面進一步分析我國統籌規劃中小學工程教育面臨的現實問題，以有針對性地提出具體的解決策略。

1 實踐層面，中小學工程教育實踐路徑初步顯現但整體發展不均衡

當前，我國中小學工程教育已初步顯現出三條實踐路徑：①在中小學科學教育中融入工程教育。《義務教育小學科學課程標準（2022年版）》已明確加入“技術、工程與社會”“工程設計與物化”單元[29]，說明我國已在國家課程標準層面將工程教育融入于科學課程體系中。而在實踐層面，以清華大學附屬中學、中國人民大學附屬中學實驗小學、廣東實驗中學越秀學校等為代表的一批中小學在科學教學的過程中已經開發了許多優質工程課程[30]。②在中小學技術類課程中融入工程教育。在國家課程標準層面，《普通高中通用技術課程標準（2017年版）》將工程思維納入學科核心素養[31]，《義務教育勞動課程標準（2022年版）》已涉及工程的籌劃思維、設計能力、團隊合作能力等內容[32]。在實踐層面，浙江省已將工程教育整合于技術類課程體系并在這方面積累了豐富的經驗[33]。③利用社會大課堂開展工程教育活動，主要表現為校外機構開發了系列工程教育課程。例如，某教育集團下設“少兒工程院”，從工程師基本功、機械工程、建筑工程等多角度開發中小學工程課程，產生了一定的社會影響[34]。

整體來看，我國中小學工程教育發展并不均衡，主要表現為：①就教育覆蓋面而言，重視中小學工程教育只是北京、廣東、浙江、江蘇等省市的零星行為，而在農村、偏遠山區、中西部地區并未全面推行；②就教育主體而言，校內、校外教育缺乏協同部署，尚未形成有效聯動；③就學段銜接而言，大中小各學段各自為政，缺乏有效貫通，尚未建立起一體化銜接機制。

2 研究層面，亟待建立影響廣泛的工程教育研究共同體并加強相關研究

當前，我國已經建立起由南京師范大學、中國教育裝備行業協會牽頭，各級各類學校和教育機構等企事業單位共同參與的全國K12技術與工程教育聯盟、全國K16技術與工程教育聯盟兩個公益性合作組織，這表明我國對中小學工程教育的重視程度有所增強。但目前全國范圍內基礎教育階段的工程教育力量仍然比較薄弱，亟待建立影響廣泛的中小學工程教育研究共同體。

研究成果方面，本研究以“中小學工程教育”“K-12工程教育”“K-16工程教育”為關鍵詞在中國知網進行文獻檢索，檢索時間設為“2011年1月～2023年12月”，檢索期刊限定為CSSCI期刊、北大中文核心期刊，得到近13年來相關主題的研究論文共17篇，其中94%為思辨類研究，主要涉及中小學工程教育的意義、國外相關經驗的介紹等內容。相比之下，中小學工程教育研究的國際成果更為豐碩。以其中專門刊登中小學工程教育的期刊為例：2011～2023年，該刊共發表中小學工程教育相關的論文143篇，其中92%為實證類研究。可見，我國中小學工程教育研究尚處于起步階段，相關理論研究和實踐研究均有待加強。

3 師資層面，中小學科技類師資匱乏且缺乏工程教育教學經驗

工程教育在中小學不是一門獨立的學科，其工程教學活動往往由科技類教師承擔。據教育部統計，2021年我國小學階段的科學教師、勞動與技術教師占全體教師的比例分別為3.7%、1.1%，初中階段科學教師、勞動與技術教師的占比分別為0.08%、0.9%，高中階段通用技術教師的占比為0.7%[35]。可見，我國中小學工程教育的師資十分匱乏。與此同時，職前中小學科技類教師工程教育教學能力的培養與提升沒有得到足夠重視，目前高等院校尚未開設針對中小學教育的“工程教育”師范專業。而職后教師培養除了個別地區的零星實踐，如桂林興華科學教育研究院每年舉辦教師工程教育培訓、江蘇無錫市定期開展中小學工程教育培訓會，絕大多數在職科技類教師很少有機會參與專門的工程教育教學培訓，因而缺乏相應的工程教學實踐經驗。

4 評價層面，尚未開發針對全體中小學生工程與技術素養的專項測評工具

當前，我國中小學工程教育評價主要集中在科技競賽活動。在教育部公布的《2022-2025學年面向中小學生的全國性競賽活動名單》中，全國青少年科技創新大賽、全國中小學信息技術創新與實踐大賽等賽事均涉及工程教育方面的內容[36]。另外，桂林興華科學教育研究院舉辦的“青少年科技運動會”賽事包含水火箭、拋石機等八個項目，要求選手完成工程類實踐項目并對其進行評價，產生了較大的社會影響[37]。但是，目前我國尚未開發針對全體中小學生的工程與技術素養評價工具。對此，我國可以借鑒美國“國家教育進展評價”（The National Assessment of Educational Progress，NAEP）中的技術與工程素養評價，該評價已于2014年、2018年針對全美八年級學生開展了兩輪測評，為追蹤美國學生的工程與技術素養水平變化并制定相關的政策文件提供了循證依據。

四 在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育的推進路徑

基于上述現實問題分析，本研究從實際出發，提出了在科學教育加法中統籌規劃高質量中小學工程教育的推進路徑。

1 加強實踐引領，開發國家中小學工程教育核心內容框架

工程教育引入中小學并非作為一門獨立的學科，而是在“大科學教育”視域下進行統籌，因此沒有必要為工程教育開發專門的學科課程標準。但鑒于工程教育的重要性，同時考慮我國中小學工程教育發展不均衡的現狀，需要國家進行頂層設計，并匯聚大中小各學段數學、科學、技術、工程教育等學科的研究者和教師代表、企業代表、工程相關組織、科技賽事開發者、非正式教育組織等多方力量，共同開發國家中小學工程教育核心內容框架，以對工程教育的核心概念、跨學科概念、工程實踐、工程精神、工程與技術觀等進行梳理與整合。可以預見，該內容框架的開發將在一定程度上保障校內外各育人主體、各學段工程教育的一致性，為教學指南編寫、教師培訓、課程設計、教學評價等提供理論指導。例如，工程教育的相關研究者可以在該內容框架的指導下，總結提煉北京、浙江、廣西等地的優質工程教育教學實踐經驗，本著“和而不同”的原則學習、借鑒國際工程教育理念方法，為工程教育不同學段的教師編寫教學指南，并在中小學科技特色校先行開展教學試點工作，再逐步向全國推廣。

2 夯實研究基礎，建立影響廣泛的中小學工程教育研究共同體

工程教育質量的提升，需要持續的理論和循證研究提供支持，這就需要建立影響廣泛的中小學工程教育研究共同體。該研究共同體重在倡導科學教育、技術教育的研究者關注如何將工程教育融入學科教育，如何在現有的科技類專業碩士、博士培養方向中加入工程教育，同時加強與高等工程教育工業界、企業界相關專家的合作，以推動中小學工程教育研究的不斷深入。此外，該研究共同體還有一項重要任務，那就是加強中小學工程教育的相關理論和循證研究，具體可從以下方面入手：①在開展科學教育大規模調研時，重點調查當前我國中小學工程教育的現狀，內容涉及校內外工程教育的師資情況、課程實施、教學評價、教師教學經驗、師生對工程和工程教育的認識等，以摸清當前我國中小學工程教育的實際情況和存在的問題；②開展如何通過工程教育提升學生高階思維能力、工程教學策略如何落地等問題的循證研究。

3 進行系統布局，提升中小學科技類教師的工程教學水平

優質的師資是提升中小學工程教育質量的關鍵。為此，國家需自上而下進行統籌部署，以不斷提升中小學科技類教師的工程教學水平：①在職前培養階段，一要發揮師范院校的積極引領作用，在中小學師范專業的培養內容中增加工程教育；二要鼓勵并吸引科技專家、優秀工程師到師范院校兼職，加強其與師范院校的合作，以使職前教師獲得專業指導和實用經驗；三要從工程類教師培養源頭積蓄力量，鼓勵電子、計算機、自動化、機械等專業的優秀畢業生從事中小學工程教育事業；四要在科技類教師專業水平認證中加入工程教育，以深化教師對工程教育的理解和認識。②在職后發展階段，一要利用已經開設的全國科學教師暑期學校，開展工程教育相關內容的培訓；二要在全國中小學建立工程教育工作坊，聘請企業工程師、工程教學經驗豐富的科技輔導員擔任顧問，培訓并帶動更多的科技類教師研習工程教育；三要在全國范圍內推廣優質的工程教師培訓項目，如桂林興華科學教育研究院的科技運動會教師培訓；四要在中小學智慧教育平臺展示工程教育相關的優秀教學視頻案例，以便于教師通過遠程教學、線上學習等方式提升工程教學水平。

4 重視評價反饋，構建面向全體中小學生的工程教育評價體系

要保障中小學工程教育質量，需要構建面向全體中小學生的工程教育評價體系，具體可從以下方面入手：①重視工程教學過程中的形成性評價，應用學習性評價理論指導評價過程，以提升學習效果[38]。②開發面向全體中小學生工程與技術素養的測評工具，并定期開展測評。測評工具的開發需在國家相關部門的統一協調下，組織技術和工程專家、商業領袖、教育政策制定者、教師、家長及公眾代表共同參與，以廣泛征集和吸收各利益相關者的建議，提升測評工具的可靠性。③應用數字化技術，助力測評工作的開展。例如，應用AR、VR等技術模擬真實情境來吸引學生參與測評，應用基于交互式多媒體技術實現人機互動測評等。構建面向全體中小學生的工程教育評價體系，一方面便于學生根據評價結果了解自己的工程學習情況，提升學習的積極性和主動性；另一方面便于教師及時了解學生在工程學習方面的知識與技能掌握程度，從而有針對性地進行教學干預，并且測評結果也可為教師優化工程教育課程設計提供參考。

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Overall Planning High-quality Engineering Education in Primary and Secondary Schools within the Science Education Addition

SU Xun YU Shu-Wen ZHENG Yong-He[Corresponding Author]

It is a new requirement for talent training in the artificial intelligence era to cultivate students’ critical thinking, innovation and problem-solving ability, interdisciplinary knowledge application ability, cooperative communication ability, as well as ethical awareness through overall planning high-quality engineering education in primary and secondary schools within the science education addition. Based on this, the paper firstly analyzed the value implication of overall planning high-quality engineering education in primary and secondary schools, and accordingly positioned and expounded the basic connotation of overall planning high-quality engineering education in primary and secondary schools within the science education addition. Then, the realistic problems in overall planning high-quality engineering education in Chinese primary and secondary schools were analyzed from four aspects of practice, research, teachers and evaluation. Finally, in response to these realistic problems, the promotion paths of overall planning high-quality engineering education in primary and secondary schools within the science education addition were proposed in this paper, which included the development of core content framework of engineering education in national primary and secondary schools, the establishment of a research community of engineering education with wide influence in primary and secondary schools, the improvement of engineering teaching level of science and technology teachers in primary and secondary schools, and the construction of an engineering education evaluation system facing for all primary and secondary school students. These proposed measures were expected to promote the development of high-quality engineering education in primary and secondary schools in China, and provide insights for autonomous cultivation of innovative talents and the in-depth implementation of the integrated development strategy of education, science, technology and talent.

science education addition; primary and secondary schools; engineering education; big science education; engineering literacy

G40-057

A

1009—8097（2024）01—0035—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2024.01.004

本文為教育部哲學社會科學研究重大委托項目“中國工程教育戰略與改革路徑研究”（項目編號：22JZDW002）的階段性研究成果。

蘇洵，講師，博士，研究方向為中小學科學教育、工程與技術教育，郵箱為731049609@qq.com。

2023年10月8日

編輯：小米