義務教育階段中美“技術與工程”內容比較研究

鞏曉陽 鄧子堯 郭曉麗

【摘 要】作為STEM教育的重要組成部分，技術與工程教育是培養創新人才的重要途徑。為了系統了解技術工程素養的內涵以及技術工程教學在不同維度和學習階段的表現，可以將我國2022年版科學和信息科技兩個學科的課程標準與美國2020年版《技術與工程素養標準：STEM教育中技術與工程的作用》作為研究對象，基于已有研究中成熟的技術工程素養評價框架進行內容比較。兩國文件在三個評價領域和三個實踐維度均表現出一定的分布差異性和學段差異性。我國科學學科和信息科技學科的分科設置能夠發揮優勢互補的作用，但在技術工程教育的連貫性和系統性上還需進一步加強，可以從深化系統思維、凸顯發展的綜合性、加強連貫性三個角度進行改進。

【關鍵詞】技術與工程；課程標準；國際比較；STEM

在全球化的大背景下，人才競爭成為各國科技競爭的核心，我國也提倡加速培養具有突出技術創新能力和善于解決復雜工程問題的工程師隊伍。而要實現這一目標需要教育體系內部的通力合作：一方面，高校需要完善技術工程相關專業的人才培養體系；另一方面，K-12教育階段應注重在基礎學科中滲透技術工程教育，挖掘具有發展潛力的青少年作為儲備力量。作為STEM教育的重要組成部分，技術工程教育在全世界范圍內的發展相對薄弱，尤其是K-12階段的培養策略還有待完善和優化。［1］針對以上問題，世界各國逐步加強了基礎教育階段技術工程教育標準的制定和課程設計。2020年美國技術工程教師教育協會和國際技術工程教育協會聯合發布了《技術與工程素養標準：STEM教育中技術與工程的作用》（STEL），它強調要在跨學科教學中培養學生的技術與工程素養［2］5。而我國2022年發布的《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“科學新課標”）和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“信息科技新課標”）中也體現了技術與工程方面的重要元素。理解技術與工程素養的內涵、維度和學習各階段的表現是有效實施技術工程教育的關鍵。出于以上考慮，下面通過對比中美兩國相關文件中技術工程教學內容的異同為我國未來技術工程教育的實施與評價提供參考。

一、研究背景與設計

（一）研究對象

考慮到標準的適用范圍和使用廣度，我們選擇了美國《技術與工程素養標準：STEM教育中技術與工程的作用》（STEL）和我國的科學新課標、信息科技新課標作為研究對象。其中，2017年版科學課程標準中首次增加了技術與工程領域的內容，2022年版則調整了核心概念的內容，因此可以判斷這兩個部分是科學新課標中應當重點關注的內容。需要注意的是，義務教育階段與“技術與工程”相關的內容在勞動和綜合實踐課程中也有涉及，但總體來看綜合性強且地區差異大，因此不列入本次研究范圍。與此同時，科學課程在部分初中學校還可能細化為物理、化學、生物三門課程，因與科學課程的開設存在重疊區間，也不列入討論。下文我國教學部分僅集中闡述科學新課標與信息科技新課標中的技術與工程元素。

1.我國新課標中技術與工程相關內容

科學新課標將課程設置為13個學科核心概念和4個跨學科概念，這些概念都是義務教育階段學生要學習的核心內容。其中，技術與工程的相關內容與2個學科核心概念（“技術、工程與社會”和“工程設計與物化”）及4個跨學科概念密切相關。“技術、工程與社會”強調了技術與工程的性質特點，還有它們對人類世界的影響及與科學的關系；“工程設計與物化”描述了工程的定義及與設計的關系。科學新課標圍繞以上核心概念詳細闡述了學生在1～2年級、3～4年級、5～6年級、7～9年級四個學段的內容要求和學業要求，具體情況見表1。

2022年版信息科技新課標將原來的“信息技術”更名為“信息科技”，將其從綜合實踐活動中分離出來，這標志著信息科技正式成為獨立的國家課程。信息科技是現代科學、工程和技術領域的重要組成部分，它主要關注“以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現”［3］1。因此信息科技課程也必然與技術工程素養的培養息息相關，該課程主要培養學生信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任四大核心素養［3］4。課程內容主要圍繞數據、算法、網絡、信息處理、信息安全、人工智能六條主線展開，依據學生的認知特征在四個學段各自安排了九大學習內容和四大跨學科主題，這些都與技術工程教育有著緊密的聯系，具體情況可參考表2。需要注意的是，義務教育階段僅在3～8年級單獨開設此門課程。

2.美國STEL技術工程素養的內涵

與我國課程標準的要求相比，美國STEL將技術工程素養的培養設定在STEM大范圍內，覆蓋學前到高中整個學段，因此學科教學的整合性和學習的連貫性更強。文件從標準、實踐和情境三個維度闡述了技術工程素養的內涵：標準包括技術與工程的本質和特點、技術與工程的核心概念、知識技術與實踐的整合、技術的影響、社會對技術發展的影響、技術史、技術與工程教育中的設計、技術產品及系統的應用、維護與評價；實踐包括系統思維、創造力、批判性思維等；情境包括自動化、人工智能和機器人、能源與動力、信息與通信等。其中八項核心標準依次分布在PreK-2年級、3～5年級、6～8年級、9～12年級四個學段，形成了完整、系統的學習進階過程。但是由于具體內容的交叉程度較高，因此需要采用更為系統合理的研究工具以評價這些標準的內容側重點。

（二）研究方法和分析框架

由于兩國文件既有相似之處又具有差異性，因此想要對內容進行對比分析需要構建合理的比較框架。由美國國家教育進步評價項目（NAEP）開發的技術與工程素養評價框架在國際上認可度較高，目前已經完成兩輪針對美國學生的技術工程素養評價。該框架能為國內外課程標準分析提供評價的理論基礎，這對于改進技術工程教育的課程設計和教學實踐具有啟發意義。

與STEL類似，NAEP提出的技術與工程素養評價框架包含“評價領域”“實踐”“情境”三個部分（見圖1）。其中，“評價領域”包括“技術與社會”“設計與系統”“信息與通信技術”三個領域，具體對應的子領域見表3（為便于下文提及并做分析對比，分別用數字和A、B、C等字母標注和指代）。其中，“技術與社會”領域主要關注技術對人類、自然世界和信息知識世界的影響以及使用技術涉及的倫理問題；設計與系統領域主要關注技術的本質、技術發明過程中的工程設計和工作原理；“信息與通信技術”則關注技術工具的使用和功能。實踐中，“理解技術原理”指利用技術相關的事實、概念和原則形成論點；“設計方案并實現目標”指利用技術知識和工具解決現實問題；“交流與合作”指利用技術工具交流信息和實現團隊合作。“情境”則是技術工程素養評價的載體，“評價領域”和“實踐”主要是在試題情境中展開。鑒于本文的研究重點是中美文件中技術工程素養的具體體現，因此主要關注“評價領域”和“實踐”兩個方面。NAEP在文件中進一步詳細闡述了每一種評價領域對應的技術工程實踐，這些示例為本研究中的文本分析提供了可靠的編碼依據。

編碼過程中，筆者首先以語義為基本單位從“評價領域”和“實踐”兩個維度對兩國文件中的學業要求進行編碼，示例如表4。由于兩國K-12教育體系的學段設置有所差異，因此橫向比較前首先需要解決兩國縱向學段劃分不同的問題。具體來說，可以將學段按照小學低年級、小學高年級和初中三個階段進行劃分，如此一來我國3～4年級和5～6年級兩個學段需要合并起來，方便與美國的3～5年級進行對照。學段劃分完成后，便可以采用頻數統計的方法比較技術工程素養不同元素在三個階段的分布情況。

二、中美技術工程教學內容的比較

（一）兩國文件在評價領域和實踐維度的描述性數據

經統計，各個學段中與技術工程相關的內容描述在三個評價領域出現的頻率數據如圖2所示（圖中S指科學新課標，T指信息科技新課標）。其中，我國兩個新課標和STEL文件中分別出現137個和125個編碼，我國的137個編碼中有73個來自信息科技新課標，64個來自科學新課標。

我國兩個新課標文件的編碼在“技術與社會”“設計與系統”“信息與通信技術”三個評價領域占比分別為22.63%、51.82%和25.55%，信息科技新課標中編碼在“技術與社會”領域出現的次數高于科學新課標。以子領域1C為例，它能有效補充科學新課標在該領域內容涵蓋不足的問題，這體現了分科教育下不同學科側重點的差異和相互補充的優勢。與此同時，我國的兩個新課標內容集中在1A和1D上，而對1B則沒有涉及。“設計與系統”領域主要集中在2A和2B上，2D則涉及較少；2C作為技術工程教育的重要思維方式，主要出現在信息科技新課標中，在科學新課標技術與工程模塊涉及較少。“信息與通信技術”的子領域分布相對均勻，且主要來自信息科技新課標，但3D領域內容相對較少。從學段分布來看，“技術與社會”和“設計與系統”在3～6年級的占比高于1～2年級和7～9年級，而“信息與通信技術”在三個學段的分布差異不大。

美國STEL文件中，編碼在“技術與社會”“設計與系統”“信息與通信技術”三個領域中占比分別為28.8%、63.2%和8%。“技術與社會”領域在四個子領域中均有涉及，主要集中在1A和1B；“設計與系統”領域也涉及四個子領域，但主要集中在2A、2B、2C；“信息與通信技術”領域整體占比較低，主要涉及3A、3B和3C，但在3D和3E沒有涉及。從學段分布來看，三個評價領域在三個學段整體都呈現出遞增趨勢（如圖2、圖3、圖4所示，其中S指科學新課標，T指信息科技新課標）。

如果采用相同的編碼規則從“實踐”的維度分別對兩國文件再次進行編碼，各個學段的技術工程內容描述在三個維度出現的頻率數據如圖5（其中S指科學新課標，T指信息科技新課標）所示。其中，我國兩個新課標和STEL文件中分別出現147個編碼和99個編碼。我國兩個新課標的147個編碼中有66個來自科學新課標，81個來自信息科技新課標，整體來看出現在“理解技術原理”“設計方案并實現目標”“交流與合作”的占比分別為48.98%、36.05%和14.97%。從學段分布來看，三種實踐行為在3～6年級的占比高于1～2年級和7～9年級。STEL文件中在“理解技術原理”“設計方案并實現目標”“交流與合作”的占比則分別為52.53%、43.43%和4.04%。從學段分布來看，“設計方案并實現目標”在三個學段中呈現遞增趨勢，“理解技術原理”在3～5年級占比稍高于PreK-2年級和6～8年級。“交流與合作”整體占比較少，在三個學段的分布差異也不大。

（二）兩國文件整體比較及主要差異

從整體層面來看，我國K-12階段的技術工程教育尚處于起步和探索階段，但科學與信息科技兩個新課標的內容基本覆蓋技術工程素養的不同方面，甚至兩個學科的分科設置還能更全面、更綜合地覆蓋“評價領域”和“實踐”兩個不同的維度。STEL則是描述STEM環境中技術工程素養標準的獨立文件，它體現了融合技術與工程的整體趨勢，“明確了技術與工程教育的跨學科性及其在STEM教育中的學科整合作用”［6］。

從評價領域層面來看，我國兩個新課標和STEL都強調了“設計與系統”領域在技術工程教育中的重要性，尤其強調了2A和2B兩個子領域。2C在兩國文件中均有涉及，但主要分布在我國信息科技新課標中，科學新課標相對較少。與系統思維相關的2D在我國兩個新課標中并未涉及，但作為技術工程教育的重要思維方式，如何在科學新課標的技術與工程模塊將系統思維外顯應當進一步探究。“技術與社會”領域中，兩國文件均重點關注1A這一子領域。STEL對1C和1D有所涉及，但占比較少，而我國的信息科技新課標能夠有效補充科學新課標在這兩方面的不足。我國兩個新課標都較少涉及1B，而STEL因為能夠體現跨學科優勢，涉及的內容范疇也更廣，所以涵蓋了該領域的四個方面。“信息與通信技術”領域我國兩個新課標的占比明顯高于STEL，這是因為科學與信息科技的分科優勢使得我國兩個新課標在大部分子領域的頻次皆高于美國STEL。

從技術工程實踐層面來看，中美兩國文件主要關注“理解技術原理”和“設計方案并實現目標”兩方面，其中“理解技術原理”在兩國文件中占比最高。不同的是，中國兩個新課標中“交流與合作”的占比明顯高于STEL。

以上兩個層面在不同學段的變化趨勢中也表現出相似性或差異性。相似處體現在大部分評價領域和實踐層面在小學階段高年級出現的頻次高于低年級，這側面反映了學生學習的進階性以及小學高年級是培養學生技術工程素養的重要時期這兩個客觀現象。差異處體現在以上內容在我國初中階段的要求中出現的頻次有所下降，而在美國文件中整體表現出逐步遞增的趨勢。這一差異背后可能的原因是我國從初中開始進行分科，學校可以根據實際情況以物理、化學、生物等學科不同程度上替代科學課程，因而技術與工程的相關內容有可能滲透在其他分支學科中。

三、內容比較對我國技術工程教育的啟示

技術工程教育是培養學生創造力的重要途徑，尤其是近年就如何在K-12階段整合技術工程教育逐漸受到人們的關注和重視。新課標背景下，我國技術工程教育的標準制定和實施路徑尚處于不斷探索的過程中。面對國家人才培養的新要求，K-12技術工程教育應從標準制定、內容整合和學段連貫等方面進行思考。根據中美兩國文件內容的比較結果，可以從技術與工程素養的評價領域和學段連貫性兩個角度獲得啟示，提出以下改進建議。

（一）深化技術與工程模塊的系統思維

“系統”是我國課程標準和美國下一代科學標準中重要的跨學科概念，STEL和NAEP文件中也將系統思維列為重要的實踐表現。目前系統思維主要體現在信息科技新課標中，它在科學新課標中集中于“生命系統的構成層次”“地球系統”等核心概念中，而在技術與工程模塊涉及較少，僅停留在淺層的“現代技術與工程具有系統性”的理解上，未基于系統這一概念進一步拆解和挖掘。技術與工程是人類根據實踐經驗和科學原理改造自然的活動和手段，而技術與工程相關產品是改造自然的結果，因此它本身就構成了系統結構［7］。義務教育階段將系統思維遷移到科學課程中具有重要的實踐意義，這有助于學生從整體和宏觀層面分析問題。具體操作過程中，技術與工程產品的系統性可以從產品的靜態結構構成和動態運行過程兩個層面如圖6所示進行分析。靜態構成層面上，技術與工程產品包含結構、控制和流程三類要素，它們分別由小部件連接形成模塊，通過各個組成要素相互作用，發揮系統的整體功能；動態運行過程層面則應考慮輸入、過程、輸出和反饋四個環節。以上四個環節的系統模型思想也被廣泛運用到美國初高中的工程設計教學中。我國一線教師可以在不同階段以開放式的維修挑戰為載體進行教學，例如通過維修簡單的玩具或家用電器，發展學生的系統思維，以及故障診斷和維修能力；還可以結合添加食品添加劑的利弊、化石能源的利用等社會科學議題組織辯論活動，幫助學生在交流討論中發展系統思維。此外，系統工程也是我國錢學森院士的重要思想，指的是用系統觀點處理問題的工程技術［8］。挖掘這些跨學科素材可以幫助學生從STEM、歷史、語文等多學科角度展開活動，培養科學精神和愛國精神。

（二）凸顯技術與工程發展的綜合性

按照錢學森院士的分類，人類社會是一個復雜的巨系統，它與外部環境有著物質、能量、信息的交換［9］。技術與工程的發展是人類社會系統前進的動力，也是人類社會與自然環境交互的媒介，因此義務教育階段應在不同學科情境下鼓勵學生從不同視角認識技術與工程發展的綜合作用。目前我國課程標準主要關注它在改善人類生活和生產方面發揮的積極作用，卻忽略了技術工程發展與外部環境的相互作用。技術的產生和發展因人類和社會需要所驅動，隨著時間的推移對自然環境和社會文化環境產生正面或負面影響，而人類應充分利用技術優勢實現可持續發展。隨著全球進入信息化時代，如何利用技術工程實現社會高質量發展是值得深入思考的問題。作為教育工作者，教師可以在跨學科實踐環節挖掘技術史等素材，采用科學—技術—社會（STS）教學理念培養學生分析問題和辯證思考的能力，凸顯技術工程發展的社會屬性。

（三）加強K-12技術工程教育的學段連貫性

STEL技術工程素養標準覆蓋了整個K-12階段。我國的科學新課標和信息科技新課標均凸顯了國家在政策層面上對技術工程教育的重視，但是義務階段與高中階段教學的連貫性還有待進一步加強。由于我國的K-12教育體系結構與美國的差異較大，隨著分科和學業壓力的增加，技術與工程教育如何在初高中階段進行整合與滲透還有待商榷。基于我國國情，增強學段的連貫性可以從以下兩個方面出發。一方面可以考慮國家教育部門在編制課程標準時進一步完善不同學段技術與工程教學內容的銜接。目前國際上有兩種處理方式：（1）將工程教育與科學教育整合，例如《美國下一代科學標準》中就明確規定了科學與工程實踐的具體內容；（2）將技術與工程素養整合處理，制定相應的標準并增強不同學段，尤其是義務教育與高中的銜接。另一方面需要注意在師范教育和職后教育中培養教師技術工程的教育能力，尤其是跨學科主題教學能力。目前我國的課程體系中，科學的相關學科、信息科技、綜合實踐活動和勞動課程中均已融入技術工程元素，但在實踐層面上還不構成完整的系統。未來教師可以梳理學生已有的技術工程經驗，挖掘發展點，提高跨學科教學的針對性和有效性。而在學生選擇未來專業和職業的關鍵時期，高中教師可以充分挖掘教材中職業生涯教育欄目的素材，如化工工程師和環境保護工程師等內容，將跨學科活動與職業生涯教育相結合，激發學生對技術工程領域的興趣。總之，K-12階段的技術工程教育能對學生生涯決策起到重要的引導作用，促進技術工程人才培養進入良性循環。

參考文獻：

［1］MOORE T J，STOHLMANN M S，WANG H H，et al. Implementation and integration of engineering in K-12 STEM education［M］//Engineering in Pre-college Settings：Synthesizing Research，Policy，and Practices. Purdue University Press，West Lafayette，Indiana—IN，2014： 35-60.

［2］International Technology and Engineering Educators Association. Standards for Technological and Engineering Literacy：The Role of Technology and Engineering in STEM Education［S］. Reston：［s.n.］，2020.

［3］中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）［M］. 北京：北京師范大學出版社，2022.

［4］National Assessment of Educational Progress. Technology and Engineering Literacy Framework for the 2018 National Assessment of Educational Progress［S］. Washington，DC：［s.n.］，2018：22-27.

［5］中華人民共和國教育部. 義務教育科學課程標準（2022年版）［M］. 北京： 北京師范大學出版社，2022：104.

［6］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.

［7］郭曉麗. 中小學技術與工程教育內容體系的建構研究［D］. 北京：北京師范大學，2015：60.

［8］苗東升.錢學森與系統工程［J］.中國工程科學，2002（3）：16-20.

［9］于景元.錢學森系統科學和系統工程的成就與貢獻：從系統思想到系統實踐的創新（上）［J］.中國航天，2021（12）：15-23.

（責任編輯：朱曉燦）