中美科學課程標準中的工程教育比較研究

美國《下一代科學標準》（簡稱NGSS）為什么強調在K-12教育中增加工程學課程？主要有三點原因：工程思維有助于培養學生的21世紀技能；工程教學法有可能提高學生在數學和科學方面的成績；工程背景有可能提高學生對STEM學科和職業的興趣。因此，在中小學科學教育中需要重視工程教育，培養學生的技術與工程素養以獲得自身的發展和適應社會的要求。

本文的研究目的是從美國NGSS和中國《義務教育科學課程標準（2022年版）》（簡稱課程標準）中梳理關于工程教育的相關內容的發展，進行不同維度的對比，找到課程標準關于工程教育維度存在的不足以及發展空間，得到有益于我國在義務教育階段發展工程教育的啟示，促進工程教育在中小學科學教育中的融合和發展。

一、工程及工程教育

1.工程

工程通常被定義為創造用于社會用途的物體和系統。[1]根據工程師的定義，工程的特征是解決問題：工程師必須解決問題，設計產品，研究新方法或材料；工程工作是為了解決問題。[2]

工程教育項目審查委員會（1998）將工程學定義為一門以數學和自然科學為基礎，有時運用人文和社會科學知識，旨在為公共安全、健康和福利建造有用的東西和舒適的環境的學科。英國皇家工程院（2000）將工程定義如下：為特定目的構思、設計、制造、建造、操作、維持、回收或廢棄具有重要技術含量的物品所需的知識和應用的過程。在這個定義中，工程被認為是與特定技術內容相關的知識和過程。美國國家工程學院（2008）對工程的定義如下：沒有哪個職業像工程一樣釋放創新精神，從研究到現實世界的應用，工程師不斷通過大膽的解決方案來改善我們的生活，并且運用意想不到的前瞻性方式將科學融入生活；很少有職業能將如此多的想法變成現實，工程能對人們的日常生活產生如此直接和積極的影響，我們依靠工程師和他們的想象力來幫助我們滿足21世紀的需求。[3]在這個定義中，工程被認為是一種職業，也是一種從思想中創造有用東西的活動。

自20世紀末開始，美國根據其自身的國情以及教育的發展，頒布關于技術與工程相關的文件與報告（見表1）。美國非常重視技術與工程教育的發展，并且從不同角度提出發展工程教育，這不僅揭示了美國基礎教育階段工程教育的現狀，也描繪了工程教育的發展藍圖。

2.工程教育

美國《技術與工程素養標準：STEM教育中技術與工程的作用》（簡稱STEL）中對工程教育的定義為：工程教育的目的在于培養學生以使他們具有廣博的學識和綜合的能力，并且了解工程與社會之間的相互作用，從而能夠運用、創造與評價當前和新興的科學技術，或者說是為了提高學生的工程素養。工程教育實施的方式可以是工程的獨立課程，也可以與其他學科進行整合。[4]

人類進入工程時代之后，對于如何教授與工程相關的知識與技能更加重要。工程教育在不同的歷史發展階段出現了不同范式的變化：據國外的研究結果分析，工程教育的發展主要有技術范式、科學范式和工程實踐范式階段，[5]這體現了教育理念的更新以及社會的發展需求。

一些學者指出，未來十年可能成為全球最佳工程教育項目的四個關鍵特征，[6]從方向上來說可分為：主動學習、工程學習的選擇性、社會變革主題以及以學生為中心。從這些關鍵特征（見表2）可以為我們當下的工程教育提供一些啟示和思路。

二、STEM教育中的“E”

1.STEM教育中的工程教育

STEM課程將自然科學、工程、技術以及數學融合到一起，使得STEM的理論與實踐更具創造性，并且可以幫助人們更好地理解世界。STEM的特點使它與其他領域形成鮮明對比，從而更好地滿足社會發展的需求。STEM中的“E”涵蓋了許多實踐性的內容，既可以幫助學習者掌握基礎的理論，又可以激發出他們更深層次的應用，因而成為STEM課程的核心。

STEM課程中的工程教育旨在幫助學生深入理解工程設計（Engineering Design Process，EDP），以及它所涉及的各種技術和實踐操作，從而更好地解決工程問題。融入工程的STEM課程能使學習者建立完整的工程思維體系，從而更好地發揮自身的潛力，它不僅可以幫助學生將科學、技術和數學的理論融合在一起，而且可以激發他們的創新精神，促進STEM教育的發展。因此，工程教育的目的在于幫助學生更好地理解和掌握基礎的STEM理論，以及幫助他們發展工程思維。[5]

在工程設計中，Jolly教授把整個STEM學科中的工程設計步驟總結為8個階段（如圖1），它們之間并非簡單的線性關系，而是一種不斷迭代重復的方式。因此，在解決問題時，可以通過反復使用這些步驟，或者在幾個步驟之間進行循環，最終達到更優的結果。[7]

在科學中，制造也被認為是一種利用、證實理論和規律的活動。在數學中，建模被認為是與設計相關的活動，是經過研究和實踐的。因此，STEM教育與工程教育，既融合在各個學科維度中，又單獨作為工程教育與其他學科并存，將工程教育融入STEM教育中真正體現了跨學科教育。

2.義務教育階段中的工程教育

美國將工程設計融入K-12課堂中，使其具備作為教學方法、學科實踐和學科核心觀念的內涵。學者黃樺梳理了工程設計融入K-12教育的發展歷程“教學方法—學科實踐—學科核心觀念”（見表3）。[8]

我國義務教育階段的工程教育主要在科學課程中實施，例如課程標準中“技術、工程和社會”“工程設計與物化”對工程教育的相關內容做出了具體的要求。中小學工程教育的核心特征表現為： 工程設計、決策制訂、物化實現和思維培養。[9]因此，中小學要著重培養學生的工程意識，鼓勵他們進行創新實踐，并且參與工程職業的興趣培養與訓練。

將工程教育融入義務教育階段科學教育是合理的，也是必要的，這為科學的應用和深入理解提供了真實的背景。工程本質上是跨學科和多方面的，因此沒有單一類型的工程實踐。本次研究從工程設計的第三階段的發展出發，將工程設計作為學科核心觀，對課程標準中的工程教育進行梳理，分析NGSS與課程標準中的工程教育維度。

三、NGSS與課程標準在工程維度的對比

1.NGSS中的工程教育

2012年和2013年，美國政府分別推行《K-12科學教育架構》和NGSS，這極大地拓展了K-12科學課堂的范圍，有效整合科學與工程實踐、學科核心概念、跨學科概念的三維學習框架，也為學生制訂更加精準的學習目標，[8]使他們能夠更好地掌握科學研究的方法和工程技術知識。NGSS包括了工程和科學的核心概念，突出了科學與工程教育的相互聯系。[10]NGSS強調，把工程設計納入科學課堂的范疇，[11]使其成為一種獨立的、具有挑戰性的活動，從而凸顯科技發展與工程技術的密切關聯。就科學而言，11個核心概念及其相應的子概念包含在科學核心概念中。而對于工程而言，僅列出了兩個核心概念：工程設計與工程、技術、科學和社會之間的聯系（見表4）。[12]

2.課程標準中的工程教育

本次研究主要梳理課程標準中關于工程教育的核心概念有“技術、工程與社會”和“工程設計與物化”，其中對這兩個核心概念的學習內容描述如下。

技術、工程與社會的學習內容包括技術與工程的性質和特點，技術與工程對人們生活、生產和社會的影響，科學、技術、工程的相互影響，還包括體現上述內容且與所學科學內容有關的創意實踐活動，以及利用創意作品進行自主探究。

工程活動的本質是創造人工實體，設計與物化是其中的重要環節。工程首先要定義和界定問題，明確需要滿足的標準和規定的限制條件，形成多種可能的解決方案，基于證據進行優化并確定方案；物化是選擇合適的工具和材料，實施設計方案，做出初步的產品或實物模型。經過對結果的評估，發現存在的問題并進行改進，對于比較復雜的產品或實物模型，可能需要多次迭代改進。

3.NGSS和課程標準中的工程教育內容對比

（1）框架結構對比

在NGSS中以“預期表現—學科核心概念—子概念”結構呈現技術與工程的關聯，與課程標準中的“學科核心概念—學習內容—內容要求”的結構相反。美國以知識和技能的輸出關聯具體學習內容，我國則是對輸入的知識內容提出要求。

（2）內容層面對比

NGSS和課程標準的工程內容都很豐富，均以學科核心概念搭建科學教育內容的框架，并在這些學科核心概念的學習過程中有機地融入各自的目標。NGSS的“工程設計”聚焦于工程設計中的三個重要環節，課程標準的“工程設計與物化”重視概念層面設計方案的得出，還從實踐層面提出了要求，例如工具的使用、模型的制作等實物操作要求。我國技術與工程的內容包含技術與工程的本質和特點，強調科學原理在技術與工程中的運用，但是對技術工程與社會層面的關系描述較少。NGSS對技術、工程、科學和社會之間的關系進行了較為全面的描述。對于科學、工程和技術之間的聯系，中美兩國均包含技術與工程為科學的發展提供便利以及科學發現能夠帶來新技術或工程，但課程標準還突出了科學概念或原理在技術或工程中的運用，這一目標的提出有利于學生將所學的知識轉換為可以解決實際問題的工具或方法。對于技術、工程與社會的關系，課程標準著眼于技術與工程對社會或個人帶來的便利，而NGSS描述了社會、個人與技術工程的雙向影響。

（3）學習內容對比

課程標準沒有進一步對“工程需要定義和界定”做出對學習內容的描述，NGSS則對“定義問題”這一子概念作了進一步的闡述。

（4）實踐層面對比

課程標準重視對工程設計環節中實踐的掌握，而NGSS聚焦于實踐過程中重要且具體的活動，所涉及的工程實踐內容如圖所示。課程標準對科學探究的一般過程以及技術與工程實踐的一般過程分別提出六點要求，NGSS則對科學與工程實踐提出八點要求。

（5）學習要求對比

NGSS對預期表現進行了多維度的整合，并且每一個預期表現都是包含科學與工程實踐的具體任務。課程標準既給出了具有針對性的內容要求，又在內容整合層面提出了學業要求和學業質量。兩者對比見表5。

4.小結

NGSS和課程標準作為科學教育的標準文件，均選擇工程設計和STSE作為技術與工程的主要學習內容，同時將科學探究、技術與工程實踐進行整合，作為科學課程學習的重要方式及目標之一，并且兩者都采用核心概念整合教學內容，通過進階設計體現對學生不同發展階段的要求。另外，它們在框架結構、學習內容、實踐以及要求維度上具有不同的發展。

課程標準的優勢表現在：首先，在工程學習的內容和廣度上優于NGSS，包括了技術與工程的本質和特征，還在學習要求中提出了技術史、技術與工程的核心概念等相關內容；其次，將學生的思維和情感具體化，在態度責任中提出社會責任，而NGSS缺乏對學生情感與態度的描述；最后，在技術與工程實踐中強調了從科學原理到技術之間的轉化，包括模型設計、工程應用等。

NGSS的優勢表現在：首先，對工程內容維度的描述較為深入，如工程的學習內容、工程實踐方面；其次，工程實踐與學習內容之間的聯系更為緊密；最后，在預期表現中具有整合性。

反思與啟示

隨著信息技術的飛速發展和人類社會的進步，要求學生既掌握基礎的科學知識，又擁有豐富的工程設計和實際操作經驗，從而使社會得到持續的發展和進步。但是從目前學校的課程安排來看，工程學還沒有成為學校的主流教學內容，美國波士頓科學技術博物院館長米奧利斯認為，K-12課堂幾乎忽視了95%的人造世界，我們花費了大量的時間只讓學生認識5%的世界。[9]另外，許多教師與學生對于科學與工程的界限模糊不清，他們把工程當成一種職業，如建筑工程等，而忽略了它所需要的知識。因此，NGSS倡導的“工程實踐”課程旨在幫助學生深刻理解科學，并且培養他們的綜合性思維，從而使其有效地應對日常的挑戰。那么如何在實際的課堂中更好地教授工程內容，需要不斷地學習與摸索。

工程思維有助于培養學生的21世紀技能，并且有助于提高他們在數學和科學方面的成績以及他們對STEM學科和職業的興趣。[13]總之，通過分析梳理STEM教育中的“E”以及比較研究NGSS和課程標準中的工程教育內容發現，中美兩國將工程放在一個重要的位置，都將科學探究與技術與工程實踐整合作為科學課程學習的重要方式。義務教育階段工程教育的融合有助于實現真正的跨學科教育，例如，在中小學教育階段開發一個一致且連貫的課程序列，有助于系統地培養學生的工程思維能力以及問題解決能力；將工程教育的內容真正融合于STEM課堂中，使其作為一種思維方法和技術手段，從而促進科學課堂的教學。

[課題：重慶市教育科學“十三五”規劃2020年度規劃重點課題“科學教育專業本科生STEM課程整合能力及其培養研究”，編號：2020-GX-010。項目：教育部首批新文科研究與改革實踐項目“融合STEM教育理念的科學教育本科專業課程體系及教材建設研究與實踐”，編號：2021070064]

（作者：趙萱，重慶師范大學科學與技術教育碩士研究生；林長春，通訊作者，重慶師范大學科技教育與傳播研究中心教授，碩士生導師）

參考文獻

[1]Purzer， S.， Quintana-Cifuentes， J.P. Integrating engineering in K-12 science education： spelling out the pedagogical， epistemological， and methodological arguments.Discip Interdscip Sci Educ Res 1， 13（2019）.

[2]Cunningham C M ， Kelly G J .Epistemic Practices of Engineering for Education[J].Science Education， 2017， 101（3）.

[3]Yata， C.， Ohtani， T. amp; Isobe， M. Conceptual framework of STEM based on Japanese subject principles. IJ STEM Ed 7， 12（2020）.

[4]吳婷.義務教育階段技術與工程教育研究[D].武漢：華中師范大學，2023.

[5]孫妍妍，何灃燊.以“工程”為中心的STEM課程驅動問題設計研究[J].華東師范大學學報（教育科學版），2021（08）.

[6]Graham R. The global state of the art in engineering education[J]. Massachusetts Institute of Technology （MIT） Report， Massachusetts， USA， 2018.

[7]Jolly A. STEM by design： Strategies and activities for grades 4-8[M]. Routledge， 2016.

[8]黃樺.以工程設計為中心的“K-12工程教育”：源起、內涵與實施策略——美國《以調查和設計為中心的6-12年級科學與工程》之啟示[J].遠程教育雜志，2019（04）.

[9]時慧，李鋒.新工程教育：STEM課程的視角[J].開放教育研究，2019，25（03）.

[10]English， L.D.， King， D.T. STEM learning through engineering design： fourth-grade students’ investigations in aerospace. IJ STEM Ed 2， 14（2015）.

[11]Strimel G， Grubbs M E. Positioning technology and engineering education as a key force in STEM education[J]. Journal of Technology Education， 2016， 27（2）.

[12]Simarro， C.， Couso， D. Engineering practices as a framework for STEM education： a proposal based on epistemic nuances. IJ STEM Ed 8， 53（2021）.

[13]Moore T J ， Tank K M ， Glancy A W ，et al.NGSS and the landscape of engineering in K‐12 state science standards[J].Journal of Research in Science Teaching， 2015， 52（3）.