邢志強(qiáng) 王偉賓

一、引言

世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展表明,制造業(yè)作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要載體,承擔(dān)著富國(guó)之基、強(qiáng)國(guó)之本的重任,是國(guó)家安全和人民幸福安康的物質(zhì)基礎(chǔ)。從18世紀(jì)中葉開啟工業(yè)文明以來(lái),世界大國(guó)的興衰史表明,強(qiáng)大的制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家成為世界強(qiáng)國(guó)的必要選擇。

進(jìn)入21世紀(jì),美國(guó)、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸認(rèn)識(shí)到依靠金融和服務(wù)業(yè)已經(jīng)不足以支撐其世界強(qiáng)國(guó)地位,紛紛將先進(jìn)制造業(yè)確立為未來(lái)最重要的國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展方向。美國(guó)提出了先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃(建立在持續(xù)創(chuàng)新能力基礎(chǔ)上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和處于價(jià)值鏈高端的國(guó)際分工優(yōu)勢(shì)),德國(guó)提出了“工業(yè)4.0”[通過(guò)充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)(Cyber-physicalSystem)相結(jié)合的手段,將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型]。近年來(lái),中國(guó)提出“中國(guó)制造2025”也正是基于這種考慮。

無(wú)論是西方發(fā)達(dá)國(guó)家,還是發(fā)展中的中國(guó),建立先進(jìn)制造業(yè)都離不開創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。創(chuàng)新需要?jiǎng)?chuàng)新型人才。中國(guó)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求比西方發(fā)達(dá)國(guó)家還要迫切。先進(jìn)制造業(yè)需要的創(chuàng)新主要是技術(shù)創(chuàng)新和智能生產(chǎn)模式以及生產(chǎn)組織上的創(chuàng)新,所需要的創(chuàng)新人才主要在工程技術(shù)領(lǐng)域。工程技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新人才既需要培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和創(chuàng)新方法,也需要培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維。創(chuàng)新能力和創(chuàng)新方法主要是在高等教育和職業(yè)教育中進(jìn)行培養(yǎng),而對(duì)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)則需要貫穿于從小學(xué)到大學(xué)乃至研究生整個(gè)教育階段。培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維最好的載體就是工程教育。目前我國(guó)基礎(chǔ)教育階段的工程教育仍然處于初級(jí)階段,需要不斷地完善和提升。

二、科學(xué)、技術(shù)與工程以及其教育形態(tài)辨析

STEM教育自21世紀(jì)初由美國(guó)提出以來(lái),在全球特別是在基礎(chǔ)教育階段產(chǎn)生了巨大的影響。STEM代表科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)四個(gè)學(xué)科。數(shù)學(xué)作為目前基礎(chǔ)教育體系中的一個(gè)重要課程大家非常容易理解其概念和內(nèi)涵?？茖W(xué)、技術(shù)和工程三個(gè)領(lǐng)域就沒(méi)有那么容易把握了。本文以下從工作任務(wù)與主要成果形式兩個(gè)角度對(duì)科學(xué)、技術(shù)與工程三個(gè)概念進(jìn)行區(qū)分,并對(duì)科學(xué)教育、技術(shù)教育與工程教育三種教育形態(tài)的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。

(一)科學(xué)、技術(shù)、工程的概念

2014年,中科院院長(zhǎng)白春禮院士在《光明日?qǐng)?bào)》上發(fā)表了《創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略靠什么支撐?——從科學(xué)、技術(shù)、工程的概念說(shuō)起》一文,對(duì)科學(xué)、技術(shù)與工程三個(gè)概念進(jìn)行區(qū)分。

“科學(xué)”源于拉丁文scientia,本義是知識(shí)和學(xué)問(wèn)。一般認(rèn)為,科學(xué)應(yīng)該是以探索發(fā)現(xiàn)為核心,主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)、探索研究事物運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律?？茖W(xué)活動(dòng)成果的主要形式是科學(xué)概念、科學(xué)定律、科學(xué)理論、論文、著作。

“技術(shù)”由希臘文techne(工藝、技能)和logos(詞、宣講)構(gòu)成,意為工藝、技能。一般認(rèn)為,技術(shù)以發(fā)明革新為核心,主要任務(wù)是解決“做什么、怎么做”的問(wèn)題。技術(shù)活動(dòng)成果的主要形式為專利、圖紙、配方、訣竅等。

“工程”的本義是兵器制造、軍事目的的各項(xiàng)勞作,后擴(kuò)展到許多領(lǐng)域,如制造機(jī)器、架橋修路等。一般認(rèn)為,工程的主要任務(wù)是解決“做出了什么”的問(wèn)題。工程活動(dòng)成果的主要形式是物質(zhì)產(chǎn)品、物質(zhì)設(shè)施①白春禮:《創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略靠什么支撐?——從科學(xué)、技術(shù)、工程的概念說(shuō)起》,http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2014-05/15/nw.D110000gmrb20140515_1-16.htm.2019-12-07.。

舉個(gè)例子,人工智能是2019年最熱的研究領(lǐng)域,在人工智能中,深度學(xué)習(xí)是非常重要的一種核心技術(shù)。深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基礎(chǔ)是生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的人腦神經(jīng)元原理。1904年生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元的組成結(jié)構(gòu),一個(gè)神經(jīng)元中有多個(gè)樹突、一個(gè)軸突,軸突尾端的軸突末梢可以與其他多個(gè)神經(jīng)元樹突產(chǎn)生連接用以傳遞信息。神經(jīng)元的組成結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理就屬于科學(xué)的范疇,它是人腦生理活動(dòng)的規(guī)律,是被人發(fā)現(xiàn),并以科學(xué)理論和論文著作的方式進(jìn)行傳承的。1943年,心理學(xué)家和數(shù)學(xué)家參考此前的科學(xué)發(fā)現(xiàn)建立了抽象的神經(jīng)元模型,并由計(jì)算科學(xué)家參考抽象神經(jīng)元模型發(fā)明了可調(diào)整權(quán)值的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,幫助計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人工智能功能。這里神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法就屬于技術(shù)的范疇了,它的成果形式是專利和方法。硬件工程師和軟件工程師根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,再結(jié)合一些其他的技術(shù)和方法,形成了人工智能機(jī)器或者軟件,比如人臉識(shí)別門禁、情緒識(shí)別軟件,這些就屬于工程問(wèn)題,所創(chuàng)造出來(lái)的產(chǎn)品主要用來(lái)解決相應(yīng)的特定問(wèn)題需求,并且是以產(chǎn)品的形式存在。上面這個(gè)例子對(duì)科學(xué)、技術(shù)與工程進(jìn)行了區(qū)別描述,但我們也可以看到,科學(xué)、技術(shù)與工程經(jīng)常是相互結(jié)合的。

(二)科學(xué)教育、技術(shù)教育與工程教育的區(qū)別與聯(lián)系

科學(xué)教育的目標(biāo)主要為:理解自然界運(yùn)行的規(guī)律、培養(yǎng)探究精神、掌握科學(xué)探索方法。科學(xué)教育的內(nèi)容包括但不限于如下幾個(gè)方面:反映客觀事物本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的知識(shí)體系——事實(shí)、概念、原理、定律、理論及模型(目前科學(xué)知識(shí)爆炸式增長(zhǎng),學(xué)校教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)無(wú)法跟上知識(shí)發(fā)展的步伐);科學(xué)研究中獲取知識(shí)的思維、過(guò)程與方法——觀察、分類、解釋、假設(shè)、預(yù)測(cè)、測(cè)量、變量控制、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理與分析、得出結(jié)論(核心為假設(shè)、觀察與實(shí)驗(yàn));思維——提出問(wèn)題、搜尋事實(shí)、獲取信息、立論解釋;科學(xué)探究的精神——態(tài)度、信念和價(jià)值觀(科學(xué)的歷史與現(xiàn)實(shí))。在我國(guó)基礎(chǔ)教育階段,重視科學(xué)各分科的教學(xué),但獲取知識(shí)主要靠記憶、了解、理解、掌握和運(yùn)用(解題與應(yīng)試),探究、跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用、科學(xué)探究的精神(態(tài)度、信念和價(jià)值觀)還需要提高。

技術(shù)教育的目標(biāo)主要為:具備技術(shù)素養(yǎng),能看懂有關(guān)技術(shù)的新聞、故事等信息,能理智地評(píng)價(jià)技術(shù)并置于一定的環(huán)境中形成觀點(diǎn);輕松自如和客觀地使用技術(shù),既不害怕技術(shù),也不為其所迷惑;了解技術(shù)的發(fā)展過(guò)程,分析新技術(shù)如何影響自己、國(guó)家乃至整個(gè)世界。技術(shù)教育的內(nèi)容主要包括:技術(shù)的性質(zhì)——技術(shù)的特性和范圍、技術(shù)的核心概念、各種技術(shù)之間的相互關(guān)系以及技術(shù)與其他研究領(lǐng)域的聯(lián)系;技術(shù)與社會(huì)——技術(shù)的文化、社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、政治以及歷史影響;技術(shù)世界的能力——利用并維持技術(shù)產(chǎn)品和技術(shù)系統(tǒng)、評(píng)價(jià)技術(shù)成果;重要技術(shù)領(lǐng)域——醫(yī)療技術(shù)、農(nóng)業(yè)和相關(guān)的生物技術(shù)、能源和動(dòng)力技術(shù)、信息和通信技術(shù)、制造技術(shù)、運(yùn)輸技術(shù)、建筑技術(shù);設(shè)計(jì)(屬于工程領(lǐng)域)①國(guó)際技術(shù)教育協(xié)會(huì):《美國(guó)國(guó)家技術(shù)教育標(biāo)準(zhǔn):技術(shù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容》,黃軍英等譯,北京科學(xué)出版社2003年版,第35-42頁(yè)。。目前我國(guó)基礎(chǔ)教育階段技術(shù)的內(nèi)容在分科的科學(xué)教育中有所涉及,但要完美結(jié)合;基礎(chǔ)教育階段的技術(shù)教育應(yīng)該更加側(cè)重于對(duì)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的養(yǎng)成,而不是對(duì)具體技術(shù)的掌握。培養(yǎng)技術(shù)分析的能力和方法、技術(shù)評(píng)價(jià)的能力和方法以及技術(shù)素養(yǎng)仍然存在不小的挑戰(zhàn)。

工程教育的目標(biāo)主要是:激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造興趣、對(duì)工程設(shè)計(jì)的興趣、對(duì)工程職業(yè)的向往和養(yǎng)成習(xí)慣性的工程思維;為整合科學(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué),為實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科應(yīng)用提供媒介。工程教育的主要內(nèi)容包括:工程問(wèn)題如何定義和界定,如何使用原型和數(shù)學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)開發(fā),測(cè)試和改進(jìn)方案,優(yōu)化和權(quán)衡利弊,設(shè)計(jì)方案決策和優(yōu)化的工具和方法。目前在基礎(chǔ)教育階段工程教育最不受重視而且最為欠缺的部分主要包括:對(duì)工程、工程思維以及工程職業(yè)及其重要性認(rèn)識(shí)不夠;屬于邊緣學(xué)科,不是領(lǐng)導(dǎo)與教育主管部門重點(diǎn)推進(jìn)的工作選項(xiàng);工程教育活動(dòng)近似為機(jī)械地掌握某項(xiàng)活動(dòng)或程序步驟,或者窄化為學(xué)生驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn);系統(tǒng)的工程思維體現(xiàn)較少(如權(quán)衡與決策);創(chuàng)造力體現(xiàn)不足;真正激發(fā)學(xué)生興趣的工程教育課程體系不夠完善。

科學(xué)教育、技術(shù)教育和工程教育之間是緊密聯(lián)系的?？茖W(xué)教育與技術(shù)教育目前已經(jīng)較好地結(jié)合,如物理學(xué)科中歐姆定律與電路的設(shè)計(jì)。工程教育中“做”的訓(xùn)練與科學(xué)的“學(xué)”無(wú)法真正分開,參與科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)不僅需要技能,還需要對(duì)相關(guān)知識(shí)的深入理解和運(yùn)用。工程教育與技術(shù)教育的結(jié)合也是自然的,工程實(shí)踐活動(dòng)中需要技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)建模與評(píng)估。

三、新時(shí)代我國(guó)中小學(xué)開展工程教育的必要性

自2001年STEM首次在美國(guó)被正式提出至今,已經(jīng)經(jīng)歷了20年時(shí)間。在STEM教育開展之初,其教育效果并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期,主要表現(xiàn)在學(xué)生的STEM學(xué)科掌握程度不佳,缺乏對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的興趣,愿意選擇工程作為職業(yè)的人數(shù)也在減少。其原因主要是因?yàn)楹鲆暳斯こ套鳛榭茖W(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué)從知識(shí)學(xué)習(xí)到學(xué)以致用的載體的作用,學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)過(guò)于抽象而無(wú)法調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性。為解決這一問(wèn)題,2004年,美國(guó)工程教育協(xié)會(huì)成立“K—12和準(zhǔn)工程分會(huì)”,由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助研究如何將工程設(shè)計(jì)、問(wèn)題解決和分析技能滲透到K—12教育中,并提高工程和技術(shù)教師的數(shù)量、質(zhì)量。2006年美國(guó)國(guó)家工程院和國(guó)家研究理事會(huì)教育中心成立K—12工程教育委員會(huì),并在2009年發(fā)布《K—12教育中的工程教育:了解現(xiàn)狀和改進(jìn)前景》,2010年發(fā)布《K—12工程教育的標(biāo)準(zhǔn)》,2012年美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)發(fā)布《K—12科學(xué)教育框架》,2013年《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》將工程學(xué)科的內(nèi)容融入K—12科學(xué)教育中。2018年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院(NASEM)的《以調(diào)查和設(shè)計(jì)為中心的6—12年級(jí)科學(xué)與工程》報(bào)告,①黃樺:《以工程設(shè)計(jì)為中心的“K—12工程教育”:源起、內(nèi)涵與實(shí)施策略》,《遠(yuǎn)程教育雜志》2019年第4期。明確提出科學(xué)調(diào)查與工程設(shè)計(jì)應(yīng)成為科學(xué)與工程教學(xué)的核心路徑,教師應(yīng)圍繞趣味性的現(xiàn)象和設(shè)計(jì)項(xiàng)目安排教學(xué),并利用學(xué)生的好奇心使他們參與科學(xué)和工程的學(xué)習(xí)。②National Academies of Sciences,Engineering,and Medicine,Science and Engineering for Grades 6-12:Investigation and Design at the Center.Washington,DC:The National Academies Press,2019,pp.125-127.

STEM教育引入中國(guó)在一定程度上有效改善了中國(guó)基礎(chǔ)教育過(guò)于偏重課本知識(shí)和應(yīng)試教育的問(wèn)題,但在工程教育方面的重視程度和開展情況還有很大的提高空間。進(jìn)入21世紀(jì),以大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的現(xiàn)代技術(shù)不斷涌現(xiàn),中國(guó)依靠制度的優(yōu)越性逐漸展現(xiàn)出了世界強(qiáng)國(guó)的態(tài)勢(shì),在先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差距越來(lái)越小。但需要清楚地認(rèn)識(shí)到,最后的差距需要更多具有創(chuàng)新精神和原始創(chuàng)新能力的人才來(lái)支撐,這些人才需要從小培養(yǎng)其工程思維和創(chuàng)新意識(shí)。

新時(shí)代是十九大對(duì)當(dāng)前中國(guó)所處特殊歷史時(shí)期的描述,新時(shí)代對(duì)于教育來(lái)說(shuō)也具有特殊的意義:我國(guó)日益走近世界舞臺(tái)中央,不斷為人類做出更大貢獻(xiàn)——人才素質(zhì)需求的轉(zhuǎn)變;全國(guó)各族人民不斷創(chuàng)造美好生活、逐步實(shí)現(xiàn)共同富裕——學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力的轉(zhuǎn)變;科技爆炸式發(fā)展、人工智能時(shí)代的到來(lái)——學(xué)習(xí)內(nèi)容的轉(zhuǎn)變。

由于我國(guó)中小學(xué)工程教育的不足,使得承擔(dān)著科技創(chuàng)新與發(fā)展所需人才培養(yǎng)使命的高等工程教育在新時(shí)代面臨著許多新的問(wèn)題:學(xué)生對(duì)工科專業(yè)職業(yè)認(rèn)可度不高。工科專業(yè)一般是偏重于理論研究和實(shí)際操作的學(xué)科,在很多人的觀念中,工科專業(yè)又苦又累特別難學(xué)。實(shí)際上,只有深入體驗(yàn)過(guò)的學(xué)生才能真正體會(huì)到工科專業(yè)的魅力所在。但目前的中小學(xué)基礎(chǔ)教育階段,因?yàn)槿狈こ填悓?shí)踐體驗(yàn),學(xué)生往往受社會(huì)上一些不正確的思想和言論所影響,難以對(duì)工科專業(yè)產(chǎn)生興趣。因?yàn)閷?duì)工科專業(yè)的不了解,學(xué)生高考報(bào)考選擇的專業(yè)不能和自己的興趣很好地匹配,導(dǎo)致進(jìn)入大學(xué)后對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)不感興趣,對(duì)未來(lái)從事的相關(guān)職業(yè)沒(méi)有信心和愿望。另外,非技術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)相對(duì)不足。非技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng),如社會(huì)責(zé)任感、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展理念、人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)與職業(yè)道德、溝通與交流能力等需要從中小學(xué)就開始滲透,到大學(xué)才開始培養(yǎng)已經(jīng)相對(duì)滯后。還有,學(xué)生顛覆性創(chuàng)新意愿與信心不足。顛覆性創(chuàng)新人才不僅需要有過(guò)硬的科技創(chuàng)新技能,而且更需要有從小養(yǎng)成的創(chuàng)新意愿和創(chuàng)新思維習(xí)慣。目前的基礎(chǔ)教育階段在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維習(xí)慣方面還存在一定的不足,導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入大學(xué)之后創(chuàng)新意愿不強(qiáng)烈、創(chuàng)新思維欠缺、創(chuàng)新信心不足,這將在很大程度上影響顛覆性創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

我國(guó)教育主管部門和各大高校目前已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到上述問(wèn)題,努力從頂層設(shè)計(jì)和教學(xué)改革等多個(gè)角度進(jìn)行應(yīng)對(duì),如開展“新工科”建設(shè)和針對(duì)工科專業(yè)的工程教育認(rèn)證等。但要想從根本上解決問(wèn)題并取得切實(shí)效果,中小學(xué)的配套改革也具有重要的意義,開展恰當(dāng)?shù)墓こ探逃齽?shì)在必行。

(一)中小學(xué)工程教育是當(dāng)前學(xué)科化教育體系中重塑學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效途徑

提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是要提高學(xué)生對(duì)內(nèi)化的、可指導(dǎo)應(yīng)用的知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。內(nèi)化的知識(shí)需要在理性引導(dǎo)下,通過(guò)感性感受所呈現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象和以往所取得的經(jīng)驗(yàn),通過(guò)提煉、歸納、總結(jié)之后才能形成。興趣是人們力求認(rèn)識(shí)某種事物或愛(ài)好某種活動(dòng)的傾向與愿望,是形成知識(shí)和獲取技能的重要驅(qū)動(dòng)力,也是引導(dǎo)學(xué)生成才的契機(jī)。由學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過(guò)程自身引起的直接學(xué)習(xí)興趣是提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和效果的最有利因素;學(xué)習(xí)活動(dòng)結(jié)果引起的間接學(xué)習(xí)興趣(如意識(shí)到學(xué)習(xí)的社會(huì)意義和自己的關(guān)系,高尚的理想和遠(yuǎn)大的奮斗目標(biāo)所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)興趣)在學(xué)習(xí)過(guò)程中可以產(chǎn)生直接興趣。因此,對(duì)于中小學(xué)生來(lái)說(shuō),提高學(xué)習(xí)興趣應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生的直接學(xué)習(xí)興趣,也就是側(cè)重于通過(guò)學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)過(guò)程吸引學(xué)生。

目前學(xué)科化、應(yīng)試化的教育導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的缺失。學(xué)科化、應(yīng)試化學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是知識(shí)體系、實(shí)驗(yàn)方法等,過(guò)于重視形式邏輯(不需要經(jīng)驗(yàn)對(duì)象、概念、判斷和推理,知識(shí)與應(yīng)用較遠(yuǎn),感染力差)和固定式、僵化的先驗(yàn)邏輯(經(jīng)驗(yàn)對(duì)象固化,過(guò)程枯燥,容易厭倦),所學(xué)知識(shí)與學(xué)生生活未建立恰當(dāng)?shù)倪B接,評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)只能是分?jǐn)?shù)這個(gè)單一的維度。

工程教育可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,是因?yàn)楣こ探逃梢蕴峁┱鎸?shí)場(chǎng)景下的學(xué)習(xí),經(jīng)驗(yàn)對(duì)象是學(xué)生所處系統(tǒng)的一部分,可感性面對(duì)。知識(shí)的形成過(guò)程是經(jīng)過(guò)系統(tǒng)思考、深度參與,并提煉、歸納總結(jié),從“做”中學(xué)到的,而工程問(wèn)題具有挑戰(zhàn)性,可以增加新鮮感與刺激性,評(píng)價(jià)方法更容易形成正向反饋,從而發(fā)揮激勵(lì)作用。

(二)中小學(xué)工程教育有助于破除電子游戲?qū)W(xué)生思維習(xí)慣的影響,是有助于學(xué)生養(yǎng)成正確思考方式的實(shí)踐平臺(tái)

電子游戲?qū)W(xué)生思維習(xí)慣產(chǎn)生不利影響,會(huì)讓學(xué)生隨性而為,缺乏自控與行為的約束。虛擬世界不受制約,無(wú)拘無(wú)束,快感容易得到滿足,而學(xué)習(xí)、生活中得不到的成就感,在游戲中可以擺脫弱者地位,體驗(yàn)強(qiáng)者的成就感。網(wǎng)絡(luò)游戲和網(wǎng)絡(luò)讀物同樣也能很好地滿足這種訴求。虛擬世界反作用到現(xiàn)實(shí)生活就會(huì)產(chǎn)生潛在的思維影響。

另外,電子游戲也會(huì)讓學(xué)生缺乏對(duì)后果的思考與權(quán)衡。游戲最典型的特點(diǎn)就是可以允許一次一次沖關(guān),直到過(guò)關(guān)為止,沖關(guān)失敗帶來(lái)的損失可以忽略不計(jì),這會(huì)造成學(xué)生在生活中對(duì)錯(cuò)誤的行為也不以為然,缺乏對(duì)后果的思考與權(quán)衡。

還有,電子游戲會(huì)讓學(xué)生興趣閾值提高,從而使學(xué)習(xí)興趣下降。在虛擬世界信息的刺激下,玩家普遍感受到現(xiàn)實(shí)世界體會(huì)不到的快感和驚險(xiǎn)刺激,從而使之在虛擬世界中迷失,現(xiàn)實(shí)世界中的欲望降低,也使學(xué)習(xí)興趣下降。

工程教育中工程問(wèn)題的挑戰(zhàn)性、系統(tǒng)化思維的形成、權(quán)衡利弊的決策體驗(yàn)以及生活中真實(shí)問(wèn)題解決的成就感等,可以在一定程度上轉(zhuǎn)變由電子游戲?qū)W(xué)生所形成的負(fù)向的思維習(xí)慣,讓學(xué)生形成正確的思考問(wèn)題的方法和思維模式。

(三)工程教育是幫助學(xué)生感受工科魅力、理解工科專業(yè)的內(nèi)涵、發(fā)現(xiàn)個(gè)人潛能、確立人生目標(biāo)的最佳舞臺(tái)

工程教育可以幫助學(xué)生更好地感受工科專業(yè)魅力,激發(fā)學(xué)習(xí)工科專業(yè)的興趣。工科專業(yè)是面向應(yīng)用、直接解決問(wèn)題的專業(yè)。在解決問(wèn)題的過(guò)程中,可以感受到科學(xué)規(guī)律的完美、技術(shù)的強(qiáng)大和創(chuàng)造的成就感,參加工程實(shí)踐,能真正體會(huì)到科學(xué)家和發(fā)明家為之廢寢忘食、奮斗終身的原因。在中小學(xué)開展工程教育,可以在學(xué)生心中種下投身科技創(chuàng)新、科技強(qiáng)國(guó)的種子,讓更多的學(xué)生選擇工科專業(yè),為我國(guó)科技發(fā)展提供穩(wěn)定的人才支撐。

工程教育可以幫助學(xué)生理解工科專業(yè)的內(nèi)涵,解決未來(lái)職業(yè)選擇的迷茫問(wèn)題。很多人高考志愿是按照高考分?jǐn)?shù)的高“性價(jià)比”來(lái)選擇專業(yè),而不是按自己的特長(zhǎng)和興趣來(lái)填報(bào),對(duì)專業(yè)、職業(yè)的了解程度不夠。工程教育涉及多個(gè)工程領(lǐng)域,因而可以為中學(xué)生提供更多了解、體驗(yàn)的舞臺(tái),并幫助其進(jìn)行中學(xué)—大學(xué)的銜接過(guò)渡,發(fā)現(xiàn)學(xué)生的自身潛能。

工程教育可以幫助學(xué)生解決人生目標(biāo)的缺失問(wèn)題。目前相當(dāng)數(shù)量的中學(xué)生將考上理想大學(xué)視為自己的目標(biāo)(說(shuō)不清楚更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)),學(xué)習(xí)動(dòng)力極度不足,在學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí),無(wú)法自我排解疏通,出現(xiàn)很多問(wèn)題。個(gè)人目標(biāo)的建立在一定程度上需要“悟”。在工程教育中,通過(guò)學(xué)習(xí)工程發(fā)展以及關(guān)鍵人物經(jīng)歷,可以幫助學(xué)生尋找到榜樣的力量,發(fā)現(xiàn)工程領(lǐng)域的魅力。

(四)中小學(xué)工程教育是構(gòu)建學(xué)生新時(shí)代立體化素養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要載體

近年來(lái),在高等教育領(lǐng)域,專業(yè)工程教育認(rèn)證開展得如火如荼。綜觀高等學(xué)校本科工程教育12項(xiàng)能力①《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》(2017年11月修訂),http://www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/599711/index.html.2021-07-07.,其與中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)和世界21世紀(jì)人才要素具有極強(qiáng)的相似性。工程教育的12項(xiàng)能力包括:①工程知識(shí):能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題。②問(wèn)題分析:能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理,識(shí)別、表達(dá),并通過(guò)文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問(wèn)題,以獲得有效結(jié)論。③設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案:能夠設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案,設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、單元(部件)或工藝流程,并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí),考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。④研究:能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行研究,包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù),并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論。⑤使用現(xiàn)代工具:能夠針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題,開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具,包括對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)與模擬,并能夠理解其局限性。⑥工程與社會(huì):能夠基于工程相關(guān)背景知識(shí)進(jìn)行合理分析,評(píng)價(jià)專業(yè)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問(wèn)題解決方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響,并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。⑦環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展:能夠理解和評(píng)價(jià)針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響。⑧職業(yè)規(guī)范:具有人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任感,能夠在工程實(shí)踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范,履行責(zé)任。⑨個(gè)人和團(tuán)隊(duì):能夠在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員以及負(fù)責(zé)人的角色。⑩溝通:能夠就復(fù)雜的工程問(wèn)題與業(yè)界同行及社會(huì)公眾進(jìn)行有效溝通和交流,包括撰寫報(bào)告和設(shè)計(jì)文稿、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)或回應(yīng)指令,并具備一定的國(guó)際視野,能夠在跨文化背景下進(jìn)行溝通和交流。[11]項(xiàng)目管理:理解并掌握工程管理原理與經(jīng)濟(jì)決策方法,并能在多學(xué)科環(huán)境中應(yīng)用。[12]終身學(xué)習(xí):具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí),有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。

從上面12項(xiàng)能力中可以看到,前5項(xiàng)能力(工程知識(shí)、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、研究和使用現(xiàn)代工具)與中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)中的“理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究、問(wèn)題解決、勤于反思、技術(shù)運(yùn)用、信息意識(shí)”以及“實(shí)踐創(chuàng)新”相互呼應(yīng)。后7項(xiàng)能力(工程與社會(huì)、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人與團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理、終身學(xué)習(xí))與中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)中的“國(guó)家認(rèn)同、社會(huì)責(zé)任、人文情懷、人文沉淀、自我管理、樂(lè)學(xué)善學(xué)”具有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,②林崇德:《21世紀(jì)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究》,北京師范大學(xué)出版社2016年版,第25-28頁(yè)。也與21世紀(jì)人才要素中的“金融、經(jīng)濟(jì)、企業(yè)素養(yǎng)、公民素養(yǎng)、環(huán)境意識(shí)、社會(huì)和跨文化技能、生產(chǎn)率和責(zé)任制、溝通交流能力、合作協(xié)作能力、全球視野、企業(yè)家素養(yǎng)、領(lǐng)導(dǎo)力和責(zé)任感等”具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

中小學(xué)的工程教育可以更好地幫助學(xué)生盡早適應(yīng)大學(xué)階段工程能力的培養(yǎng)要求,同時(shí)也可以幫助學(xué)生構(gòu)建新時(shí)代立體化素養(yǎng)結(jié)構(gòu),尤其是工程中的人文素養(yǎng)、方案設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)知識(shí)、社會(huì)和環(huán)境的素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)合作與溝通的能力、系統(tǒng)思考的能力。

(五)中小學(xué)工程教育是培養(yǎng)學(xué)生新時(shí)代所需創(chuàng)新/創(chuàng)造能力的訓(xùn)練場(chǎng)、培養(yǎng)顛覆性創(chuàng)新人才的試驗(yàn)田

新時(shí)代人才特征已經(jīng)發(fā)生了較大的變化,主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:(1)深度與廣度的思維能力。工業(yè)化大生產(chǎn)中,重復(fù)的體力勞動(dòng)被機(jī)械所取代;在以人工智能為典型特征的新時(shí)代,重復(fù)的腦力勞動(dòng)將被人工智能取代。新時(shí)代人的工作將主要集中在創(chuàng)造性的腦力工作,需要人才具有深度思考和跨界思維的能力。(2)創(chuàng)造力與創(chuàng)新能力。在新時(shí)代,簡(jiǎn)單的應(yīng)用和集成創(chuàng)新無(wú)法形成核心競(jìng)爭(zhēng)力,長(zhǎng)期生存和發(fā)展需要顛覆性創(chuàng)新;許多人工智能面臨的挑戰(zhàn)還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的解決方案,需要進(jìn)一步的創(chuàng)新攻堅(jiān),因此對(duì)人才素質(zhì)的需求更多地體現(xiàn)在創(chuàng)造性的工作和創(chuàng)新的能力上。(3)學(xué)習(xí)能力與溝通合作能力。知識(shí)與技術(shù)更新速度快是新時(shí)代的一個(gè)典型特征,因此,新時(shí)代人才需要能夠具有多領(lǐng)域的交叉知識(shí),需要廣泛的知識(shí)儲(chǔ)備,快速學(xué)習(xí)、融會(huì)貫通。另外,因?yàn)閱?wèn)題越來(lái)越復(fù)雜,各種解決方案和系統(tǒng)龐大,需要更高程度的分工協(xié)作,這就需要人才掌握高效的溝通方式,具有團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作精神。(4)人文素養(yǎng)與情懷。隨著技術(shù)的爆炸式發(fā)展,科技對(duì)自然、人類與社會(huì)的影響程度將進(jìn)一步加大,甚至?xí)绊懙饺祟惖纳来嫱觥Ｐ聲r(shí)代的人才不僅是科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先人才,更應(yīng)該對(duì)人性、文化、情感能夠敏銳感知,所作出的決策需要能夠促進(jìn)未來(lái)個(gè)人和社會(huì)良性、健康地發(fā)展,比如未來(lái)人工智能發(fā)展倫理觀需要從業(yè)者具有正向的人文素養(yǎng)與情懷。

目前,部分學(xué)校在基礎(chǔ)教育階段過(guò)于強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)試強(qiáng)化訓(xùn)練,如以標(biāo)準(zhǔn)答案為表現(xiàn)的確定性結(jié)果評(píng)價(jià)、以形成條件反射為目標(biāo)的海量卷面試題強(qiáng)化、以獲得驗(yàn)證性結(jié)果的固化的實(shí)驗(yàn)步驟訓(xùn)練,這些都讓學(xué)生過(guò)早地喪失了探究、挑戰(zhàn)的興趣,扼殺了創(chuàng)新思維發(fā)展。在班級(jí)、年級(jí)、學(xué)區(qū)排名成為獲取優(yōu)秀教育資源重要指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系下,學(xué)生之間存在強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí),學(xué)習(xí)過(guò)程只傾向于以個(gè)人學(xué)習(xí)為主,與他人交流、合作的意識(shí)缺乏。

在中小學(xué)開展工程教育,可以基于情境考慮問(wèn)題,設(shè)想多個(gè)解決方案以及創(chuàng)新的流程、方法和設(shè)計(jì),系統(tǒng)思維和基于權(quán)衡地決策,評(píng)估解決方案的影響,有效地進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作和溝通,形成培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力的訓(xùn)練場(chǎng)。

作為創(chuàng)新的“頂峰”,顛覆性技術(shù)是一種“改變游戲規(guī)則”的前沿技術(shù),需要具有一批具有堅(jiān)定目標(biāo)和強(qiáng)大創(chuàng)新能力的人才支持。有研究表明,20～45歲是科技人才實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性突破的最佳年齡段,是創(chuàng)造性表現(xiàn)的黃金期。人的智力發(fā)展在12歲前速度很快,12～20歲緩慢上升,20歲以后持平或者緩慢下降。中國(guó)基礎(chǔ)教育階段,中學(xué)生的年齡處于12～18歲,是創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力培養(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)期。中國(guó)的基礎(chǔ)教育,需要遵循創(chuàng)造力形成的年齡規(guī)律,從小開始培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和批判性思維、創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新思維,為形成顛覆性創(chuàng)新能力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。工程問(wèn)題是發(fā)生在學(xué)生身邊的真實(shí)、具體的問(wèn)題,其解決具有挑戰(zhàn)性,可以有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣和顛覆性創(chuàng)新渴望。工程教育幫助學(xué)生從小樹立探究和解決問(wèn)題的工程思維,掌握探究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的正確方法,還可以幫助學(xué)生盡早找到自己愿意為之奮斗的領(lǐng)域和目標(biāo),合理規(guī)劃,通過(guò)有效的時(shí)間和資源配置,不間斷地持續(xù)探索,形成顛覆性創(chuàng)新成果。

四、新時(shí)代我國(guó)中小學(xué)工程教育的高校融合對(duì)策

做好新時(shí)代中國(guó)中小學(xué)工程教育任重而道遠(yuǎn),目前中小學(xué)開展技術(shù)與工程教育的突出困難主要表現(xiàn)在:一是從教育主管部門到中小學(xué)校對(duì)開展工程教育的必要性還認(rèn)識(shí)不足,一直沒(méi)有將其列入重要工作范疇;二是針對(duì)中小學(xué)的工程教育體系不夠完善;三是能夠有效開展工程教育的中小學(xué)其相應(yīng)師資數(shù)量與質(zhì)量還有待進(jìn)一步增加和提高;四是合適的工程教育資源相對(duì)欠缺。

針對(duì)上述難題,我們從基礎(chǔ)教育與高校融合培養(yǎng)的視角出發(fā),提出以下對(duì)策建議。

(一)從國(guó)家、教育全體系和社會(huì)全范圍突出中小學(xué)工程教育的重要地位

一方面,需要國(guó)家、地區(qū)政府將工程教育的推廣與普及列入重大發(fā)展決策中;教育部應(yīng)強(qiáng)化工程教育內(nèi)容與工程素養(yǎng)在課表和考核中所占的比例;國(guó)家各部委及行業(yè)、學(xué)術(shù)委員會(huì)應(yīng)該設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi),組織研究工程教育在中小學(xué)的產(chǎn)出要求以及實(shí)施建議,定期發(fā)布研究成果及建議白皮書,其中涉及單位包括科技部、工信部、科學(xué)院、工程院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、各行業(yè)協(xié)會(huì)等。

另一方面,需要確定中小學(xué)工程教育在整個(gè)教育體系中的重要地位。高等學(xué)校應(yīng)該認(rèn)識(shí)到優(yōu)秀的工程技術(shù)人才需要基礎(chǔ)教育與高等教育相互協(xié)同、一體化培養(yǎng)才能實(shí)現(xiàn)最佳的培養(yǎng)效果。只有在基礎(chǔ)教育階段形成了良好的核心素養(yǎng)、良好的工程思維與創(chuàng)新意識(shí),大學(xué)生才能充分利用大學(xué)中的良好學(xué)習(xí)氛圍與創(chuàng)新環(huán)境,發(fā)揮聰明才智,成為可以應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)的創(chuàng)新工程技術(shù)人才。增進(jìn)與中小學(xué)在工程教育融合培養(yǎng)上的對(duì)接與支持,并將工程思維測(cè)試作為錄取輔助條件(優(yōu)先錄取條件)。中小學(xué)校應(yīng)加大對(duì)工程教育的重視程度,在資金、教師晉升等方面進(jìn)行激勵(lì),鼓勵(lì)教師開展工程結(jié)合科學(xué)教育、技術(shù)教育的研究,形成特色,并創(chuàng)造學(xué)生開展工程活動(dòng)的條件與環(huán)境,同時(shí)還應(yīng)該重視與大學(xué)在工程教育方面的協(xié)同培養(yǎng)機(jī)制,更好地激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)、發(fā)展個(gè)性。

更重要的是,需要從政策層面對(duì)工程教育進(jìn)行支持(可以與技術(shù)教育一并列入新的改革試點(diǎn)之中)。目前浙江省已經(jīng)開始相應(yīng)的試點(diǎn),將通用技術(shù)列入高考科目,取得了一定的進(jìn)展,但距離全國(guó)范圍推廣,還有很長(zhǎng)的路要走,主要障礙在于如何保證通用技術(shù)教育在全國(guó)范圍的教育質(zhì)量(不同于具有標(biāo)準(zhǔn)答案的考核方式,工程教育、技術(shù)教育的目標(biāo)為技術(shù)素養(yǎng)、工程思維與創(chuàng)新意識(shí)達(dá)成,對(duì)教師的水平要求較高,經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)條件受限)與對(duì)學(xué)生個(gè)體評(píng)價(jià)的科學(xué)性(技術(shù)素養(yǎng)、工程思維和創(chuàng)新意識(shí)目前還未找到可以讓大家一致認(rèn)可的評(píng)價(jià)方法,直接體現(xiàn)在高考分?jǐn)?shù)中,社會(huì)影響將非常之大),這兩個(gè)障礙使得工程教育(和技術(shù)教育)無(wú)法成為基礎(chǔ)教育的重要組成部分。筆者認(rèn)為,可以將工程素養(yǎng)(與技術(shù)素養(yǎng))達(dá)成情況的評(píng)價(jià)從個(gè)體評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槿后w評(píng)價(jià),即評(píng)價(jià)對(duì)象為學(xué)校分年級(jí)學(xué)生整體的工程素養(yǎng)達(dá)成情況,并將整體工程素養(yǎng)達(dá)成情況作為學(xué)校考核的重要指標(biāo)。這樣做的好處:一是因?yàn)椴簧婕皩W(xué)生個(gè)人評(píng)價(jià),可以避免學(xué)生家長(zhǎng)因?yàn)榧m結(jié)于分?jǐn)?shù)公平性而產(chǎn)生抵觸;二是作為對(duì)學(xué)?？己说闹匾M成部分,可以引起學(xué)校的高度重視,有效推動(dòng)工程(技術(shù))教育的進(jìn)程;三是有利于循序漸進(jìn)地推進(jìn)中小學(xué)工程教育發(fā)展,在迭代式發(fā)展過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn),逐漸完善教學(xué)進(jìn)程與評(píng)價(jià)機(jī)制,最終實(shí)現(xiàn)將工程教育(合并技術(shù)教育)列入類似于高考的錄取考核科目。

(二)高校—中小學(xué)共同行動(dòng),進(jìn)一步研究完善中小學(xué)工程教育體系與模式

工科高校應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到中小學(xué)工程教育對(duì)大學(xué)階段工程技術(shù)人才培養(yǎng)所需要的思維基礎(chǔ)、習(xí)慣基礎(chǔ)、素質(zhì)基礎(chǔ)的重要性。通過(guò)教育主管部門牽頭,開展高?！行W(xué)聯(lián)動(dòng),共同構(gòu)建完善新時(shí)代中小學(xué)工程教育體系。

第一,需要由教育主管部門牽頭,聯(lián)合科協(xié)、科學(xué)院、工程院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等,設(shè)立中小學(xué)工程教育體系與模式研究課題,由具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的工科高等學(xué)校教師與中小學(xué)相關(guān)教師(如科學(xué)、勞動(dòng)技術(shù)、通用技術(shù)、信息技術(shù)教師以及科技社團(tuán)指導(dǎo)教師等)共同組成課題研究小組,開展相關(guān)課題研究,為我國(guó)中小學(xué)工程教育的開展建立理論基礎(chǔ)。

第二,需要由高校牽頭,吸引社會(huì)力量(如博物館、企業(yè)等)參與,開展與中小學(xué)教育研究部門的合作,研究工程教育從小學(xué)、中學(xué)到大學(xué)的銜接和一體化課程及教學(xué)實(shí)施方案,研究成體系分階段的中小學(xué)工程教育教材,研究適合中小學(xué)生使用的工程教育教具與學(xué)具,為中小學(xué)開展工程教育提供教學(xué)資源支撐。

第三,在開展上述工作時(shí),需要明確在中小學(xué)開展工程教育完全不同于其他學(xué)科教育,應(yīng)該側(cè)重工程思維培養(yǎng),因此對(duì)教育內(nèi)容和環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。從工程思維的本質(zhì)而言,真實(shí)情景選擇要求做到問(wèn)題要真實(shí),學(xué)生深入溝通的是真實(shí)用戶,確定的是用戶的真需求(問(wèn)題確定與界定);需求解決的方案要有多樣性,有權(quán)衡與決策;需要有明確的標(biāo)準(zhǔn)和制約條件,不僅局限于科學(xué)與技術(shù),還包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)或環(huán)境的制約,實(shí)現(xiàn)科技與人文的有效融合。另外,工程教育(技術(shù)教育也類似)需要合理設(shè)置任務(wù),確保人人都能真正參與,讓每一名學(xué)生既能培養(yǎng)最基本的工程思維,同時(shí)又可以發(fā)揮個(gè)人特長(zhǎng)與潛能。

(三)高?！行W(xué)深度融合,并吸收各種社會(huì)資源,共同豐富面向中小學(xué)的工程教育資源

工程教育不同于其他學(xué)科教育,無(wú)法由基礎(chǔ)教育自身閉環(huán)完成相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)。工程教育涉及學(xué)生的個(gè)性化培養(yǎng),涉及學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新思維的養(yǎng)成。在教育過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)難題:一是如何為學(xué)生確定多樣化、個(gè)性化的工程項(xiàng)目;二是不同學(xué)生開展的實(shí)踐項(xiàng)目存在差異性、專業(yè)性、跨學(xué)科、實(shí)操性等特征,中小學(xué)教師難以高質(zhì)量指導(dǎo)。面對(duì)工程教育中必須要解決的這兩個(gè)難題,通過(guò)高?！行W(xué)深度融合,吸收各種社會(huì)資源(如博物館、科技企業(yè)等),共同豐富面向中小學(xué)的工程教育資源可以在一定程度上解決這一問(wèn)題。

第一,由教育主管部門牽頭,提高工程教育教師的數(shù)量與水平。組織工科類高校承擔(dān)對(duì)中小學(xué)工程教育相關(guān)教師的系統(tǒng)培訓(xùn),培訓(xùn)內(nèi)容既包括工程教育的基本素質(zhì)要求、最新理念、歷史發(fā)展沿革以及分門類的工程知識(shí)體系與實(shí)踐方法、創(chuàng)新方法與創(chuàng)新實(shí)踐,還要包括工程教育的基本教學(xué)方法和指導(dǎo)方法,從一定程度上提高中小學(xué)工程教育教師水平。另外,通過(guò)2020年線上教學(xué)積累的經(jīng)驗(yàn),可以嘗試采取雙師指導(dǎo)模式,即聘請(qǐng)高校專業(yè)教師和科技企業(yè)等的一線工程技術(shù)人員作為中小學(xué)工程教育校外指導(dǎo)教師,與校內(nèi)教師聯(lián)合形成指導(dǎo)團(tuán)隊(duì),線上線下共同完成對(duì)學(xué)生的工程項(xiàng)目選題以及實(shí)踐的指導(dǎo)。

第二,多方參與構(gòu)建立體的培養(yǎng)體系、教學(xué)體系設(shè)計(jì)以及教育過(guò)程。政府、中小學(xué)校、科研院所、高等學(xué)校、產(chǎn)業(yè)界、工程協(xié)會(huì)、博物館、公益組織、社區(qū)乃至個(gè)人形成中小學(xué)工程教育的資源共同體(包括場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)室資源、教師資源的共享),實(shí)現(xiàn)立體化的人才培養(yǎng)模式,并且提倡在小學(xué)、初中、高中、大學(xué)各個(gè)教育階段實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程教育(以及技術(shù)教育)的持續(xù)與銜接。

第三,由教育主管部門牽頭,組成大學(xué)生—中小學(xué)生工程實(shí)踐項(xiàng)目聯(lián)合研究小組,讓更多大學(xué)生志愿者參與到對(duì)中小學(xué)工程思維培養(yǎng)的過(guò)程中來(lái)。筆者所在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開展了類似活動(dòng),實(shí)踐證明,許多大學(xué)生愿意投身到此類活動(dòng)中,中小學(xué)生通過(guò)與大學(xué)生的互動(dòng),不僅在工程實(shí)踐項(xiàng)目上得到了學(xué)習(xí)提高,而且其學(xué)習(xí)積極性也有很大程度的提高。另外,因?yàn)轫?xiàng)目來(lái)源于大學(xué)生與中小學(xué)生思想的碰撞,通過(guò)這種形式取得的工程實(shí)踐項(xiàng)目也可以為中小學(xué)工程教育提供寶貴的課程訓(xùn)練素材,不斷豐富中小學(xué)工程教育的教學(xué)資源。

五、結(jié)論

STEM教育近年來(lái)受到了世界各國(guó)包括中國(guó)基礎(chǔ)教育工作者的青睞,他們展開了許多卓有成效的研究和實(shí)踐,并取得了諸多研究和實(shí)踐成果。STEM教育需要根據(jù)具體國(guó)情進(jìn)行本地化改造。綜觀國(guó)內(nèi)STEM實(shí)踐情況,科學(xué)、數(shù)學(xué)教育目前開展得最為規(guī)范,效果也比較好;技術(shù)教育也已經(jīng)在課程體系中確立,正在不斷完善;工程教育目前在中小學(xué)階段還存在較大差距。究其原因:第一,對(duì)科學(xué)、技術(shù)和工程教育的內(nèi)涵還不清楚;第二,工程教育還沒(méi)引起教育主管部門、學(xué)校和教師的重視;第三,中小學(xué)工程教育研究還不夠深入,相應(yīng)的課程和教學(xué)環(huán)節(jié)還需要進(jìn)一步完善。

作為大國(guó)重器的先進(jìn)制造業(yè)需要大量的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才,特別是我國(guó)要實(shí)現(xiàn)“中國(guó)夢(mèng)”和“中國(guó)制造2025”,需要更多的顛覆性創(chuàng)新人才。顛覆性創(chuàng)新人才需要從小培養(yǎng)工程思維。為了讓教育工作者對(duì)科學(xué)、技術(shù)與工程有更清楚的認(rèn)識(shí),本文嘗試對(duì)科學(xué)、技術(shù)與工程以及三者的教育形態(tài)進(jìn)行了辨析,并對(duì)我國(guó)中小學(xué)工程教育在新時(shí)代的重要意義進(jìn)行了分析和闡述,旨在讓更多的教育管理部門、教育工作者以及社會(huì)各界把工程教育作為一項(xiàng)重大國(guó)策重視起來(lái),群策群力,開展工程教育在基礎(chǔ)教育階段實(shí)踐的政策支持、研究、探索與支撐,為我國(guó)未來(lái)顛覆性創(chuàng)新人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。