新时代我国中小学工程教育的必要性与对策
——基于高校与中小学教育融合的视角

邢志强 王伟宾

一、引言

世界经济社会发展表明,制造业作为实体经济的重要载体,承担着富国之基、强国之本的重任,是国家安全和人民幸福安康的物质基础。从18世纪中叶开启工业文明以来,世界大国的兴衰史表明,强大的制造业是一个国家成为世界强国的必要选择。

进入21世纪,美国、德国等西方发达国家逐渐认识到依靠金融和服务业已经不足以支撑其世界强国地位,纷纷将先进制造业确立为未来最重要的国家战略发展方向。美国提出了先进制造业国家战略计划(建立在持续创新能力基础上的技术优势和处于价值链高端的国际分工优势),德国提出了“工业4.0”[通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统(Cyber-physicalSystem)相结合的手段,将制造业向智能化转型]。近年来,中国提出“中国制造2025”也正是基于这种考虑。

无论是西方发达国家,还是发展中的中国,建立先进制造业都离不开创新驱动。创新需要创新型人才。中国对创新型人才的需求比西方发达国家还要迫切。先进制造业需要的创新主要是技术创新和智能生产模式以及生产组织上的创新,所需要的创新人才主要在工程技术领域。工程技术领域创新人才既需要培养其创新能力和创新方法,也需要培养其创新意识和创新思维。创新能力和创新方法主要是在高等教育和职业教育中进行培养,而对创新意识和创新思维的培养则需要贯穿于从小学到大学乃至研究生整个教育阶段。培养创新意识和创新思维最好的载体就是工程教育。目前我国基础教育阶段的工程教育仍然处于初级阶段,需要不断地完善和提升。

二、科学、技术与工程以及其教育形态辨析

STEM教育自21世纪初由美国提出以来,在全球特别是在基础教育阶段产生了巨大的影响。STEM代表科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)四个学科。数学作为目前基础教育体系中的一个重要课程大家非常容易理解其概念和内涵。科学、技术和工程三个领域就没有那么容易把握了。本文以下从工作任务与主要成果形式两个角度对科学、技术与工程三个概念进行区分,并对科学教育、技术教育与工程教育三种教育形态的区别与联系进行简单描述。

(一)科学、技术、工程的概念

2014年,中科院院长白春礼院士在《光明日报》上发表了《创新驱动发展战略靠什么支撑?——从科学、技术、工程的概念说起》一文,对科学、技术与工程三个概念进行区分。

“科学”源于拉丁文scientia,本义是知识和学问。一般认为,科学应该是以探索发现为核心,主要任务是发现、探索研究事物运动的客观规律。科学活动成果的主要形式是科学概念、科学定律、科学理论、论文、著作。

“技术”由希腊文techne(工艺、技能)和logos(词、宣讲)构成,意为工艺、技能。一般认为,技术以发明革新为核心,主要任务是解决“做什么、怎么做”的问题。技术活动成果的主要形式为专利、图纸、配方、诀窍等。

“工程”的本义是兵器制造、军事目的的各项劳作,后扩展到许多领域,如制造机器、架桥修路等。一般认为,工程的主要任务是解决“做出了什么”的问题。工程活动成果的主要形式是物质产品、物质设施①白春礼:《创新驱动发展战略靠什么支撑?——从科学、技术、工程的概念说起》,http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2014-05/15/nw.D110000gmrb20140515_1-16.htm.2019-12-07.。

举个例子,人工智能是2019年最热的研究领域,在人工智能中,深度学习是非常重要的一种核心技术。深度学习的基础是神经网络算法。神经网络算法的基础是生物学和医学领域的人脑神经元原理。1904年生物学家发现了神经元的组成结构,一个神经元中有多个树突、一个轴突,轴突尾端的轴突末梢可以与其他多个神经元树突产生连接用以传递信息。神经元的组成结构和作用机理就属于科学的范畴,它是人脑生理活动的规律,是被人发现,并以科学理论和论文著作的方式进行传承的。1943年,心理学家和数学家参考此前的科学发现建立了抽象的神经元模型,并由计算科学家参考抽象神经元模型发明了可调整权值的神经网络算法,帮助计算机进行机器学习和深度学习,进而实现人工智能功能。这里神经网络算法就属于技术的范畴了,它的成果形式是专利和方法。硬件工程师和软件工程师根据神经网络算法,再结合一些其他的技术和方法,形成了人工智能机器或者软件,比如人脸识别门禁、情绪识别软件,这些就属于工程问题,所创造出来的产品主要用来解决相应的特定问题需求,并且是以产品的形式存在。上面这个例子对科学、技术与工程进行了区别描述,但我们也可以看到,科学、技术与工程经常是相互结合的。

(二)科学教育、技术教育与工程教育的区别与联系

科学教育的目标主要为:理解自然界运行的规律、培养探究精神、掌握科学探索方法。科学教育的内容包括但不限于如下几个方面:反映客观事物本质和运动规律的知识体系——事实、概念、原理、定律、理论及模型(目前科学知识爆炸式增长,学校教学内容已经无法跟上知识发展的步伐);科学研究中获取知识的思维、过程与方法——观察、分类、解释、假设、预测、测量、变量控制、实验、数据处理与分析、得出结论(核心为假设、观察与实验);思维——提出问题、搜寻事实、获取信息、立论解释;科学探究的精神——态度、信念和价值观(科学的历史与现实)。在我国基础教育阶段,重视科学各分科的教学,但获取知识主要靠记忆、了解、理解、掌握和运用(解题与应试),探究、跨学科知识应用、科学探究的精神(态度、信念和价值观)还需要提高。

技术教育的目标主要为:具备技术素养,能看懂有关技术的新闻、故事等信息,能理智地评价技术并置于一定的环境中形成观点;轻松自如和客观地使用技术,既不害怕技术,也不为其所迷惑;了解技术的发展过程,分析新技术如何影响自己、国家乃至整个世界。技术教育的内容主要包括:技术的性质——技术的特性和范围、技术的核心概念、各种技术之间的相互关系以及技术与其他研究领域的联系;技术与社会——技术的文化、社会、环境、经济、政治以及历史影响;技术世界的能力——利用并维持技术产品和技术系统、评价技术成果;重要技术领域——医疗技术、农业和相关的生物技术、能源和动力技术、信息和通信技术、制造技术、运输技术、建筑技术;设计(属于工程领域)①国际技术教育协会:《美国国家技术教育标准:技术学习的内容》,黄军英等译,北京科学出版社2003年版,第35-42页。。目前我国基础教育阶段技术的内容在分科的科学教育中有所涉及,但要完美结合;基础教育阶段的技术教育应该更加侧重于对学生技术素养的养成,而不是对具体技术的掌握。培养技术分析的能力和方法、技术评价的能力和方法以及技术素养仍然存在不小的挑战。

工程教育的目标主要是:激发学生的创造兴趣、对工程设计的兴趣、对工程职业的向往和养成习惯性的工程思维;为整合科学、技术与数学,为实现跨学科应用提供媒介。工程教育的主要内容包括:工程问题如何定义和界定,如何使用原型和数学模型来设计开发,测试和改进方案,优化和权衡利弊,设计方案决策和优化的工具和方法。目前在基础教育阶段工程教育最不受重视而且最为欠缺的部分主要包括:对工程、工程思维以及工程职业及其重要性认识不够;属于边缘学科,不是领导与教育主管部门重点推进的工作选项;工程教育活动近似为机械地掌握某项活动或程序步骤,或者窄化为学生验证性实验;系统的工程思维体现较少(如权衡与决策);创造力体现不足;真正激发学生兴趣的工程教育课程体系不够完善。

科学教育、技术教育和工程教育之间是紧密联系的。科学教育与技术教育目前已经较好地结合,如物理学科中欧姆定律与电路的设计。工程教育中“做”的训练与科学的“学”无法真正分开,参与科学研究和工程设计不仅需要技能,还需要对相关知识的深入理解和运用。工程教育与技术教育的结合也是自然的,工程实践活动中需要技术帮助实现建模与评估。

三、新时代我国中小学开展工程教育的必要性

自2001年STEM首次在美国被正式提出至今,已经经历了20年时间。在STEM教育开展之初,其教育效果并没有达到预期,主要表现在学生的STEM学科掌握程度不佳,缺乏对相关领域的兴趣,愿意选择工程作为职业的人数也在减少。其原因主要是因为忽视了工程作为科学、技术与数学从知识学习到学以致用的载体的作用,学生学习的知识过于抽象而无法调动其学习积极性。为解决这一问题,2004年,美国工程教育协会成立“K—12和准工程分会”,由美国国家科学基金会资助研究如何将工程设计、问题解决和分析技能渗透到K—12教育中,并提高工程和技术教师的数量、质量。2006年美国国家工程院和国家研究理事会教育中心成立K—12工程教育委员会,并在2009年发布《K—12教育中的工程教育:了解现状和改进前景》,2010年发布《K—12工程教育的标准》,2012年美国国家研究理事会发布《K—12科学教育框架》,2013年《下一代科学教育标准》将工程学科的内容融入K—12科学教育中。2018年美国国家科学院、工程院和医学院(NASEM)的《以调查和设计为中心的6—12年级科学与工程》报告,①黄桦:《以工程设计为中心的“K—12工程教育”:源起、内涵与实施策略》,《远程教育杂志》2019年第4期。明确提出科学调查与工程设计应成为科学与工程教学的核心路径,教师应围绕趣味性的现象和设计项目安排教学,并利用学生的好奇心使他们参与科学和工程的学习。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教育引入中国在一定程度上有效改善了中国基础教育过于偏重课本知识和应试教育的问题,但在工程教育方面的重视程度和开展情况还有很大的提高空间。进入21世纪,以大数据、人工智能、物联网等为代表的现代技术不断涌现,中国依靠制度的优越性逐渐展现出了世界强国的态势,在先进技术领域与西方发达国家的差距越来越小。但需要清楚地认识到,最后的差距需要更多具有创新精神和原始创新能力的人才来支撑,这些人才需要从小培养其工程思维和创新意识。

新时代是十九大对当前中国所处特殊历史时期的描述,新时代对于教育来说也具有特殊的意义:我国日益走近世界舞台中央,不断为人类做出更大贡献——人才素质需求的转变;全国各族人民不断创造美好生活、逐步实现共同富裕——学生学习动力的转变;科技爆炸式发展、人工智能时代的到来——学习内容的转变。

由于我国中小学工程教育的不足,使得承担着科技创新与发展所需人才培养使命的高等工程教育在新时代面临着许多新的问题:学生对工科专业职业认可度不高。工科专业一般是偏重于理论研究和实际操作的学科,在很多人的观念中,工科专业又苦又累特别难学。实际上,只有深入体验过的学生才能真正体会到工科专业的魅力所在。但目前的中小学基础教育阶段,因为缺乏工程类实践体验,学生往往受社会上一些不正确的思想和言论所影响,难以对工科专业产生兴趣。因为对工科专业的不了解,学生高考报考选择的专业不能和自己的兴趣很好地匹配,导致进入大学后对所学专业知识不感兴趣,对未来从事的相关职业没有信心和愿望。另外,非技术素养培养相对不足。非技术素养的培养,如社会责任感、环保与可持续发展理念、人文社会科学素养与职业道德、沟通与交流能力等需要从中小学就开始渗透,到大学才开始培养已经相对滞后。还有,学生颠覆性创新意愿与信心不足。颠覆性创新人才不仅需要有过硬的科技创新技能,而且更需要有从小养成的创新意愿和创新思维习惯。目前的基础教育阶段在培养学生创新思维习惯方面还存在一定的不足,导致学生进入大学之后创新意愿不强烈、创新思维欠缺、创新信心不足,这将在很大程度上影响颠覆性创新人才的培养。

我国教育主管部门和各大高校目前已经充分认识到上述问题,努力从顶层设计和教学改革等多个角度进行应对,如开展“新工科”建设和针对工科专业的工程教育认证等。但要想从根本上解决问题并取得切实效果,中小学的配套改革也具有重要的意义,开展恰当的工程教育势在必行。

(一)中小学工程教育是当前学科化教育体系中重塑学生学习兴趣的有效途径

提高学生的学习兴趣是要提高学生对内化的、可指导应用的知识的学习兴趣。内化的知识需要在理性引导下,通过感性感受所呈现出来的现象和以往所取得的经验,通过提炼、归纳、总结之后才能形成。兴趣是人们力求认识某种事物或爱好某种活动的倾向与愿望,是形成知识和获取技能的重要驱动力,也是引导学生成才的契机。由学习内容、学习过程自身引起的直接学习兴趣是提高学习质量和效果的最有利因素;学习活动结果引起的间接学习兴趣(如意识到学习的社会意义和自己的关系,高尚的理想和远大的奋斗目标所产生的学习兴趣)在学习过程中可以产生直接兴趣。因此,对于中小学生来说,提高学习兴趣应该重点关注学生的直接学习兴趣,也就是侧重于通过学习内容和学习过程吸引学生。

目前学科化、应试化的教育导致学生学习兴趣的缺失。学科化、应试化学习的重点是知识体系、实验方法等,过于重视形式逻辑(不需要经验对象、概念、判断和推理,知识与应用较远,感染力差)和固定式、僵化的先验逻辑(经验对象固化,过程枯燥,容易厌倦),所学知识与学生生活未建立恰当的连接,评判标准只能是分数这个单一的维度。

工程教育可以提高学生的学习兴趣,是因为工程教育可以提供真实场景下的学习,经验对象是学生所处系统的一部分,可感性面对。知识的形成过程是经过系统思考、深度参与,并提炼、归纳总结,从“做”中学到的,而工程问题具有挑战性,可以增加新鲜感与刺激性,评价方法更容易形成正向反馈,从而发挥激励作用。

(二)中小学工程教育有助于破除电子游戏对学生思维习惯的影响,是有助于学生养成正确思考方式的实践平台

电子游戏对学生思维习惯产生不利影响,会让学生随性而为,缺乏自控与行为的约束。虚拟世界不受制约,无拘无束,快感容易得到满足,而学习、生活中得不到的成就感,在游戏中可以摆脱弱者地位,体验强者的成就感。网络游戏和网络读物同样也能很好地满足这种诉求。虚拟世界反作用到现实生活就会产生潜在的思维影响。

另外,电子游戏也会让学生缺乏对后果的思考与权衡。游戏最典型的特点就是可以允许一次一次冲关,直到过关为止,冲关失败带来的损失可以忽略不计,这会造成学生在生活中对错误的行为也不以为然,缺乏对后果的思考与权衡。

还有,电子游戏会让学生兴趣阈值提高,从而使学习兴趣下降。在虚拟世界信息的刺激下,玩家普遍感受到现实世界体会不到的快感和惊险刺激,从而使之在虚拟世界中迷失,现实世界中的欲望降低,也使学习兴趣下降。

工程教育中工程问题的挑战性、系统化思维的形成、权衡利弊的决策体验以及生活中真实问题解决的成就感等,可以在一定程度上转变由电子游戏对学生所形成的负向的思维习惯,让学生形成正确的思考问题的方法和思维模式。

(三)工程教育是帮助学生感受工科魅力、理解工科专业的内涵、发现个人潜能、确立人生目标的最佳舞台

工程教育可以帮助学生更好地感受工科专业魅力,激发学习工科专业的兴趣。工科专业是面向应用、直接解决问题的专业。在解决问题的过程中,可以感受到科学规律的完美、技术的强大和创造的成就感,参加工程实践,能真正体会到科学家和发明家为之废寝忘食、奋斗终身的原因。在中小学开展工程教育,可以在学生心中种下投身科技创新、科技强国的种子,让更多的学生选择工科专业,为我国科技发展提供稳定的人才支撑。

工程教育可以帮助学生理解工科专业的内涵,解决未来职业选择的迷茫问题。很多人高考志愿是按照高考分数的高“性价比”来选择专业,而不是按自己的特长和兴趣来填报,对专业、职业的了解程度不够。工程教育涉及多个工程领域,因而可以为中学生提供更多了解、体验的舞台,并帮助其进行中学—大学的衔接过渡,发现学生的自身潜能。

工程教育可以帮助学生解决人生目标的缺失问题。目前相当数量的中学生将考上理想大学视为自己的目标(说不清楚更长远的目标),学习动力极度不足,在学习中遇到困难时,无法自我排解疏通,出现很多问题。个人目标的建立在一定程度上需要“悟”。在工程教育中,通过学习工程发展以及关键人物经历,可以帮助学生寻找到榜样的力量,发现工程领域的魅力。

(四)中小学工程教育是构建学生新时代立体化素养结构的重要载体

近年来,在高等教育领域,专业工程教育认证开展得如火如荼。综观高等学校本科工程教育12项能力①《工程教育认证标准》(2017年11月修订),http://www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/599711/index.html.2021-07-07.,其与中国学生发展核心素养和世界21世纪人才要素具有极强的相似性。工程教育的12项能力包括:①工程知识:能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。②问题分析:能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理,识别、表达,并通过文献研究分析复杂工程问题,以获得有效结论。③设计/开发解决方案:能够设计针对复杂工程问题的解决方案,设计满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程,并能够在设计环节中体现创新意识,考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。④研究:能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究,包括设计实验、分析与解释数据,并通过信息综合得到合理有效的结论。⑤使用现代工具:能够针对复杂工程问题,开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具,包括对复杂工程问题的预测与模拟,并能够理解其局限性。⑥工程与社会:能够基于工程相关背景知识进行合理分析,评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响,并理解应承担的责任。⑦环境和可持续发展:能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。⑧职业规范:具有人文社会科学素养、社会责任感,能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范,履行责任。⑨个人和团队:能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。⑩沟通:能够就复杂的工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流,包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令,并具备一定的国际视野,能够在跨文化背景下进行沟通和交流。[11]项目管理:理解并掌握工程管理原理与经济决策方法,并能在多学科环境中应用。[12]终身学习:具有自主学习和终身学习的意识,有不断学习和适应发展的能力。

从上面12项能力中可以看到,前5项能力(工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究和使用现代工具)与中国学生发展核心素养中的“理性思维、批判质疑、勇于探究、问题解决、勤于反思、技术运用、信息意识”以及“实践创新”相互呼应。后7项能力(工程与社会、环境与可持续发展、职业规范、个人与团队、沟通、项目管理、终身学习)与中国学生发展核心素养中的“国家认同、社会责任、人文情怀、人文沉淀、自我管理、乐学善学”具有较强的对应关系,②林崇德:《21世纪学生发展核心素养研究》,北京师范大学出版社2016年版,第25-28页。也与21世纪人才要素中的“金融、经济、企业素养、公民素养、环境意识、社会和跨文化技能、生产率和责任制、沟通交流能力、合作协作能力、全球视野、企业家素养、领导力和责任感等”具有很强的相关性。

中小学的工程教育可以更好地帮助学生尽早适应大学阶段工程能力的培养要求,同时也可以帮助学生构建新时代立体化素养结构,尤其是工程中的人文素养、方案设计中的经济知识、社会和环境的素养、团队合作与沟通的能力、系统思考的能力。

(五)中小学工程教育是培养学生新时代所需创新/创造能力的训练场、培养颠覆性创新人才的试验田

新时代人才特征已经发生了较大的变化,主要表现在如下几个方面:(1)深度与广度的思维能力。工业化大生产中,重复的体力劳动被机械所取代;在以人工智能为典型特征的新时代,重复的脑力劳动将被人工智能取代。新时代人的工作将主要集中在创造性的脑力工作,需要人才具有深度思考和跨界思维的能力。(2)创造力与创新能力。在新时代,简单的应用和集成创新无法形成核心竞争力,长期生存和发展需要颠覆性创新;许多人工智能面临的挑战还没有标准的解决方案,需要进一步的创新攻坚,因此对人才素质的需求更多地体现在创造性的工作和创新的能力上。(3)学习能力与沟通合作能力。知识与技术更新速度快是新时代的一个典型特征,因此,新时代人才需要能够具有多领域的交叉知识,需要广泛的知识储备,快速学习、融会贯通。另外,因为问题越来越复杂,各种解决方案和系统庞大,需要更高程度的分工协作,这就需要人才掌握高效的沟通方式,具有团队意识和合作精神。(4)人文素养与情怀。随着技术的爆炸式发展,科技对自然、人类与社会的影响程度将进一步加大,甚至会影响到人类的生死存亡。新时代的人才不仅是科学技术领域的领先人才,更应该对人性、文化、情感能够敏锐感知,所作出的决策需要能够促进未来个人和社会良性、健康地发展,比如未来人工智能发展伦理观需要从业者具有正向的人文素养与情怀。

目前,部分学校在基础教育阶段过于强调对学生进行应试强化训练,如以标准答案为表现的确定性结果评价、以形成条件反射为目标的海量卷面试题强化、以获得验证性结果的固化的实验步骤训练,这些都让学生过早地丧失了探究、挑战的兴趣,扼杀了创新思维发展。在班级、年级、学区排名成为获取优秀教育资源重要指标的评价体系下,学生之间存在强烈的竞争意识,学习过程只倾向于以个人学习为主,与他人交流、合作的意识缺乏。

在中小学开展工程教育,可以基于情境考虑问题,设想多个解决方案以及创新的流程、方法和设计,系统思维和基于权衡地决策,评估解决方案的影响,有效地进行团队合作和沟通,形成培养学生创新思维和创造力的训练场。

作为创新的“顶峰”,颠覆性技术是一种“改变游戏规则”的前沿技术,需要具有一批具有坚定目标和强大创新能力的人才支持。有研究表明,20～45岁是科技人才实现创造性突破的最佳年龄段,是创造性表现的黄金期。人的智力发展在12岁前速度很快,12～20岁缓慢上升,20岁以后持平或者缓慢下降。中国基础教育阶段,中学生的年龄处于12～18岁,是创新思维和创造力培养的关键时期。中国的基础教育,需要遵循创造力形成的年龄规律,从小开始培养学生的独立思考和批判性思维、创新意识与创新思维,为形成颠覆性创新能力打下坚实基础。工程问题是发生在学生身边的真实、具体的问题,其解决具有挑战性,可以有效激发学生的创新兴趣和颠覆性创新渴望。工程教育帮助学生从小树立探究和解决问题的工程思维,掌握探究和创新设计的正确方法,还可以帮助学生尽早找到自己愿意为之奋斗的领域和目标,合理规划,通过有效的时间和资源配置,不间断地持续探索,形成颠覆性创新成果。

四、新时代我国中小学工程教育的高校融合对策

做好新时代中国中小学工程教育任重而道远,目前中小学开展技术与工程教育的突出困难主要表现在:一是从教育主管部门到中小学校对开展工程教育的必要性还认识不足,一直没有将其列入重要工作范畴;二是针对中小学的工程教育体系不够完善;三是能够有效开展工程教育的中小学其相应师资数量与质量还有待进一步增加和提高;四是合适的工程教育资源相对欠缺。

针对上述难题,我们从基础教育与高校融合培养的视角出发,提出以下对策建议。

(一)从国家、教育全体系和社会全范围突出中小学工程教育的重要地位

一方面,需要国家、地区政府将工程教育的推广与普及列入重大发展决策中;教育部应强化工程教育内容与工程素养在课表和考核中所占的比例;国家各部委及行业、学术委员会应该设立专项经费,组织研究工程教育在中小学的产出要求以及实施建议,定期发布研究成果及建议白皮书,其中涉及单位包括科技部、工信部、科学院、工程院、国家自然科学基金委员会、各行业协会等。

另一方面,需要确定中小学工程教育在整个教育体系中的重要地位。高等学校应该认识到优秀的工程技术人才需要基础教育与高等教育相互协同、一体化培养才能实现最佳的培养效果。只有在基础教育阶段形成了良好的核心素养、良好的工程思维与创新意识,大学生才能充分利用大学中的良好学习氛围与创新环境,发挥聪明才智,成为可以应对未来挑战的创新工程技术人才。增进与中小学在工程教育融合培养上的对接与支持,并将工程思维测试作为录取辅助条件(优先录取条件)。中小学校应加大对工程教育的重视程度,在资金、教师晋升等方面进行激励,鼓励教师开展工程结合科学教育、技术教育的研究,形成特色,并创造学生开展工程活动的条件与环境,同时还应该重视与大学在工程教育方面的协同培养机制,更好地激励学生认真学习、发展个性。

更重要的是,需要从政策层面对工程教育进行支持(可以与技术教育一并列入新的改革试点之中)。目前浙江省已经开始相应的试点,将通用技术列入高考科目,取得了一定的进展,但距离全国范围推广,还有很长的路要走,主要障碍在于如何保证通用技术教育在全国范围的教育质量(不同于具有标准答案的考核方式,工程教育、技术教育的目标为技术素养、工程思维与创新意识达成,对教师的水平要求较高,经济不发达地区特别是边远山区条件受限)与对学生个体评价的科学性(技术素养、工程思维和创新意识目前还未找到可以让大家一致认可的评价方法,直接体现在高考分数中,社会影响将非常之大),这两个障碍使得工程教育(和技术教育)无法成为基础教育的重要组成部分。笔者认为,可以将工程素养(与技术素养)达成情况的评价从个体评价转变为群体评价,即评价对象为学校分年级学生整体的工程素养达成情况,并将整体工程素养达成情况作为学校考核的重要指标。这样做的好处:一是因为不涉及学生个人评价,可以避免学生家长因为纠结于分数公平性而产生抵触;二是作为对学校考核的重要组成部分,可以引起学校的高度重视,有效推动工程(技术)教育的进程;三是有利于循序渐进地推进中小学工程教育发展,在迭代式发展过程中总结经验,逐渐完善教学进程与评价机制,最终实现将工程教育(合并技术教育)列入类似于高考的录取考核科目。

(二)高校—中小学共同行动,进一步研究完善中小学工程教育体系与模式

工科高校应该充分认识到中小学工程教育对大学阶段工程技术人才培养所需要的思维基础、习惯基础、素质基础的重要性。通过教育主管部门牵头,开展高校—中小学联动,共同构建完善新时代中小学工程教育体系。

第一,需要由教育主管部门牵头,联合科协、科学院、工程院、国家自然科学基金委员会等,设立中小学工程教育体系与模式研究课题,由具有丰富工程经验的工科高等学校教师与中小学相关教师(如科学、劳动技术、通用技术、信息技术教师以及科技社团指导教师等)共同组成课题研究小组,开展相关课题研究,为我国中小学工程教育的开展建立理论基础。

第二,需要由高校牵头,吸引社会力量(如博物馆、企业等)参与,开展与中小学教育研究部门的合作,研究工程教育从小学、中学到大学的衔接和一体化课程及教学实施方案,研究成体系分阶段的中小学工程教育教材,研究适合中小学生使用的工程教育教具与学具,为中小学开展工程教育提供教学资源支撑。

第三,在开展上述工作时,需要明确在中小学开展工程教育完全不同于其他学科教育,应该侧重工程思维培养,因此对教育内容和环节都需要进行系统性设计。从工程思维的本质而言,真实情景选择要求做到问题要真实,学生深入沟通的是真实用户,确定的是用户的真需求(问题确定与界定);需求解决的方案要有多样性,有权衡与决策;需要有明确的标准和制约条件,不仅局限于科学与技术,还包括经济、社会或环境的制约,实现科技与人文的有效融合。另外,工程教育(技术教育也类似)需要合理设置任务,确保人人都能真正参与,让每一名学生既能培养最基本的工程思维,同时又可以发挥个人特长与潜能。

(三)高校—中小学深度融合,并吸收各种社会资源,共同丰富面向中小学的工程教育资源

工程教育不同于其他学科教育,无法由基础教育自身闭环完成相应的教学任务。工程教育涉及学生的个性化培养,涉及学生创新意识与创新思维的养成。在教育过程中会出现两个难题:一是如何为学生确定多样化、个性化的工程项目;二是不同学生开展的实践项目存在差异性、专业性、跨学科、实操性等特征,中小学教师难以高质量指导。面对工程教育中必须要解决的这两个难题,通过高校—中小学深度融合,吸收各种社会资源(如博物馆、科技企业等),共同丰富面向中小学的工程教育资源可以在一定程度上解决这一问题。

第一,由教育主管部门牵头,提高工程教育教师的数量与水平。组织工科类高校承担对中小学工程教育相关教师的系统培训,培训内容既包括工程教育的基本素质要求、最新理念、历史发展沿革以及分门类的工程知识体系与实践方法、创新方法与创新实践,还要包括工程教育的基本教学方法和指导方法,从一定程度上提高中小学工程教育教师水平。另外,通过2020年线上教学积累的经验,可以尝试采取双师指导模式,即聘请高校专业教师和科技企业等的一线工程技术人员作为中小学工程教育校外指导教师,与校内教师联合形成指导团队,线上线下共同完成对学生的工程项目选题以及实践的指导。

第二,多方参与构建立体的培养体系、教学体系设计以及教育过程。政府、中小学校、科研院所、高等学校、产业界、工程协会、博物馆、公益组织、社区乃至个人形成中小学工程教育的资源共同体(包括场地实验室资源、教师资源的共享),实现立体化的人才培养模式,并且提倡在小学、初中、高中、大学各个教育阶段实现整个工程教育(以及技术教育)的持续与衔接。

第三,由教育主管部门牵头,组成大学生—中小学生工程实践项目联合研究小组,让更多大学生志愿者参与到对中小学工程思维培养的过程中来。笔者所在实验室已经开展了类似活动,实践证明,许多大学生愿意投身到此类活动中,中小学生通过与大学生的互动,不仅在工程实践项目上得到了学习提高,而且其学习积极性也有很大程度的提高。另外,因为项目来源于大学生与中小学生思想的碰撞,通过这种形式取得的工程实践项目也可以为中小学工程教育提供宝贵的课程训练素材,不断丰富中小学工程教育的教学资源。

五、结论

STEM教育近年来受到了世界各国包括中国基础教育工作者的青睐,他们展开了许多卓有成效的研究和实践,并取得了诸多研究和实践成果。STEM教育需要根据具体国情进行本地化改造。综观国内STEM实践情况,科学、数学教育目前开展得最为规范,效果也比较好;技术教育也已经在课程体系中确立,正在不断完善;工程教育目前在中小学阶段还存在较大差距。究其原因:第一,对科学、技术和工程教育的内涵还不清楚;第二,工程教育还没引起教育主管部门、学校和教师的重视;第三,中小学工程教育研究还不够深入,相应的课程和教学环节还需要进一步完善。

作为大国重器的先进制造业需要大量的创新型工程技术人才,特别是我国要实现“中国梦”和“中国制造2025”,需要更多的颠覆性创新人才。颠覆性创新人才需要从小培养工程思维。为了让教育工作者对科学、技术与工程有更清楚的认识,本文尝试对科学、技术与工程以及三者的教育形态进行了辨析,并对我国中小学工程教育在新时代的重要意义进行了分析和阐述,旨在让更多的教育管理部门、教育工作者以及社会各界把工程教育作为一项重大国策重视起来,群策群力,开展工程教育在基础教育阶段实践的政策支持、研究、探索与支撑,为我国未来颠覆性创新人才的培养打下坚实的基础。