基礎教育階段開展工程教育價值探析范文

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摘要：從分析工程教育的要素出發闡述工程教育的內涵，圍繞建設創新型國家、理解真實社會和與國際做法接軌三個方面，詳細闡述了工程教育的意義，借鑒美國工程教育的做法最后揭示了在我國基礎教育階段開展工程教育的必要性。

關鍵詞：基礎教育；工程教育；創新能力

一、工程教育背景分析

（一）工程學的關鍵要素不少研究人員曾對“工程學”進行過定義。學者沃爾夫（Wulf）曾提出，工程學是指“在約束條件下進行設計”；《基礎教育階段教育中的工程學》提出“工程學是設計人造世界的過程”；學者羅杰斯（Rogers）認為“工程學是工程師們利用學知識和認知過程來設計、分析和解決復雜的系統，從而滿足社會的需求”；《下一代科學標準》中提出“工程學是參與系統的設計，從而解決特定的人類問題”［1］。工程教育家史密斯（Smith）把工程定義為建筑、裝置或系統地滿足特定條件的最優化設計方式，并進一步指出，在寬泛的意義上，工程的本質就是在觀念中設計裝置、程序、系統，有效地解決問題，滿足需要［2］。美國項目引路機構（PLTW）使用的中學工程教育主流教材《工程教育入門》（GatetoEngineering）中將“工程學”定義為“設計解決方案的流程的科學”，且明確了“工程學的流程包括為其他人制作生產產品所需要的圖紙和模型”［3］。由以上論述可見，工程學是一門科學，它是需要進行設計的，也是應該滿足社會/人類需求的。

（二）工程教育的要素工程教育是教授工程學相關知識和技能的學科。基于工程學的特點，工程教育明顯不同于其他經典學科（如語文、數學）的學習方式——僅停留在本學科相關研究內容的傳播中，而是包含了定義問題、建模與分析、提出解決方案、優化和權衡等流程，從而有效完成面對的實際項目。因此，“實踐”可以說是工程學的核心，是開設工程教育的主要方式和重要途徑。由此不難推斷，工程教育的最終目標也應是著力于幫助學生面對真實世界的問題時，提高動手實踐能力、解決問題的能力和創造力。此外，一般情況下，工程問題不是一個人能獨立完成的，因此，工程教育還隱含了對小組合作、有效溝通、自我展示與表達等方面的要求。

二、我國基礎教育領域實施工程教育的價值

（一）建設創新型國家的有效途徑自2006年國家提出建設創新型國家戰略以來，《關于深化體制機制改革加快實施創新驅動發展戰略的若干意見》《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中，先后明確提出了創新驅動發展戰略、強調構建創新型人才培養模式、加強培養創新型人才，尤其在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中強調，基礎教育要著力提高學生用于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力，探索發現和培養創新人才的途徑。創新能力的培養已經作為國家人才競爭中的重點被一再提出，對于我國發展和參與國際競爭具有非常重要的意義。1.工程教育有利于促進學生的創新能力創新型國家的重要內涵之一就是國民具有創新素質，即國民的創造力。培養創造力，除了提升學科成績之外，還要重視學生的思維方式、掌握的技能、解決問題的實際能力，等等，由此，學生需要的教育模式是：培養學生以用為主的學用結合、腦手身等相互結合、鼓勵發散思維及冒險精神、重視培養獨立思考和獨立解決問題的綜合能力、強調良好的道德品質教育［4］，等等。《21世紀技能：為我們生存的時代而學習》一書指出了美國大學畢業生缺乏一些基本的諸如表達能力、批判性思考能力、解決問題能力、團隊協作與配合能力等基本技能和應用技能，我國學生也有極為相似的情況。工程教育中則包含了系統思考的能力、創造力、合作能力、解決問題能力、倫理道德意識等。基于以上對工程教育的分析，工程教育以解決實際問題為導向，學生在學習工程設計的過程中，不但能夠了解工程相關概念，學習工程設計的方法，而且必須通過各個項目的實際情況，尤其是項目中不同的現實條件約束，通過思考、辨析等方式，發揮創造力進行解決。也由此，工程教育對培養學生的創新思維有明顯的作用。2.工程教育有利于為高校的工程教育打下基礎自1977年10月28日至11月16日，教育部在北京召開重點高等學校應用科學和新技術學科規劃會議，制訂了機械學、電子學、土木建筑、化學工程學、材料科學和工程熱物理等14門應用科學與新技術學科規劃草案［5］以來，我國工程教育取得了巨大成就。目前，我國工程教育規模和培養的工程科技人才數量已位居世界第一。截至2017年底，我國教育部高等教育教學評估中心和中國工程教育專業認證協會共認證了全國198所高校的846個工科專業。通過專業認證，標志著這些專業的質量實現了國際實質等效，進入全球工程教育的“第一方陣”。令人意外地，相對于高等教育中工程學專業繁多、規模龐大的狀況來說，我國基礎教育階段的工程教育可以說是空白的。這種“空白”主要體現在：①學者研究成果極少：在知網上搜索關鍵詞，與基礎教育階段工程教育相關的論文不超過10篇，且多為2015年之后發表的，大多是由STEM教育引發的思考，與獨立的工程教育相關的文章為零；②公辦中小學中沒有單獨開設的工程教育課程；③在校外機構所開設的STEM、編程等相應活動中，指導教師學科背景為工程學相關專業的幾乎為零；④校內外與STEM、編程等課程相關的活動或學習項目中，幾乎全都不具有權威的、系統的工程學相關課程資源。同濟大學機械學院具有多年一線教學經驗、教研組織經驗和課程研發經驗的教授曾表示，由高中考入該學院的學生中，對工程學的認識和經驗基本為零。例如，在認識方面，幾乎全部人認為“工程師就是畫圖紙的”“如果完全按照相關理論進行設計，一項工程的開展會非常順利”；在相關經驗方面，大多數學生不具備畫圖的能力（哪怕只是草圖），只有少數學生具有較為明顯的分工合作的經歷，大多數學生對材料的種類和區別一無所知；在對專業的認知方面，幾乎每一屆都有學生在經歷了一學期的學習后，希望轉專業，因為本專業“與我想象中的不一樣”。這樣的現象會導致報考工程專業的學生不一定熱愛本專業，甚至排斥工程專業的某些必備經歷（如需要到工地上參與實習項目），從而學生在畢業后離開本行業或無法學以致用，造成國家教育資源的浪費。還可能會導致進入工程專業學習的學生需要花費大量精力和時間重新學習畫圖等相關技能，甚至會影響學習進度。由此可知，在我國高等教育階段工程教育飛速發展的情況下，通過基礎教育階段的啟蒙和引導，使學生具有更加扎實、規范的基本功，相關專業有一定的認識，是夯實我國工程教育發展基礎的重要途徑，也是必經途徑。

（二）工程教育有助于提高學生解決真實問題的能力1.有助于學生關注實際生活中的真實問題教育的最終目的是培養可以在真實社會中生活的人。我們所開展的學校教育，提倡給孩子多種經歷，以達到啟蒙、啟發的作用。從這個角度來說，對真實社會的理解和思考，對學生來說是非常重要的一個環節、一種經歷。工程教育的載體恰好能為學生提供這樣的經歷：工程教育中的項目多基于實際生活：大到國家主持開展的西電東輸工程、三峽水利工程、高鐵建設，小到家庭中智能家居的設計與創建、一支鋼筆的維修，都屬于工程問題的范疇，且與真實生活緊密相連，旨在解決實際生活中的真實問題。開展工程教育，為學生提供參與工程項目的機會，在現如今充斥著電視、平板、手機等多個終端的“屏幕社會”中，不得不說是引導學生回歸現實、關注真實世界的有效途徑之一。2.有助于學生形成解決真實問題的經驗基于內容來自實際生活，學生參與工程項目，需要經歷的過程一般包括［6］：•提出問題、定義問題•構建并使用模型•計劃并進行調查•分析并解釋數據•運用數學和計算思維•建立解釋，設計解決方案•用事實進行論證•獲取、評估并交流信息這樣的思維過程，也是人們在現實生活中解決真實問題所經常經歷的過程，有利于提升學生解決實際問題的能力。同時，工程項目引導學生考慮問題的思路，包括理解一個真實問題的解決會受到實際條件的限制而應在理想和現實之中取得平衡，以及通過與他人合作、溝通、協調而滿足設計需求，都是學生理解真實社會所必需的思維方式和能力。

三、美國工程教育對我國的啟示

［7］關于在基礎教育階段開展工程教育，國際上已有發達國家在行動。以美國為例，基于培養創新型、復合型人才，美國將STEM教育作為教育戰略提出，且引起了國際社會上多國政府和學界廣泛關注。為有效推動STEM教育，近十年來，美國十分重視STEM教育的核心——工程教育，著力通過在K-12教育階段推進工程課程、課外活動以及以工程教育為中心的工程學校，著力加強工程教育在K-12教育階段的力度。［8］美國基礎教育階段扎實的工程教育的開展不但有效推動了作為教育戰略的STEM教育，也成功為國家啟蒙、輸送了越來越多的創新型工程師。美國在大力推動基礎教育階段的工程教育方面也表現出了教育強國的眼光和決心，對我國教育有一定的啟示作用。在美國，工程教育的建立是在被定義為技術教育的保護傘下開始的。隨著美國的技術教育在20世紀90年代初開始生根發芽，工程學被看作技術教育的核心要素，而并不擁有一種獨立的教學形式或被看作一門獨立學科。1996年，美國國家航空航天局（NASA）和國家科學基金會（NSF）支持由國際技術和工程教育協會（ITEEA）撰寫的題為《面向所有美國人的技術》的報告的發展和傳播。這份報告，連同NASA和NSF委托的另一份題為《技術素養標準》（StandardsforTechnologyLiteracy）的報告，為把工程學納入正式學校課程創造條件。國家工程學院（NAE）在K-12的環境中為工程教育開辟一席之地也作出巨大努力。NAE在2000—2010年間成立了一系列委員會來處理與技術和工程教育相關的問題。2002年，NAE和美國國家科學研究委員會（NRC）在技術層面上發表了《為什么所有美國人都需要更多地了解技術以便圍繞技術素養的理解和價值創造共性》一書，書中探討了技術與工程交叉作為課程開發和教師專業發展的核心學科的意義。然后在2009年，以及2010年之后不久，NAE發表了兩篇報告。［9］這兩份報告為在國家一級就如何最好地將工程教育并入現有的K-12標準和框架進行更強有力的討論奠定了基調。當ITEEA和NAE支持關于K-12教育工程師的全國巡講時，教育強州馬薩諸塞州正在制定自己的課程。馬薩諸塞州是第一個全面闡明工程教育K-12標準的州。1993年的《馬薩諸塞州教育改革法》使技術和工程納入州教育標準成為可能，這導致1996年制定了《馬薩諸塞州科學和技術課程框架》。2001年，對該框架進行了修訂，包括了更多的工程原理和工程設計過程。馬薩諸塞州采取的這些步驟促進了國家工程教育的發展。20世紀90年代中期，馬薩諸塞州正式的K-12教育發生了轉變，州立法試圖將以前被稱為“工業藝術”的東西，與真正的工業藝術區分開來并將它重新定義為“技術教育”。工程是作為技術教育的一部分出現的，但是將技術/工程應用到課程和教學中卻遇到了阻力，因為在科學教育者、管理人員和家長之間缺乏對適合性和所有權的清晰的認識。直到馬薩諸塞州的中小學教育部門帶頭努力，通過調整政策，使技術/工程與其他科學學科受到同等重視，將技術/工程應用到課程和教學中的觀點才開始被完全認同。此外，不得不提的是，波士頓科學博物館也在當地和全國的工程教育發展中發揮了關鍵作用。自20世紀90年代末至21世紀初擔任塔夫茨大學（TuftsUniversity）工程學院院長以來，博物館現任館長米奧利斯（Miaoulis）博士一直擔任國家領導人和K-12工程教育的發言人。在塔夫茨大學期間，米奧利斯博士和羅杰斯教授就K-12工程教育提出了早期的觀點，并主張在塔夫茨大學建立現在的工程教育與推廣中心（CEEO）。工程教育推廣中心成立了，并且為各級教育工作者開設了課程和專業發展項目。該中心還與樂高公司合作，開發了Robolab軟件，這個軟件使樂高頭腦風暴機器人工具包能夠在課堂上使用。CEEO還推出了其他引人注目的產品，如面向小學學生和教師的“工程是基礎”（EngineeringisElemen-tary，EiE）課程。EiE后來被科學博物館采用，在扎根的同時，CEEO創建了工程未來（Engi-neeringtheFuture，EtF）課程來支持高中生的工程教育。與此同時，科學博物館還通過創建國家技術素養中心（NCTL）來領導工程教育。最后，米奧利斯博士在將工程學納入該州課程框架的努力中發揮了重要作用。有了這些組成部分和支持課程和專業發展、推廣和傳播的基礎設施，科學博物館已經成為K-12工程教育的地方、區域和國家催化劑。

參考文獻：

［1］黃丹，劉恩山.工程學教育如何融入基礎教育課程［N］.中國教育報，2015-9-16.

［2］張鈴.西方工程哲學思想的歷史考察與分析［M］.沈陽：東北大學出版社，2008：120-121.

［3］羅杰斯，萊特.工程學入門（上）［M］.陳晨晟，房奇，沈哲亮，等，譯.上海：上海科技教育出版社，2017.

［4］王潔.中原工學院大學生實踐創新能力培養研究［D］.鄭州：鄭州大學，2012.

［5］中國工程教育委員會.中國工程教育發展報告2012［M］.北京：高等教育出版社，2013.

［6］趙中建.設計•制作•游戲：培養下一代STEM創新者［M］.上海：上海科技教育出版社，2015.

［8］曾旋.美國基礎教育階段STEM教育實施情況研究——以綜合STEM教育為例［D］.南京：東南大學，2014.

［9］范燕瑞.STEM教育研究——美國K-12階段課程改革新關注［D］.上海：華東師范大學，2011.

作者：唐璐 單位：上海科技教育出版社