智能時代何以發展K-12學生的技術與工程素養？*——基于《技術與工程素養標準》的分析與啟示

趙 冉 鄭旭東,2

智能時代何以發展K-12學生的技術與工程素養？*——基于《技術與工程素養標準》的分析與啟示

趙 冉1鄭旭東1,2[通訊作者]

（1．江蘇師范大學 智慧教育研究中心，江蘇徐州 221116；2．江蘇師范大學 江蘇省教育信息化工程技術研究中心，江蘇徐州 221116）

在智能時代，人工智能、虛擬現實等新一代信息技術對公民的技術與工程素養提出了新要求。2020年，《技術與工程素養標準：技術和工程在STEM教育中的作用》發布，用于指導、推進美國STEM教育中的技術與工程教育，以大力培養未來具有技術與工程素養的競爭型人才。為探究智能時代何以發展K-12學生技術與工程素養的問題，文章首先梳理了該標準的提出歷程；隨后詳細介紹了該標準由核心學科標準、技術與工程實踐、技術與工程環境三層結構組成的基本結構，并剖析了其主要價值；最后，文章分析了該標準對智能時代發展我國K-12學生技術與工程素養的啟示，以期為推進中小學技術與工程教育提供指引。

技術與工程素養；STEM；人工智能；K-12教育

引言

STEM教育是旨在培養學生STEM素養的教育形態，其在培養學生跨學科能力、批判性思維和創新創造等高階能力方面的重要作用，受到了國內外K-12教育領域的高度關注[1]。但隨著STEM教育理論與實踐的發展，研究者開始注意到STEM教育涉及的四個學科領域存在發展不平衡的問題，即人們通常更關注科學和數學學科，而不夠重視技術與工程學科，并且多數K-12學校未將技術和工程列為學校核心科目[2]。為此，國際技術與工程教育家協會（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）于2020年發布了《技術與工程素養標準：技術和工程在STEM教育中的作用》[3]（，下文簡稱《技術與工程素養標準》），面向美國PreK-12（在美國教育體系中，PreK-12包括學前班、幼兒園、小學、初中和高中）學生的技術與工程素養發展，系統規劃了符合智能時代需求的新素養體系及實踐路徑。

事實上，我國中小學開展的STEM教育也同樣存在偏重數學與科學素養，而對技術與工程素養重視不足的問題。為此，本研究通過對《技術與工程素養標準》進行解讀與反思，期望為智能時代發展我國中小學生的技術與工程素養提供借鑒與啟示。

一 《技術與工程素養標準》的提出歷程

ITEEA發布《技術與工程素養標準》之前，曾發布《面向所有人的技術：技術研究的基本原理和結構》（，下文簡稱《面向所有人的技術》）、《技術素養標準：技術學習的內容》（，下文簡稱《技術素養標準》）兩個文件[4][5]，為《技術與工程素養標準》的提出提供了理論參考。

1 《面向所有人的技術》

1994年，ITEEA的前身——國際技術教育協會（International Technology Education Association，ITEA）在啟動“面向全體美國人的技術”項目后不久，便發布了《面向所有人的技術》[6]。該報告不僅描述了具備技術素養的人應掌握的知識技能，還強調要大力推進K-12技術教育，確保公民在未來能接受技術教育，并實現技術素養的巨大提升?！睹嫦蛩腥说募夹g》是ITEA發布的旨在變革技術教育系列報告中的第一份報告，為面向K-12學校開發技術課程和相關教學項目提供了總體框架，對促進K-12階段的技術教育具有里程碑意義。

2 《技術素養標準》

為了響應《面向所有人的技術》提出的“研制技術教育標準”呼吁，ITEA于2000年發布了《技術素養標準》。與《面向所有人的技術》相比，此標準將K-12階段學生劃分為四個年齡段，并詳細描述了不同年齡段學生應掌握的與技術學習相關的知識與能力，確保所有學生能接受有效的技術教育[7]。另外，《技術素養標準》也對工程設計的內容有所涉及，一定程度上反映了技術教育與工程教育之間的關系，為后續研制《技術與工程素養標準》奠定了堅實基礎。

3 《技術與工程素養標準》

經過以上兩個階段的發展，技術教育逐漸轉向技術與工程教育并重的形態[8]。為培養具有技術與工程素養的公民，彌補智能時代的工程師數量缺口，美國將工程設計整合到K-12技術教育內容框架中，將“技術教育”改為“技術與工程教育”[9]，并進一步融入工程素養，形成并發布了《技術與工程素養標準》。該標準不僅將學生范圍擴大到PreK-12，還將STEM教育作為開展技術與工程教育的載體，期望通過發揮“技術”與“工程”在STEM教育中的作用，加深美國公民對技術與工程素養的認識和重視，為培養智能社會所需的技術與工程人才提供指引與支持。

《技術與工程素養標準》的提出歷程讓各國研究者意識到：一方面，隨著智能社會的發展，將會出現大量有關技術和工程設計的崗位空缺，技術與工程素養在幫助學生勝任未來工作方面起著重要作用；另一方面，智能技術的爆炸式發展，讓PreK-12學校認識到系統開設技術與工程課程、提升學生技術與工程素養對培養智能時代所需的高素質人才的重要性。

二 《技術與工程素養標準》的基本架構

《技術與工程素養標準》為PreK-12教育利益相關者提供了一份發展技術與工程素養的“地圖”，可指引其更為嚴謹地研制PreK-12技術和工程課程。該標準大體由核心學科標準（Core Disciplinary Standards）、技術與工程實踐（Technology and Engineering Practices）、技術與工程環境（Technology and Engineering Contexts）三層結構及其分析描述構成，其基本架構如圖1所示。

1 第一層：指向融合發展的核心學科標準

《技術與工程素養標準》的第一層結構是具有同等地位的八個核心學科標準，規定了PreK-12學生在不同年齡段應掌握的基礎知識，為開展技術與工程教學活動提供了必要指導。

①技術與工程的性質和特點（Nature and Characteristics of Technology and Engineering）。了解技術與工程的性質和特點，是PreK-12師生開展教與學活動的前提。本部分內容要求學生認識到：技術與工程知識涉及自然世界和人類世界；技術與工程是一項跨學科的人類活動；學生實施技術與工程活動時，需對產品/系統進行了解、使用、評價和創造，并形成相應的思維模式。

②技術與工程的核心概念（Core Concepts of Technology and Engineering）。技術與工程課程包含7個可以反映技術與工程特點的核心概念，分別是系統、資源、需求、權衡、優化、過程和控制。這7個核心概念不僅是區分技術與工程領域和其他領域的關鍵，也是技術與工程素養的重要組成部分。

圖1 《技術與工程素養標準》的基本架構

③知識、技術和實踐的融合（Integration of Knowledge, Technologies, and Practice）。為促進學生深入了解知識、技術和實踐的關系，本部分內容指出：技術與工程是跨學科的；技術與工程領域和其他領域相互影響；其他領域的進步會促進技術與工程領域知識、實踐的不斷發展。

④技術的影響（Impacts of Technology）。本部分內容認為學生應從四個方面理解技術與工程對人類社會的影響：技術與工程會對社會、環境產生積極或消極的影響；當技術與工程活動涉及做出最優選擇時，必須充分考慮技術的使用成本與最終效益；在使用已有技術或者提出新技術時，要考慮資源的可持續發展；技術的使用能促使個人、人類文化和環境發生根本改變。

⑤社會對技術發展的影響（Influence of Society on Technological Development）。每個社會所具有的獨特價值觀、社會分工和倫理規范都會影響技術發展，故本部分內容要求學生在理解社會對技術發展的影響時應知道：社會需求比個人需求更能影響技術和工程；社會的價值觀和信仰決定了人們對技術的態度；處于不同發展階段的社會有不同的代表性技術。

⑥技術史（History of Technology）。技術會隨時代進步而不斷發展，學生在學習技術發展歷程時要明確：文藝復興時期，技術在科學、數學及人文藝術等領域的推動下實現快速發展；人們經常通過技術的進步來定義某個時代；技術史充分反映了其對人類社會的積極和消極影響。

⑦技術與工程教育中的設計（Design in Technology and Engineering Education）。設計是所有技術和工程活動的基礎。本部分內容要求學生從以下八個方面理解技術：設計是人類的基本活動；設計可以不斷完善和改進，故技術和工程設計不存在唯一正解；設計具有迭代性；技術與工程設計要求學生掌握一系列技能；產品的設計包含多種屬性且需要遵循設計原則；動手制作是技術與工程設計的固有部分；設計的優化受約束條件的限制；設計的方法是多樣的。

⑧應用、維護、評估技術產品和系統（Applying, Maintaining, and Assessing Technological Products and Systems）。讓學生學會如何正確應用、維護和評估技術產品的目的，是讓其能夠以安全、適當、高效的方式使用和維護技術產品。本部分內容包括三個主要觀點：有技術素養的人更有能力學習、使用技術產品和系統；技術產品、系統或程序的維護對保證其正常工作至關重要，當發生故障時要給予適當的維修；綜合分析收集到的數據之后再對產品、系統進行評估。

《技術與工程素養標準》面向PreK～2年級、3～5年級、6～8年級和9～12年級四個階段的學生，設計了他們在不同核心學科標準中應掌握的具體知識，即基準（Benchmark）。這就意味著教師可以根據基準對不同年齡段學生實施個性化培養與評價，以實現其能力的螺旋式發展。

表1 技術與工程實踐在不同年級教學中的能力水平要求

2 第二層：勝任力取向的技術與工程實踐

《技術與工程素養標準》的第二層結構是“以學生為中心”的八類技術與工程實踐，旨在幫助學生將技術與工程的知識、技能應用于具體的實踐活動中，具體包括：①系統思維（Systems Thinking）。系統思維在技術的應用和開發中扮演著重要角色，是開展跨學科學習的重要方式。它要求對技術與工程的運行環境及其各部分組件之間的關系有清晰認識，以提出最優解決方案。②創新（Creativity）。在技術與工程課程中，教師培養學生創新能力的方式有兩種，一是讓學生就某一開放性問題進行集體討論，二是鼓勵學生之間進行思想交流。③制造與制作（Making and Doing）?！爸圃臁笔侵竸撛炷澄锏男袨?，而“制作”是指對技術產品/系統進行設計、建構、操作和評估的實踐過程。教師需在這一過程中對學生的探索活動給予適當指導，以保證實踐活動順利進行。④批判思維（Critical Thinking）。批判思維是指人們在做出一些決定之前，對獲取的必要信息進行評估、對比、判斷。在開放、真實的環境中開展探究性學習，是培養學生批判思維的重要方式。⑤樂觀（Optimism）。技術和工程課程中的樂觀態度能促進學生對問題開展批判性思考，有助于學生找到最優解決方案。⑥協作（Collaboration）。協作是通過互動與他人達成共同目標的活動，能幫助學生在與其他成員互動的過程中獲得分析問題的不同觀點，以更快達成既定目標。⑦溝通（Communication）。溝通是獲取、處理和傳遞信息的必要過程。師生可通過溝通分享彼此觀點，共同推動問題解決。⑧關注倫理（Attention to Ethics）。倫理要求學生系統地認識技術及其對社會產生的影響，通過迭代優化，盡可能降低技術對用戶和環境的不利影響。

需注意的是，技術與工程實踐和核心學科標準雖相互聯系，但不同之處在于，核心學科標準規定學生要掌握的基本知識，而技術與工程實踐強調通過應用知識提升技能。另外，《技術與工程素養標準》雖未對師生如何開展這八類實踐做出具體規定，但詳細描述了不同年級學生在完成上述實踐活動后應達到的能力水平（如表1所示），可為開展技術與工程相關活動提供指引。

3 第三層：支持場景化學習的技術與工程環境

《技術與工程素養標準》的第三層結構包含八種技術與工程環境，亦可將其理解為具體的技術與工程課程主題，旨在為學生獲取知識技能和開展工程與技術實踐提供環境支持：①計算、自動化、人工智能和機器人技術（Computation, Automation, Artificial Intelligence and Robotics）。師生依托此環境，可圍繞計算思維、自動化、人工智能、機器人技術等主題開展學習討論與應用實踐，深化對這些主題的理解與認識。②材料轉換與加工（Material Conversion and Processing）。依托此環境開展學習與實踐，既有助于學生深入了解材料的選擇、設計等流程，還能夠幫助他們利用相關材料設計、加工與制作技術產品。③運輸與物流（Transportation and Logistics）。在此環境中開展技術與工程教學和實踐，有助于學生認識不同的交通運輸子系統及其協同工作機制。④能源與動力（Energy and Power）。學生在此環境中獲取知識的同時，要樹立保護能源的意識與責任，批判性地評估使用不同能源對人類社會帶來的積極與消極影響。⑤信息與通信（Information and Communication）。此環境中的教學要求教師通過示范、使用信息與通信技術，幫助學生掌握相關知識技能、了解信息技術發展對社會的影響。⑥建筑環境（The Built Environment）。在此環境中，教師可以通過開展建筑設計類活動的方式支持學生圍繞建筑設計的相關主題開展學習與實踐。⑦醫療和衛生相關技術（Medical and Health-Related Technologies）。醫療衛生技術的發展為提高人類生活質量提供了重要支持，故推進學生對技術與醫療健康關系的認識，也是技術與工程課程的教育目標之一。⑧農業和生物技術（Agricultural and Biological Technologies）。技術與工程教師可借助此環境，帶領學生開展與農業和生物技術相關的探索，探究農業和生物技術對人類社會的影響。

此外，《技術與工程素養標準》還給出了不同環境中的教學實踐案例。例如，在能源與動力環境中，教師通過討論和提問引導PreK-2學生對“沒有能源系統的世界是什么樣的”進行批判性思考，以加深其對能源與動力在人類社會中的作用、地位和影響等學科知識的理解。

三 《技術與工程素養標準》的價值

《技術與工程素養標準》重視發展PreK-12學生的技術與工程素養，期望教育部門通過此標準發展學生的技術與工程能力，并在智能社會中靈活運用，其價值主要體現在以下三方面：

1 強化STEM教育頂層設計，系統化發展PreK-12學生的技術與工程素養

STEM教育主張發展學生的跨學科知識及高階技能，以幫助其靈活、有效地解決復雜的現實問題，故受到國內外教育領域的高度關注[10]。然而，PreK-12學校的STEM教育長期忽視技術與工程教育，導致學生的技術與工程素養水平落后于數學與科學素養。在此背景下，《技術與工程素養標準》的發布實際上反映了美國PreK-12教育領域對現行SETM教育的反思，以及期望基于此標準系統推進PreK-12技術與工程教育、加速提升學生適應未來智能社會發展所必需的技術與工程素養的愿景。此標準不僅為美國PreK-12學校開展技術與工程教育提供了一個由標準、實踐、環境構成的三維“坐標路線圖”，也便于美國各州因地制宜地靈活設計符合需求的教學活動、課程資源、環境情境，并為技術與工程素養的評估提供了基礎保障。

2 秉持以人為本的教育理念，重視技術與工程素養的階段性與實踐性發展

國外教育領域長期秉持“以學習者為中心”的教育理念?！都夹g與工程素養標準》也充分展現了這一理念，以滿足不同年齡段學生發展技術與工程素養的差異化需求，具體表現為：①《技術與工程素養標準》發布的目的是全面提升PreK-12學生的STEM技能，發展其適應未來智能社會所必需的技術與工程素養，更好地滿足其在智能社會的生存與發展需求。②《技術與工程素養標準》根據人類的認知發展階段，將學生的技術與工程教育及其素養水平劃分為四個等級，并制定了階段化、連貫性的技術與工程素養培養體系，滿足了學生技術與工程素養無縫化銜接和螺旋式提升的需求。③相較于技術與工程知識的獲取，《技術與工程素養標準》更加關注如何將PreK-12學生獲得的知識與技能應用于相應的環境或情境中，且不同年齡段學生技術與工程素養的發展側重點也有所不同，如面向低年級兒童的教育更注重學生對基礎知識的理解及其樂觀、溝通等素養的發展，而面向高年級學生的教育更重視創新應用等實踐能力的培養。

3 超越對知識、技能的過度重視，轉為勝任力取向的技術與工程素養培養

有研究者對國際STEM教育實踐進行考察后認為，發達國家的STEM教育已呈現出“能力本位”的特點，強調在跨學科的基礎上實現學生問題解決、創新創造等能力的培養與發展[11]；也有研究者認為，STEM教育超越了對知識和技能的過度重視，轉而追求包含創新創造、樂觀、關注道德倫理等綜合素養的勝任力[12]。《技術與工程素養標準》也展現出表達了對PreK-12學生能夠適應和勝任未來技術與工程實踐活動的期望，甚至有針對性地提出了“技術與工程環境”概念，并強調基于此環境開展面向PreK-12學生的、以能力或勝任力為取向的技術與工程教育時，要做到“對技術與工程環境的理解不能僅僅停留在表面，應當深入挖掘其內在機制”，這是以往其他標準文件從未涉及的內容。同時，八類技術與工程環境基本上涵蓋了當前主要的技術與工程領域，并要求這些環境的構建及在其中開展的教學活動都應有一名經過認證的技術與工程教師參與，這也從側面展現了該標準對指向實踐應用能力的技術與工程素養的高度重視。

四 反思與啟示

《技術與工程素養標準》及其蘊含的教育價值，對于解決我國中小學STEM教育中不夠重視工程與技術素養教育的問題具有借鑒意義?；诖?，本研究建議從以下四個方面思考和推進中小學生的技術與工程素養教育，以培養未來智能時代真正所需的、有競爭力的STEM人才：

1 重視K-12技術與工程素養教育，研發中國STEM教育實施標準

當前，我國仍未面向K-12學生研制專門的STEM教育實施標準，使得各地區K-12學校開展的STEM教育缺乏科學指導，存在與美國STEM教育發展不平衡類似的問題。為此，本研究建議積極研發中國STEM教育實施標準，以更加專業、合理地指導K-12學校的技術與工程教育：①在教學內容方面，重視學生對技術與工程本質的認知。K-12學校開展的STEM教育多以實踐為取向，但僅憑技術與工程實踐無法讓學生了解技術與工程的全貌。未來的STEM教育應實現技術與工程實踐應用與本質認識“兩手抓”。②在課程設置方面，要體現技術與工程教育的系統性與整體性。技術與工程素養超越了傳統的知識、技能、態度分類，故STEM教育實施標準應關注發展學生的勝任力或核心素養[13]。③在教師發展方面，應強調教師素養提升先行。教師的技術與工程素養是有序開展技術與工程教育的前提，但目前我國K-12技術與工程教師的數量和質量與預期尚有一定差距[14]。因此，我國STEM教育實施標準應從職前、職后不同階段為教師技術與工程素養提升提供引導，以提高教師培養學生技術與工程素養的能力。

2 研制分層、分級的實踐能力標準，推進技術與工程實踐能力培養

《技術與工程素養標準》涉及思維能力、實踐操作等不同類型的能力，且構成了一個有梯度的實踐能力期望體系。為此，我國在推進技術與工程教育實踐能力培養時應注意：①關注學生的技術與工程實踐能力的階段性發展，強調以學生認知發展規律為依據劃分能力標準等級，滿足不同學生的差異化發展需求，避免發生“一把尺子量到底”的現象。②從不同視角分析K-12學生的技術與工程實踐能力及其發展需求，并將其深入落實到具體的教學實踐探索活動中，螺旋式、差異化提高學生的技術與工程實踐能力。③圍繞K-12學生的認識性、工具性和交往性等不同類型的實踐能力，制定促進技術與工程能力多維度發展的培養策略[15]。④以提升學生的實踐能力為目標，超越結果導向的評價取向，開展過程取向的基于證據的、個性化的教學評價[16]，激發學生的學習熱情，切實推進技術與工程實踐能力的培養。

3 構建多元的技術與工程教學環境，有力支撐教學與實踐模式創新

知識的習得和應用離不開特定情境[17]?！都夹g與工程素養標準》提出了八種技術與工程環境，能將散落在STEM領域的知識有機結合，推動學生跨學科實踐能力的發展。我國K-12學校的技術與工程教育也應重視構建多元化的教學環境，以更好地支持技術與工程教學實踐創新。此處的“多元化”有兩層含義：①學習場景多樣化。5G、物聯網等技術支持課堂學習延伸到室外場景，而此類場景蘊含豐富的技術與工程因素，可為學生技術與工程素養的習得提供多樣的學習材料[18]。另外，智能技術促使學生的學習場景逐漸從物理空間轉向虛擬網絡空間（如基于VR技術創建的虛擬現實環境），也為構建多元學習環境開辟了新道路[19]。②學習主題多樣化。技術與工程教育應結合國際熱點話題創設跨學科的、與學生生活相關的學習情境，讓學生在熟悉且更加廣泛的領域探究技術應用和工程設計的過程、原理與價值。但是，學習環境的創設也需要相應的政策對其進行規范和約束。為此，我國還應出臺配套的技術與工程教學環境建構標準，對學習環境中的設備、資源等進行規范，以保障技術與工程教育高質量實施。

4 前瞻智能時代的社會生產需求，推進AI賦能的技術與工程素養培養

在智能社會，AI賦能教育已成為教育工作者共同關注的問題?！都夹g與工程素養標準》強調將人工智能技術作為發展學生技術與工程素養的重要支撐，并通過創設“計算、自動化、人工智能和機器人技術環境”來促進其發展。一般而言，AI既是技術與工程教育必不可缺的學科內容，也是培養技術與工程素養的一種工具。為此，我國在推動技術與工程教育和AI的融合過程中應關注以下兩方面：①將AI融入K-12學校常態化的技術與工程教育，讓學生意識到自動化、智能化是未來技術的發展趨勢，培養其利用AI開展和優化工程設計的能力。②利用AI創設智能化的技術與工程學習環境。一方面，情景化、智能化的學習環境能夠增強學生參與技術與工程實踐的積極性，推動學生與教師、同學、環境的多元交互，促進知識共享[20]；另一方面，AI能夠實時追蹤學生的學習情況，分析其學習數據，實現資源的智能化、個性化推送，支持學生問題解決全過程[21]。但需要注意的是，在推進AI和技術與工程學科的融合應用時，還應關注技術帶來的倫理問題，以共同的價值觀為基礎，強化學生規范使用技術工具的意識和能力。

五 結語

《技術與工程素養標準》不僅為發展美國技術與工程教育、提升全民技術與工程素養提供了一個全新的實踐標準，還真切反映了美國PreK-12教育對系統推進技術與工程教育、培養符合智能社會發展需求的技術與工程人才的愿景。隨著智能時代的到來，我國在推進中小學技術與工程人才培養的過程中亟需結合基本國情和教育發展現狀，關注與研制面向智能社會發展所需的中小學技術與工程素養標準，構建多元化、智能化的技術與工程實踐教學環境，助力我國培養大批具有國際競爭力且能夠勝任智能社會生產要求的技術與工程人才。

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How to Develop K-12 Students’ Technological and Engineering Literacy in the Intelligent Age——Based on the Analysis and Enlightenment of Standards for Technological and Engineering Literacy

ZHAO Ran1ZHENG Xu-dong1,2[Corresponding Author]

In the intelligence era, the new-generation information technologies such as artificial intelligence and virtual reality have put forward new requirements for citizens’ technological and engineering literacy. In 2020,was released to guide and promote technology and engineering education in STEM education in the United States, so as to vigorously cultivate future competitive talents with technological and engineering literacy. In order to explore the question of how to develop K-12 students’ technological and engineering literacy in the intelligence age, this paper firstly reviewed the development process of the standard, then introduced its basic structure in detail which consisted of core discipline standard, technology and engineering practice, and technology and engineering environment, and further analyzed its main value. Finally, this paper analyzed the enlightenment of the standard to the development of Chinese K-12 students’ technological and engineering literacy in the intelligent era, expecting to provide guidance for promoting technology and engineering education in primary and secondary schools.

technological and engineering literacy; STEM; artificial intelligence; K-12 education

G40-057

A

1009—8097（2022）06—0089—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.06.010

本文為2020年度江蘇省社科基金青年項目“區塊鏈技術推進區域教育治理的創新機制與實踐路徑研究”（項目編號：20JYC002）、2021年度江蘇師范大學研究生科研與實踐創新計劃項目“虛擬現實環境對深度學習的影響機制及提升策略研究”（項目編號：2021XKT1368）的階段性研究成果。

趙冉，在讀碩士，研究方向為學習科學與技術，郵箱為zhaoran2026@163.com。

2021年10月27日

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