基于STEM 理念“小中大”融合式科學工程教育研究

摘 要 工程教育是培養國家后備科技人才的核心戰略支柱，已成為教育界密切關注的需求熱點。當前國家已在高等教育階段以工程認證的形式構建工程類專業教育框架，但由于機械化應試教育的短視性，僅在高等教育階段短期實現工程師的培育缺乏合理性。近年，STEM 教育理念在各國逐漸啟用發展，對我國變革傳統教育理念，實現學科融合的工程通識教育具有積極的指導意義。基于STEM 教育理念，開辟適用于全階段學生的科學素養培養道路，實現“小中大”學段的一體化培育，可以為我國工程人才長期戰略發展提供正向價值與啟示。

關鍵詞 工程通識教育;STEM 理念;“小中大”一體化;科學素養;學科融合

隨著社會進步，科技發展對綜合型創新型人才的需求度提升，同時，以ChatGPT 為代表的人工智能取代機械性社會工作已經成為了時代趨勢，社會對于人的創造性要求不斷提高，工程技術人才的培養對于國家戰略發展的重要性日益凸顯。卓越工程人才掌握國家重要工程技術，是將科學技術轉化為現實生產力的戰略人才。2017年，教育部發布《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》，這是我國高校工程專業認證方面的自發性實踐探索，即在高等教育階段通過工程認證的12條標準初步塑造學生的基本工程素養。然而，工程師的培養是長期且穩定的階段性過程，初始化工程能力的培養不能僅起步于高等教育階段，這12項標準必須在“小中大”（小學、中學、大學）逐步貫徹。因此，工程能力的培養需要開辟一條適用于全階段學生的科學素養培育道路。

2023年11月9日，于法國巴黎舉行的聯合國教科文組織第42屆大會通過了在中國上海設立教科文組織國際STEM（科學、技術、工程和數學）教育研究所（UNESCO IISTEM）的決議。各國構建STEM 教育合作平臺培養綜合性創新人才，通過數字教育平臺共享優質教育資源，開展以可持續發展為主題的綠色教育。STEM 是全新的教育理念，它系統化闡釋技術、工程、數學以及科學四門學科之間的交互融合的思想，將藝術、寫作、閱讀以及社會研究等學科進一步擴展鏈接[1]。它應國際教育的系統性變革需求而生，針對未來科學與工程教育，教育組織需要破除長期性的學術板塊分割，促進基于科學、技術、工程實踐、數學的跨學科融合。雖然STEM 教育的實用性與前瞻性在我國逐漸凸顯，但目前的STEM 教育仍滯留在探索階段。愛爾蘭是早期開發STEM 教育的國家之一，當地政府為學者提供STEM 教育體驗，統籌全學段的教學過程，實現 STEM 教育的連續性和可持續性[2]。區別于分科教育，STEM 教育是跨學段界限的統整式、連貫式的新科學教育模式。它引導學生思考生活現象，培養其綜合分析和解決問題的能力，注重學習者在實際應用中的理解與遷移[3]，從而實現縱向上螺旋上升式的學科遞進，橫向上環節交織式的學科融合。筆者貫徹STEM 教育理念，在“小中大”階段應用縱向的螺旋遞進式培養、實現橫向的學科交互式融合，基于學生成長規律，協同推進“小中大”階段式工程能力的培養。表1為“小中大”階段培養意義：

1 小學階段：塑造科學興趣認知，啟蒙工程思想意識

小學是工程能力培養的初級階段，其培養核心在于思想啟蒙。近年來由于科學教育發展遲緩，初級階段的學生缺乏必要的科學素養，思維能力薄弱，尚未構建知識體系。且相較于高等教育，初級與中級階段的教育工作者缺乏培養學生工程能力的意識。基于我國初級階段教育現狀，將STEM 教育理念應用于小學階段教育對我國人才培養戰略含有難以預估的積極意義。小學階段的培養體系可精細劃分為興趣培養模塊、認知塑造模塊和課程銜接模塊。

1.1 興趣培養

隨著時代發展，全社會教育需求性也呈現持續性增長的趨勢，而傳統教育注重單科知識的機械傳授和技能培訓，學科關聯性薄弱。STEM 教育注重在真實情景下，使學生自主運用多學科知識和技能解決實際生活問題，具有較強的學科關聯性。相較于輸入式學習的傳統教育，輸出式學習的STEM 教育更能發揮學生主體作用，主動應用理論知識積極解決問題，而不是被動地接受知識。學生要樹立“生活即是學習”的思想，從個人對生活現象的主動思考，到小組之間的溝通與協作正是學生主動探究實際生活問題的過程，也是科學興趣培養的教育過程，這同時對應工程教育中“溝通”能力的培養。

1.2 認知塑造

小學階段普遍的輸入式學習導致學生積極性不足，學習效率降低，缺乏理性思考的能力，知識體系構建緩慢。因此，小學階段的認知塑造離不開具體事物的支撐。通過模擬真實情景，聯系實際生活，幫助學生知識內化，聯系抽象知識與具體問題，直觀感受解決問題所需求的知識技能，加深學生與現實生活之間的聯系，促進知識體系的構建，通過“學以致用”的方式發展先進思維能力，從而深化認知塑造過程。

1.3 課程銜接

小學階段學生科學素養欠缺，生硬抽象的原理概念容易導致初級階段學生出現知識斷層現象。同樣，基于雙減政策，功利化、填鴨式的教育模式并不適用于初級階段科學素養的提升。基于STEM 教育理念，可以通過生活科學實踐環節進行課程的銜接，如表2所示。例如“摸不到的魚”：由圖1所示，通過觀察水中物體曲折現象，了解光的折射規律，銜接中學物理等物質學科，為中學階段借助基礎物理儀器進行原理研究鋪墊。

2 中學階段：推進理論具象融合，精進實踐能力培養

隨著國家對STEM 教育的重視與引進，STEM 教育主題文獻數量逐步上升，對其中文獻第一作者所屬研究機構進行初步統計，源自高校、教研部門、中學的文獻比例分別為29.33%、4.55%、67.12%[4]。這表明中級階段教育逐漸占據 STEM 教育的主體地位，同時在工程能力培養流程中起著承上啟下的砥柱作用。

中學階段工程能力的培養，其核心是提升學生自主融合知識技能與實際工程問題的能力。在此階段要以實現 STEM 教育的連續性和可持續發展性為本，符合學生成長的規律，避免斷層式、分離式的STEM 教育。經過小學階段的啟發式培養，中學生已經具備信息搜集、數據分析、自主學習的特質，具有解決簡單工程問題的能力。因此，不同于重在啟蒙教育的小學階段，中學階段的人才培養要更加具象化、綜合化、體系化。

2.1 聯系工程實際問題，優化多元課程體系

中學階段的STEM 教育是初級階段STEM教育體系的發展和延伸，其目的是培養中學生的科技創新思維，提升其對所學知識的應用能力，為大學階段的STEM 教育指引方向，為工程師的培育奠定基礎。

中學階段STEM 課程體系的建立需要聯系小學啟蒙階段，設計課程教材時要充分考慮到學習階段之間的關聯度，同時根據時代發展更新教材中的工程案例，讓學生深刻理解課堂的知識源于時代生活。因此教育工作者要建設更加多元化的課程體系，而教學書籍作為其課程體系的具體表現形式之一，是理論教學的核心載體，因此如何設置“工程師化”的教材內容是一個值得關注的問題。表3列舉了部分中學物理課程與科學領域的銜接。

2.2 完善工程能力標準，提升實驗教學應用水平

通過系統研究中國工程教育專業認證通用12條標準，工程師要能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括實驗設計、分析數據、并通過信息綜合處理得到合理有效的結論。STEM 教育理念希望全階段的學生發掘理解力與創造力，在面對生活中的具體問題時，通過實踐去得到答案，因此，學生能力的提升比獲取知識本身更加重要。而僅在大學階段起步進行實驗素質的提升，中學階段只重視理論思維能力和知識運用能力的培養，難免會出現科學教育與工程教育上的階段性斷層。教育工作者要在中學階段初步組建實驗體系，將STEM 教育理念與實驗實踐相結合，以此全面搭建高質量教育銜接框架。

科學實驗板塊仍屬于科學教育的范疇，其與STEM 教育之間的交集點是培養學生的發散性思維與實際動手解決科學問題的能力。針對工程問題的科學實驗活動是將二者緊密結合的最優方式。必須以實驗活動為根本立足點，通過實踐的形式，將教育內容與STEM 教育理念結合。相比于讓學生直接吸收公式、定理等基礎知識，在遇到涉及到物理、化學等學科規律的實際工程問題時，教育工作者應更注重培養學生運用知識解決問題的能力。例如物理學科擁有復雜的知識結構和龐大的知識體系，要實現STEM 理念在中學物理中的應用，需要以實際工程問題為起點，引導學生進行工程設計、實驗操作、數學運算并對物理問題進行解析，從而建立學科思想的高質量聯系[4]。區別于小學階段以激發好奇心與創造力為根本目標的啟發式實驗活動，中學階段的實驗設計應嚴謹細致，實驗步驟的設置也需要完善，但卻并不如大學階段深入，是一個實驗體系初步嚴格化的階段。在激發學生求知欲望的同時，對數學，信息等基礎工具學科類的應用也將更加熟練。中學物理實驗主要分為兩種，前者是偏重于測量與證明性質的驗證性基礎實驗，如力學中驗證動量守恒定律與機械能守恒定律，電學中改裝歐姆表并測量電阻，光學中小孔成像的觀測與折射率的測量等。第二種是偏重應用性質的設計性進階實驗，利用所學物理知識制作簡易氣壓計和密度計，水火箭的制作，孔明燈的制作等[4]。STEM 研究工作者AnneJolly將美國青少年的工程設計問題具體劃分為8個步驟[5]：定義問題、背景研究、想象、計劃、創造、測試與評估、重新設計、交流，如圖2所示。

根據工程能力認證的標準，筆者設計了“小中大”一體化基礎實驗活動的一般流程，如圖3所示。

3 大學階段：聚焦前沿科技核心，嵌入工程項目設計

目前，工程認證體系在高等教育階段已相對完善，但尚有發展空間。而STEM 教育下的大學生已經掌握基礎工程知識，但難以將前沿科技應用與理論知識結合以解決復雜的實際工程問題。相較于小學階段與中學階段，大學階段的教育普遍出現教師課堂泛讀書本，學生接收信息有限或未接收信息的問題。而這些問題往往源于教學內容晦澀難懂、學生學習能動性變低，教師教學材料冗雜過舊。其后果便是大學的學習轉變為“老師象征性教學，學生突擊型復習”的無用功模式。在這種長期無用功模式的負面影響下，大學階段的培養將難以達到培養工程師的標準。因此在高等教育階段需要實現工程能力培養的通識化、數智化、高效化。

3.1 深化課堂教學，涵蓋時代創新

知識的性質之一便是時間迭代性。無論是從地心說到日心說的跨越，還是比薩斜塔的實驗，都反映出理論知識的更替。隨著時代的發展，眾多學科的理論與內涵也在不斷更迭。因此在教學活動中，教育工作者要應用STEM 教育理念，融合時代前沿工程問題，并將其融入課程之中，以此確保知識“新鮮度”。在具體課堂教學時，教師可結合近年與授課內容相關的高質量期刊文獻，甚至將近年來的科研獎項獲得者與其貢獻融入到測驗與作業之中[6]，讓學生們感受到，那些定理與公式并不是枯燥乏味的，而是和世界與時代息息相關的，以此激發學生的學習能動性。另一方面，面對較為抽象的專業理論，例如激光的產生過程，可以以動態模型的形式促進學生的理解，激發科研熱情。

3.2 統整實驗技能，開展項目研究

中學階段已經進行基礎實驗步驟體系的初步完善，而大學階段需要統整更精密嚴謹的基礎實驗操作步驟去應用專業知識，這是科學素養的提升應用，更是工程能力的培養需求。在基礎實驗能力的培養方面，筆者以具體的科學實驗項目作為實例，以此表現工程師培養在三個階段循序漸進的過程。運用“小中大”一體化實驗步驟，在小學階段從生活現象出發，進行簡單科學實驗現象的觀察，初步塑造工程意識;中學階段以小學階段實踐活動為基礎進階，初步設計了系統的實驗步驟與實驗方法，樹立嚴謹求真的科學態度，為大學階段的課題項目式培養打下基礎;大學階段是中學階段實驗的進一步深入，由表及里，層層遞進，在現象與結果中進行精密理論的研究、實際工程的應用。如圖4 三棱鏡“小中大”科學工程進階過程;圖5以小孔成像現象的觀察作為實例，展示在STEM 理念下小學、中學、大學遞進式培養基礎實驗能力的基本步驟。圖6為大學階段弗朗禾費圓孔衍射觀察圖。在基于STEM 教育理念的小學、中學、大學學習融合的過程中，學生的團隊合作與溝通能力會得到提升，科學與價值觀念也會基本建立，逐步達到工程師的標準。

同時，大學階段學生培養不應只停滯于基礎實驗能力的提升，而更應傾向于項目式工程設計，這也是接觸復雜工程問題的直接途徑。

項目式工程設計是項目式學習的形式，是以學生為中心的實踐性教學模式，是知識、能力、素質的有機融合，有助于培養學生解決復雜問題的綜合能力，形成批判性思維。項目式學習通常與專業課程理論相結合，是STEM 多學科疊加融合的體現。如光學設計，學生普遍了解光的傳播特性，具有光學器件、工程光學與波動光學的離散型知識框架，但缺乏系統的拓撲型認知結構。在STEM 理念下，大學光學的項目式設計將理論知識用于實際工程問題，實現光學器件等學科的融合，凸顯“教、學、做”一體化進程。筆者將項目式工程設計理念概括為“三性”，即專業生產性、工程實踐性、創新開放性。

專業生產性：結合理論課程，提取符合實際工程生產的內容，使課程學習內容和環境與實際工作對應。

工程實踐性：以設計、仿真、制作、調試為基本流程，融合實習性質的學習模式，使學生依據先進的工作流程，完整地完成一個實際工程產品的開發與制作。

創新開放性：讓知識走出課本，發揮學生“向學性”，自主開發新的工程項目。

項目正式設計前，需要教師在課程中以工程應用為導向，布置工程設計任務，提供設計材料。學生針對課題進行需求分析與方案制定，運用仿真軟件初步設計調試，體現專業生產性。

在項目實驗過程，學生講解項目的設計思路和仿真效果，并通過自主實物制作去解決實際工程問題，取得階段性成果后開展小組討論進行優化設計，體現工程實踐性。

評價階段，突出學生成果講解展示，教師運用OBE評價理念，以“設計報告（50%）+創新開放意識（30%）+實物講解展示（20%）”的標準，采用形成性評價和創新性評價相結合方式考核，體現創新開放性。如圖7為基于鏡面反射的激光拾音技術工程設計原理圖。

筆者認為，項目式工程設計是工程教育的階段性總結，同時形成科學教育的閉環。而STEM教育理念本質上是對科學教育的實踐性研究，要以科學教育完善工程教育，以工程教育為導向促進科學教育，或者說，科學教育是工程教育的原理性環節，工程教育是科學教育的實用性環節。

作為工程教育的結點，項目式工程設計中，學習者自由構建生活情境、自發思考實際問題、自驅探索解決方法、自主運用所學科學知識，真正聯系理論與實際進行應用。國家倡導的科學教育具有啟發性與融合性，項目式工程設計是對多學科的最終型綜合性應用。真正的項目式學習是在工程教育與科學教育之間構建內在聯系的學習，工程教育的實質是工程能力的培養，而科學教育的意義是科學素養的提升，植根于生活的科學性教學（如中學科學實驗、小學科學課程）必然形成工程能力培養的基礎。而項目式學習聚焦實際問題，綜匯學科領域，以創造新事物、新作品的方式，高效完善科學教育中多學科橋梁的筑建，豐富科學教育的內涵，是對工程能力的考核，更是對科學知識的應用、科學素養的檢驗。通過項目式學習，教育工作者進一步培養并檢驗學生的工程素養，總結完善工程教育，解決書籍資料與生活情景割裂的問題，使學生在設計應用中統整科學工程體系，自主開拓知識廣度，發掘知識深度，對自身構建的科學理論產生更深層次的理解與總結，最終發展科技核心素養，促進科學教育，形成閉環。

4 結語

無論是理論教育還是實際應用，工程教育培養過程在“小中大”三個階段是緊密相連的。工程教育的宗旨是培養工程技術人才，而工程人才培養的核心是實際工程思維培養，工程人才的思維方式是“問以致學、學以致用、用以致問”的閉環方式。工程師的培養絕不僅起步于高等教育，教育工作者應變革以應試為取向的教育機制，同時運用STEM 教育理念進行“小中大”階段的縱向系統式工程能力培養（小學階段重在思想啟蒙，中學階段重在塑造提升，大學階段重在研究應用），依據各學段學生特性實現不同程度的橫向融合式科技素養提升。在顯性能力，如工程知識、問題分析能力的培養過程中，職業規范等隱性能力也會逐漸顯現。對于工程師，終身學習是一種習慣，必須將工程基本能力素養與STEM 科學教育理念交織貫徹始終，以此推動我國全階段科學工程教育事業的高質量發展。

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