透視美國K-12工程教育體系：經(jīng)驗與特色

鞏曉陽 江波 郭曉麗

工程教育是促進教育、科技和人才高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。2023年5月，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)了《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》，提出中小學應統(tǒng)籌規(guī)劃科學教育與工程教育，在活動設計中體現(xiàn)實踐性和綜合性。《義務教育科學課程標準（2022年版）》也列出了技術(shù)與工程領域的學科核心概念。美國在K-12階段的工程教育實踐中積累了豐富的經(jīng)驗，在課程建設、教學與評價、支持保障等方面形成了較為成熟的模式，或可為我國基礎教育階段開展工程教育提供有益參考。

美國K-12工程教育的理論與實踐經(jīng)驗

工程教育的課程設計

工程教育本身具有較強的實踐性和綜合性，因此目前美國K-12工程類課程在課程目標、課程內(nèi)容和教學策略等方面表現(xiàn)出了較大的差異。以“設計未來的新澤西”（Engineering Our Future New Jersey）項目為例，它是由斯蒂文斯理工學院的科學與工程教育創(chuàng)新中心聯(lián)合波士頓科學博物館共同發(fā)起的，旨在開發(fā)一系列適合新澤西州K-12不同學段學生的工程教育課程：小學階段以水和風為主題，課程內(nèi)容涵蓋環(huán)境工程和機械工程等；初中階段以玩具設計挑戰(zhàn)活動為載體，課程內(nèi)容涵蓋力學和運動學等領域的知識；高中階段以流體、熱力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等為主題單元，學生在輪船和變速風扇的設計活動中學習相關領域的專業(yè)知識。實踐結(jié)果表明，專門的工程教育課程能夠促進學生對相關概念和知識的理解，提高學生學習的自我效能。

來自美國威斯康星大學的韋爾蒂教授在收集整理了大量工程課程案例的基礎上，深度分析總結(jié)了其中蘊含的關鍵特征，最終提出了針對K-12階段工程教育課程的“珠線模型”（如上圖所示）。其中，“珠”代表工程類課程所涵蓋的內(nèi)容主題，比如磁懸浮列車、數(shù)碼設備以及各類手工制作活動等。穿過珠子的“線”代表工程類課程所蘊含的學科核心概念和過程性技能。其中，“科學”“數(shù)學”和“技術(shù)”三條線代表了工程教育涉及的學科領域，它們之間有著緊密聯(lián)系。首先，學生需要在工程設計過程中收集、分析、解釋和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。其次，工程設計類問題常常與科學學科內(nèi)容如力、電、能源、材料等息息相關，學生也需要用科學的方法進行探究，比如在實驗設計過程中控制變量并根據(jù)實驗結(jié)果作出決策。最后，信息技術(shù)是工程類課程不可或缺的組成部分，例如學生可以利用可視化技術(shù)工具進行數(shù)據(jù)的分析和呈現(xiàn)，也可以在描述、解釋和討論如何運用信息技術(shù)的過程中學習相關的工程概念和知識。除了以上三條內(nèi)容線，最后一條“設計”線，主要強調(diào)工程教育的動手實踐。工程設計具有明確的目標導向性和重復迭代性，其操作過程涉及諸多內(nèi)容，如定義工程問題、識別潛在的限制、設計不同方案、分析評價方案的可行性、權(quán)衡利弊選擇最優(yōu)方案等，其中滲透了豐富多樣的實踐活動。

工程教育的教學評價

工程教育的課程設計與教學評價相輔相成。因為工程教育具有跨學科屬性，其相關的實踐評價無法與科學學科和技術(shù)學科割裂開來。實際上，美國K-12階段的工程教育和相關評價常常滲透融合在其他學科中。以科學學科為例，美國國家研究委員會（NRC）發(fā)布的《K-12科學教育框架》（A Framework for K-12 Science Education）列出了八項具體的科學工程實踐內(nèi)容，分別為提出科學問題或定義工程問題、設計和使用模型、計劃和實施調(diào)查、分析解釋數(shù)據(jù)、運用數(shù)學和計算思維、解釋和設計解決方案、基于證據(jù)闡明觀點并論證、獲取評價和交流信息。基于以上準則，相關文件詳細列出了幼兒園—2年級、3—5年級、6—8年級、9—12年級四個學段的科學工程類學習的具體學業(yè)要求，為美國K-12工程教育的實踐評價提供了政策理論依據(jù)。

2018年，美國國家教育進展評估（NAEP）委員會提出了技術(shù)與工程素養(yǎng)評價框架，包含評價領域、實踐和情境三部分。評價領域包括“技術(shù)與社會”“設計與系統(tǒng)”“信息與通信技術(shù)”三方面，分別與“理解技術(shù)原理”“設計方案并實現(xiàn)目標”“交流與合作”三項實踐活動相對應，情境則包含“社會議題”“設計問題”“學校和社區(qū)目標”三類。以“設計與系統(tǒng)”這一與工程教育密切相關的評價為例，其包含了技術(shù)的本質(zhì)、工程設計、系統(tǒng)思維、維護和故障診斷四個子項，并詳細闡述了各項的關鍵評價指標，比如工程設計的關鍵評價指標包括：工程設計具有系統(tǒng)性、創(chuàng)造性和迭代性；設計過程包含發(fā)現(xiàn)和描述問題、形成初步想法并進行評估、選擇最優(yōu)方案、構(gòu)建測試模型、優(yōu)化設計、結(jié)果展示交流等環(huán)節(jié)；評估方案時綜合考量設計的便捷性、安全性、美觀性等。

除此之外，美國技術(shù)與工程教師教育協(xié)會（CTETE）和美國國際技術(shù)與工程教育協(xié)會（ITEEA）聯(lián)合發(fā)布的《技術(shù)與工程素養(yǎng)標準：STEM 教育中技術(shù)與工程的作用》強調(diào)要在跨學科教學中培養(yǎng)學生的技術(shù)與工程素養(yǎng)。文件從標準、實踐和情境三個維度闡述了技術(shù)工程素養(yǎng)的內(nèi)涵。標準部分包括技術(shù)與工程的本質(zhì)和特點，技術(shù)與工程的核心概念，知識、技術(shù)和實踐的整合，社會對技術(shù)發(fā)展的影響，技術(shù)史，技術(shù)與工程教育中的設計，技術(shù)產(chǎn)品及系統(tǒng)的應用、維護與評價等。實踐部分包括系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、批判性思維、樂觀的態(tài)度、合作、溝通、倫理關注等。情境部分包括自動化、人工智能和機器人、材料轉(zhuǎn)換與加工、運輸和物流、能源與動力、信息與通訊、醫(yī)療與健康技術(shù)、農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)等。該文件同樣也詳細列出了各學段的具體學業(yè)表現(xiàn)要求。

以上兩個文件具有一定的相似性，三個維度中，情境是技術(shù)工程素養(yǎng)評價的載體，評價領域/標準和實踐是評價的內(nèi)容與對象。

美國K-12工程教育特色

凸顯工程課程的跨學科性和進階性。理論層面上，美國發(fā)布的一系列文件將工程教育與科學教育、技術(shù)教育緊密聯(lián)系起來，將科學工程實踐和技術(shù)工程素養(yǎng)納入學生的學業(yè)成就評價體系。實踐層面上，各地開展的工程教育課程呈現(xiàn)出明顯的跨學科特征，不同學段的不同主題和任務設計也體現(xiàn)了知識與技能的進階性。

注重學生的高階思維培養(yǎng)。美國科學工程實踐和技術(shù)工程素養(yǎng)標準都強調(diào)要培養(yǎng)學生的計算思維和系統(tǒng)思維等。因此，K-12階段的工程教育除了關注學生的基礎知識概念學習外，還非常重視學生高階思維的培養(yǎng)。以“應急燈的設計和制作”主題任務為例，學生既要從產(chǎn)品出發(fā)，全局考慮應急燈的組成要素，又要從現(xiàn)實需要和國家標準的相關規(guī)定出發(fā)，權(quán)衡電池型號、燈泡的規(guī)格數(shù)量等參數(shù)。同時，還需從美學角度創(chuàng)造性地設計燈罩的外觀和形狀，并從使用效果、經(jīng)濟成本和安全環(huán)保等角度辯證思考不同設計方案的優(yōu)劣，后期應急燈出現(xiàn)故障時，要對其進行診斷和維修。

發(fā)揮校外科普場所在工程教育中的環(huán)境優(yōu)勢。美國K-12工程教育的開展常有社會多維力量的參與。施萬（Schwan）等學者認為，科技館和博物館等校外科普場所的環(huán)境優(yōu)勢體現(xiàn)在目標受眾群體的多樣性、信息呈現(xiàn)方式的多元性和物理空間環(huán)境的獨特性。比如，校外科普場所可以利用多媒體、虛擬現(xiàn)實、體感互動、AI創(chuàng)作等技術(shù)，以展覽、表演、體驗、探究等多種形式有效激發(fā)青少年STEM學習的好奇心和想象力。因此，美國中小學常與校外科普場所深度合作，通過課內(nèi)外豐富的實踐活動為學生創(chuàng)造更多跨學科學習的機會，構(gòu)建校內(nèi)外協(xié)同的教育學習體系。在此過程中，校外科普場所也為教師的專業(yè)發(fā)展和培訓提供了豐富的資源。

【本文系2023年全國教育科學規(guī)劃教育部青年課題“跨學科背景下義務教育階段學生系統(tǒng)思維評價研究”（項目編號：EHA230487）階段性成果】