重视中小学工程学教育 促进核心技术能力掌控
文章来源：科普所 作者: 李秀菊 高宏斌 等 发布时间：2019-01-21 11:38
一、工程学和工程学教育
工程学是通过研究与应用数学、自然科学、社会学等基础学科的知识，来改良现有设计和应用方式的一门学科。美国国家工程院在《基础教育阶段工程学教育标准》中指出，工程学是“为满足人们的需求而进行的系统设计”。科学的根本目的在于认识世界，技术则是改造世界，而工程学则是要满足人们的需求、增进人类福祉。小到生活日用品、大到重大社会问题都有赖于工程学加以解决。工程学在人类社会发展中占有重要的地位，比如飞速发展的生物工程、航空工程、材料工程、环境工程等对人类社会发展已经产生了广泛而深远的影响。在科技产品爆炸式产出和发展的今天，与科学技术素养一样，工程学素养已经成为现代合格公民的必备素养。尽管不同工程分支研究内容和方法有明显的差异，但是围绕工程设计开展系统性实践的方式却是相似的。因此，开展青少年工程学教育首先要考虑把工程设计作为核心内容纳入进来，进行系统地学习。工程学教育是公民素养发展体系的重要组成部分。工程学教育不能只是局限于高等院校和职业学校，也需要在中小学教育阶段系统地开展。
二、工程学教育的价值和意义
一是工程学教育能够发展人的工程学素养。现代社会人们越来越多地生活在人造世界之中，周边充满了人造产品，理解基本的工程学概念、掌握基本的工程学设计技能已经成为现代人的必备素养之一，工程学素养是人们应用工程学设计满足个人需求和进行生活决策的必备素养。我国现在面临的许多重大问题的解决都有赖于人们对科学和工程学的理解，比如环境、能源、医疗、疾病防控等问题，都需要基于对科学、工程学的理解才能给出更合理的社会、政治和经济学的解决方案。发展和提高公民工程学素养将有助于公民参与个人和社会事务的决策。
二是工程学设计是创新能力和跨学科能力发展的良好载体。工程学设计的核心思想包括三个部分：（1）界定工程学问题。明确要解决的问题、成功的标准和限制条件；（2）设计工程学问题的解决方案。首先是产生许多不同的、可能的解决方案，然后评估潜在的解决方案，以查看哪些方案最符合问题的标准和约束；（3）优化设计解决方案涉及的相关过程，系统地对解决方案进行测试和改进，最后通过相关重要特性权衡和取舍来优化和改进。这三个部分并不是按照顺序进行，在任何阶段，问题解决者都可以重新定义问题，或者产生新的解决方案来替代原有的方案。工程学作为一门实践性学科具有很强的应用性，在设计产品或问题解决方案时需要运用多个学科的知识和方法。因此，工程学教育活动可以承载学科融合性教育、创造力的培养、社会责任的发展等教育目标。有研究表明，整合多个学科的工程项目学习有助于提高学生“活学活用”的能力和科学学习的兴趣。
三是工程学实践有利于学生对核心概念的深度学习。工程学实践可以为学生在真实情境中应用概念提供机会，学生容易看到不同设计方案的产品或成效，理解现实生活复杂问题背后的科学、技术、工程学原理，因此它也是学生掌握学科核心概念和跨学科概念的良好途径，有利于学生学以致用和对核心概念的深度学习。
四是大力发展工程学教育符合新时代经济发展对人才的需求。在我们强调“双创”、大力实施“中国制造 2025”的今天，工程学教育不应局限于传统的职业教育，而是应该进一步纳入基础教育和科普教育体系当中，作为公民素养发展体系的一部分在实现国家战略中发挥重要作用。随着经济的飞速发展和科学技术的进步，创新、创业人才以及普通公民都需要一定的工程学素养作为发展的基础，因此，在中小学阶段开展工程学教育需要尽早提上日程。
三、中小学阶段开展工程学教育的重要意义
首先在中小学阶段学习工程学，可以帮助学生提高工程学素养，进而理解科学和工程学是如何帮助解决当今社会面临的重大问题和挑战的，例如能源、疾病防治、全球环境变化问题等。此外，也能为学生工程学素养的发展奠定基础，使他们能够更好地参与解决未来几十年将面临的重大社会和环境挑战。工程学融入科学教育还可以让传统科学课堂中被边缘化的学生得到重新融入课堂的机会。传统科学课堂的学习内容往往抽象而远离生活，工程学设计的融入，可以更多地让他们从解决身边的实际问题出发，提高学习兴趣和学习动机，促进其深度学习。
四、中小学阶段开展工程学教育的进展
越来越多的国家开始重视中小学阶段的工程学教育。以美国为例，其新一轮科学课程改革明确把工程学纳入中小学教育阶段当中。其发布的两个重要的指导性文件《K-12 科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概念》（后文简称《框架》）和《下一代科学教育标准》都清晰地体现了这一意图。其中《框架》把学生的发展划分为 3 个基本维度：（1）科学与工程学实践；（2）跨学科概念；（3）学科核心概念。美国《下一代科学教育标准》同样继承这 3 个维度，并且还增加了“工程学、技术和科学应用”，主要包含“工程学设计”和“工程学、技术、科学、社会的联系”两个内容，体现出将工程学进一步融入科学教育的意图。由此可见，美国高度重视工程学，而且已经尝试把工程学整合于中小学教育当中。
我国 2017 年发布的《小学科学课程标准》已经明确将工程部分纳入其中。其中包括物质科学、生命科学、地球和宇宙科学、技术与工程四个领域，目的在于更加综合地呈现科学知识和科学方法，强调四个领域之间的相互渗透和联系，凸显自然世界的整体性。
工程学虽然被纳入小学科学等课程标准之中，但是由于重视不够和起步较晚，在中小学阶段的工程学教育仍然缺乏系统性，针对工程学知识和实践的科普教育也相对薄弱，成熟的工程学素养评价体系和方法还没有形成。因此，工程学素养的培养方法、测评方法以及相关标准的研制亟需尽快加以开展和推进。
五、工程学教育的推进策略
工程设计是工程学教育的重要内容。美国特别强调了对工程设计开展工程学教育，这里的工程设计是所有公民都应该学习通用的工程设计过程。比如，学生要能通过明确标准、限制和可接受的方案来定义问题、达成期望；产生和评价多种解决方案；制造和检测原型；优化解决方案。这些工程学实践还是首次被明确地纳入科学教育标准之中。
基于项目的学习是工程学设计教育的良好途径。由于工程学往往以产品或者问题解决方案设计为导向，基于项目的学习能够让学习者在真实问题情境下调用多学科的知识社会资源，解决真实存在的问题，有利于学生工程学设计素养的发展。
中小学开展工程学设计教育需要系统地推进。首先，需要研制从小学到高中连贯一致的工程素养发展的内容标准；其次，在开展工程学教育的过程中，需要通过校内教育和校外教育的有机整合推进工程学素养的发展；此外，还需要构建工程学素养评价的体系和评价方法进而引导工程学教育的健康发展。
中国制造要向高端产品迈进，我们所缺乏的不是原材料和劳动力，我们缺乏的是优秀的设计师、工程师。工程学教育需要把工程设计整合在课程体系之中，它不是科学和技术的简单应用，也不是手工课，而是在特定限制条件下通过系统测试来寻求问题最佳解决方案的学问。在我国中小学教育阶段，将工程设计纳入课程能够让所有的学生都有机会获得工程设计实践经验和重要概念。工程学教育的方式可以是在课程体系中增设工程类课程，也可以将工程学教育系统地整合在中小学已有课程当中。在中小学阶段推进工程学教育有利于发展学生的工程学素养，为国家和个人适应新时代的挑战做好准备，为国家掌控核心技术打好扎实的民众基础。
工程学是通过研究与应用数学、自然科学、社会学等基础学科的知识，来改良现有设计和应用方式的一门学科。美国国家工程院在《基础教育阶段工程学教育标准》中指出，工程学是“为满足人们的需求而进行的系统设计”。科学的根本目的在于认识世界，技术则是改造世界，而工程学则是要满足人们的需求、增进人类福祉。小到生活日用品、大到重大社会问题都有赖于工程学加以解决。工程学在人类社会发展中占有重要的地位，比如飞速发展的生物工程、航空工程、材料工程、环境工程等对人类社会发展已经产生了广泛而深远的影响。在科技产品爆炸式产出和发展的今天，与科学技术素养一样，工程学素养已经成为现代合格公民的必备素养。尽管不同工程分支研究内容和方法有明显的差异，但是围绕工程设计开展系统性实践的方式却是相似的。因此，开展青少年工程学教育首先要考虑把工程设计作为核心内容纳入进来，进行系统地学习。工程学教育是公民素养发展体系的重要组成部分。工程学教育不能只是局限于高等院校和职业学校，也需要在中小学教育阶段系统地开展。
二、工程学教育的价值和意义
一是工程学教育能够发展人的工程学素养。现代社会人们越来越多地生活在人造世界之中，周边充满了人造产品，理解基本的工程学概念、掌握基本的工程学设计技能已经成为现代人的必备素养之一，工程学素养是人们应用工程学设计满足个人需求和进行生活决策的必备素养。我国现在面临的许多重大问题的解决都有赖于人们对科学和工程学的理解，比如环境、能源、医疗、疾病防控等问题，都需要基于对科学、工程学的理解才能给出更合理的社会、政治和经济学的解决方案。发展和提高公民工程学素养将有助于公民参与个人和社会事务的决策。
二是工程学设计是创新能力和跨学科能力发展的良好载体。工程学设计的核心思想包括三个部分：（1）界定工程学问题。明确要解决的问题、成功的标准和限制条件；（2）设计工程学问题的解决方案。首先是产生许多不同的、可能的解决方案，然后评估潜在的解决方案，以查看哪些方案最符合问题的标准和约束；（3）优化设计解决方案涉及的相关过程，系统地对解决方案进行测试和改进，最后通过相关重要特性权衡和取舍来优化和改进。这三个部分并不是按照顺序进行，在任何阶段，问题解决者都可以重新定义问题，或者产生新的解决方案来替代原有的方案。工程学作为一门实践性学科具有很强的应用性，在设计产品或问题解决方案时需要运用多个学科的知识和方法。因此，工程学教育活动可以承载学科融合性教育、创造力的培养、社会责任的发展等教育目标。有研究表明，整合多个学科的工程项目学习有助于提高学生“活学活用”的能力和科学学习的兴趣。
三是工程学实践有利于学生对核心概念的深度学习。工程学实践可以为学生在真实情境中应用概念提供机会，学生容易看到不同设计方案的产品或成效，理解现实生活复杂问题背后的科学、技术、工程学原理，因此它也是学生掌握学科核心概念和跨学科概念的良好途径，有利于学生学以致用和对核心概念的深度学习。
四是大力发展工程学教育符合新时代经济发展对人才的需求。在我们强调“双创”、大力实施“中国制造 2025”的今天，工程学教育不应局限于传统的职业教育，而是应该进一步纳入基础教育和科普教育体系当中，作为公民素养发展体系的一部分在实现国家战略中发挥重要作用。随着经济的飞速发展和科学技术的进步，创新、创业人才以及普通公民都需要一定的工程学素养作为发展的基础，因此，在中小学阶段开展工程学教育需要尽早提上日程。
三、中小学阶段开展工程学教育的重要意义
首先在中小学阶段学习工程学，可以帮助学生提高工程学素养，进而理解科学和工程学是如何帮助解决当今社会面临的重大问题和挑战的，例如能源、疾病防治、全球环境变化问题等。此外，也能为学生工程学素养的发展奠定基础，使他们能够更好地参与解决未来几十年将面临的重大社会和环境挑战。工程学融入科学教育还可以让传统科学课堂中被边缘化的学生得到重新融入课堂的机会。传统科学课堂的学习内容往往抽象而远离生活，工程学设计的融入，可以更多地让他们从解决身边的实际问题出发，提高学习兴趣和学习动机，促进其深度学习。
四、中小学阶段开展工程学教育的进展
越来越多的国家开始重视中小学阶段的工程学教育。以美国为例，其新一轮科学课程改革明确把工程学纳入中小学教育阶段当中。其发布的两个重要的指导性文件《K-12 科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概念》（后文简称《框架》）和《下一代科学教育标准》都清晰地体现了这一意图。其中《框架》把学生的发展划分为 3 个基本维度：（1）科学与工程学实践；（2）跨学科概念；（3）学科核心概念。美国《下一代科学教育标准》同样继承这 3 个维度，并且还增加了“工程学、技术和科学应用”，主要包含“工程学设计”和“工程学、技术、科学、社会的联系”两个内容，体现出将工程学进一步融入科学教育的意图。由此可见，美国高度重视工程学，而且已经尝试把工程学整合于中小学教育当中。
我国 2017 年发布的《小学科学课程标准》已经明确将工程部分纳入其中。其中包括物质科学、生命科学、地球和宇宙科学、技术与工程四个领域，目的在于更加综合地呈现科学知识和科学方法，强调四个领域之间的相互渗透和联系，凸显自然世界的整体性。
工程学虽然被纳入小学科学等课程标准之中，但是由于重视不够和起步较晚，在中小学阶段的工程学教育仍然缺乏系统性，针对工程学知识和实践的科普教育也相对薄弱，成熟的工程学素养评价体系和方法还没有形成。因此，工程学素养的培养方法、测评方法以及相关标准的研制亟需尽快加以开展和推进。
五、工程学教育的推进策略
工程设计是工程学教育的重要内容。美国特别强调了对工程设计开展工程学教育，这里的工程设计是所有公民都应该学习通用的工程设计过程。比如，学生要能通过明确标准、限制和可接受的方案来定义问题、达成期望；产生和评价多种解决方案；制造和检测原型；优化解决方案。这些工程学实践还是首次被明确地纳入科学教育标准之中。
基于项目的学习是工程学设计教育的良好途径。由于工程学往往以产品或者问题解决方案设计为导向，基于项目的学习能够让学习者在真实问题情境下调用多学科的知识社会资源，解决真实存在的问题，有利于学生工程学设计素养的发展。
中小学开展工程学设计教育需要系统地推进。首先，需要研制从小学到高中连贯一致的工程素养发展的内容标准；其次，在开展工程学教育的过程中，需要通过校内教育和校外教育的有机整合推进工程学素养的发展；此外，还需要构建工程学素养评价的体系和评价方法进而引导工程学教育的健康发展。
中国制造要向高端产品迈进，我们所缺乏的不是原材料和劳动力，我们缺乏的是优秀的设计师、工程师。工程学教育需要把工程设计整合在课程体系之中，它不是科学和技术的简单应用，也不是手工课，而是在特定限制条件下通过系统测试来寻求问题最佳解决方案的学问。在我国中小学教育阶段，将工程设计纳入课程能够让所有的学生都有机会获得工程设计实践经验和重要概念。工程学教育的方式可以是在课程体系中增设工程类课程，也可以将工程学教育系统地整合在中小学已有课程当中。在中小学阶段推进工程学教育有利于发展学生的工程学素养，为国家和个人适应新时代的挑战做好准备，为国家掌控核心技术打好扎实的民众基础。
撰写人：李秀菊 高宏斌 赵立新 张春雷
