◎ 唐 璐

一、工程教育背景分析

（一）工程學(xué)的關(guān)鍵要素

不少研究人員曾對(duì)“工程學(xué)”進(jìn)行過(guò)定義。學(xué)者沃爾夫（Wulf）曾提出，工程學(xué)是指“在約束條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)”；《基礎(chǔ)教育階段教育中的工程學(xué)》提出“工程學(xué)是設(shè)計(jì)人造世界的過(guò)程”；學(xué)者羅杰斯（Rogers）認(rèn)為“工程學(xué)是工程師們利用學(xué)知識(shí)和認(rèn)知過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)、分析和解決復(fù)雜的系統(tǒng)，從而滿足社會(huì)的需求”；《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中提出“工程學(xué)是參與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而解決特定的人類問(wèn)題”［1］。工程教育家史密斯（Smith）把工程定義為建筑、裝置或系統(tǒng)地滿足特定條件的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，并進(jìn)一步指出，在寬泛的意義上，工程的本質(zhì)就是在觀念中設(shè)計(jì)裝置、程序、系統(tǒng)，有效地解決問(wèn)題，滿足需要［2］。美國(guó)項(xiàng)目引路機(jī)構(gòu)（PLTW）使用的中學(xué)工程教育主流教材《工程教育入門》（Gate to Engineering）中將“工程學(xué)”定義為“設(shè)計(jì)解決方案的流程的科學(xué)”，且明確了“工程學(xué)的流程包括為其他人制作生產(chǎn)產(chǎn)品所需要的圖紙和模型”［3］。

由以上論述可見(jiàn)，工程學(xué)是一門科學(xué)，它是需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的，也是應(yīng)該滿足社會(huì)/人類需求的。

（二）工程教育的要素

工程教育是教授工程學(xué)相關(guān)知識(shí)和技能的學(xué)科?；诠こ虒W(xué)的特點(diǎn)，工程教育明顯不同于其他經(jīng)典學(xué)科（如語(yǔ)文、數(shù)學(xué)）的學(xué)習(xí)方式——僅停留在本學(xué)科相關(guān)研究?jī)?nèi)容的傳播中，而是包含了定義問(wèn)題、建模與分析、提出解決方案、優(yōu)化和權(quán)衡等流程，從而有效完成面對(duì)的實(shí)際項(xiàng)目。因此，“實(shí)踐”可以說(shuō)是工程學(xué)的核心，是開(kāi)設(shè)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(biāo)也應(yīng)是著力于幫助學(xué)生面對(duì)真實(shí)世界的問(wèn)題時(shí)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)造力。

此外，一般情況下，工程問(wèn)題不是一個(gè)人能獨(dú)立完成的，因此，工程教育還隱含了對(duì)小組合作、有效溝通、自我展示與表達(dá)等方面的要求。

二、我國(guó)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域?qū)嵤┕こ探逃膬r(jià)值

（一）建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的有效途徑

自2006年國(guó)家提出建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家戰(zhàn)略以來(lái)，《關(guān)于深化體制機(jī)制改革加快實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的若干意見(jiàn)》《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，先后明確提出了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、強(qiáng)調(diào)構(gòu)建創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式、加強(qiáng)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，尤其在《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中強(qiáng)調(diào)，基礎(chǔ)教育要著力提高學(xué)生用于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問(wèn)題的實(shí)踐能力，探索發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的途徑。

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)已經(jīng)作為國(guó)家人才競(jìng)爭(zhēng)中的重點(diǎn)被一再提出，對(duì)于我國(guó)發(fā)展和參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)具有非常重要的意義。

1.工程教育有利于促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力

創(chuàng)新型國(guó)家的重要內(nèi)涵之一就是國(guó)民具有創(chuàng)新素質(zhì)，即國(guó)民的創(chuàng)造力。培養(yǎng)創(chuàng)造力，除了提升學(xué)科成績(jī)之外，還要重視學(xué)生的思維方式、掌握的技能、解決問(wèn)題的實(shí)際能力，等等，由此，學(xué)生需要的教育模式是：培養(yǎng)學(xué)生以用為主的學(xué)用結(jié)合、腦手身等相互結(jié)合、鼓勵(lì)發(fā)散思維及冒險(xiǎn)精神、重視培養(yǎng)獨(dú)立思考和獨(dú)立解決問(wèn)題的綜合能力、強(qiáng)調(diào)良好的道德品質(zhì)教育［4］，等等。

《21世紀(jì)技能：為我們生存的時(shí)代而學(xué)習(xí)》一書(shū)指出了美國(guó)大學(xué)畢業(yè)生缺乏一些基本的諸如表達(dá)能力、批判性思考能力、解決問(wèn)題能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與配合能力等基本技能和應(yīng)用技能，我國(guó)學(xué)生也有極為相似的情況。工程教育中則包含了系統(tǒng)思考的能力、創(chuàng)造力、合作能力、解決問(wèn)題能力、倫理道德意識(shí)等。

基于以上對(duì)工程教育的分析，工程教育以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，學(xué)生在學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不但能夠了解工程相關(guān)概念，學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的方法，而且必須通過(guò)各個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際情況，尤其是項(xiàng)目中不同的現(xiàn)實(shí)條件約束，通過(guò)思考、辨析等方式，發(fā)揮創(chuàng)造力進(jìn)行解決。也由此，工程教育對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)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(chǔ)

自1977年10月28日至11月16日，教育部在北京召開(kāi)重點(diǎn)高等學(xué)校應(yīng)用科學(xué)和新技術(shù)學(xué)科規(guī)劃會(huì)議，制訂了機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、土木建筑、化學(xué)工程學(xué)、材料科學(xué)和工程熱物理等14門應(yīng)用科學(xué)與新技術(shù)學(xué)科規(guī)劃草案［5］以來(lái)，我國(guó)工程教育取得了巨大成就。目前，我國(guó)工程教育規(guī)模和培養(yǎng)的工程科技人才數(shù)量已位居世界第一。截至2017年底，我國(guó)教育部高等教育教學(xué)評(píng)估中心和中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)共認(rèn)證了全國(guó)198所高校的846個(gè)工科專業(yè)。通過(guò)專業(yè)認(rèn)證，標(biāo)志著這些專業(yè)的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了國(guó)際實(shí)質(zhì)等效，進(jìn)入全球工程教育的“第一方陣”。

令人意外地，相對(duì)于高等教育中工程學(xué)專業(yè)繁多、規(guī)模龐大的狀況來(lái)說(shuō)，我國(guó)基礎(chǔ)教育階段的工程教育可以說(shuō)是空白的。這種“空白”主要體現(xiàn)在：①學(xué)者研究成果極少：在知網(wǎng)上搜索關(guān)鍵詞，與基礎(chǔ)教育階段工程教育相關(guān)的論文不超過(guò)10篇，且多為2015年之后發(fā)表的，大多是由STEM教育引發(fā)的思考，與獨(dú)立的工程教育相關(guān)的文章為零；②公辦中小學(xué)中沒(méi)有單獨(dú)開(kāi)設(shè)的工程教育課程；③在校外機(jī)構(gòu)所開(kāi)設(shè)的STEM、編程等相應(yīng)活動(dòng)中，指導(dǎo)教師學(xué)科背景為工程學(xué)相關(guān)專業(yè)的幾乎為零；④校內(nèi)外與STEM、編程等課程相關(guān)的活動(dòng)或?qū)W習(xí)項(xiàng)目中，幾乎全都不具有權(quán)威的、系統(tǒng)的工程學(xué)相關(guān)課程資源。

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械學(xué)院具有多年一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、教研組織經(jīng)驗(yàn)和課程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的教授曾表示，由高中考入該學(xué)院的學(xué)生中，對(duì)工程學(xué)的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)基本為零。例如，在認(rèn)識(shí)方面，幾乎全部人認(rèn)為“工程師就是畫(huà)圖紙的”“如果完全按照相關(guān)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，一項(xiàng)工程的開(kāi)展會(huì)非常順利”；在相關(guān)經(jīng)驗(yàn)方面，大多數(shù)學(xué)生不具備畫(huà)圖的能力（哪怕只是草圖），只有少數(shù)學(xué)生具有較為明顯的分工合作的經(jīng)歷，大多數(shù)學(xué)生對(duì)材料的種類和區(qū)別一無(wú)所知；在對(duì)專業(yè)的認(rèn)知方面，幾乎每一屆都有學(xué)生在經(jīng)歷了一學(xué)期的學(xué)習(xí)后，希望轉(zhuǎn)專業(yè)，因?yàn)楸緦I(yè)“與我想象中的不一樣”。這樣的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致報(bào)考工程專業(yè)的學(xué)生不一定熱愛(ài)本專業(yè)，甚至排斥工程專業(yè)的某些必備經(jīng)歷（如需要到工地上參與實(shí)習(xí)項(xiàng)目），從而學(xué)生在畢業(yè)后離開(kāi)本行業(yè)或無(wú)法學(xué)以致用，造成國(guó)家教育資源的浪費(fèi)。還可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入工程專業(yè)學(xué)習(xí)的學(xué)生需要花費(fèi)大量精力和時(shí)間重新學(xué)習(xí)畫(huà)圖等相關(guān)技能，甚至?xí)绊憣W(xué)習(xí)進(jìn)度。

由此可知，在我國(guó)高等教育階段工程教育飛速發(fā)展的情況下，通過(guò)基礎(chǔ)教育階段的啟蒙和引導(dǎo)，使學(xué)生具有更加扎實(shí)、規(guī)范的基本功，相關(guān)專業(yè)有一定的認(rèn)識(shí)，是夯實(shí)我國(guó)工程教育發(fā)展基礎(chǔ)的重要途徑，也是必經(jīng)途徑。

（二）工程教育有助于提高學(xué)生解決真實(shí)問(wèn)題的能力

1. 有助于學(xué)生關(guān)注實(shí)際生活中的真實(shí)問(wèn)題

教育的最終目的是培養(yǎng)可以在真實(shí)社會(huì)中生活的人。我們所開(kāi)展的學(xué)校教育，提倡給孩子多種經(jīng)歷，以達(dá)到啟蒙、啟發(fā)的作用。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，對(duì)真實(shí)社會(huì)的理解和思考，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)、一種經(jīng)歷。

工程教育的載體恰好能為學(xué)生提供這樣的經(jīng)歷：工程教育中的項(xiàng)目多基于實(shí)際生活：大到國(guó)家主持開(kāi)展的西電東輸工程、三峽水利工程、高鐵建設(shè)，小到家庭中智能家居的設(shè)計(jì)與創(chuàng)建、一支鋼筆的維修，都屬于工程問(wèn)題的范疇，且與真實(shí)生活緊密相連，旨在解決實(shí)際生活中的真實(shí)問(wèn)題。開(kāi)展工程教育，為學(xué)生提供參與工程項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，在現(xiàn)如今充斥著電視、平板、手機(jī)等多個(gè)終端的“屏幕社會(huì)”中，不得不說(shuō)是引導(dǎo)學(xué)生回歸現(xiàn)實(shí)、關(guān)注真實(shí)世界的有效途徑之一。

2. 有助于學(xué)生形成解決真實(shí)問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)

基于內(nèi)容來(lái)自實(shí)際生活，學(xué)生參與工程項(xiàng)目，需要經(jīng)歷的過(guò)程一般包括［6］：

·提出問(wèn)題、定義問(wèn)題

·構(gòu)建并使用模型

·計(jì)劃并進(jìn)行調(diào)查

·分析并解釋數(shù)據(jù)

·運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維

·建立解釋，設(shè)計(jì)解決方案

·用事實(shí)進(jìn)行論證

·獲取、評(píng)估并交流信息

這樣的思維過(guò)程，也是人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中解決真實(shí)問(wèn)題所經(jīng)常經(jīng)歷的過(guò)程，有利于提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

同時(shí)，工程項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生考慮問(wèn)題的思路，包括理解一個(gè)真實(shí)問(wèn)題的解決會(huì)受到實(shí)際條件的限制而應(yīng)在理想和現(xiàn)實(shí)之中取得平衡，以及通過(guò)與他人合作、溝通、協(xié)調(diào)而滿足設(shè)計(jì)需求，都是學(xué)生理解真實(shí)社會(huì)所必需的思維方式和能力。

三、美國(guó)工程教育對(duì)我國(guó)的啟示［7］

關(guān)于在基礎(chǔ)教育階段開(kāi)展工程教育，國(guó)際上已有發(fā)達(dá)國(guó)家在行動(dòng)。以美國(guó)為例，基于培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才，美國(guó)將STEM教育作為教育戰(zhàn)略提出，且引起了國(guó)際社會(huì)上多國(guó)政府和學(xué)界廣泛關(guān)注。為有效推動(dòng)STEM教育，近十年來(lái)，美國(guó)十分重視STEM教育的核心——工程教育，著力通過(guò)在K-12教育階段推進(jìn)工程課程、課外活動(dòng)以及以工程教育為中心的工程學(xué)校，著力加強(qiáng)工程教育在K-12教育階段的力度。［8］

美國(guó)基礎(chǔ)教育階段扎實(shí)的工程教育的開(kāi)展不但有效推動(dòng)了作為教育戰(zhàn)略的STEM教育，也成功為國(guó)家啟蒙、輸送了越來(lái)越多的創(chuàng)新型工程師。美國(guó)在大力推動(dòng)基礎(chǔ)教育階段的工程教育方面也表現(xiàn)出了教育強(qiáng)國(guó)的眼光和決心，對(duì)我國(guó)教育有一定的啟示作用。

在美國(guó)，工程教育的建立是在被定義為技術(shù)教育的保護(hù)傘下開(kāi)始的。隨著美國(guó)的技術(shù)教育在20世紀(jì)90年代初開(kāi)始生根發(fā)芽，工程學(xué)被看作技術(shù)教育的核心要素，而并不擁有一種獨(dú)立的教學(xué)形式或被看作一門獨(dú)立學(xué)科。

1996年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）支持由國(guó)際技術(shù)和工程教育協(xié)會(huì)（ITEEA）撰寫(xiě)的題為《面向所有美國(guó)人的技術(shù)》的報(bào)告的發(fā)展和傳播。這份報(bào)告，連同NASA和NSF委托的另一份題為《技術(shù)素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》（ Standards for Technology Literacy）的報(bào)告，為把工程學(xué)納入正式學(xué)校課程創(chuàng)造條件。國(guó)家工程學(xué)院（NAE）在K-12的環(huán)境中為工程教育開(kāi)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(huì)來(lái)處理與技術(shù)和工程教育相關(guān)的問(wèn)題。2002年，NAE和美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)（NRC）在技術(shù)層面上發(fā)表了《為什么所有美國(guó)人都需要更多地了解技術(shù)以便圍繞技術(shù)素養(yǎng)的理解和價(jià)值創(chuàng)造共性》一書(shū)，書(shū)中探討了技術(shù)與工程交叉作為課程開(kāi)發(fā)和教師專業(yè)發(fā)展的核心學(xué)科的意義。然后在2009年，以及2010年之后不久，NAE發(fā)表了兩篇報(bào)告。［9］這兩份報(bào)告為在國(guó)家一級(jí)就如何最好地將工程教育并入現(xiàn)有的K-12標(biāo)準(zhǔn)和框架進(jìn)行更強(qiáng)有力的討論奠定了基調(diào)。

當(dāng)ITEEA和NAE支持關(guān)于K-12教育工程師的全國(guó)巡講時(shí)，教育強(qiáng)州馬薩諸塞州正在制定自己的課程。馬薩諸塞州是第一個(gè)全面闡明工程教育K-12標(biāo)準(zhǔn)的州。1993年的《馬薩諸塞州教育改革法》使技術(shù)和工程納入州教育標(biāo)準(zhǔn)成為可能，這導(dǎo)致1996年制定了《馬薩諸塞州科學(xué)和技術(shù)課程框架》。2001年，對(duì)該框架進(jìn)行了修訂，包括了更多的工程原理和工程設(shè)計(jì)過(guò)程。馬薩諸塞州采取的這些步驟促進(jìn)了國(guó)家工程教育的發(fā)展。20世紀(jì)90年代中期，馬薩諸塞州正式的K-12教育發(fā)生了轉(zhuǎn)變，州立法試圖將以前被稱為“工業(yè)藝術(shù)”的東西，與真正的工業(yè)藝術(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)并將它重新定義為“技術(shù)教育”。工程是作為技術(shù)教育的一部分出現(xiàn)的，但是將技術(shù)/工程應(yīng)用到課程和教學(xué)中卻遇到了阻力，因?yàn)樵诳茖W(xué)教育者、管理人員和家長(zhǎng)之間缺乏對(duì)適合性和所有權(quán)的清晰的認(rèn)識(shí)。直到馬薩諸塞州的中小學(xué)教育部門帶頭努力，通過(guò)調(diào)整政策，使技術(shù)/工程與其他科學(xué)學(xué)科受到同等重視，將技術(shù)/工程應(yīng)用到課程和教學(xué)中的觀點(diǎn)才開(kāi)始被完全認(rèn)同。

此外，不得不提的是，波士頓科學(xué)博物館也在當(dāng)?shù)睾腿珖?guó)的工程教育發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。自20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初擔(dān)任塔夫茨大學(xué)（Tufts University）工程學(xué)院院長(zhǎng)以來(lái)，博物館現(xiàn)任館長(zhǎng)米奧利斯（Miaoulis）博士一直擔(dān)任國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人和K-12工程教育的發(fā)言人。在塔夫茨大學(xué)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(diǎn)，并主張?jiān)谒虼拇髮W(xué)建立現(xiàn)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(jí)教育工作者開(kāi)設(shè)了課程和專業(yè)發(fā)展項(xiàng)目。該中心還與樂(lè)高公司合作，開(kāi)發(fā)了Robolab軟件，這個(gè)軟件使樂(lè)高頭腦風(fēng)暴機(jī)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(chǎn)品，如面向小學(xué)學(xué)生和教師的“工程是基礎(chǔ)”（ Engineering is Elementary，EiE）課程。EiE后來(lái)被科學(xué)博物館采用，在扎根的同時(shí)，CEEO創(chuàng)建了工程未來(lái)（ Engineering the Future，EtF）課程來(lái)支持高中生的工程教育。與此同時(shí)，科學(xué)博物館還通過(guò)創(chuàng)建國(guó)家技術(shù)素養(yǎng)中心（NCTL）來(lái)領(lǐng)導(dǎo)工程教育。最后，米奧利斯博士在將工程學(xué)納入該州課程框架的努力中發(fā)揮了重要作用。有了這些組成部分和支持課程和專業(yè)發(fā)展、推廣和傳播的基礎(chǔ)設(shè)施，科學(xué)博物館已經(jīng)成為K-12工程教育的地方、區(qū)域和國(guó)家催化劑。