我們要培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，就需要在項(xiàng)目的載體中讓學(xué)生經(jīng)歷完整的、像工程師一樣的設(shè)計(jì)和思考過程。

——摘自第六屆IEIC大會(huì) 夏雪梅分享

上海市教科院普教所副所長(zhǎng)、上海學(xué)習(xí)素養(yǎng)課程研究所所長(zhǎng)

夏雪梅 | 第六屆IEIC大會(huì)科技教育論壇專家報(bào)告

近年來，工程教育的重要性愈發(fā)凸顯，一系列與工程教育密不可分的重大工程，為中國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)提供了強(qiáng)有力的支撐。

而人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，不但對(duì)學(xué)生的工程素養(yǎng)提出了新要求，也給學(xué)校的工程教育帶來了新挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，我國(guó)工程教育發(fā)展現(xiàn)狀如何?新技術(shù)的出現(xiàn)給工程教育帶來了哪些機(jī)遇?學(xué)校應(yīng)該如何進(jìn)一步加強(qiáng)工程教育，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)?

在第六屆IEIC國(guó)際教育創(chuàng)新大會(huì)上，上海市教科院普教所副所長(zhǎng)、上海學(xué)習(xí)素養(yǎng)課程研究所所長(zhǎng)夏雪梅博士帶來《新時(shí)代科學(xué)教育背景下的工程類項(xiàng)目設(shè)計(jì)》專家報(bào)告。她針對(duì)為什么要做工程類的項(xiàng)目以及如何進(jìn)行工程類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)兩個(gè)問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并結(jié)合數(shù)據(jù)和案例給出了對(duì)策建議。

*以下內(nèi)容摘自夏雪梅博士第六屆IEIC大會(huì)分享，為方便閱讀，以第一人稱視角陳述。

我們?yōu)槭裁匆龉こ填愴?xiàng)目？

今天我的探討聚焦在兩個(gè)核心的問題上，第一個(gè)是為什么要做工程類的項(xiàng)目?第二個(gè)是我們?nèi)绾稳ミM(jìn)行工程類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

首先，從新時(shí)代科學(xué)教育提出的要求上可以看到，雖然現(xiàn)在提倡“雙 減”，但在科學(xué)教育方面，在《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》等文件中都提到：要凸顯學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)，強(qiáng)化年級(jí)學(xué)段有機(jī)銜接，統(tǒng)籌規(guī)劃科學(xué)教育與工程教育，體現(xiàn)實(shí)踐性、綜合性。

因此，在課程內(nèi)容上增加相應(yīng)的科學(xué)教育和工程教育，依舊是新時(shí)代教育改革的趨勢(shì)，這更需要我們?cè)趯W(xué)與教的方式上進(jìn)行優(yōu)化，更好地實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)和項(xiàng)目學(xué)習(xí)的變革。

以下是我國(guó)對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的明確規(guī)定：

義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)提出了4大跨學(xué)科概念和13個(gè)學(xué)科核心概念。其中有2個(gè)和工程類有關(guān)，一個(gè)是工程設(shè)計(jì)與物化，強(qiáng)調(diào)以工程項(xiàng)目為載體的工程類實(shí)踐;第二個(gè)是技術(shù)、工程與社會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生以科學(xué)的思維方式思考現(xiàn)實(shí)問題，強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)踐與社會(huì)實(shí)踐的緊密結(jié)合。

圖 | 夏雪梅博士 IEIC大會(huì)PPT分享

我們?cè)诳吹竭@些學(xué)科核心概念的時(shí)候，能直接感受到這些概念并不僅僅是通過工程類的項(xiàng)目獨(dú)立進(jìn)行的。我們還需要思考，像生命系統(tǒng)的構(gòu)成層次、生物體的穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)......這些學(xué)科概念在探討的過程中，是否可以結(jié)合工程設(shè)計(jì)與物化，進(jìn)行相應(yīng)整合呢?甚至在其它11個(gè)學(xué)科核心概念落實(shí)的過程中，是否能和工程類的2個(gè)概念結(jié)合起來，進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)?這樣不僅能節(jié)省課時(shí)，還能有效發(fā)揮跨學(xué)科設(shè)計(jì)的作用。

從2015年開始，我們系統(tǒng)性地開展了國(guó)際科學(xué)教材的分析比較工作，在這過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多教材會(huì)把工程類項(xiàng)目作為單獨(dú)的單元，并且把工程類項(xiàng)目和其它的學(xué)科教學(xué)整合起來，通過工程任務(wù)或工程評(píng)價(jià)的方式相互融合。

大家如果對(duì)一些國(guó)際閱讀測(cè)試有了解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在它所提供的命題測(cè)評(píng)當(dāng)中，很多命題的設(shè)計(jì)是通過工程類問題的情境去評(píng)測(cè)學(xué)生的閱讀能力的。

比如說在一個(gè)樣題當(dāng)中，它會(huì)以火星探測(cè)的線上互動(dòng)方式作為整個(gè)測(cè)評(píng)背景。看上去這似乎是和物理、地球科學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，但是它真正測(cè)評(píng)的是學(xué)生的閱讀理解、寫作能力以及進(jìn)行復(fù)雜信息提取等方面的能力。

同時(shí)，測(cè)評(píng)過程中也會(huì)涉及工程類項(xiàng)目的概念，包括對(duì)于火星探測(cè)器的了解等，學(xué)生做完整個(gè)題目不僅可以獲得對(duì)閱讀能力的測(cè)評(píng)，還可以對(duì)火星探測(cè)這一探索類、工程類項(xiàng)目有個(gè)較為全面的了解。

這種類型的設(shè)計(jì)在如今的工程教育中是一個(gè)非常重要的趨勢(shì)，它需要和我們的課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)科教學(xué)、日常教學(xué)相互融合，不單單是一個(gè)獨(dú)立評(píng)估系統(tǒng)，而是和物理、化學(xué)、生物等日常學(xué)科進(jìn)行整合。

除了科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)外，在通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中也會(huì)涉及到技術(shù)意識(shí)、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、物化能力表達(dá)等核心素養(yǎng)，這些都和工程教育、工程素養(yǎng)具有密切的關(guān)系。

在美國(guó)新一代的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，也將“科學(xué)與工程”整體納入了科學(xué)教育的概念和實(shí)踐體系中——他們提出的是三維一體的目標(biāo)測(cè)評(píng)系統(tǒng)，把工程、技術(shù)和科學(xué)應(yīng)用整合在一起，進(jìn)行教學(xué)和測(cè)評(píng)。

圖 | 夏雪梅博士 IEIC大會(huì)PPT分享

從這個(gè)意義上講，如果我們今天只是把工程教育、工程素養(yǎng)當(dāng)作是素養(yǎng)教育之外增加的一門校本課程，那么對(duì)于孩子的發(fā)展來講，它的意義不大。

為什么今天在國(guó)際上會(huì)將工程素養(yǎng)置于學(xué)校教育系統(tǒng)中思考?它并不是簡(jiǎn)單地增加一個(gè)課程內(nèi)容、一個(gè)課時(shí)，它和數(shù)學(xué)、語文等其它學(xué)科的核心素養(yǎng)是一樣的，只不過我們需要培養(yǎng)學(xué)生在工程領(lǐng)域中可遷移的核心能力。

根據(jù)OECD、歐盟對(duì)核心素養(yǎng)的定義，工程素養(yǎng)可以認(rèn)為是學(xué)生在工程類活動(dòng)中所發(fā)展出來的滿足復(fù)雜需要的能力，是一系列可遷移的、多功能的知識(shí)、技能、態(tài)度的集合。

如果我們站在這個(gè)意義上理解，我們對(duì)于工程素養(yǎng)的定位就會(huì)發(fā)生一定的變化。學(xué)生核心的工程素養(yǎng)包括復(fù)雜問題的溝通能力、非常規(guī)問題的解決能力、自我管理和發(fā)展能力、系統(tǒng)思考能力......這些都是他們?cè)谖磥淼陌l(fā)展過程中非常重要的能力。

因此，工程素養(yǎng)同樣具有一般性素養(yǎng)的核心特征：

第一，整合性;

第二，情境性;

第三，實(shí)踐性;

第四，系統(tǒng)性;

第五，遷移性。

我們要培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，就需要在項(xiàng)目的載體中讓學(xué)生經(jīng)歷完整的、像工程師一樣的設(shè)計(jì)和思考過程。

如何進(jìn)行工程類項(xiàng)目設(shè)計(jì)？

那么，我們?nèi)绾胃玫卦谥行W(xué)開展工程教育呢?

目前我們所看到學(xué)校在進(jìn)行工程類項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，往往是采用STEAM的方式，這種課程模式往往會(huì)簡(jiǎn)化成傳感器、編程等一些固化的路徑。

比如說設(shè)計(jì)自動(dòng)澆水裝置，在設(shè)計(jì)當(dāng)中會(huì)明確幾個(gè)步驟：第一步要進(jìn)行硬件搭建，第二步開始編寫程序，第三步進(jìn)行組裝和測(cè)試。

如果我們現(xiàn)在的工程類教育或者工程類項(xiàng)目都是讓學(xué)生去做這樣的事情，那么學(xué)生的工程素養(yǎng)是很難培養(yǎng)出來的。這種方式只是在固定程序下進(jìn)行一些高階版的手工勞動(dòng)而已。

我們引入工程類項(xiàng)目，關(guān)鍵就是要避免固化的流程的思考，在制定材料和工具中進(jìn)行手工操作，孩子的能力很難具備遷移性。

我們需要看到工程類項(xiàng)目獨(dú)特的特征，比如說在真實(shí)而復(fù)雜的工程問題中進(jìn)行探討，他需要對(duì)工程問題進(jìn)行界定、從工程的角度進(jìn)行認(rèn)知......這些都是工程實(shí)踐中非常重要的內(nèi)容。

圖 | 夏雪梅博士 IEIC大會(huì)PPT分享

很多時(shí)候，我們往往在前端花的時(shí)間太少了。事實(shí)上在真正的工程領(lǐng)域中，工程師們會(huì)花很多時(shí)間在前端。這個(gè)問題到底意味著什么?想要解決這個(gè)問題，有哪些限制性的條件?成功意味著什么?他們會(huì)有非常多前端性的思考，然而在學(xué)校的工程教育中，我們并沒有讓學(xué)生經(jīng)歷完整的思考過程。

這種思考在幼兒園、小學(xué)、初中、高中不同階段都是不一樣的，其中涉及到建構(gòu)從概念到實(shí)踐的進(jìn)階性設(shè)計(jì)，融入明確的工程類的實(shí)踐等。

目前我們?cè)谏虾Ｍ七M(jìn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的過程中，已經(jīng)積累了1萬多份案例，這幾年來工程類項(xiàng)目存在一定的增長(zhǎng)，但是當(dāng)我們仔細(xì)去看這些案例質(zhì)量的時(shí)候，相比于國(guó)際上的工程類項(xiàng)目設(shè)計(jì)，確實(shí)還有很大的差距，尤其在培養(yǎng)學(xué)生工程問題的界定、實(shí)踐等方面，我們還有非常多探索的空間。

從剛才的角度，同樣是設(shè)計(jì)自動(dòng)澆水器，如果要培育工程類思維和實(shí)踐，我們應(yīng)該如何來做呢?首先要提出一個(gè)真實(shí)問題，比如我們可以創(chuàng)設(shè)兩周的假期，假期中學(xué)校將會(huì)關(guān)閉，沒有人照看學(xué)校的植物，該如何通過可獲得的材料解決澆水的問題?接下來，學(xué)生就需要從工程師的角度進(jìn)行思考和設(shè)計(jì)，這里面有什么樣的問題?有哪些限制性條件?質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是什么?圍繞這些內(nèi)容，我們開展一系列工程的實(shí)踐。

圖 | 夏雪梅博士 IEIC大會(huì)PPT分享

在這個(gè)過程中，學(xué)生是主體，教師不是一個(gè)講授者，他不會(huì)告訴學(xué)生應(yīng)該怎么做，但是他會(huì)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷像工程師一樣的思維方式，并且在必要的時(shí)候給予學(xué)生支持，引導(dǎo)學(xué)生分析驅(qū)動(dòng)性問題。

同時(shí)，我們還要引入決策矩陣進(jìn)行工程的分析，然后再去尋找適合的材料。是不是一定要用這種傳感器呢?是不是一定要用這樣的灌溉系統(tǒng)呢?答案肯定是多元的。在這些問題的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生們可以主動(dòng)思考、開展研究，結(jié)合真實(shí)世界中的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而更好地培養(yǎng)工程師思維。

最后，工程類項(xiàng)目的推行和實(shí)踐依舊需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，在這個(gè)過程中，我們需要予以老師更多典型的案例，也需要大家共同協(xié)作、持續(xù)探索。