高校实验设备在中学工程素养培养中应用

洪 玲， 江志彬， 段晓英

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海 201804)

0 引 言

工程素养(Literacy on Engineering)培育和特色高中建设已成为国内外教育界研究的热点问题。

工程素养的形成起始于简单知识的学习，经历复杂的渐进过程：敏捷的思维、正确的判断和发现问题→理论知识和实践的融会贯通→现实的技术能力→具有综合优化的能力并达到预期目的，需要将不同学科的知识和素养要素融合在工程实践活动中，使素养要素在工程实践活动中综合化、整体化和目标化。对于工程素养的培养，不仅仅是高等教育的范畴，应该从基础教育抓起，不因小学、初中、高中和大学的差别而出现断层或缝隙，需要不同的阶段紧密结合进行循序渐进地培养[1-4]。

1 研究现状

1.1 国内外工程素养教育发展趋势

对于工程素养的培养，德国提出了以工程应用为导向的教学模式，日本则建立了KIT工程设计教育目标。在美国，由国家评估管理委员会和美国教育部联合公布《2104 年NAEP 技术与工程素养框架》阐明了对所有学生在技术知识和技能方面所应掌握程度的期望[5-12]。2014年初，全美约840所学校的21 500名八年级学生参加了首次完全独立作为核心学科的“技术和工程素养”(Technology and Engineering Literacy)的样本评估。这在相当程度上与美国近些年来对培养学生科学、技术、工程和数学综合素养的STEM(科学Science、技术Technology、工程Engineering、数学Mathematics)教育的高度关注和重视密切相关。

随着我国工业化和科学技术的快速发展，社会(企业)对高校毕业生的工程实践能力越来越看重。为此，国家从长远发展考虑，在战略上提出“卓越工程师教育培养计划”[13](简称“卓越计划”)的重大举措，着重强化培养学生的工程和创新能力，对促进高等教育面向社会需求培养人才以及全面提高工程教育人才培养质量，具有十分重要的示范和引导作用[14-15]。

1.2 我国特色普通高中教育建设状况

随着社会和科技的发展，教育教学需寻求各种途径和方式激发学生各方面的智能，使学生能够全面、差异化的发展，而不是千人一面、千篇一律固化的模式。在现实教育工作中，由于中学应试教育的影响使得学校和学生都只专注于文化课，很大程度上束缚了一部分学生的个性特质和潜能的发展[16-17]。

2010年，《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》发布，提出“推动普通高中多样化发展。促进办学体制多样化，扩大优质资源。推进培养模式多样化，满足不同潜质学生的发展，探索和培养创新人才的途径。鼓励普通高中办出特色。”，为开展特色普通高中建设提供国家政策依据[18-20]。

“十三五”期间，上海正加速推进四个中心建设，随着科创中心建设正式提上议事日程，创新人才培养问题日益凸显。2016年制定的《上海市推进特色普通高中建设3年行动计划(2016～2018年)》，要求相关工程素养特色课程实施方式以社会实践、动手实验和操作、自主探究为主，注重学生创新精神和实践能力的培养。推动普通高中多样化特色办学，是上海教育主动适应上海城市功能定位、社会和地方经济发展以及学生发展需求的重大战略选择。

1.3 高校实验设备共享应用现状

高校的主要功能是人才培养，其所属的实验设备有两大主要服务领域：① 科学研究，② 高等教育教学，主要服务对象是本校教师和学生，目前大型仪器设备共享应用存在的问题：

(1) 受经济效益的直接性和社会效益的难以考量影响，通常大型仪器设备的共享应用都重视科研成果以及经济效益，而忽视针对人才培养的应用以及忽略其所产生的社会效益。

(2) 大型仪器设备的共享应用对象主要为本校相近专业或其他高校相关专业的学生，象很少或者几乎没有为中学生服务。

(3) 大型仪器设备的共享服务内容主要是提供科研实验和学生的开放实验，能够承担中学实验室建设、实验项目设计、实验教学、中学教师的专业培训等一系列全方位共享服务的应用几乎没有。

(4) 高校大型仪器设备和相关实验技术人员的资源利用率还有提高空间。

国际社会以及我国教育改革对于卓越人才培养的要求逐步规范和加强，上海市正在推进工程素养特色普通高中建设，虽然社会急需高质量工程技术人才、高校具有资源、地方教育积极推进，但是对于中学生工程素养的培育还没有明确有效的衔接途径。

2 实验设备对工程素养培育的共享应用

我国的义务教育、高中教育乃至大学教育，其根本目的在于培养创新型人才。但是由于中学的应试教育模式和学生自主实验机会的稀缺，经常要面对一个问题，即大学工程教育与高中科学教育脱节。事实上，创造力贯穿于人的一生，对创造力的培养不应该因为教育的不同阶段而断裂。

既然中学有加强特色教育的需求，而高校又拥有专业实验设备、实验教学方法以及专业教师等丰富的资源，为了使两者能够更好衔接，大学实验设备的服务对象和服务范围需要向中学和中学生延伸，使中学生能够利用大学的实验设备进行科学探索和工程实践。既可以弥补中学生利用高校教育科研设备动手实验的空白，开阔学生的眼界，培养其自主创新的思维和对理工科专业的兴趣，又将大学与中学工程素养培养的断层连接了起来；同时，有助于帮助其打破理工科教育壁垒，提高实验设备资源的利用率以及提升实验技术人员的实验教学等各项专业技能。

(1) 发挥实验教学对人才培养的优势。对于中学生工程素养的培育，除了实验设备的共享和建设，更重要是配套的实验项目的设计和实验教学方法的应用。因此，要培养中学生具备“工程思维、创新意识、实践能力、合作精神”的高品质工程素养，使中学成为培养工程素养的摇篮，其主要手段是通过工程特色课程，尤其是工程类实验室课程。在硬件设备上，高校的大型设备资源是中学无法比拟的，尤其实验技术人员丰富的专业知识和教学经验，对于设备的使用和实验课程的培育具有优势。

(2) 满足中学生的成长创新意识。注重培养学生的创新意识，实际动手能力和团队合作精神，学生经过工程素养培育，分析、解决问题的能力、创新能力和综合素质有了明显的提高，其中优秀中学生可以加入大学生科技竞赛团队，参与高校专业科研团队的课题活动，让学生早日明确何谓“理工科”，也对选择理工科专业有一定帮助。有利于培养学生形成将知识理论创造性地联系并应用于实践的意识和能力，为将来学生步入大学后的学习以致未来的专业发展奠定比较厚实的基础。

(3) 提高高校实验技术人员的专业服务水平。高校实验技术人员通过对中学实验室建设的全面负责实施，对中学实验软件的开发设计以及对中学课堂及教师的培育等共享应用服务，全面锻炼实验室建设与管理、实验教学以及专业技术水平，在能力上能得到全面综合提升。

(4) 配合《上海市推进特色普通高中建设3年行动计划(2016—2018)》。上海市于2016年发布《上海市推进特设普通高中建设3年行动计划(2016—2018)》，未来3年，上海将通过涵盖人文、社科、理工、艺术等诸多领域普通高中的特色办学撬动学校发展方式和育人模式转型，进一步“推动普通高中多样化和特色化”发展。整合高等院校理工科的实验力量，可以为工程素养特色普通高中创建工作形成多方位、多维度的支撑力量，促进特色创建工作，丰富特色育人的有效资源供给。

(5) 注重工程素养培育。推动大型科学仪器对外共享服务，能够提升大型科学仪器操作应用人员的技术水平和专业化服务能力，更重要的是将高校的人才培养从“工程师摇篮”的中学抓起，注重工程素养培育，加强卓越工程师的基础教育培养，为上海市建设科技创新中心提供人才培养支持和保障。

(6) 契合社会发展的人才培养需要。以轨道交通行业为例，截至2015年底，我国已成为世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家。另一方面，预计到2020年，我国城市轨道交通通车里程有望达到8 500 km，比2015年末增长150%以上。因此，中国已形成一个世界上规模最大、发展最快的轨道交通建设市场。而高校交通运输专业主要是为了培养具备现代交通运输规划、设计、组织与管理知识及相关开发能力的人才[21]。交通运输专业的工科性质决定了所报考的高中学生必须具有一定工程素养基础。

3 以轨道交通系统仿真实验室为例

依托理工科院校实验室平台，以中学生工程素养培育为导向，通过轨道交通仿真实验系统的实验设备“轨道交通仿真沙盘”和“高铁动车CRH380模拟驾驶器”开展共享服务于人才培养的共享应用研究，结合中学实验室建设，与中学共建人才培养实训基地，为中学生提供全面的工程素养培育支撑，利用高校实验室这一得天独厚的资源创新对中学生的工程素养培育方式[22]，调动中学生学习的积极性和主动性，激发他们学习的兴趣，开阔中学生科学视野以及培养他们分析和解决问题的能力。不仅利用实验教学将大学与中学连接起来，为中学生创造一个良好的实验环境，提高了学生的实际动手能力，也有助于树立科学的意识和思维，提高中学生的STEM素质，培养中学生的创新能力。有利于提高高校理工科生源的质量，改变过去基础教育与高等教育割裂的情况。

3.1 加强中学实验室共享应用建设

(1) 完善中学实验室建设。以建设徐汇中学一期“高铁运输组织仿真实验室”的“轨道交通仿真沙盘”实验设备共享应用为基础，进一步进行徐汇中学二期“高速列车模拟驾驶实验室”实验设备“高铁动车CRH380模拟驾驶器”的招标采购和验收、实验室设计和规划以及管理规章制度的制定等。

(2) 改进实验项目设计和实验教学方法。完成“轨道交通仿真沙盘”和“高铁动车CRH380模拟驾驶器”的中学生实验项目的软件开发，改进的适合中学生的实验教学方法，完成两个设备至少6个实验的中学实验指导书。

(3) 提高中学教师的专业素养。对中学实验带教教师进行专业知识培训，对两个设备的实验课程分别进行各一个学期的带教，每学期对课程进行指导和经验交流，完成“轨道交通仿真沙盘”和“高铁动车CRH380模拟驾驶器”设备相关实验课程的课件以及中学实验课程培育。

(4) 与中学共建工程素养培育基地。交通运输工程学院与徐汇中学共建人才培养中学生实训基地，以衔接高校和中学的工程素养培育为目标，组织夏令营参观和学习、进行专业知识讲座、对中学生参与科技竞赛进行指导等形式完善共享应用服务，为中学的工程素养培育提供长期共享保障。

3.2 关键问题和具体实施方法

以高校资源对中学服务的延伸为抓手，从提高实验技术人员的专业技能和对中学生的人才培养两个层面发挥高校实验设备对科技创新中心的服务和支撑作用。其关键问题为：高校实验技术人员负责全面实施中学实验室建设的可行性；基于专业实验设备的针对中学生工程素养培育的实验项目的开发设计；对中学实验教师的专业知识培训和中学开设工程素养课程培育；高校实验教学方法和中学实验教学模式的如何对接融合更有利于中学生的工程素养提高，以及如何保障共享应用服务的有效性和长期性。

因此，在共享应用服务中通过对实验进行“设计—试做—再改进—再试做”、对教师培训和课程培育进行“教授专业知识—示范教学—带教—试讲—独立教学—开课完善”的方法，不断观察和检验所设计的实验和所采用的教学方法对培养中学生工程素养培育的效果；在专业团队的支持下，利用国内一流高校实验设备项目的建设经验和丰富的专业实验教学经验，将高校的高精设备和实验教学共享应用到中学课堂，创新中学生工程素养培育方式，共建高校与中学的专业人才培养基地以保障共享应用的有效性和长期性，不断完善和优化中学生工程素养课程培育。

4 结 语

高校专业实验设备共享应用于中学的工程素养培育，是从单一的硬件设备实验的共享向实验室建设、实验项目设计、实验教学、课程培育等全方位教育教学资源拓展，共享应用从考量科研成果以及经济效益为主，转向对人才培养的基础培育扩展以及注重其所产生的社会效益。对于高校而言，既提高了实验设备的资源利用率，有效衔接高校与中学人才培养中工程素养培育，也提升了大型科学仪器实验人员的技术水平和专业化服务能力。

因此，高校实验设备与工程素养特色在高中课程的共享应用，契合上海市特色普通高中建设和社会行业发展对于人才的迫切需求，更重要的是将高校的人才培养从特色普通中学抓起，注重工程素养培育，加强卓越工程师的基础教育培养，使高校更有效地为上海市建设科技创新中心提供人才培养支持和保障。