作为普通教育重要组成部分的技术教育:全球现状与挑战

马克·德福瑞著 吴瑕译

一、技术教育的挑战

20世纪70年代,一些国家开始在其学校课程体系中引入技术教育。大部分情况下,这其实是对手工教育的延续,只不过其中包含了一些诸如电子与机器人之类的新元素。①Marc J.de Vries,“Technology Education:An International History,”in Marc J.de Vries,Ed.,Handbook of Technology Education,Dordrecht:Springer,2018,pp.73-84.一些国家采取了一种强有力的基于设计的方法,其他国家扩展了科学教育以涵盖技术应用。在20世纪80年代到90年代,经验交流开始对各国的技术教育的统一性产生影响,例如设计的概念传播到其他国家。一系列国际会议,如学生对技术态度(PATT)的会议、国际技术和工程教育者协会(ITEEA)的年度会议、设计和技术协会(DATA)的会议以及国际技术教育(ICTE)的会议的召开,以及国际上有关技术教育的学术期刊的创办,如《国际技术与设计教育期刊》《设计与技术教育(国际期刊)》《技术教育期刊》和《澳大利亚技术教育期刊》对技术教育的发展起着重要作用。在2000年后,一些国家的技术教育面临危机。这是因为政治家们要求直接可见的结果而不顾及其现实性,致使很少有年轻人选择技术教育专业并从事相关工作。与此同时,STEM教育的理念也初具雏形。为了捍卫自己的地位,技术教育者们开始声称他们做的实质上就是STEM教育。但是这种主张通常很难得到证据的支持,因为在许多情况下,科学和数学并不属于技术教育教师的学科专长。在那些质疑技术教育地位的国家中,STEM教育作为现实的选择有幸存活了下来。为了更好地开展STEM教育,需要一种新的以设计为核心的STEM教育方法。

显然,由于一系列国际会议(特别是PATT会议)的召开和多家国际学术期刊的创办,技术教育在国际领域的联系日益增多,而这一趋势也促成了(学者对)更多国际性主题与关注点的研究。不过,这并不意味着技术教育的发展就可以高枕无忧了。一些国家的技术教育地位正岌岌可危,因此特别需要继续努力发展技术教育的教学论,而这一发展需要教育研究的有力支持。这表明,技术教育能凭借自身特殊的学科教学论成为学校课程中的重要组成部分,并且它不能被科学教育所取代。技术教育者要证明技术教育对学生有所改变,这是一个挑战,他们需要通过证据消除一些人认为技术教育是应当结束的一个实验的看法,因其迄今为止并未成功。幸运的是,至少已经有大量研究表明技术教育确实产生了影响。未来提高技术教育的地位仍然是一项挑战。

二、STEM:一个可能的未来选项

STEM中技术教育的整合首先可以从哲学的角度进行论证。②Marc J.de Vries,“Philosophy of Technology:Themes and Topics,”in Marc J.de Vries,Ed.,Handbook of Technology Education,Dordrecht:Springer,2018,pp.7-16.与科学和数学相关联,这一点是技术的本质。过去,人们错误地认为技术只是在开发新产品和新流程中对科学的应用。但是,技术哲学家已经证明这是错误的。技术具有自己的知识体系,而且它们并非都来自科学知识。③Verkerk,M.J.,Hoogland,J.,Stoep,J.van der and Marc J.de Vries,Philosophy of Technology.An Introduction for Technology and Business Students,New York:Routledge,2016.④Marc J.de Vries,Teaching about Technology.An Introduction to the Philosophy of Technology for Non-philosophers.Second Edition,Dordrecht:Springer,2016.特别是,许多技术知识中的规范性概念对科学而言是陌生的,因为科学描述的仅是实然的世界,而非应然的世界。在那些不发达国家,技术教育通常与科学教育相距甚远。技术教师没有科学知识背景,因此难以与科学学科的同事一起工作。与科学之间缺乏联系,也使得校董会、家长、教师和学生在印象中将技术教育归入手工教育、音乐教育等学科教育领域中,而非一门更重要的学校科目。这即是将技术综合到STEM中的第二个目的,它可能会提高技术教育的地位。①Marc J.de Vries,“The T and E in STEM:From Promise to Practice,”in Marc J.de Vries,Fletcher,S.,Kruse,S.,Labudde,P.,Lang,M.,Mammes,I.,Max,C.,Münk,D.,Nicoll,B.,Strobel,J.and Winterbottom,M.,Eds,Research in Technology Education,Münster/New York:Waxmann,2018,pp.11-20.在STEM中整合技术的第三个目的是旨在解决人们对科学学科的刻板印象,即由于科学的抽象性而不受学生欢迎。即使是科学学得很好的学生(根据ROSE项目的结果),也特别是这一群学生,其实是不喜欢科学教育的。学生学习科学时会发现它似乎与日常生活没有联系;正因为如此,学生学习科学主要是因为它是许多学术研究所必需的,而不是因为他们对它的内容感兴趣。

尽管抱有这些期望,为实现STEM教育并从技术、科学和数学之间的这些联系中获得最好的结果的种种努力,已经表明人们依旧很难找到一种真正的整合方式。教师开展的研究性项目通常只是将技术设备作为一种提升动机的工具,教师真正关注的是利用学生调查研究的某种自然现象而发展科学知识。技术设备本身的设计和发挥作用的方式则是隐而不彰的。在这种情况下,技术仅处于应用层面,在科学学习与技术学习之间缺乏真正的联系。另一种选择是,教师让学生进行设计挑战,其中在某一时刻需要进行一场实验来调查某种现象,该现象与“设计装置”的功能发挥有关。但此类实验的结果往往仅是一张漂亮的表格或图形,而没有提供有关如何改进设计的任何线索。科学与技术之间依然没有真正的联系。因此,我们需要的设计挑战是必须对某些自然现象进行深入了解才能开展设计工作(或对其进行改进),我们需要的研究挑战是必须设计和制造某些东西才能完成研究。

设计过程是一个可以丰富已经学习过的知识(科学和数学)并学习新的知识(科学和数学)的过程。设计是适合于一种建构主义的方法,这是因为“我”是允许认知冲突和信念重建的。为了实现这一目标,教师需要有关设计的学科教学知识(design PCK)。与自然科学或数学教师相比,技术教师自然具备更多这样的知识。这就是技术教育者将必须在此类(整合的)STEM教育中发挥至关重要作用的原因。但是,科学和数学教师也必须具有其各自学科的学科教学知识(PCK)。教师需要认识到,将研究与设计结合到整合的STEM课程项目中时,STEM才能使人真正认识到科学与技术的真实性。②Driel,J.H.van,Vossen,T.E.,Henze,I.and Marc J.de Vries,“Delivering STEM Education through School-Industry Partnerships:A Focus on Research and Design,”in Barkatsas,T.,Carr,N.and Cooper,G.,Eds,STEM Education:An Emerging Field of Inquiry,Dordrecht/Leiden:Sense/Brill,2018,pp.31-44.

那么,可以将这种工程实践“转化”为教育实践吗?是的,可以,以下给出的示例可以作为说明。纸飞机和纸直升机有可能成为研究与开发相结合的有力方式的例证。纸飞机易于制作和改变。飞行测试有些棘手(必须一致地投飞机,以使飞行行为的变化相对独立于投的动作),但这是可以通过一些练习来实现的。通过折叠纸张可以轻松更改翼展,重心可以简单地通过将回形针放在纸飞机上并前后移动来进行操纵。因此,学生可以研究什么变量对飞机的飞行时间和行进距离有影响。纸质直升机也许更简单,在教学中也同样具有可行性。是什么使纸质直升机旋转?决定转速的因素是什么?是什么决定飞行的持续时间?如何延长飞行时间或增加旋转速度?剪折一架新的纸质直升机非常容易,但要获得这些问题的初步答案都需要相当的知识。它虽然很简单,但确实能给学生留下深刻的现实印象,还会为学生带来很多乐趣。过去,这曾经是百无聊赖的学生寻找机会取笑老师的活动,现在他们却获得了快乐与学习的双赢。我们称之为全面“飞行”的STEM教育。

三、研究基于设计的整合性STEM教育

在德尔夫特理工大学,已有研究探索如何实现这种基于设计的学习方式,以及为实现这一学习方式,教师要知道什么、能够做什么,还研究了诸如形成性评价和支架式教学之类具体的教学论。

将设计作为概念学习的一种教学策略,这是科学教育研究计划的核心。针对不同的学校科目和不同的子主题,这一核心得到了精心设计。除了这一重点外,还有许多其他研究活动涉及其他相关主题,例如游戏化以及从数学学习到物理学习的迁移。

聚焦设计的概念学习与技术大学针对单个STEM学科和一些综合性STEM学科的教师教育计划的背景非常吻合,因为技术大学拥有丰富的设计工作的经验。它也很好地契合了目前概念学习中大家非常感兴趣的所谓“概念-背景方法”,因为设计被视为一种学生可以参与的社会实践。科洛德纳(Janet Kolodner)等人的研究表明,教师在基于设计的概念学习中的作用至关重要。这使得这一研究主题与我们的教师教育计划更加相关。设计情境可以用来唤起学生的前概念与科学概念之间的认知冲突(例如:根据有关沉浮的错误观念设计出的船舶可能会导致沉船)。设计在教育上也很有趣,因为它可以用于多种目的:学生学习设计,他们可以应用以前学到的知识,还可以通过设计活动来学习新知识。研究计划中的核心问题是如何将设计情境有效地用于概念学习以及对科学技术本质的学习。

这方面的大多数研究都与中等教育有关,因为它们主要是培养科学教育与传播方面的师资。但是,还有许多涉及初等教育的研究。这些研究是在“科学中心”(Science Hub)的背景下进行的,此类中心致力于小学科学技术教师的专业化。

布洛克肯(Dave van Breukelen)研究了如何将设计活动运用于中学物理教师的师资培训中,以提升他们对物理概念的理解以及将这些经验转化为中学的课堂教学。他证实了科洛德纳的研究发现,即需要教师的积极作用来激发学生在设计工作中使用这些概念。①Breukelen,D.van,Smeets,M.and MarcJ.de Vries,“Explicit Teaching and Scaffolding to Enhance Concept Learning by Design Challenges,”Journal of Research in STEM Education,vol.1,no.2,2015,pp.87-105.②Breukelen,D.van,Meel,Avan,and MarcJ.de Vries,“Teaching Strategies to Promote Concept Learning by Design Challenges,”Research in Science&Technological Education,vol.35,no.3,2017,pp.368-390.布洛克肯在他称为FITS的流程(聚焦、调查、技术设计、协同)中阐述了这一策略。③Breukelen,D.H.J.van,Michels,K.J.,Schure,F.A.and Marc J.de Vries,“The FITS Model:An Improved Learning by Design Approach,”Australasian Journal of Technology Education,vol.3,2016.④Breukelen,D.H.J.,Marc J.de Vries and Schure,F.,“Concept Learning by Direct Current Design Challenges in Secondary Education,”International Journal of Technology&Design Education,vol.27,no.4,2017,pp.407-430.

在荷兰,有两门学校科目正在努力开展此类项目:高中的“自然、生命与技术”科目(NLT)(Sek.II)和在所谓的中等教育技术学校(Technasium Schools)开展的“研究与设计”科目(荷兰语简称“O&O”)。⑤Marc J.de Vries,“Rise,Fall and New Perspective for Technology Education in the Netherlands,”in Marc J.de Vries,Fletcher,S.,Kruse,S.,Labudde,P.,Lang,M.,Mammes,I.,Max,C.,Münk,D.,Nicoll,B.,Strobel,J.and Winterbottom,M.,Eds,Technology Education Today.International Perspectives,Münster/New York:Waxmann,2016,pp.109-124.在高中的“自然、生命与技术”科目中,STEM特征最为突出。因为这个主题是团队讲授的(至少在理想情况下是这样)。可惜,“研究与设计”科目仅由一名教师教,而且教师并非总是有科学专业知识背景。高中的“自然、生命与技术”学科模块是主题式的,由至少一名科学教师、一名学科专家和一名该学科的教学论专家(通常是大学的教师教育者)组成的团队开发。模块可以接受认证程序,而且通过认证的模块每四年还要进行一次修订。这造就了高质量的模块,并且该学科在学生和教师中非常受欢迎。“研究与设计”科目始终基于外部合作伙伴(例如:以某种方式参与技术开发的本地行业或组织)提出的任务。在某种意义上,学生获得来自真实问题和挑战的任务,这就使得该学科非常之“真实”。沃森(Tessa Vossen)正在研究学生和教师如何看待这些科目中设计与研究之间的关系。最初的发现是,这两个群体都喜欢设计而非研究,并且他们能够认识到设计与研究之间的部分关系,但肯定不是全部。⑥Vossen,T.E.,Henze,I.,Rippe,T.C.A.,Driel,J.van,and Marc J.de Vries,”Attitudes of Secondary School Students towards Doing Research and Design Activities,”International Journal of Science Education,vol.40,no.13,2018,pp.1629-1652.“研究与设计”科目似乎在学生对设计和研究的态度上有积极的影响。试图在专业学习共同体(Professional Learning Communities)中提升教师学科教学知识的初步努力,看起来也是有成效的。

斯塔姆斯(Hanna Stammes)研究了将形成性评价用于设计活动的方法,以强化中学化学教育中的概念学习。她对为开展形成性评价教师所需要的学科教学知识以及学科教学知识如何在专业学习共同体中发展特别感兴趣。初步的研究发现是,教师很难想象如何在化学教育的背景下开展设计活动。毫无疑问,这是因为化学设计主要是关于设计材料和过程,而不是产品。尽管如此,看起来基于设计的化学教育的专业学习共同体依然可以帮助教师在化学课上开展一些设计工作。斯塔姆斯采用了两个项目:设计牙膏和设计用于加热饮品的水杯。不过斯塔姆斯的研究尚未公开发表。

谢拉丹(Sathyam Sheoratan)研究如何在设计活动中使用支架式教学,以促进中学化学教育中的概念学习。他调查了中学和高等学校教师的看法。他与专业学习共同体中的化学教师合作,旨在研究如何成功地利用支架式教学来开展基于设计的化学学习。最初的发现表明,学生不愿设计是由于化学教师缺乏相关经验以及实施设计教育所需的指导太复杂。为了找到指导和支持化学设计任务学习所需的特征和技能,我们与具有设计和化学经验的中等学校和高等学校的教师进行了半结构化访谈。通过计算机辅助的质性数据分析,我们发现:(1)教师需要具有提问的艺术和科学,无论是诊断性还是干预性措施,以激发学生做出好的设计;(2)教师应了解,设计教育和化学教育适用于不同的模型、教学的方法和学习目标,因此需要不同类型的支持,而对于化学设计教育,则必须将它们巧妙地结合在一起。这种支持在很大程度上取决于教师在设计教育中所扮演的教学角色。谢拉丹的研究也尚未公开发表。

四、结语

技术教育在课程中的地位永远都不应被认为是理所当然的,即使是在如今技术教育做得很好的国家也不例外。在技术教育受到威胁或衰退的国家中,整合性STEM教育可以成为技术教育存活的救命稻草。当研究和设计活动在设计挑战中真正结合,这种类型的教育最为有效,至少最具潜力。教育研究为此提供了初步的证据。但是,还需要做更多的工作,以期了解如何开发针对此类教育的学科教学知识。专业学习共同体似乎是实现这一目标的有用工具。