纵横结合打破产学研用壁垒： 美国《技术与工程素养标准：技术和工程在STEM教育中的作用》探究

修前前 王涛 伦应杰 王忠厚

摘   要：作为STEM教育的核心目标，技术与工程素养逐渐受到国际重视。为帮助人们做出有关技术的明智决定，更好地为技术的设计、开发和使用作出贡献，2020年7月13日美国颁布《技术与工程素养标准：技术和工程在STEM教育中的作用》。文章分析了该标准的研制背景和内涵，阐释其学段贯通和资源整合的课程体系，深度解构技术和工程的实践框架与交互图景。我国可从基于本土STEM实践和国际经验，厘清技术和工程素养内涵;横向整合跨学科课程、纵向贯通学段，构建技术与工程教育框架体系;整合各级各类多元主体，打通产学研用合作壁垒，探索协同育人和评估机制。

关键词：技术与工程素养 素养标准 工程教育  STEM教育

尽管研究者对科学、技术、工程和数学（STEM）概念的观点莫衷一是，但在其跨学科整合的属性上达成共识。STEM学科的课程体系经过制度化和标准化的推进后愈发成熟，完成了学校内实体化课程的升级塑造。但在中小学阶段，STEM中的“E”基本上是“沉默无声”的。[1]美国国家教育进展评估（NAEP）于2013年出台《2014年NAEP技术与工程素养评估框架》（以下简称《框架》），是首次将技术和工程学科并列的学科素养与评估框架[2]。但该《框架》的三维学科内容领域仍以技术为主，侧重学生应普遍掌握的知识和技能，并未深度解构两门学科的本质概念和内在逻辑，其评估结果多用于现状描述，亦在指导教学改进和政策制定方面遭遇困境。2020年7月13日，国际技术与工程教育协会（ITEEA）制定了《技术与工程素养标准：技术和工程在STEM教育中的作用》（Standards for Technological and Engineering Literacy： The Role of Technology and Engineering in STEM Education，STEL），基于STEM教育背景，明确了技术和工程专业人才需具备的知识和技能，强调技术与工程人才的关键品质和个性特质，并简要编写用于制定特定年级课程计划的教师和课程开发人员手册。本文旨在深度阐释该标准的背景内涵、课程体系，解构其实践框架与交互图景，以期为我国技术和工程教育提供借鉴。

一、STEL的研制背景和学科内涵

（一）技术教育的工程转向

威廉·E. 达格（William E. Dugger）博士于20世纪90年代倡导“面向全体美国人的技术行动”，在2000年首次出版了《技术素养标准》（Standard for Technical Literacy），并全力推行。[3]美国国家科学院在2009年发布《K-12教育中的工程：理解现状和未来提升》，将工程教育的重要性提升至新高度。2010年，为顺应工程教育重要性日益凸显的趋势，国际技术教育协会（ITEA）改名为国际技术与工程教育学会（ITEEA）。美国国家教育进展评估于2014年提出了由内容领域、实践领域和情境领域所建构的《框架》，为2020年STEL的制定奠定理论和实践基础。从总体上看，《框架》侧重学生知识和技能的习得过程，强调“按需”的评估路径，关注学生应该普遍掌握的关键技术知识和能力，但未能呈现教师如何整合跨学科课程以指导学生领悟知识技能学习的方法并习得社会情感技能的路线图，因此不能作为技术与工程类课程教学的指南[4]，故而转向STEL的多学科核心素养。

（二）STEL的学科内涵

八大学科核心素养列出了学生需掌握的技术的基本知识和工作原理、学生需具备的技术技能、学生需达成的意愿和价值观，从认知、过程和情感三个基准整体建构了学科标准。具身认知理论指认知、身体和环境是动态的统一体，认为生理体验与心理状态之间存在强烈联系，生理体验“激活”心理感知，反之亦然。[5]因此，在具身認知理念下，良好、真实与多元的情境对技术与工程学习成效极为有利。在教育情境中，深度挖掘技术与工程学科的本质和特征，能够引导学生理解和熟悉技术与工程的相关概念及其与其他学习领域之间的关系。STEL对学科内容标准、技术与工程实践、技术与工程情境（分别简称为“标准”“实践”“情境”）三大领域的内容设置均基于学生的身心发展水平，将技术与工程教育划分为四个学段：学前至二年级、三至五年级、六至八年级、九至十二年级。内容基准是学生需要达到的具体目标，学科内容基准的分段设置不断深化拓展学生的技术和工程学科知识。STEL从学段贯通与资源整合两方面拓宽了技术与工程课程体系的构建。

二、学段贯通与资源整合的课程体系

（一）学段贯通逐级深化的素养标准

从学前的具象模具到高年级的抽象问题设置，情境建构机制与水平也在螺旋上升。四个学段内容的有效衔接对逐级提升学生的技术工程素养具有明显效力，也为一线教师开展教学提供有效参考。学生的技术和工程素养包含了解、归纳、操作、应用设计四个层面，对学生技术和工程实践能力要求逐步提升。STEL分学段设置学科内容、实践和情境方面要求，提出了八大核心学科标准：技术与工程的本质与特征（标准1），技术和工程的核心概念（标准2），知识、技术和实践的整合（标准3），技术的作用（标准4），社会对技术发展的影响（标准5），技术史（标准6），技术与工程教育的设计（标准7），技术产品与系统的应用、维护和评估（标准8）。各标准间环环相扣，层层递进，回应了学生应了解的技术与工程概念，需进行的技术与工程实践操作和对待技术与工程应持有的态度。如表1所示，I至IV是其所对应的四个学段，1A至1R代表标准1的18个基准，以此类推，共计142条基准。[6]

（二）夯实校内资源的课程开发基础

校内如何开展工程教育一直是美国STEM课程体系落实和深化的核心问题之一。2009—2010年，美国先后颁布了《K-12教育中的工程：理解现状和未来提升》和《K-12年级工程教育标准》两份文件，强调了工程教育的基本原则[7]，以及工程教育实施的“注入”和“映射”两条途径[8]。美国工程教育之所以难以在校内开展，关键在于其学科领域涉及面广、教学开展的灵活性要求高、工程教师学科背景弱、与其他学科整合难度大、工程教育研究数据不充分等因素。STEL将技术与工程教育并列，对学科内容标准、实践和情境三大领域进行了跨学科整合，使工程文化和概念向技术渗透，降低了学科整合难度。八大核心学科标准对技术与工程的规定的关键内容进行详细描述（标准2），体现出技术与工程的人为性（与自然界区分）、跨学科性（技术、工程、科学、数学四门学科交互影响，标准3）和应用性（标准1）三个核心特征，能够有效聚焦学科课程内容、规范实践教学形式，从而夯实校内资源的课程开发基础。

在具体应用领域，技术与工程的社会影响具有两面性，技术开发人员需认真权衡技术的经济、社会和环境效益，推动可持续性发展（标准4），此基准为校内设施资源的建设提供借鉴。不仅如此，新技术的发展和创新需遵循技术的发展轨迹，了解技术史可洞见技术和工程发展的演变路径（标准6），在此基础上，社会需求、价值观和信念等因素驱动技术和工程的变革，推动新技术的传播（标准5），打开了校內课程资源的实施思路。为安全、高效地使用技术产品及其系统，需要对产品进行评估，对其定期排障、测试和诊断。评估环节为校内隐性资源的开发提供了审查依据，以“技术与工程的本质和特征”学科内容标准1为例，从学前到十二年级，涉及工程教育的内容涵盖工程师、设计工具、解释创造性关系、提出新方法等，技术和工程领域的内涵不断拓展，概念逐渐清晰，为工程教育的学校实施路径提供了有力抓手。《框架》首次提出的技术与工程素养，对学生现有的技术和工程知识和能力进行了测评，而STEL为校内技术与工程教育所需达到的学科知识目标和学科能力提供了统一明确的指导，为校内资源的开发夯实了课程实施基础。

三、技术和工程的实践框架与交互图景

（一）以实践统领K-12阶段技术和工程学习活动

美国的科学教育改革经历了由20世纪20年代关注科学知识的传播，60年代强调科学教育的过程与方法，90年代突出科学探究，到21世纪以实践为导向的理论流变，STEL的制定进一步拓宽了这一发展路径。2011年美国《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概念》（A Framework for K-12 Science Education：Practices，Cross-cutting Concepts，and Core Ideas）首次提出科学实践的概念，其原因在于此前科学教育中的实践活动缺乏科学性和方法论层面的认知以及对科学本质的深度理解[9]。实践强调科学学习需要学生不断对概念进行解构和建构的深化理解过程。不仅如此，美国的科学教育一直深受杜威实用主义哲学的影响，实践也有“取之实践，用之实践”之意，即以科学知识和技能的运用为最终目标。

STEL的八大实践领域由系统思维、创造力、制造和做（Making and Doing）、批判性思维、乐观、交流、合作、道德关注构成（见表2）。系统思维有两层含义，一是对技术的全面了解，二是对常用的系统模型的理解。创造力是综合运用认知能力和实践能力来达成技术与工程目标的能力。与其他学科不同，制造和做是技术与工程的核心，意味着技术和工程的学习需以学生的动觉学习为基础，并借助计算机软件或其他方法设计和制造技术产品和系统。批判性思维包括逻辑、推理和质疑等能力。乐观是一种迎难而上的观念，是坚信可以通过改进技术、实验、建模等方法，优化技术与工程问题的解决方案。交流在技术和工程教育中，一是作为一种工具，用于了解目标用户或社区的需要，二是作为一种手段，用于解释和辩护设计方案过程中所作的选择。合作是指团队成员能够积极投入个人观点和能力，为团队贡献力量。对道德的关注是指重视技术产品、系统和技术过程的风险评估与利弊，及其对他人和环境的影响。以培养学生的系统性思维为例，学生K-12阶段需从认识和例证产品关系、使用系统模型、排除系统故障等一系列具体的事件活动中获得对技术和工程概念知识的理解，活动的过程是与科学知识相融合的过程，从认识概念、到举例证明、再到运用和解决现实问题，均是以问题解决为导向的。实践领域强调了技术与工程学生的关键品质和人格特质，为学生未来工作准备创造了条件，也为教师构建课程实施和评估方案、设计和改进教学策略、建立教育社区之间的联系提供了脚手架和路线图。

（二）主题解构技术与工程素养的交互图景

本部分通过隐含狄利克雷分配（Latent Dirichlet Allocation，LDA）模型主题分析挖掘STEL的发展全景与未来趋向。LDA模型是一种文档主题生成模型，属于文本主题建模的分析工具，也称为三层贝叶斯概率模型，涉及词、主题和文档三层结构，主要应用于文本数据的浅层语义分析。[10]为发掘文本主题随STEL内容的变化趋势，按照章节把文档合并为一个文档集，再做主题分析，由此得到五个章节的主题演变。STEL的五章内容分别由技术与工程素养背景、技术与工程素养结构、核心学科标准、技术和工程实践、技术和工程情境构成。作为概率主题模型的隐含狄利克雷分布，体现的是主题所在章节与其他章节相比出现的概率，背景部分通过技术工具和工程设计，搭建丰富的学习环境，同时侧重技术史的体悟和自动化技术的学习过程。结构部分强调自然情境中的环境构建、问题逻辑、运输等议题，以及对结构要素的深度分析。标准部分关注以医疗健康主题为代表的STEM学习内容，并且侧重技术史和技术本质的理解，指向学生创造力的提升。实践部分侧重制作和做，以诸如能源等主题进行跨学科和多水平的实践。情境部分则基于设计的环境，关注学生在诸如农业和生物技术的主题中的系统思维和学习过程。如表3所示，在LDA模型五个主题分析结果中均有学生作为关键特征词，学生与其他关键词交互研究的频次最高，可见STEL以学生为中心，涉及学生的学习、能力、实践、交流、思维和经历等方面。整体上呈现出对学生STEM素养培育，关注产品设计与制造的过程，强调技术与工程素养教育要与实践相结合，同时重视产品在真实环境中的应用。

四、启示与展望

（一）基于本土STEM实践和国际经验，厘清技术和工程素养内涵

STEM教育以其跨学科整合的优势在我国备受关注，但是STEM四门学科的整合存在目标不清晰、内涵界定不统一等问题，使得STEM教育未能深度触及科学、技术与工程素养的本质问题。STEL明确了技术、工程及技术和工程素养的内涵，技术是对自然环境的改造，通过设计产品、开发系统来满足人类的需求;工程则是利用科学原理和数学推理优化技术以满足人类需求;技术与工程素养是指理解、运用、创造和评估技术与工程活动中人类设计环境的能力。我国K-12阶段的技术教育往往等同于信息通信技术、计算机技术或职业技术教育等;职业高中阶段对学生技术素养、工程教育重视也不足。因此，应从本土STEM教育实践的瓶颈问题出发，借鉴国际技术和工程教育经验，在厘清技术和工程素养内涵的同时，明确其实践路径和策略，推动我国技术与工程教育向纵深方向前行。

（二）跨学科课程与学段贯通横纵结合，构建技术与工程教育框架体系

跨学科课程是将多个学科的知识、原则和价值观进行整合。STEL在其核心学科标准内容、技术与工程实践和情境中都注重STEM四门学科的知识与技能、能力与实践、应用情境与场域的整合，并在以上三大体系上分别构建了贯通学段的基准，为教育工作者有针对性开展技术与工程教育提供参考。鉴于此，我国的技术与工程教育需注重技术与工程两门学科的整合融通和学段的纵向贯通：一是应结合现有的技术学科特点，借鉴国外循证课程开发与实践研究，明确技术和工程课程标准的编制原则;二是在内容选择上，以技术和工程学科共通概念（共同主题）为基础，加强跨学科课程融合;三是参考不同层面的教育研究者对K-12阶段学生开展的教与学过程的实证调查，循证提出不同学段和水平的技术与工程教育内容、实践和情境三维框架体系;四是技术与工程教育框架体系的设计应使用趋向明确的行为动词，为教师课堂教学和评价提供实施依据。

（三）整合多元主体打通产学研用合作模式，探索协同育人和评估机制

STEL的研发是ITEEA利益相关者共同协作的结晶。STEL的使用者包括课程开发商、教科书出版商、教师教育工作者等，其中真正推动STEL落地的是学校和教师。技术和工程的学习是手脑并用的探究活动，包括问题解决的高层次思维活动以及技术和工程的实践应用。因此，技术与工程课程标准的制定与人才培养一致，需要打破产学研用的合作壁垒，加强中小学阶段学校技术与工程教育与企业和高校之间的合作关系。技术与工程人才的培养离不开实训基地和专业技术人员、工程师的指导，企业可以提供给学生真实情境学习和实践观摩的场地，高校则可以对企业员工进行理论指导，从而增强技术和工程从业人员的理论素养。此外，还应建立产学研用一体化的协同育人模式与监测评估机制，以提高这种育人模式的实效。

参考文献：

[1]赵中建. 美国中小学工程教育及技术与工程素养评估[J]. 全球教育展望，2016，45（12）：3-24.

[2]National Assessment Governing Board. Technology and engineering literacy framework for the 2014 national assessment of educational progress[M]. Washington D.C.：NAGB，2013：10-12.

[3]黄芳. 美国《科学教育框架》的特点及启示[J]. 教育研究，2012，33（8）：143-148.

[4]杨玉琴. 美国NAEP技术与工程素养评估述评[J]. 外国教育研究，2017（8）：24-37.

[5]翟贤亮. 从具身认知的基本属性到边界条件：祛魅与新立[D]. 长春：吉林大学，2018.

[6]International Technology and Engineering Educators Association. Standards for technological and engineering literacy： the role of technology and engineering in STEM education[EB/OL].（2020-07）[2022-05].https：//www.iteea.org/STEL.aspx.

[7]National Research Council. Engineering in K-12 education： understanding the status and improving the prospects[M]. Washington D.C.：National Academies Press，2009：20-21.

[8]National Research Council. Standards for K-12 engineering education[M]. Washington D.C.： National Academies Press， 2010：45.

[9]盧姗姗，毕华林. 从“科学探究”到“科学实践”——科学教育的观念转变[J]. 教育科学研究，2015（1）：65-70.

[10]陈晓美，高铖，关心惠. 网络舆情观点提取的LDA主题模型方法[J]. 图书情报工作，2015，59（21）：21-26.

编辑 吕伊雯   校对 王亭亭