美国《P-12工程学习框架》探析

刘天伟

摘   要：美国工程教育协会和P-12工程教育卓越推进组织牵头，于2020年11月联合发布《P-12工程学习框架》。文章在对该框架进行内容分析的基础上，对比美国近年来发布的其他有关P-12工程学习的政策文本和工程教育实践，对其进行特点分析。该框架着眼于改善美国各州以及各学校P-12工程学习缺乏一致性和连贯性的现象，致力于提供共同的认知基础，明确界定了P-12工程学习的愿景和定位、内容结构以及成就期望。框架具有基础性和全面性，对工程概念进行澄清;关注工程的学科本质，明确工程教育在P-12教育系统的定位;强调工程学习要适应学生的发展三个特点。

关键词：P-12年级 工程学习 工程素养

工程作为科学、技术、工程和数学（STEM）学科的组成部分之一，被誉为STEM学科的粘合剂和实现课程整合的催化剂，可以为学生提供知识应用和跨学科学习的真实情境和机会，帮助学生了解数学、科学和技术与周围环境的相关性，增加学习兴趣，成为创造性的问题解决者。2000年以后，伴随着国际中小学科学教育与技术教育的学科转型，中小学工程学习的重要性日益凸显，包括我国在内的许多国家都以科学或技术课程为载体纳入工程学习内容。[1]

美国工程教育协会（American Society for Engineering Education）和P-12工程教育卓越推进组织（Advancing Excellence in P-12 Engineering Education）牵头，汇集32个州的300多位工程教育者、管理员、研究人员、行业代表等，建立了P-12工程教育共同体，经过3年的研制，于2020年11月联合发布《P-12工程学习框架》（Framework for P-12 Engineering Learning，下文简称《框架》）。下文就《框架》的主要内容和特点进行分析，以期为我国P-12工程教育实践提供参考。

一、《框架》主要内容

（一）愿景和目标定位

目前，世界范围内的P-12工程学习多以STEM教育的形式开展，将培养学生的STEM素养作为目标。[2]但是，现有的许多STEM教育实践往往被视为常规教育以外的一种“消遣”，加上STEM是一个内涵广泛的术语，其各个组成部分在实践中往往受到不同程度的弱化，因而很难真正落实跨学科教学。工程是一种涉及应用科学、数学和技术知识，设计、开发和评估产品、过程、系统和结构，优化问题解决方案，进而解决问题的过程，具有整合性和真实性的特点，在促进学生跨学科学习上具有天然的学科优势。美国发布的《框架》的愿景和目标定位是确保每个学生，无论种族、性别、能力、职业以及社会经济地位，都有机会通过学校学习培养工程素养，成为能够理解工程、能够适应未来职场和社会并充分发展的公民;指出有效的工程学习可以弥补现有STEM教学实践中的缺陷，实现STEM教育愿景;倡议为所有学生提供公平的、具有一致性和连贯性、体现真实性和深度的工程学习机会，促进P-12工程学习的普及和高质量发展。[3]

为进一步明确工程学科在P-12教育系统中的定位，《框架》进一步阐明了科学和工程两门学科的联系和区别。一方面，科学和工程作为两门独立的学科，二者具有本质区别，可以体现在科学家和工程师的工作实践中。科学家的工作是发现世界的过程，专注于了解自然现象及其中的相互关系，而工程师的工作是改造世界的过程，需要解决问题，创造新事物。另一方面，《框架》指出科学和工程之间也有密切的联系，人们对周围世界了解得越多，就越容易完善自己的想法来改造世界。

（二）内容结构及成就期望

《框架》认为，具备工程素养的人是具备工程思维的综合学习者，能够“在工程情境（人造世界）中将内容知识、思维习惯、实践能力（如交流、思考和执行）以一种有意义的方式进行整合”[4]。《框架》根据相关研究，将P-12工程学习内容划分为三个维度，每一个维度下详细划分了下位概念。第一个维度是工程思维习惯——一种个人特征和思维方式。《框架》期望学生中学毕业时，能够将工程思维融入自己的思维方式，在参与或解决与工程相关的活动或问题时能够形成自动反应，包括乐观、坚持、合作、创造力、责任心和系统思维六个下位概念。第二个维度是工程实践——在工程领域从事的实践活动。《框架》期望学生中学毕业时能完全胜任四种工程实践：工程设计、材料加工（制造）、定量分析和专业性实践。第三个维度是工程知识——学生在工程实践过程中可以识别并能够在适当的时候利用的相关概念，可以指导学生以一种分析性、预测性、可重复性和实用性的方式解决问题。工程知识跨越三个知识领域：工程科学、工程数学和工程技术应用。工程知识维度是P-12工程学习内容中的一个辅助性维度。《框架》指出，学生在工程知识方面的发展往往晚于工程思维的发展，许多学生在高中毕业时也无法完全深入了解这些领域的全部概念性知识，但他们应该养成工程思维习惯，并应具备完成一项工程实践所必需的基本知识和能力。

同时，在学习内容及其表现形式的基础上，《框架》明确指出学生高中毕业时应该实现的成就期望（见表1）。

（三）实施原則

为保障P-12工程学习的高质量普及，促进学生工程思维的养成，《框架》提出六项指导原则。一是将公平作为首要原则。《框架》认为教育策略深刻地影响着学校实践和学生行为，P-12工程学习实践必须采用将公平作为首要原则的教学策略和方法，以学生的个人需要为依据提供教育支持，确保所有人都能养成工程素养。二是力求工程学习的真实性。《框架》认为真实性体现了工程的学科特性，与工程相关的教学活动应该以一种真实的、相关的方式准确地教授。三是关注工程学习的深度。《框架》认为基础教育阶段的工程学习目标和内容应该具备三个特征——必要性、具体、高度情景化，从而使工程概念不那么抽象。建议在日常教学实践中，不要设定诸如“应用工程设计过程来解决问题”等广泛的学习目标，而应将学习目标具体到满足学生特殊需要的层次上。四是建立在学生解决问题的能力之上。《框架》认为具备工程素养的个体在解决问题时采用的方法往往是结构化的，且更能体现工程的学科特性。因此，工程教育活动中应该有意识地引导学生从常规的、通用的方法转向更严格的工程实践方法。五是重视制作活动，将其视为激励学生主动学习的一种教育形式。制作活动是一种体验式学习活动，可以引导学生进行知识建构，使其在真实情景中学习，应该成为学生进行工程实践、应用知识的一种学习形式。六是与学生的兴趣、文化和经验建立联系。《框架》认为包容性的工程学习可以帮助学生减少学习过程中和从事相关职业面临的潜在障碍，学校要有意识地让学生感受到工程学习与日常生活的联系，指导学生以更具个性化的方式形成自己的工程学习体验。[6]

二、《框架》主要特点

除了《框架》，美国还曾发布多份涉及P-12工程学习的相关文件，包括2013年发布的《下一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，NGSS），美国国家教育进展评估（National Assessment of Educational Progress）于2018年发布的《技术与工程素养框架》（Technology and Engineering Literacy Framework，TEL），美国国际技术与工程教育者协会（International Technology and Engineering Educators Association）于2020年发布的《技术与工程素养标准》（Standards for Technological and Engineering Literacy，STEL）。这三个文件受到学者广泛重视，下文基于NGSS、TEL和STEL三份文件，结合国内学者的解读，对《框架》的特点进行分析。

（一）具有基础性和全面性，实现对工程概念的澄清

《框架》为学生提供了一个具有基础性和全面性的工程学习愿景图。《框架》建立在美国已有的工程学习实践之上，明确将工程教育定位为贯穿P-12阶段，发展学生工程素养的普通教育。在《框架》出台之前，以美国为代表的工程学习实践更多地是以已有的科学或技术学科为载体，工程在其中扮演着“助手”的角色，其本质是引入工程以改善另一学科。比如，NGSS纳入工程内容的出发点是给予学生更多应用科学知识的学习机会，通过“做”和“实践”提高学生的科学学习兴趣进而改善学生的学业成绩，培养学生的科学素养。[7]相比于其他政策文本，工程在《框架》中具有学科主体地位，着眼于提供共同的认知基础以改善和提升中小学工程教育。

同时，《框架》中提供的工程三维学习框架实现了对工程概念的澄清，由于过去缺乏明确的标准和定义，已有的相关标准在呈现的内容以及表述方式上都存在差异，导致基于标准的教育实践往往存在不全面以及概念不清晰的问题。政策文本间存在的概念不全面、彼此混淆以及表述不清的现象，极大影响了中小学工程教育的进一步发展。《框架》基于这一点，试图通过厘清概念，减少教育实践中存在的歧义和误解，促进P-12工程学习的高质量普及。

（二）关注工程的学科本质，明确工程教育在P-12教育系统的定位

阐明工程学科本质，有利于为中小学工程教学和学习提供保障。《框架》对工程学科本质的关注表现在工程学科的独立性、工程学习的整合性和工程学习的真实性三个方面。首先，基于大部分学校都以STEM课程为载体进行工程教育，《框架》强调了工程学科的独立性，即与数学、科学等课程一样，工程学科也有其独特的发展价值，是关于人造世界的学科，与社会世界和自然世界并列，与人类生活密切相关。[8]因而，在P-12教育系统中，工程学科应该被落实为学校主流课程的必要组成部分。其次，《框架》发布的目标是改善和加强已有的STEM课程标准，强调工程学科所具有的天然跨学科性，认为P-12工程学习要与其他STEM学科相结合，通过跨学科的方式开展，同时也要保障工程学习的质量和深度。最后，《框架》重视P-12工程学习的真实性，强调教学实践要提供与学生的社会文化经验相结合的实例。

在学科本质这一点上，《框架》与其他三个工程学习文件具有一致性。NGSS、TEL和STEL也较为关注工程学科的特性，它们都是借助其他学科整合工程教育实践，注重澄清科学、工程和技术之间的复杂关系。此外，STEL中的“技术与工程情境”以及NGSS中的“工程、技术与社会的联系”都突显了对学科真实性的关注。[9]

（三）强调工程学习要适应学生的发展

《框架》非常重视工程学习与学生发展的匹配程度，指出工程素养的形成是循序渐进且具有阶段性的，对学生中学毕业应该达成的成就期望进行了规定，允许开发者依据学生的发展情况进行灵活调节。此外，《框架》明确提出建议，工程思维习惯的养成要早于工程知识的获得，小学阶段就可以培养学生的工程思维，工程实践可以贯穿整个P-12阶段并逐渐增加难度，而工程知识作为一个辅助概念，要到高年级及以后才有可能全部实现。

三、建议

结合《框架》的主要内容和特点，根据我国目前中小学工程教育现状，提出以下两点建议。

（一）提升工程学习意识，建立并完善中小学工程教育体系

我国的中小学工程学习实践主要是以科学教育为载体，2017年发布的《义务教育小学科学课程标准》中设置了“技术与工程”模块，现有的教科书中也在一定程度上呈现了工程内容。在实践中，工程学习大多以STEM教育的形式作为科学教学的补充，尚未发展成为日常教学的必要组成部分。但正如《框架》所说，工程与科学是一体两面的，其学科思维有本质上的区别。我国中小学阶段的工程教育还是一个尚在发展的新兴领域，其发展与落实是一个大规模、长期性的工程，我国可从政策层面推动中小学跨学科工程教学的实施，并进一步跟进高质量课程以及教师培养项目的开发，塑造教育生态，落实工程学科在中小学日常教学中的地位。

（二）构建P-12工程学习共同体，推进本土化研究和实践

美国各界对中小学工程教育的关注时间较早，且分布广泛，涉及美国国家工程院、各民间工程教育组织、学校、教师等，形成了研究和实践共同体，在学术研究和实践上均取得了较为成熟的成果与经验。我国目前虽然已有学者针对中小學工程教育展开了一定程度的研究，但总体上仍处于起步阶段，发展不足[10]，大部分研究更多着眼于概念澄清、价值陈述以及国外经验的描述，针对P-12工程学习的进阶、课程、教学、评估、专业发展等方面缺乏有深度的本土化研究。因此，建议建设工程学习研究共同体，加强P-12工程教育学术研究，为中小学工程教育课标完善、课程开发、教师培养等提供理论基础和实践支持。

参考文献：

[1]时慧，李锋.面向国际竞争力的新工程教育研究——基于K-12课程标准的国际比较[J].比较教育研究，2020，42（10）：66-73.

[2]UNESCO International Bureau of Education.Exploring STEM competences for the 21st century[R].Geneva：UNESCO International Bureau of Education，2019.

[3]STRIMEL G J. A P-12 engineering learning framework：expectations and resources toward achieving engineering literacy for all[C].Washington D C：American Society for Engineering Education，2021.

[4][5][6]American Society for Engineering Education. Framework for P-12 engineering learning[EB/OL].（2020-11-20）[2022-03-04].https：//p12framework.asee.org/wp-content/uploads/2020/11/Framework-for-P-12-Engineering-Learning-1.pdf.

[7]王磊，黄鸣春，刘恩山.对美国新一代《科学教育标准》的前瞻性分析——基于2011年美国《科学教育的框架》和1996年《国家科学教育标准》的对比[J].全球教育展望，2012，（6）：83-87.

[8]DUGGER W E，Jr. The relationship between technology，science，engineering，and mathematics[J].The technology teacher，1994，53 （7）：5-23.

[9]苏洵，丁邦平.美国PreK-12年级技术与工程素养标准解读与启示[J].比较教育学报，2021（2）：150-166.

[10]邢志强，王伟宾.新时代我国中小学工程教育的必要性与对策——基于高校与中小学教育融合的視角[J].首都师范大学学报（社会科学版），2021（4）：160-168.

编辑 朱婷婷   校对 吕伊雯