在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育*

苏 洵 余舒雯 郑永和

在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育*

苏 洵 余舒雯 郑永和[通讯作者]

（北京师范大学 科学教育研究院，北京 100875）

在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育以培养学生的批判性思维、创新与解决问题能力、跨学科知识应用能力、合作沟通能力和伦理意识，是人工智能时代对人才培养提出的新要求。基于此，文章首先分析了统筹规划高质量中小学工程教育的价值意蕴，以此为基础定位并阐述在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育的基本内涵。之后，文章从实践、研究、师资、评价四个层面分析了我国统筹规划高质量中小学工程教育面临的现实问题。最后，文章针对这些现实问题，提出在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育的推进路径，即开发国家中小学工程教育核心内容框架、建立影响广泛的中小学工程教育研究共同体、提升中小学科技类教师的工程教学水平、构建面向全体中小学生的工程教育评价体系，以期推动我国高质量中小学工程教育的开展，并为实现创新人才的自主培养和深入落实教育、科技、人才一体化发展战略提供启示。

科学教育加法；中小学；工程教育；大科学教育；工程素养

当今时代，科技与产业持续变革，人工智能飞速发展并广泛应用于生产生活各领域，未来世界充满不确定性。面对未来社会的挑战，开展中小学工程教育能够帮助学生为未来生活和工作做好准备。中小学工程教育旨在培养全体中小学生的工程与技术素养，即理解、使用、创造、评价工程与技术产品的能力，并发挥工程学对于STEM教育的学科整合作用。党的二十大报告明确提出教育、科技、人才一体化的重大发展战略，并强调努力培养青年科技人才、大国工匠、卓越的工程师等科技领军人才和创新团队[1]。2023年2月，习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时强调在教育“双减”中做好科学教育加法[2]，奏响了向科学教育进军的时代强音。同年5月，《教育部等十八部门关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》（下文简称《意见》）发布[3]，明确提出统筹规划科学教育与工程教育，从跨学科教育的视角拓展了科学教育的内容和学习方式。在此背景下，本研究以统筹规划高质量中小学工程教育的价值意蕴为切入点，剖析在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育的基本内涵，并针对当前我国统筹规划中小学工程教育面临的现实问题，提出在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育的具体推进路径，以期为我国创新人才的自主培养提供思路。

一 统筹规划高质量中小学工程教育的价值意蕴

中小学阶段，在科学教育加法中统筹规划高质量工程教育有助于为国家培养优质的科技创新人才，提升公民的工程与技术素养，也突显出工程教育独特的育人价值。

1 契合国家优质科技创新人才培养的发展逻辑

当今世界正经历百年未有之大变局，应对大国博弈和新一轮科技革命、产业变革带来的挑战，解决关键技术“卡脖子”的问题，实现创新人才的自主培养，必须深入实施科教兴国战略和创新驱动发展战略，增强国家创新发展新动能。依赖高质量科学、工程与技术人才大军实现技术创新，是推动经济社会发展的核心驱动力[4]。优质科技创新人才的自主培养不仅要求加强高等工程教育改革，也需要将工程教育前置到中小学阶段。研究表明，学生在学校的工程教育经历与其职业兴趣直接相关，因为这些经历塑造了学生的工程与技术观[5]。学生通常在14岁之前形成对未来科学、技术、工程相关职业的兴趣[6]，而参加工程课程和活动的学生可能对从事工程职业更感兴趣[7]。因此，应为全体中小学生提供接受工程教育的机会，深化中小学生对工程、技术和工程师相关工作的认识，培养其未来的职业兴趣。

2 顺应提升公民工程与技术素养要求的现实逻辑

在各种技术产品、技术系统的设计与制造过程中，工程学扮演了重要角色。当今时代，工程与技术逐渐渗透到人类生产和生活的方方面面，已成为塑造社会的强大力量之一[8]。研究表明，工程教育有助于提升公民的工程与技术素养[9]。随着我们的生活越来越依赖于工程与技术，在基础教育阶段开展工程教育以提升公民的工程与技术素养，已成为美国、英国、澳大利亚、新西兰近年来教育改革的一项重要目标。所谓“工程与技术素养”，是指理解、使用、创造、评价工程与技术产品——人类设计的环境的能力[10]。提升公民的工程与技术素养，能帮助他们深入理解人类创造的世界和设计过程，并帮助他们在效益、成本、使用新技术的可行性方面和工程与技术相关社会性科学议题的评价与选择方面做出明智决定。为了更好地应对当前和未来生活中的工程与技术挑战，有必要在中小学阶段加强工程教育，培养学生的工程与技术素养。

3 突显工程教育独特育人价值的学科逻辑

儿童天生喜好设计、建造和拆解物品[11]，而自小学阶段起开展工程教育，有助于帮助儿童更持久地保留这份天性。另外，在中小学开展工程教育可以培养学生的问题解决能力和心理倾向[12]。现实世界中问题的解决常常是一个复杂的过程，既涉及问题的界定及其解决方案的设计、测试、迭代、评估等环节[13]，也涉及解决问题的毅力和信心。不同于传统课程偏重知识的传授，工程教育学科更多地强调在早期阶段培养儿童解决问题的能力和心理倾向。工程教育通常采用项目式学习的方式，内容包含设计、动手实践、探究、团队合作等，为培养学生的批判性思维、沟通、合作、创造力等“21世纪技能”创设了绝佳途径[14]。同时，学生在工程教育活动中可以进行自主设计，并对自己的学习负责，其学习的积极性、参与度相较于传统课程有了更多提升[15]，这些都显示出了工程教育学科独特的育人价值。

二 在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育的基本内涵

做好科学教育加法，是推进党的二十大提出的教育、科技、人才一体化发展战略的重要抓手，是培养科技创新人才和高素质劳动者大军、提升全民科学素质的关键，也是建设教育强国的突破口。不同于以培养卓越工程师、工程科学家、技术企业家、高素质技术技能人才为目的的高等工程教育，在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育，可以通过工程设计实践，为学生提供科学学习的真实问题情境，重在培养全体中小学生的工程与技术素养，发挥工程学在STEM教育中的学科整合作用。基于此，本研究从狭义、广义两个角度分析科学教育，并以此为基础定位并阐述在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育的基本内涵。

1 基本内涵定位

从狭义上讲，科学教育以面向中小学生的自然科学教育为主，涉及物理、生物、化学等学科，其目的在于培养学生的科学素养[16]。从广义上讲，科学教育涵盖幼儿园、小学、中学、大学各学段，在正式的学校教育环境和非正式的校外教育环境（如博物馆、科技馆、家庭、机构、社区等）均可开展，不仅涉及物理、生物、化学等自然科学学科，还包含技术教育、工程教育、数学教育等方面的内容[17]。《意见》对中小学高质量科学教育体系进行了全方位的顶层设计，并从大中小各学段一体化布局、校内外多元主体协同育人、“学-教-师-资-评-研”教育要素系统改革的三维视角，勾勒出一幅“大科学教育”的全景图[18]。可见，《意见》中提到的“统筹规划科学教育和工程教育”并非指向狭义的科学教育，而是直指广义的科学教育，其基本内涵是在“大科学教育”视域下统筹规划中小学工程教育。“大科学教育”突破了只关注中小学科学课程教学活动的狭义理解，而将科学教育视为一项涉及多元育人主体、不同学段、各个教育要素、多种保障机制有机融合以及整个社会共同发力以提升全民族科学素养的全局性、系统性大工程。

表1 科学、技术、工程三者的区别

2 基本内涵阐述

（1）突出学校主阵地，在科技类课程体系中融入工程教育元素

学校是统筹规划工程教育的主阵地。在中小学开展工程教育，并非将其作为独立课程并讲授工程学的全部内容，而是强调在科技类课程体系中融入工程设计、工程思维、技术与工程本质、跨学科概念、工程核心概念等工程教育元素[19][20]。科学、技术、工程三元论强调三者是不同类型的社会实践活动，具有本质区别，但同时又有密切联系[21]，这为工程教育整合于科技类课程体系奠定了理论基础。

根据科学、技术、工程的三元论理论[22]，本研究对科学、技术、工程三者的区别进行了对比分析，如表1所示，可以看出：科学以发现为核心，其目的在于认识世界；技术以发明为核心，其目的在于改造世界；而工程以建造为核心，其目的在于创造世界。具体来说，三者在实践目的、实践对象、知识形态、实践主体、活动过程、研究方法方面都具有本质区别。但与此同时，工程与科学、技术之间也存在密切联系。

工程与科学的密切联系主要表现为：①现代工程以科学原理为基础，科学原理会在工程实践中得到验证，而在工程与技术活动中开发的技术工具可以促进科学进步；②科学和工程都基于证据进行论证，且都开发并使用模型；③科学调查和工程设计相互促进，如科学探究生成的数据可以为工程设计决策提供信息参考[23]，而基于真实问题解决的工程设计可以为学生在真实情境中探索并理解科学原理提供支持[24]。研究表明，在科学教育中融入工程教育元素有助于提升学生的科学学习效果[25]。

工程与技术的密切联系主要表现为：①工程包含技术，技术是工程的基本要素。工程教育与技术教育之所以能进行整合，原因主要在于做工程是从做技术出发的，而技术知识、技术手段和方法、技术设备是开展工程活动的前提。②工程活动不是单纯的技术活动。技术与工程虽然都强调通过设计来解决问题，但不同于技术设计侧重将资源转化成可以满足人类需求的产品或系统，工程设计需要重点考虑自然法则、成本、安全性、可持续性、可制造性等各种限制条件[26]，并且为了达到这些限制条件，工程往往使用科学原理和数学知识来优化技术[27]。这表明与技术教育相比，工程教育具有更强的跨学科性，且能更好地整合STEM各学科。研究表明，通过技术教育整合工程教育可以提升学生对技术的理解和应用能力[28]。

（2）盘活社会大课堂，协同社会力量共建工程教育体系

调动社会各方力量形成中小学教育的合力，已成为当今教育改革的共识。国际上开展的中小学工程教育充分利用社会大课堂资源开发并实践独立的中小学工程教育课程，如美国的“工程即基础”（Engineering is Elementary，EiE）项目、“冒险工程”（Adventure Engineering）项目等。统筹规划工程教育应畅通各种渠道，建立校外工程教育资源融入机制：①社会教育机构、博物馆、科技馆等可以利用自身优势，开发并实施适合中小学生的工程教育课程；②工业界可以利用优势资源，加强与中小学的合作，为学生提供走进企业操作间、基地、生产线的机会，以近距离感受工程与技术的魅力；③家庭是教育的重要场所，家长应呵护孩子喜好动手、动脑的天性，可以提供工程技术类书籍和玩具，开展相关的亲子探索活动。

（3）进行一体化设计，实现大中小各学段工程教育的有机衔接

工程教育是一个从基础教育到高等教育的完整体系。对大中小各学段的工程教育进行一体化设计，可从以下方面入手：①根据学生的年龄特点和认知水平，设置大中小各学段的工程教育目标，系统规划不同学段的衔接与进阶；②以中小学工程核心教育元素为切入点，根据学段目标和学生的科学、数学知识掌握程度制定工程教学计划，形成螺旋上升、纵向衔接的工程教育体系，逐步提升学生的工程与技术素养；③推动大中小各学段一体化建设，着力破除各学段的合作与沟通壁垒，搭建各学段贯通培养的通道与交流平台；④发挥工科高校优势，选派工程专家到中小学指导具体的工程教学实践，积极开放面向中小学生的工程实践场馆和软硬件设备。

三 我国统筹规划中小学工程教育面临的现实问题

在澄清在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育之价值意蕴和基本内涵的基础上，本研究从实践、研究、师资、评价四个层面进一步分析我国统筹规划中小学工程教育面临的现实问题，以有针对性地提出具体的解决策略。

1 实践层面，中小学工程教育实践路径初步显现但整体发展不均衡

当前，我国中小学工程教育已初步显现出三条实践路径：①在中小学科学教育中融入工程教育。《义务教育小学科学课程标准（2022年版）》已明确加入“技术、工程与社会”“工程设计与物化”单元[29]，说明我国已在国家课程标准层面将工程教育融入于科学课程体系中。而在实践层面，以清华大学附属中学、中国人民大学附属中学实验小学、广东实验中学越秀学校等为代表的一批中小学在科学教学的过程中已经开发了许多优质工程课程[30]。②在中小学技术类课程中融入工程教育。在国家课程标准层面，《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》将工程思维纳入学科核心素养[31]，《义务教育劳动课程标准（2022年版）》已涉及工程的筹划思维、设计能力、团队合作能力等内容[32]。在实践层面，浙江省已将工程教育整合于技术类课程体系并在这方面积累了丰富的经验[33]。③利用社会大课堂开展工程教育活动，主要表现为校外机构开发了系列工程教育课程。例如，某教育集团下设“少儿工程院”，从工程师基本功、机械工程、建筑工程等多角度开发中小学工程课程，产生了一定的社会影响[34]。

整体来看，我国中小学工程教育发展并不均衡，主要表现为：①就教育覆盖面而言，重视中小学工程教育只是北京、广东、浙江、江苏等省市的零星行为，而在农村、偏远山区、中西部地区并未全面推行；②就教育主体而言，校内、校外教育缺乏协同部署，尚未形成有效联动；③就学段衔接而言，大中小各学段各自为政，缺乏有效贯通，尚未建立起一体化衔接机制。

2 研究层面，亟待建立影响广泛的工程教育研究共同体并加强相关研究

当前，我国已经建立起由南京师范大学、中国教育装备行业协会牵头，各级各类学校和教育机构等企事业单位共同参与的全国K12技术与工程教育联盟、全国K16技术与工程教育联盟两个公益性合作组织，这表明我国对中小学工程教育的重视程度有所增强。但目前全国范围内基础教育阶段的工程教育力量仍然比较薄弱，亟待建立影响广泛的中小学工程教育研究共同体。

研究成果方面，本研究以“中小学工程教育”“K-12工程教育”“K-16工程教育”为关键词在中国知网进行文献检索，检索时间设为“2011年1月～2023年12月”，检索期刊限定为CSSCI期刊、北大中文核心期刊，得到近13年来相关主题的研究论文共17篇，其中94%为思辨类研究，主要涉及中小学工程教育的意义、国外相关经验的介绍等内容。相比之下，中小学工程教育研究的国际成果更为丰硕。以其中专门刊登中小学工程教育的期刊为例：2011～2023年，该刊共发表中小学工程教育相关的论文143篇，其中92%为实证类研究。可见，我国中小学工程教育研究尚处于起步阶段，相关理论研究和实践研究均有待加强。

3 师资层面，中小学科技类师资匮乏且缺乏工程教育教学经验

工程教育在中小学不是一门独立的学科，其工程教学活动往往由科技类教师承担。据教育部统计，2021年我国小学阶段的科学教师、劳动与技术教师占全体教师的比例分别为3.7%、1.1%，初中阶段科学教师、劳动与技术教师的占比分别为0.08%、0.9%，高中阶段通用技术教师的占比为0.7%[35]。可见，我国中小学工程教育的师资十分匮乏。与此同时，职前中小学科技类教师工程教育教学能力的培养与提升没有得到足够重视，目前高等院校尚未开设针对中小学教育的“工程教育”师范专业。而职后教师培养除了个别地区的零星实践，如桂林兴华科学教育研究院每年举办教师工程教育培训、江苏无锡市定期开展中小学工程教育培训会，绝大多数在职科技类教师很少有机会参与专门的工程教育教学培训，因而缺乏相应的工程教学实践经验。

4 评价层面，尚未开发针对全体中小学生工程与技术素养的专项测评工具

当前，我国中小学工程教育评价主要集中在科技竞赛活动。在教育部公布的《2022-2025学年面向中小学生的全国性竞赛活动名单》中，全国青少年科技创新大赛、全国中小学信息技术创新与实践大赛等赛事均涉及工程教育方面的内容[36]。另外，桂林兴华科学教育研究院举办的“青少年科技运动会”赛事包含水火箭、抛石机等八个项目，要求选手完成工程类实践项目并对其进行评价，产生了较大的社会影响[37]。但是，目前我国尚未开发针对全体中小学生的工程与技术素养评价工具。对此，我国可以借鉴美国“国家教育进展评价”（The National Assessment of Educational Progress，NAEP）中的技术与工程素养评价，该评价已于2014年、2018年针对全美八年级学生开展了两轮测评，为追踪美国学生的工程与技术素养水平变化并制定相关的政策文件提供了循证依据。

四 在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育的推进路径

基于上述现实问题分析，本研究从实际出发，提出了在科学教育加法中统筹规划高质量中小学工程教育的推进路径。

1 加强实践引领，开发国家中小学工程教育核心内容框架

工程教育引入中小学并非作为一门独立的学科，而是在“大科学教育”视域下进行统筹，因此没有必要为工程教育开发专门的学科课程标准。但鉴于工程教育的重要性，同时考虑我国中小学工程教育发展不均衡的现状，需要国家进行顶层设计，并汇聚大中小各学段数学、科学、技术、工程教育等学科的研究者和教师代表、企业代表、工程相关组织、科技赛事开发者、非正式教育组织等多方力量，共同开发国家中小学工程教育核心内容框架，以对工程教育的核心概念、跨学科概念、工程实践、工程精神、工程与技术观等进行梳理与整合。可以预见，该内容框架的开发将在一定程度上保障校内外各育人主体、各学段工程教育的一致性，为教学指南编写、教师培训、课程设计、教学评价等提供理论指导。例如，工程教育的相关研究者可以在该内容框架的指导下，总结提炼北京、浙江、广西等地的优质工程教育教学实践经验，本着“和而不同”的原则学习、借鉴国际工程教育理念方法，为工程教育不同学段的教师编写教学指南，并在中小学科技特色校先行开展教学试点工作，再逐步向全国推广。

2 夯实研究基础，建立影响广泛的中小学工程教育研究共同体

工程教育质量的提升，需要持续的理论和循证研究提供支持，这就需要建立影响广泛的中小学工程教育研究共同体。该研究共同体重在倡导科学教育、技术教育的研究者关注如何将工程教育融入学科教育，如何在现有的科技类专业硕士、博士培养方向中加入工程教育，同时加强与高等工程教育工业界、企业界相关专家的合作，以推动中小学工程教育研究的不断深入。此外，该研究共同体还有一项重要任务，那就是加强中小学工程教育的相关理论和循证研究，具体可从以下方面入手：①在开展科学教育大规模调研时，重点调查当前我国中小学工程教育的现状，内容涉及校内外工程教育的师资情况、课程实施、教学评价、教师教学经验、师生对工程和工程教育的认识等，以摸清当前我国中小学工程教育的实际情况和存在的问题；②开展如何通过工程教育提升学生高阶思维能力、工程教学策略如何落地等问题的循证研究。

3 进行系统布局，提升中小学科技类教师的工程教学水平

优质的师资是提升中小学工程教育质量的关键。为此，国家需自上而下进行统筹部署，以不断提升中小学科技类教师的工程教学水平：①在职前培养阶段，一要发挥师范院校的积极引领作用，在中小学师范专业的培养内容中增加工程教育；二要鼓励并吸引科技专家、优秀工程师到师范院校兼职，加强其与师范院校的合作，以使职前教师获得专业指导和实用经验；三要从工程类教师培养源头积蓄力量，鼓励电子、计算机、自动化、机械等专业的优秀毕业生从事中小学工程教育事业；四要在科技类教师专业水平认证中加入工程教育，以深化教师对工程教育的理解和认识。②在职后发展阶段，一要利用已经开设的全国科学教师暑期学校，开展工程教育相关内容的培训；二要在全国中小学建立工程教育工作坊，聘请企业工程师、工程教学经验丰富的科技辅导员担任顾问，培训并带动更多的科技类教师研习工程教育；三要在全国范围内推广优质的工程教师培训项目，如桂林兴华科学教育研究院的科技运动会教师培训；四要在中小学智慧教育平台展示工程教育相关的优秀教学视频案例，以便于教师通过远程教学、线上学习等方式提升工程教学水平。

4 重视评价反馈，构建面向全体中小学生的工程教育评价体系

要保障中小学工程教育质量，需要构建面向全体中小学生的工程教育评价体系，具体可从以下方面入手：①重视工程教学过程中的形成性评价，应用学习性评价理论指导评价过程，以提升学习效果[38]。②开发面向全体中小学生工程与技术素养的测评工具，并定期开展测评。测评工具的开发需在国家相关部门的统一协调下，组织技术和工程专家、商业领袖、教育政策制定者、教师、家长及公众代表共同参与，以广泛征集和吸收各利益相关者的建议，提升测评工具的可靠性。③应用数字化技术，助力测评工作的开展。例如，应用AR、VR等技术模拟真实情境来吸引学生参与测评，应用基于交互式多媒体技术实现人机互动测评等。构建面向全体中小学生的工程教育评价体系，一方面便于学生根据评价结果了解自己的工程学习情况，提升学习的积极性和主动性；另一方面便于教师及时了解学生在工程学习方面的知识与技能掌握程度，从而有针对性地进行教学干预，并且测评结果也可为教师优化工程教育课程设计提供参考。

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Overall Planning High-quality Engineering Education in Primary and Secondary Schools within the Science Education Addition

SU Xun YU Shu-Wen ZHENG Yong-He[Corresponding Author]

It is a new requirement for talent training in the artificial intelligence era to cultivate students’ critical thinking, innovation and problem-solving ability, interdisciplinary knowledge application ability, cooperative communication ability, as well as ethical awareness through overall planning high-quality engineering education in primary and secondary schools within the science education addition. Based on this, the paper firstly analyzed the value implication of overall planning high-quality engineering education in primary and secondary schools, and accordingly positioned and expounded the basic connotation of overall planning high-quality engineering education in primary and secondary schools within the science education addition. Then, the realistic problems in overall planning high-quality engineering education in Chinese primary and secondary schools were analyzed from four aspects of practice, research, teachers and evaluation. Finally, in response to these realistic problems, the promotion paths of overall planning high-quality engineering education in primary and secondary schools within the science education addition were proposed in this paper, which included the development of core content framework of engineering education in national primary and secondary schools, the establishment of a research community of engineering education with wide influence in primary and secondary schools, the improvement of engineering teaching level of science and technology teachers in primary and secondary schools, and the construction of an engineering education evaluation system facing for all primary and secondary school students. These proposed measures were expected to promote the development of high-quality engineering education in primary and secondary schools in China, and provide insights for autonomous cultivation of innovative talents and the in-depth implementation of the integrated development strategy of education, science, technology and talent.

science education addition; primary and secondary schools; engineering education; big science education; engineering literacy

G40-057

A

1009—8097（2024）01—0035—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2024.01.004

本文为教育部哲学社会科学研究重大委托项目“中国工程教育战略与改革路径研究”（项目编号：22JZDW002）的阶段性研究成果。

苏洵，讲师，博士，研究方向为中小学科学教育、工程与技术教育，邮箱为731049609@qq.com。

2023年10月8日

编辑：小米