工程素养：关键要素与培养策略

》 谭姣连

博士，教授，硕士生导师。广西中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0专家委员会委员，广西首届基础教育（义务教育信息技术）教学指导专业委员会委员，中小学通用技术国家教材建设重点研究基地兼职研究员。研究方向为信息化教学设计、STEM教育与创客教育、中小学技术与工程教育等。主持在研课题：国家社会科学基金“十四五”规划2021年度国家一般课题“基于场域理论的中小学技术与工程素养教育研究”等。

》 魏  宁

北京市东城区教育科学研究院研修员，《中国信息技术教育》杂志特约撰稿人/专栏作者。

为什么：工程素养在今天为何重要？

魏宁：在近年来的基础教育中，“工程”这个概念受到越来越多的重视，出现的频率也越来越高。例如，《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，对信息科技的界定是“信息科技是现代科学技术领域的重要部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现”。《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中的“三维设计与创意”“开源硬件项目设计”等模块，都提出了要利用工程的相关知识，发展学生的工程思维。在STEM教育中，工程（E）更是构成要素之一。近年来，您一直关注并研究工程素养及其培养策略，首先想请教您的是，为什么与工程相关的思维、素养在今天变得越来越重要呢？

谭姣连：首先，当今社会，工程技术已经渗透到我们生活的方方面面，直接影响人们的职业水平、生活品质和社会文化。因此，人们需要更多地理解技术对生活、社会和环境的影响，以及如何使用和开发技术产品、系统和过程来扩展能力，也就是说，技术与工程素养早已成为人们生存与发展的基本技能。

站在“百年未有之大变局”的背景下来看，国家间的竞争在根本上是科学和工程技术领域的竞争，这让独立自主发展我国的工程技术成为一项重要任务。而我国是一个制造大国，按照国家战略部署的要求，我国将在2045年建成世界领先的制造强国，要实现这一目标，离不开大量优秀的工程技术人才。我们欣喜地看到，今年1月，首届“国家工程师奖”隆重颁奖，这是以党中央、国务院名义对我国卓越的工程师进行的奖励，对广大工程技术人员是一个极大的激励，也提高了工程师的社会地位。随着工程技术的重要性在国家战略地位中的凸显，培养适应未来的工程建设者也成为基础教育的一个重要任务，而工程思维、工程素养作为一种工程基本技能，自然受到了普遍重视。

魏宁：我和一些中小学信息科技教师进行过交流，明显感觉到，一方面，大家对工程越来越重视，但另一方面，又不知道该怎样培养学生的工程素养。STEM教育已提出多年，但感觉工程（E）在其中是相对薄弱的一环。您如何看待这一现象？

谭姣连：这确实是当前的现状，在世界各国这都是普遍存在的，有学者把这种现象称为中小学工程教育的“沉默”或“隐身”状态。我想，造成这一状况的原因是多方面的。

首先，国际上，工程教育进入中小学也是近几十年才逐渐引起关注的，在我国的基础教育中，至今尚无专门的工程课程，虽然在高中阶段的信息技术、通用技术以及义务教育阶段的信息科技、科学等课程标准中涉及了工程相关的内容，但仍然缺乏系统的教学目标、内容体系和教学指导建议等。而在STEM或创客教育中，工程仅仅体现为某些项目的情境或线索，并未深入挖掘。

其次，我们对工程这一概念的理解还存在一定的误区。我曾经对我国工程领域的知名专家进行过访谈，其中有专家就谈到，长期以来，我们从专家到普通公众，都习惯使用科技、科技工作者这样的概念，但其实这个“科技”概念中是包含工程的，“科技工作者”也涵盖了科学家、技术人员和工程师。但这些称呼却给大众造成了误解，要么认为科技中没有工程，要么认为工程是技术的一部分，无论哪种认识，都导致了工程这个概念的缺失。我们的很多学生在上大学之前，对工程是几乎不了解的，我曾经采访过一些工程专业毕业的学生，问他们当初为什么填报工程专业，他们的回答是“其实我并不知道什么是工程”，只不过是老师或家长让他去填报的。

此外，现阶段我们中小学科学、信息科技、通用技术等学科的教师大多是师范院校毕业的，本身没有工程专业背景，职前职后均缺乏必要的工程理论与实践教育，自身在工程思维和素养方面不足。

以上种种原因，造成了当前中小学工程素养教育较为薄弱的现状。

有什么：工程素养中有哪些关键要素？

魏宁：正如您上面所说，当人们对工程的认识和理解还存在误区的时候，中小学生的工程素养是不可能得到很好的培养的。要想有效地培养中小学生的工程素养，我们是否应该首先搞清楚工程素养中有哪些关键要素？它包含了哪些基本的能力、思维、品质？您在这方面做了不少有益的探索，能否谈谈您的理解？

谭姣连：确实如此，要想培养中小学生的工程素养，就需要系统规划相应的目标和内容体系，探索有效的培养途径和策略。首先要做的，就是明晰工程素养中包含哪些关键要素，这样我们才能知道该培养什么、怎么培养以及如何评价。

我把这些关键要素总称为“工程核心素养”，这是因为基础教育是一种面向全体学生的普及教育，并不是直接去培养工程领域的专业人才的，因而更关注的是学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。工程核心素养指的就是中小学生在经历工程问题解决相关的学习与实践活动中，逐步积淀形成的能基本体现工程思维特征的关键能力和必备品质。

在文献调研和专家访谈、咨询的基础上，我对工程核心素养的要素进行了梳理，认为中小学工程核心素养应围绕解决问题和责任担当这两个核心关键展开，涵盖以下几个方面：

第一是工程基础认知。这是关于工程的最初级的认知，包括工程及行业认知，工程核心概念与方法，工程、社会与可持续发展要素等。要让学生逐步理解工程是什么，工程与科学、技术之间的关系，系统、资源、约束、优化、权衡、建模、过程、控制等核心概念，熟悉工程设计的基本过程和方法，认识到工程与社会、环境的相互影响，工程师的社会责任和伦理规范等。

第二是工程问题解决。指通过尝试解决具体问题，从而获得初步的问题解决能力，包括问题识别与评估、科学/技术探究与应用、权衡设计与实施、数据/信息获取与分析要素等。与一般的问题解决不同，工程问题解决更强调在一定的约束条件下，解决具有情境性、复杂性、综合性的问题。

第三是工程思维习惯，也就是我们所说的工程思维。指的是在长期工程学习与实践过程中形成的相对稳定的、影响较大的思维模式，主要包括了系统思维、批判性思维、创造性思维等。和科学思维不同，工程思维是一种“筹划型实体思维”，也是一种“造物思维”。学习工程思维，也就是我们常说的要“像工程师一样思考问题”。

第四是个人发展与团队工作。工程的显著特点是社会性、综合性和跨学科性，既需要个人发展，也需要团队工作，沟通交流、团队合作、自主与终身学习是其基本要素。

第五是工程精神与责任伦理。这是工程师特有的精神品质与社会责任，包括了乐观坚韧、责任与道德规范等。

综合来看，中小学生工程核心素养的目标定位不宜过高。我认为，培养中小学生的工程素养，一定要符合学生的发展规律。首要任务是培养学生的工程兴趣和工程精神品质的传承，在此基础上，循序渐进地开展工程问题解决能力和工程思维等的培养。

魏宁：我注意到，在您描述的工程核心素养中，特别包括了工程精神与责任伦理。当今科技的快速发展，带来了众多的伦理问题，人们对与科技有关的伦理问题格外关注，像“信息社会责任”也是信息科技课程的核心素养之一，对于工程精神与责任伦理，您是怎么考虑的？它又该如何培养呢？

谭姣连：是的，任何一项工程活动都和现实世界紧密相连。一个优秀的工程师，虽然他的能力很强，但如果精神品质方面出了问题，没有社会责任感，那将是致命的，所以，培养学生的工程精神与责任伦理尤为重要，我们将它列为了工程核心素养之一。

具体说，它又分为两个方面。一方面是乐观坚韧，因为工程师首先要热爱，才愿意投入精力，同时在工作中经常需要面对各种实际问题，这和面对学科学习还是有区别的，那在解决问题的过程中如何面对困难和挫折，这时就需要具有乐观坚韧的品质。

其实，乐观坚韧的品质是每个学生都应具备的一种素养，但在日常学习中，我们很少专门培养学生这方面的素养，主要原因就是缺乏落实的载体，而工程学习与实践活动就是一个很好的培养孩子乐观坚韧品质的载体。

例如，在我们的工程实践活动中，有很多学生一遇到困难，就马上想着换一条路径试试，不愿意努力尝试去解决具体的问题，有的学生甚至不愿意再往下做了。对教师来说，这就是一个培养学生乐观坚韧品质的契机。当学生遇到问题或感到困难的时候，教师要鼓励、指导和引导他们分析分解问题，寻找解决问题的途径，必要的时候还需要指导他们如何通过进一步学习和寻求专业指导与帮助，去解决其中相应的难题，并设置一些激励机制，鼓励他们多投入一点点、多思考一点点、多调试一次、多修改一遍。当学生获得进展或突破时，教师要及时肯定与表扬……这样，让学生从中获得成就感，并慢慢积淀，他们就会产生内驱力，渐渐形成乐观坚韧的品质。如果在实践中，教师只是关注作品能否完成，而忽视学生在工程实践活动中心理层面的变化，就会错失一次乐观坚韧品质的培养机会。

另一方面是责任与道德规范，在中小学阶段需要通过灵活多样的方法和途径让学生明白：任何一项工程实践都关系着人、社会和环境，稍有不慎就会出现重大事故，甚至危及国家和生命安全，因此，遵守道德规范，具有安全意识、法律意识乃至家国情怀，是基本的要求和保障。而从小建立起的这种责任感和敬畏感，才是坚不可摧的。

魏宁：您觉得在基础教育阶段培养学生的工程素养，除了上述关键要素，还有怎样的意义？

谭姣连：上面提到的工程核心素养是面对所有学生提出的，虽然大多数学生今后可能不会从事工程方面的职业，但作为一种基本素养，工程素养也是当今社会工作乃至更好地生活所需要的。同时，工程素养的培养也能对中小学生起到一个职业引领的作用。虽然不是职业教育，但我们仍然可以通过工程素养的培养，激发学生对工程的兴趣，让他们热爱工程，进而去发现一些具有潜在的工程天赋的好苗子，让他们未来有可能成为工程领域的从业者，甚至成为优秀的工程师。如果我们在培养学生工程素养的时候，完全抛开职业理想和追求，我想这也是不完整的。

怎么做：我们该如何培养学生的工程素养？

魏宁：通过以上对工程素养关键要素的描述，我们已经了解了工程素养该培养什么。那么接下来的一个问题就是，我们该如何培养学生的工程素养？在学校现行的教育体系中，您认为我们可以通过哪些途径去培养学生的工程素养呢？

谭姣连：在当前的中小学课程体系中，工程不是一个独立学科，但我们可以通过多场域多方式覆盖工程教育。学校是主要的培养场域，科技馆、图书馆等社会特定场所，家庭与媒体环境也都可以影响学生的工程认知和学习。在学校，培养学生的工程素养要注重并依托科学、技术、数学乃至人文艺术等学科。除了学科课程以外，在课后服务、校本课程、创客教育、STEM教育等社团活动或跨学科实践活动中都可以渗透工程素养的相关内容。此外，在校园文化节、冬夏令营、研学等活动中也可以开设工程素养相关的实践活动。

总的来说，工程素养的培养在中小学的实践主要可以借助两类场域，一类是常规的学校课堂的场域，另一类就是特定空间的一些场域。

魏宁：工程素养的培养具有鲜明的实践性、情境性、综合性特征，在实践中，有哪些行之有效的方法和策略呢？

谭姣连：站在学生角度，工程素养及其相关知识、技能的学习与实践，有两个重要特征：一个是容易受到环境和氛围的影响，因为工程实践活动通常发生在特定场所中，如创客空间、工作坊、各类技术实验室，场所的人员、设备、环境、氛围都会影响到学习的效果；另一个是综合性强，工程实践活动强调动手实践、问题解决，需要团队沟通、合作，与个体的兴趣、投入、沉浸体验的程度息息相关。