中美科学课程标准中的工程教育比较研究

美国《下一代科学标准》（简称NGSS）为什么强调在K-12教育中增加工程学课程？主要有三点原因：工程思维有助于培养学生的21世纪技能；工程教学法有可能提高学生在数学和科学方面的成绩；工程背景有可能提高学生对STEM学科和职业的兴趣。因此，在中小学科学教育中需要重视工程教育，培养学生的技术与工程素养以获得自身的发展和适应社会的要求。

本文的研究目的是从美国NGSS和中国《义务教育科学课程标准（2022年版）》（简称课程标准）中梳理关于工程教育的相关内容的发展，进行不同维度的对比，找到课程标准关于工程教育维度存在的不足以及发展空间，得到有益于我国在义务教育阶段发展工程教育的启示，促进工程教育在中小学科学教育中的融合和发展。

一、工程及工程教育

1.工程

工程通常被定义为创造用于社会用途的物体和系统。[1]根据工程师的定义，工程的特征是解决问题：工程师必须解决问题，设计产品，研究新方法或材料；工程工作是为了解决问题。[2]

工程教育项目审查委员会（1998）将工程学定义为一门以数学和自然科学为基础，有时运用人文和社会科学知识，旨在为公共安全、健康和福利建造有用的东西和舒适的环境的学科。英国皇家工程院（2000）将工程定义如下：为特定目的构思、设计、制造、建造、操作、维持、回收或废弃具有重要技术含量的物品所需的知识和应用的过程。在这个定义中，工程被认为是与特定技术内容相关的知识和过程。美国国家工程学院（2008）对工程的定义如下：没有哪个职业像工程一样释放创新精神，从研究到现实世界的应用，工程师不断通过大胆的解决方案来改善我们的生活，并且运用意想不到的前瞻性方式将科学融入生活；很少有职业能将如此多的想法变成现实，工程能对人们的日常生活产生如此直接和积极的影响，我们依靠工程师和他们的想象力来帮助我们满足21世纪的需求。[3]在这个定义中，工程被认为是一种职业，也是一种从思想中创造有用东西的活动。

自20世纪末开始，美国根据其自身的国情以及教育的发展，颁布关于技术与工程相关的文件与报告（见表1）。美国非常重视技术与工程教育的发展，并且从不同角度提出发展工程教育，这不仅揭示了美国基础教育阶段工程教育的现状，也描绘了工程教育的发展蓝图。

2.工程教育

美国《技术与工程素养标准：STEM教育中技术与工程的作用》（简称STEL）中对工程教育的定义为：工程教育的目的在于培养学生以使他们具有广博的学识和综合的能力，并且了解工程与社会之间的相互作用，从而能够运用、创造与评价当前和新兴的科学技术，或者说是为了提高学生的工程素养。工程教育实施的方式可以是工程的独立课程，也可以与其他学科进行整合。[4]

人类进入工程时代之后，对于如何教授与工程相关的知识与技能更加重要。工程教育在不同的历史发展阶段出现了不同范式的变化：据国外的研究结果分析，工程教育的发展主要有技术范式、科学范式和工程实践范式阶段，[5]这体现了教育理念的更新以及社会的发展需求。

一些学者指出，未来十年可能成为全球最佳工程教育项目的四个关键特征，[6]从方向上来说可分为：主动学习、工程学习的选择性、社会变革主题以及以学生为中心。从这些关键特征（见表2）可以为我们当下的工程教育提供一些启示和思路。

二、STEM教育中的“E”

1.STEM教育中的工程教育

STEM课程将自然科学、工程、技术以及数学融合到一起，使得STEM的理论与实践更具创造性，并且可以帮助人们更好地理解世界。STEM的特点使它与其他领域形成鲜明对比，从而更好地满足社会发展的需求。STEM中的“E”涵盖了许多实践性的内容，既可以帮助学习者掌握基础的理论，又可以激发出他们更深层次的应用，因而成为STEM课程的核心。

STEM课程中的工程教育旨在帮助学生深入理解工程设计（Engineering Design Process，EDP），以及它所涉及的各种技术和实践操作，从而更好地解决工程问题。融入工程的STEM课程能使学习者建立完整的工程思维体系，从而更好地发挥自身的潜力，它不仅可以帮助学生将科学、技术和数学的理论融合在一起，而且可以激发他们的创新精神，促进STEM教育的发展。因此，工程教育的目的在于帮助学生更好地理解和掌握基础的STEM理论，以及帮助他们发展工程思维。[5]

在工程设计中，Jolly教授把整个STEM学科中的工程设计步骤总结为8个阶段（如图1），它们之间并非简单的线性关系，而是一种不断迭代重复的方式。因此，在解决问题时，可以通过反复使用这些步骤，或者在几个步骤之间进行循环，最终达到更优的结果。[7]

在科学中，制造也被认为是一种利用、证实理论和规律的活动。在数学中，建模被认为是与设计相关的活动，是经过研究和实践的。因此，STEM教育与工程教育，既融合在各个学科维度中，又单独作为工程教育与其他学科并存，将工程教育融入STEM教育中真正体现了跨学科教育。

2.义务教育阶段中的工程教育

美国将工程设计融入K-12课堂中，使其具备作为教学方法、学科实践和学科核心观念的内涵。学者黄桦梳理了工程设计融入K-12教育的发展历程“教学方法—学科实践—学科核心观念”（见表3）。[8]

我国义务教育阶段的工程教育主要在科学课程中实施，例如课程标准中“技术、工程和社会”“工程设计与物化”对工程教育的相关内容做出了具体的要求。中小学工程教育的核心特征表现为： 工程设计、决策制订、物化实现和思维培养。[9]因此，中小学要着重培养学生的工程意识，鼓励他们进行创新实践，并且参与工程职业的兴趣培养与训练。

将工程教育融入义务教育阶段科学教育是合理的，也是必要的，这为科学的应用和深入理解提供了真实的背景。工程本质上是跨学科和多方面的，因此没有单一类型的工程实践。本次研究从工程设计的第三阶段的发展出发，将工程设计作为学科核心观，对课程标准中的工程教育进行梳理，分析NGSS与课程标准中的工程教育维度。

三、NGSS与课程标准在工程维度的对比

1.NGSS中的工程教育

2012年和2013年，美国政府分别推行《K-12科学教育架构》和NGSS，这极大地拓展了K-12科学课堂的范围，有效整合科学与工程实践、学科核心概念、跨学科概念的三维学习框架，也为学生制订更加精准的学习目标，[8]使他们能够更好地掌握科学研究的方法和工程技术知识。NGSS包括了工程和科学的核心概念，突出了科学与工程教育的相互联系。[10]NGSS强调，把工程设计纳入科学课堂的范畴，[11]使其成为一种独立的、具有挑战性的活动，从而凸显科技发展与工程技术的密切关联。就科学而言，11个核心概念及其相应的子概念包含在科学核心概念中。而对于工程而言，仅列出了两个核心概念：工程设计与工程、技术、科学和社会之间的联系（见表4）。[12]

2.课程标准中的工程教育

本次研究主要梳理课程标准中关于工程教育的核心概念有“技术、工程与社会”和“工程设计与物化”，其中对这两个核心概念的学习内容描述如下。

技术、工程与社会的学习内容包括技术与工程的性质和特点，技术与工程对人们生活、生产和社会的影响，科学、技术、工程的相互影响，还包括体现上述内容且与所学科学内容有关的创意实践活动，以及利用创意作品进行自主探究。

工程活动的本质是创造人工实体，设计与物化是其中的重要环节。工程首先要定义和界定问题，明确需要满足的标准和规定的限制条件，形成多种可能的解决方案，基于证据进行优化并确定方案；物化是选择合适的工具和材料，实施设计方案，做出初步的产品或实物模型。经过对结果的评估，发现存在的问题并进行改进，对于比较复杂的产品或实物模型，可能需要多次迭代改进。

3.NGSS和课程标准中的工程教育内容对比

（1）框架结构对比

在NGSS中以“预期表现—学科核心概念—子概念”结构呈现技术与工程的关联，与课程标准中的“学科核心概念—学习内容—内容要求”的结构相反。美国以知识和技能的输出关联具体学习内容，我国则是对输入的知识内容提出要求。

（2）内容层面对比

NGSS和课程标准的工程内容都很丰富，均以学科核心概念搭建科学教育内容的框架，并在这些学科核心概念的学习过程中有机地融入各自的目标。NGSS的“工程设计”聚焦于工程设计中的三个重要环节，课程标准的“工程设计与物化”重视概念层面设计方案的得出，还从实践层面提出了要求，例如工具的使用、模型的制作等实物操作要求。我国技术与工程的内容包含技术与工程的本质和特点，强调科学原理在技术与工程中的运用，但是对技术工程与社会层面的关系描述较少。NGSS对技术、工程、科学和社会之间的关系进行了较为全面的描述。对于科学、工程和技术之间的联系，中美两国均包含技术与工程为科学的发展提供便利以及科学发现能够带来新技术或工程，但课程标准还突出了科学概念或原理在技术或工程中的运用，这一目标的提出有利于学生将所学的知识转换为可以解决实际问题的工具或方法。对于技术、工程与社会的关系，课程标准着眼于技术与工程对社会或个人带来的便利，而NGSS描述了社会、个人与技术工程的双向影响。

（3）学习内容对比

课程标准没有进一步对“工程需要定义和界定”做出对学习内容的描述，NGSS则对“定义问题”这一子概念作了进一步的阐述。

（4）实践层面对比

课程标准重视对工程设计环节中实践的掌握，而NGSS聚焦于实践过程中重要且具体的活动，所涉及的工程实践内容如图所示。课程标准对科学探究的一般过程以及技术与工程实践的一般过程分别提出六点要求，NGSS则对科学与工程实践提出八点要求。

（5）学习要求对比

NGSS对预期表现进行了多维度的整合，并且每一个预期表现都是包含科学与工程实践的具体任务。课程标准既给出了具有针对性的内容要求，又在内容整合层面提出了学业要求和学业质量。两者对比见表5。

4.小结

NGSS和课程标准作为科学教育的标准文件，均选择工程设计和STSE作为技术与工程的主要学习内容，同时将科学探究、技术与工程实践进行整合，作为科学课程学习的重要方式及目标之一，并且两者都采用核心概念整合教学内容，通过进阶设计体现对学生不同发展阶段的要求。另外，它们在框架结构、学习内容、实践以及要求维度上具有不同的发展。

课程标准的优势表现在：首先，在工程学习的内容和广度上优于NGSS，包括了技术与工程的本质和特征，还在学习要求中提出了技术史、技术与工程的核心概念等相关内容；其次，将学生的思维和情感具体化，在态度责任中提出社会责任，而NGSS缺乏对学生情感与态度的描述；最后，在技术与工程实践中强调了从科学原理到技术之间的转化，包括模型设计、工程应用等。

NGSS的优势表现在：首先，对工程内容维度的描述较为深入，如工程的学习内容、工程实践方面；其次，工程实践与学习内容之间的联系更为紧密；最后，在预期表现中具有整合性。

反思与启示

随着信息技术的飞速发展和人类社会的进步，要求学生既掌握基础的科学知识，又拥有丰富的工程设计和实际操作经验，从而使社会得到持续的发展和进步。但是从目前学校的课程安排来看，工程学还没有成为学校的主流教学内容，美国波士顿科学技术博物院馆长米奥利斯认为，K-12课堂几乎忽视了95%的人造世界，我们花费了大量的时间只让学生认识5%的世界。[9]另外，许多教师与学生对于科学与工程的界限模糊不清，他们把工程当成一种职业，如建筑工程等，而忽略了它所需要的知识。因此，NGSS倡导的“工程实践”课程旨在帮助学生深刻理解科学，并且培养他们的综合性思维，从而使其有效地应对日常的挑战。那么如何在实际的课堂中更好地教授工程内容，需要不断地学习与摸索。