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基础教育阶段开展工程教育价值探析

2019/11/14 阅读:

摘要:从分析工程教育的要素出发阐述工程教育的内涵,围绕建设创新型国家、理解真实社会和与国际做法接轨三个方面,详细阐述了工程教育的意义,借鉴美国工程教育的做法最后揭示了在我国基础教育阶段开展工程教育的必要性。

关键词:基础教育;工程教育;创新能力

一、工程教育背景分析

(一)工程学的关键要素不少研究人员曾对“工程学”进行过定义。学者沃尔夫(Wulf)曾提出,工程学是指“在约束条件下进行设计”;《基础教育阶段教育中的工程学》提出“工程学是设计人造世界的过程”;学者罗杰斯(Rogers)认为“工程学是工程师们利用学知识和认知过程来设计、分析和解决复杂的系统,从而满足社会的需求”;《下一代科学标准》中提出“工程学是参与系统的设计,从而解决特定的人类问题”[1]。工程教育家史密斯(Smith)把工程定义为建筑、装置或系统地满足特定条件的最优化设计方式,并进一步指出,在宽泛的意义上,工程的本质就是在观念中设计装置、程序、系统,有效地解决问题,满足需要[2]。美国项目引路机构(PLTW)使用的中学工程教育主流教材《工程教育入门》(GatetoEngineering)中将“工程学”定义为“设计解决方案的流程的科学”,且明确了“工程学的流程包括为其他人制作生产产品所需要的图纸和模型”[3]。由以上论述可见,工程学是一门科学,它是需要进行设计的,也是应该满足社会/人类需求的。

(二)工程教育的要素工程教育是教授工程学相关知识和技能的学科。基于工程学的特点,工程教育明显不同于其他经典学科(如语文、数学)的学习方式——仅停留在本学科相关研究内容的传播中,而是包含了定义问题、建模与分析、提出解决方案、优化和权衡等流程,从而有效完成面对的实际项目。因此,“实践”可以说是工程学的核心,是开设工程教育的主要方式和重要途径。由此不难推断,工程教育的最终目标也应是着力于帮助学生面对真实世界的问题时,提高动手实践能力、解决问题的能力和创造力。此外,一般情况下,工程问题不是一个人能独立完成的,因此,工程教育还隐含了对小组合作、有效沟通、自我展示与表达等方面的要求。

二、我国基础教育领域实施工程教育的价值

(一)建设创新型国家的有效途径自2006年国家提出建设创新型国家战略以来,《关于深化体制机制改革加快实施创新驱动发展战略的若干意见》《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中,先后明确提出了创新驱动发展战略、强调构建创新型人才培养模式、加强培养创新型人才,尤其在《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中强调,基础教育要着力提高学生用于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力,探索发现和培养创新人才的途径。创新能力的培养已经作为国家人才竞争中的重点被一再提出,对于我国发展和参与国际竞争具有非常重要的意义。1.工程教育有利于促进学生的创新能力创新型国家的重要内涵之一就是国民具有创新素质,即国民的创造力。培养创造力,除了提升学科成绩之外,还要重视学生的思维方式、掌握的技能、解决问题的实际能力,等等,由此,学生需要的教育模式是:培养学生以用为主的学用结合、脑手身等相互结合、鼓励发散思维及冒险精神、重视培养独立思考和独立解决问题的综合能力、强调良好的道德品质教育[4],等等。《21世纪技能:为我们生存的时代而学习》一书指出了美国大学毕业生缺乏一些基本的诸如表达能力、批判性思考能力、解决问题能力、团队协作与配合能力等基本技能和应用技能,我国学生也有极为相似的情况。工程教育中则包含了系统思考的能力、创造力、合作能力、解决问题能力、伦理道德意识等。基于以上对工程教育的分析,工程教育以解决实际问题为导向,学生在学习工程设计的过程中,不但能够了解工程相关概念,学习工程设计的方法,而且必须通过各个项目的实际情况,尤其是项目中不同的现实条件约束,通过思考、辨析等方式,发挥创造力进行解决。也由此,工程教育对培养学生的创新思维有明显的作用。2.工程教育有利于为高校的工程教育打下基础自1977年10月28日至11月16日,教育部在北京召开重点高等学校应用科学和新技术学科规划会议,制订了机械学、电子学、土木建筑、化学工程学、材料科学和工程热物理等14门应用科学与新技术学科规划草案[5]以来,我国工程教育取得了巨大成就。目前,我国工程教育规模和培养的工程科技人才数量已位居世界第一。截至2017年底,我国教育部高等教育教学评估中心和中国工程教育专业认证协会共认证了全国198所高校的846个工科专业。通过专业认证,标志着这些专业的质量实现了国际实质等效,进入全球工程教育的“第一方阵”。令人意外地,相对于高等教育中工程学专业繁多、规模庞大的状况来说,我国基础教育阶段的工程教育可以说是空白的。这种“空白”主要体现在:①学者研究成果极少:在知网上搜索关键词,与基础教育阶段工程教育相关的论文不超过10篇,且多为2015年之后发表的,大多是由STEM教育引发的思考,与独立的工程教育相关的文章为零;②公办中小学中没有单独开设的工程教育课程;③在校外机构所开设的STEM、编程等相应活动中,指导教师学科背景为工程学相关专业的几乎为零;④校内外与STEM、编程等课程相关的活动或学习项目中,几乎全都不具有权威的、系统的工程学相关课程资源。同济大学机械学院具有多年一线教学经验、教研组织经验和课程研发经验的教授曾表示,由高中考入该学院的学生中,对工程学的认识和经验基本为零。例如,在认识方面,几乎全部人认为“工程师就是画图纸的”“如果完全按照相关理论进行设计,一项工程的开展会非常顺利”;在相关经验方面,大多数学生不具备画图的能力(哪怕只是草图),只有少数学生具有较为明显的分工合作的经历,大多数学生对材料的种类和区别一无所知;在对专业的认知方面,几乎每一届都有学生在经历了一学期的学习后,希望转专业,因为本专业“与我想象中的不一样”。这样的现象会导致报考工程专业的学生不一定热爱本专业,甚至排斥工程专业的某些必备经历(如需要到工地上参与实习项目),从而学生在毕业后离开本行业或无法学以致用,造成国家教育资源的浪费。还可能会导致进入工程专业学习的学生需要花费大量精力和时间重新学习画图等相关技能,甚至会影响学习进度。由此可知,在我国高等教育阶段工程教育飞速发展的情况下,通过基础教育阶段的启蒙和引导,使学生具有更加扎实、规范的基本功,相关专业有一定的认识,是夯实我国工程教育发展基础的重要途径,也是必经途径。

(二)工程教育有助于提高学生解决真实问题的能力1.有助于学生关注实际生活中的真实问题教育的最终目的是培养可以在真实社会中生活的人。我们所开展的学校教育,提倡给孩子多种经历,以达到启蒙、启发的作用。从这个角度来说,对真实社会的理解和思考,对学生来说是非常重要的一个环节、一种经历。工程教育的载体恰好能为学生提供这样的经历:工程教育中的项目多基于实际生活:大到国家主持开展的西电东输工程、三峡水利工程、高铁建设,小到家庭中智能家居的设计与创建、一支钢笔的维修,都属于工程问题的范畴,且与真实生活紧密相连,旨在解决实际生活中的真实问题。开展工程教育,为学生提供参与工程项目的机会,在现如今充斥着电视、平板、手机等多个终端的“屏幕社会”中,不得不说是引导学生回归现实、关注真实世界的有效途径之一。2.有助于学生形成解决真实问题的经验基于内容来自实际生活,学生参与工程项目,需要经历的过程一般包括[6]:•提出问题、定义问题•构建并使用模型•计划并进行调查•分析并解释数据•运用数学和计算思维•建立解释,设计解决方案•用事实进行论证•获取、评估并交流信息这样的思维过程,也是人们在现实生活中解决真实问题所经常经历的过程,有利于提升学生解决实际问题的能力。同时,工程项目引导学生考虑问题的思路,包括理解一个真实问题的解决会受到实际条件的限制而应在理想和现实之中取得平衡,以及通过与他人合作、沟通、协调而满足设计需求,都是学生理解真实社会所必需的思维方式和能力。

三、美国工程教育对我国的启示

[7]关于在基础教育阶段开展工程教育,国际上已有发达国家在行动。以美国为例,基于培养创新型、复合型人才,美国将STEM教育作为教育战略提出,且引起了国际社会上多国政府和学界广泛关注。为有效推动STEM教育,近十年来,美国十分重视STEM教育的核心——工程教育,着力通过在K-12教育阶段推进工程课程、课外活动以及以工程教育为中心的工程学校,着力加强工程教育在K-12教育阶段的力度。[8]美国基础教育阶段扎实的工程教育的开展不但有效推动了作为教育战略的STEM教育,也成功为国家启蒙、输送了越来越多的创新型工程师。美国在大力推动基础教育阶段的工程教育方面也表现出了教育强国的眼光和决心,对我国教育有一定的启示作用。在美国,工程教育的建立是在被定义为技术教育的保护伞下开始的。随着美国的技术教育在20世纪90年代初开始生根发芽,工程学被看作技术教育的核心要素,而并不拥有一种独立的教学形式或被看作一门独立学科。1996年,美国国家航空航天局(NASA)和国家科学基金会(NSF)支持由国际技术和工程教育协会(ITEEA)撰写的题为《面向所有美国人的技术》的报告的发展和传播。这份报告,连同NASA和NSF委托的另一份题为《技术素养标准》(StandardsforTechnologyLiteracy)的报告,为把工程学纳入正式学校课程创造条件。国家工程学院(NAE)在K-12的环境中为工程教育开辟一席之地也作出巨大努力。NAE在2000—2010年间成立了一系列委员会来处理与技术和工程教育相关的问题。2002年,NAE和美国国家科学研究委员会(NRC)在技术层面上发表了《为什么所有美国人都需要更多地了解技术以便围绕技术素养的理解和价值创造共性》一书,书中探讨了技术与工程交叉作为课程开发和教师专业发展的核心学科的意义。然后在2009年,以及2010年之后不久,NAE发表了两篇报告。[9]这两份报告为在国家一级就如何最好地将工程教育并入现有的K-12标准和框架进行更强有力的讨论奠定了基调。当ITEEA和NAE支持关于K-12教育工程师的全国巡讲时,教育强州马萨诸塞州正在制定自己的课程。马萨诸塞州是第一个全面阐明工程教育K-12标准的州。1993年的《马萨诸塞州教育改革法》使技术和工程纳入州教育标准成为可能,这导致1996年制定了《马萨诸塞州科学和技术课程框架》。2001年,对该框架进行了修订,包括了更多的工程原理和工程设计过程。马萨诸塞州采取的这些步骤促进了国家工程教育的发展。20世纪90年代中期,马萨诸塞州正式的K-12教育发生了转变,州立法试图将以前被称为“工业艺术”的东西,与真正的工业艺术区分开来并将它重新定义为“技术教育”。工程是作为技术教育的一部分出现的,但是将技术/工程应用到课程和教学中却遇到了阻力,因为在科学教育者、管理人员和家长之间缺乏对适合性和所有权的清晰的认识。直到马萨诸塞州的中小学教育部门带头努力,通过调整政策,使技术/工程与其他科学学科受到同等重视,将技术/工程应用到课程和教学中的观点才开始被完全认同。此外,不得不提的是,波士顿科学博物馆也在当地和全国的工程教育发展中发挥了关键作用。自20世纪90年代末至21世纪初担任塔夫茨大学(TuftsUniversity)工程学院院长以来,博物馆现任馆长米奥利斯(Miaoulis)博士一直担任国家领导人和K-12工程教育的发言人。在塔夫茨大学期间,米奥利斯博士和罗杰斯教授就K-12工程教育提出了早期的观点,并主张在塔夫茨大学建立现在的工程教育与推广中心(CEEO)。工程教育推广中心成立了,并且为各级教育工作者开设了课程和专业发展项目。该中心还与乐高公司合作,开发了Robolab软件,这个软件使乐高头脑风暴机器人工具包能够在课堂上使用。CEEO还推出了其他引人注目的产品,如面向小学学生和教师的“工程是基础”(EngineeringisElemen-tary,EiE)课程。EiE后来被科学博物馆采用,在扎根的同时,CEEO创建了工程未来(Engi-neeringtheFuture,EtF)课程来支持高中生的工程教育。与此同时,科学博物馆还通过创建国家技术素养中心(NCTL)来领导工程教育。最后,米奥利斯博士在将工程学纳入该州课程框架的努力中发挥了重要作用。有了这些组成部分和支持课程和专业发展、推广和传播的基础设施,科学博物馆已经成为K-12工程教育的地方、区域和国家催化剂。

参考文献:

[1]黄丹,刘恩山.工程学教育如何融入基础教育课程[N].中国教育报,2015-9-16.

[2]张铃.西方工程哲学思想的历史考察与分析[M].沈阳:东北大学出版社,2008:120-121.

[3]罗杰斯,莱特.工程学入门(上)[M].陈晨晟,房奇,沈哲亮,等,译.上海:上海科技教育出版社,2017.

[4]王洁.中原工学院大学生实践创新能力培养研究[D].郑州:郑州大学,2012.

[5]中国工程教育委员会.中国工程教育发展报告2012[M].北京:高等教育出版社,2013.

[6]赵中建.设计•制作•游戏:培养下一代STEM创新者[M].上海:上海科技教育出版社,2015.

[8]曾旋.美国基础教育阶段STEM教育实施情况研究——以综合STEM教育为例[D].南京:东南大学,2014.

[9]范燕瑞.STEM教育研究——美国K-12阶段课程改革新关注[D].上海:华东师范大学,2011.

作者:唐璐 单位:上海科技教育出版社

基础教育阶段开展工程教育价值探析

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