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夏雪梅:新时代科学教育背景下学校开展工程类项目的定位与行动 | 关注

发表时间:2024-07-06 12:50作者:夏雪梅来源:人民教育

民小编说

工程类项目是新时代科学教育的重要载体,可以促进科学素养、跨学科素养的落地,是新教材“素养化”的创新呈现。学校在实践工程类项目时有不同的课程组织方式。在具体开展过程当中,学校应注重提升工程类项目的质量,也应注重用项目群的方式体现素养的进阶、与科学概念之间的关联。一起来看上海市教育科学研究院普通教育研究所副所长、研究员夏雪梅的分析——


人工智能、虚拟现实等新一代信息技术飞速发展,科技、军事等领域大国重器的研发时不我待,需要新时代科学教育站在教育、科技、人才整合探索的交点上。一系列与工程教育密不可分的重大工程既为中国的现代化建设提供了强有力的支撑,同时也对学生的工程素养提出了新要求,给学校工程教育带来了新挑战。那么,新时代科学教育中为什么要加强工程素养的培育,又如何通过“像工程师一样”的工程类项目实施培育学生的工程素养?这些问题值得探讨。


一、新时代科学教育中为什么要加强工程类项目


根据新时代科学教育总体要求,要着力在教育“双减”中做好科学教育加法。《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》等文件提出,要统筹规划科学教育与工程教育,体现实践性、综合性。新时代科学教育中,工程类项目具有重要意义,加强其数量和质量很有必要。


(一)工程类项目是落实科学课程标准的重要载体之一


《义务教育科学课程标准(2022年版)》提出了4大跨学科概念和13个学科核心概念,其中有2个学科核心概念直接与工程有关:“工程设计与物化”,主要是以工程类项目为载体的工程实践;“技术、工程与社会”,培养学生以科学的思维方式思考现实问题,强调科学实践与社会实践的紧密结合[1]


在科学课程标准落实中,工程类项目的价值主要体现在两个维度。第一,直接指向上述与工程有关的两个学科核心概念的落地,同时也可以促进对结构与功能等跨学科概念的共同理解;第二,更重要却容易被人们忽略的是,工程类项目可以促进学生用工程实践的方式深化理解其余11个学科核心概念,如能的转化与能量守恒、生命系统的构成层次、生物体的稳态与调节等。比如,让学生设计小车可以涉及学科核心概念的理解——力作用于物体可以改变物体的运动状态,也可以涉及稳定与变化、系统与模型等跨学科概念。


工程类项目可以整合科学课程标准中的科学观念、探究实践等多个目标维度,能够改变学生只从纸面上理解科学概念、“一上手就废”的问题,通过工程实践将科学概念可视化、将“做”和“思”整合在一起,达成科学核心素养的实现。


(二)工程类项目是促进跨学科素养的重要载体


工程类项目可以充分培育学生的跨学科素养,包括复杂问题的沟通能力、非常规问题的解决能力、自我管理和发展能力、系统思考能力、创造性思维、批判性思维、合作交流等,这些都是学生在未来发展过程中非常重要的能力和素养。传统的单一学科教育多强调本学科的概念、技能和思维,工程类项目通常会跨越并整合科学、信息技术、劳动、语文、艺术等多个学科,相比较于语文、数学等单科的核心素养,工程素养具有更通用、整合、情境化的特征,与真实世界的关联更大。接受分科教育及传统授受式教学的学生在跨学科素养上的锻炼机会相对比较少。因此,工程类项目融入基础教育有望打破学科壁垒,帮助学生通过解决真实问题的方式培育跨学科素养,以迎接未来的生活和接受挑战[2]


从这个意义上讲,如果我们今天只是把工程教育当作增加的一门独立的校本课程,那么对于孩子的发展来讲意义不大。工程类项目应该与各学科课程建立起关联,成为转化应用语文、数学等学科核心知识与能力的一个载体。它不应该是额外增加的课程,而应该在学校课程系统中起类似“黏合剂”的作用,以项目为载体让学生经历“像工程师一样”的完整设计和思考过程,综合调动各种可用的知识和能力,创造性地解决问题。


(三)工程类项目是科学教材“素养化”的一种创新载体


从全球视角看,工程类项目渗透在世界很多国家的科学教材中,有些从幼儿园开始就已进入系统的进阶式培育,持续贯穿小学、初中、高中,一方面通过完整的工程类项目单元进行全过程的工程实践,另一方面通过嵌入各个科学单元中的微STEM、工程实践等对相关概念进行工程转化和应用。这些科学教材中的工程类项目的设计,整合科学阅读、数学探索、艺术设计等相关内容,将“素养”“跨学科”理念内置其中,呈现完整且清晰的工程类项目设计思路,并通过学生项目手册、线上项目资源、真实世界中的工程师介绍等多种方式,将科学教材内容“工程实践化”,让教师可教、可用。


2023年底,教育部召开新闻发布会介绍在中国上海设立国际STEM教育研究所的情况,这是联合国教科文组织在欧美之外设立的首个全球性一类中心。这些都强调在全球教育创新与变革背景下,科学、技术、工程和数学的整合,强调跨学科一体化的科学教育方式,我们的科学教育应该看到并呼应这一取向,支持学生和教师进行有意义的工程类项目探索。


二、理解工程类项目的特征及其在学校教育中的定位


目前,基础教育阶段也有一些先行的学校在进行工程教育,但内容和形式仍然是以知识或活动为主,或是将高等教育中的工程类知识移植到基础教育阶段,或是教授与设计思维相关的一般性内容与应用。这样的实践并不能有效促进素养目标的落地。什么样的工程类项目可以有效促进科学素养提升?要回答这个问题,首先需要分析工程类项目的内涵与特征。


(一)工程类项目的内涵与特征


工程类项目强调通过工程实践解决真实问题,产生工程类的成果,培育学生的科学和工程素养。在这一界定中,有以下几个关键点。


第一,工程类项目解决的是真实的工程问题。工程类项目不是单讲工程知识,也不是仅仅讲设计思维,而是解决通过工程思维可以界定的真实的工程问题。


第二,工程类项目需要通过工程实践来解决问题。不是照搬已有的经验,也不是按照固定的套盒手工操作,而是要经历界定问题、提出限制性条件、明确质量标准等一系列工程实践,侧重将科学知识和技术等应用于人类的生产、工程建设等,强调的是实践性、服务性和实用性。因此,工程类项目的实施过程要体现工程设计的结构性流程:通常都会面临一个真实的问题,需要学生界定其中的工程问题;然后提出工程问题中的限制性条件和最终的质量标准;再经过调动相关知识和真实世界中各种已有的范例分析,提出初步的工程方案,经过测试、同伴分析等进行迭代修改;最后根据工程方案以及工程限制条件和质量标准进行项目实施和成果验收,过程中可能需要多次测试评估产品的结构或功能是否符合预期。如果是用工程类项目促进科学概念的理解,在上述过程中还会增加对概念的追问等。


第三,工程类项目要产生真实的项目成果。工程类项目成果有较为明确的特点,一般会呈现为工程设计图、产品模型或真实产品等,这些成果都需要经过模拟或真实的检测,具有一定的真实要素,呼应驱动性问题。进一步而言,工程类项目成果不能仅仅是落实相关知识,还要具有一定的实用性和审美性,通过对现实中类似问题的解决分析、工程成果的拆解,促进学生明确真实世界中的工程设计在提升生活质量、推动社会生产力发展、缓解环境问题等方面的作用。


(二)工程类项目在学校教育特别是科学教育中的定位


当前,并非所有学校都在探索工程类项目。综观那些已经在探索中的学校,在做工程类教育或更具体的工程类项目时有几种不同的课程组织方式:一是不进入课程表,利用课后服务时间对有兴趣和有需要的学生开设。二是进入课程表并单独设置课程,利用校本课程或综合实践活动的课时实施。三是进入课程表,主要利用科学课程的课时或10%跨学科的课时实施。四是综合模式,针对不同类型的学生多种方式相结合实施。


这些不同的课程组织方式反映了学校对工程教育价值和目标定位的差异。隐含的争论点在于:工程类项目是一种点缀式、活动式、面向少数有兴趣学生的选择性活动,还是所有学生在科学教育中都应该有的工程实践经历?工程类教育/项目是否要独立于国家课程体系另外设课?我们认为,学校在考虑工程类项目时,不应将其看作一个孤立的系统。工程类教育/项目不仅与科学课程之间有着密不可分的关系,而且与其他学科之间也有着千丝万缕的关联。目前大多数研究认为工程教育应当服务于学科教育[3]。具体而言,工程设计过程和问题解决可以作为科学、数学等学科的学习方法和教学策略,以促进重要的学科概念、技能和学科思维的学习。


已有研究表明,这种对工程类教育/项目整合性的定位和模式对国家课程实施和学校教育带来的益处有[4]:(1)改善科学、数学等学科的学习方式并提升成绩(包括知识、技能等)。(2)增加对工程和工程师职业的了解,了解工程设计的过程及掌握相关工程技能,提升对从事工程职业的兴趣。(3)提升通用性技术素养(包括技术知识、技能、态度等)和与劳动相关的技能和态度。(4)增强社会责任感、审美意识和人文情怀。技术学科往往会忽略“非技术部分”,包括对技术本质的思考,技术与社会、文化、经济的联系,以及技术使用和发明过程中的权衡、优化、限制等要素。这些要素正是工程类教育/项目所强调的,工程设计和问题解决过程需要考量这些“非技术部分”[5]。(5)促进跨学科通用性技能的培育。


三、工程类项目发展现状分析及未来发展方向


结合近年来的STEM热潮,以及我们进行的项目化学习本土探索来看,工程类项目目前的发展有可圈可点之处,但也存在一些瓶颈与挑战,如下结合这些分析简要探讨这一领域未来的发展方向。


(一)工程类项目开展的数量虽有上升但总体偏少,地区发展、学校发展、教师参与不均衡


从整个项目化学习领域来看,独立于国家课程之外的STEM热度下降,同时伴随着国家课程中项目化学习探索的兴起。从2018年开始,项目化学习在语文、数学、英语、物理、化学、生物、历史等学科中的探索大幅增加。同时,科学领域中以工程逻辑展开的项目化学习探索也有所增加。


工程类项目在北京、上海、浙江、广东深圳、江苏无锡等地区开展较多,随着国际STEM教育研究所落户上海,长三角一带将会有更进一步的发展。但是国内其他地区工程类项目的发展相对比较薄弱,地区间发展并不均衡。从参与教师来看,目前参与工程类项目的教师一般以技术学科、综合科学教师为主,分科的物理、化学、生物、地理教师参与较少,一所学校可能只有1—2个教师牵头,但是工程类项目原本应该是整合跨学科教师团队来实施。


国家加快建设科技强国,需要科学技术与重大工程双向发力。从未来发展而言,在此背景下做好科学教育加法,需要改变上述地区发展、学校发展、教师参与不均衡的状态,让更多教师实质性参与其中,让学生都能有工程类项目的实践经历。


(二)工程类项目以小制作、小手工为主,“让学生经历真实而完整的工程实践”方面有待提升


考察目前的工程类项目,大多停留在小制作、小手工。这类项目的特点是:(1)过程简化,比较关注制作结果;(2)以手工制作为主,比较缺少思维过程;(3)流程和结果相对比较固化,比如经常用科技套盒作为项目,套盒中的组件都是设计好的,学生按图制作即可;(4)工程项目基本采用主题方式进行,工程教育重点不突出,比如围绕“桥”的主题,重在了解“桥”的建造流程、历史文化等,或是重在模拟建造“桥”的模型,但是“桥建在哪里、有怎样的工程限制条件”等重要内容很少涉及。


在“让学生经历真实而完整的工程实践”上,未来还有很长的路要走。工程类项目的关键在于让学生有界定真实的工程问题的机会,有开发与使用模型的实践,实施调查研究,获取、评估和交流信息,综合运用数学和计算思维等分析和解释数据,设计工程解决方案,使用适宜的技术和工具创造成果等。以界定工程问题为例,重要的是要让学生直面真实的问题情境,从工程角度来思考和界定问题,而不是很快就跳过情境,转化为制作物化产品。比如,应该花更多时间思考“植物枯萎了怎么办”,而不是直接从这个真实问题转变成制作遮阳篷。事实上,在真正的工程领域,工程师会花很多时间进行前端性思考:这个问题到底意味着什么?想要解决这个问题有哪些限制性条件?成功意味着什么?


当教育目标是朝向素养并且希望通过工程实践落地素养时,工程类项目实施就要更多看到并体现“统整”的思路,灵活调用不同学科的能力综合解决问题,而不是分学科进行。比如制作能够保鲜水果的罐头盒项目,有的会采用分学科方式实施:先学习生物(S)了解水果的品种和生长喜好,然后采摘(T),再通过工程(E)设计制作方法,运用数学方法(M)分配水果和水的比例,最后装瓶,用艺术的方法(A)设计罐头盒外观等。这样分学科实施虽然容易操作,但已经改变了工程类项目的本质,工程类项目的解决思路和方法是从整体上分析问题,灵活调用相关知识,而这些知识又是整合在“像工程师一样”的思维和实践流程中。


(三)工程类项目大多是“单点”项目,“体现素养的进阶、与科学概念之间的关联”方面有待提升


工程类项目目前比较多的是“单点”项目,有些会根据主题有一定的课程结构。但是总体来看,“桥”“火箭”“小车”“船”等主题,“声”“光”“浮力”等科学概念,在幼儿园到初中不同年段的工程类项目中都会广泛涉及。这些项目应该综合考虑工程实践的复杂性、所指向概念的进阶性等,将“单点”项目串成网,使“单点”项目的设计在纵向上更具有年段特征,在横向上增强项目与课程标准之间的关联。比如关于“车”的主题,幼儿园阶段在科学知识方面关注车的分类、特点等,在工程方面关注会使用简单的工具;小学阶段在科学知识与能力方面关注“力与运动之间的关系”科学实验等,在工程方面逐渐关注工程设计,如“认同或质疑某些设计方案,初步判断其可行性和合理性”等;中学阶段在科学知识方面会融入牛顿定律等内容的学习,在工程方面会完整经历明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等过程,更关注“问题—改进—新问题—再改进”的实践过程。


在未来发展中,工程类项目实施的关键在于形成一个贯穿各年段的进阶性素养结构,通过这个素养结构工程类项目能建立与课程标准的实质性关联。为此,工程类项目在设计中需要根据不同年段儿童的特征,考虑素养的进阶性与对科学概念的覆盖性。


注释

[1] 中华人民共和国教育部制定. 义务教育科学课程标准(2022年版)[M]. 北京师范大学出版社,2022.

[2][4][5] National Academy of Engineering and National Research Council. Engineering in K-12 Education: Understanding the Status and Improving the Prospects[M]. Washington,DC: The National Academies Press,2009.

[3] Moore T J,Glancy A W,Tank K M,et al. A Framework for Quality K-12 Engineering Education: Research and Development[J]. Journal of Pre-College Engineering Education Research(J-PEER),2014,4(1).

(作者系上海市教育科学研究院普通教育研究所副所长、研究员,教育大数据与教育决策实验室研究人员)


文章分类: 科技教育