摘 要：培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力是美國基礎(chǔ)教育科學(xué)課程改革的新舉措?；谏鐣?huì)發(fā)展、國家安全，以及科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)（Science，Technology，Engineering，Mathematics，STEM）教育現(xiàn)狀，重視工程實(shí)踐旨在為優(yōu)化大學(xué)教育和培養(yǎng)未來勞動(dòng)力做準(zhǔn)備。工程實(shí)踐與科學(xué)實(shí)踐相輔相成、同中存異，其主要內(nèi)容是工程與實(shí)踐的協(xié)調(diào)配置，是工程與科學(xué)并存、由探究向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變、重視學(xué)習(xí)進(jìn)階等理念的恰當(dāng)融合。

關(guān)鍵詞：美國；科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)；課程改革；工程實(shí)踐

2011年7月，美國國家研究理事會(huì)發(fā)布了《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念和核心概念》。該框架是美國制定《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standard，NGSS）的基礎(chǔ)。框架確定后，美國阿契夫公司（Achieve Inc.）牽頭研發(fā)最終的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》。2013年1月，阿契夫公司公開發(fā)布了《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（第二草案）》。該草案的內(nèi)容框架主要來源于《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念和核心概念》。“科學(xué)與工程實(shí)踐”作為框架中的三大核心內(nèi)容之一，在草案中得到了詳細(xì)的體現(xiàn)。工程在獲得與科學(xué)同等重要地位的前提下，關(guān)于其實(shí)踐能力的培養(yǎng)也得到了相應(yīng)的重視。

一、背景

工程實(shí)踐作為NGSS中的重要內(nèi)容，是“工程”與“實(shí)踐”的合理融合，把工程提升到與科學(xué)同等的地位，又強(qiáng)調(diào)實(shí)踐相對(duì)于探究的優(yōu)越性。工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)之所以得到美國基礎(chǔ)教育科學(xué)課程改革的重視，主要是基于宏觀和微觀現(xiàn)實(shí)狀況的考量。

首先，社會(huì)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)要求重視工程實(shí)踐。隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，流行疾病、自然災(zāi)害、能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)等人類生存問題隨之而生，嚴(yán)重威脅著社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。美國國家工程院（NAE）的相關(guān)研究認(rèn)為，21世紀(jì)全人類主要面臨創(chuàng)造清潔能源、提供潔凈水源、循環(huán)利用資源、防止核恐怖危機(jī)、推進(jìn)醫(yī)療信息化、改善城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多重嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。工程實(shí)踐在解決方案的研發(fā)中起主導(dǎo)作用。雖然工程實(shí)踐不能單獨(dú)解決所有的問題，但是缺少工程實(shí)踐便無法應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)。因此，基于人類發(fā)展和國家安全保障的需要，工程實(shí)踐必不可少。

其次，美國基礎(chǔ)工程教育現(xiàn)狀要求重視學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。STEM教育的出現(xiàn)表面上凸顯了美國對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的重視，但實(shí)際上卻是注重發(fā)展科學(xué)和數(shù)學(xué)教育，忽略技術(shù)和工程教育，尤其是工程教育近年來才逐漸面向K-12課堂。據(jù)美國國家科學(xué)理事會(huì)和國家工程院統(tǒng)計(jì)，1990～2009年，K-12階段接受正規(guī)工程教育的學(xué)生人數(shù)約500萬，僅占K-12階段年均入學(xué)人數(shù)的10%[2]。學(xué)生接受正規(guī)工程教育的機(jī)會(huì)較少，加之工程教育標(biāo)準(zhǔn)、州評(píng)價(jià)體系、工程教師培訓(xùn)項(xiàng)目的匱乏，使工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)只是紙上談兵。此外，工程教育并非孤立存在，它的發(fā)展與數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)能力的培養(yǎng)緊密相連。因此，重視工程教育，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力是美國K-12階段STEM教育發(fā)展的必然要求。

二、主要內(nèi)容

工程實(shí)踐作為NGSS“科學(xué)與工程實(shí)踐”的重要組成部分，其主要內(nèi)容與科學(xué)實(shí)踐既相互聯(lián)系又有所區(qū)別。

（一）工程實(shí)踐的目的

1.提高基礎(chǔ)教育階段學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

培養(yǎng)K-12階段學(xué)生工程實(shí)踐能力有助于提高其科學(xué)素養(yǎng)。自20世紀(jì)50年代末以來，科學(xué)素養(yǎng)便作為科學(xué)教育的核心目標(biāo)被廣泛提及，但其涵義在學(xué)界并沒有達(dá)成共識(shí)。1996年的《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)素養(yǎng)界定為關(guān)于科學(xué)原則和過程的理解及運(yùn)用，該原則和過程的理解與運(yùn)用能力主要用于個(gè)人決策和科學(xué)探討，包括批判思維、創(chuàng)新能力、合作能力、技術(shù)的有效運(yùn)用、終身學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)[3]。隨著科學(xué)的進(jìn)步和社會(huì)更迭對(duì)能力要求的轉(zhuǎn)變，科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵隨之得到豐富和發(fā)展。強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)便是科學(xué)素養(yǎng)在新世紀(jì)的新要求。K-12階段學(xué)生的工程實(shí)踐能力直接影響著大學(xué)的科學(xué)教育成效，把工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)提上改革日程可以為大學(xué)的科學(xué)教育做準(zhǔn)備。

2.增強(qiáng)未來勞動(dòng)力的實(shí)踐能力

培養(yǎng)K-12階段學(xué)生的工程實(shí)踐能力有助于增強(qiáng)未來勞動(dòng)力的實(shí)踐能力。對(duì)中學(xué)后直接參與工作的學(xué)生來說，K-12階段的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)是提高未來勞動(dòng)力工作效率的重要途徑。首先，工程實(shí)踐與科學(xué)知識(shí)和探究緊密相連，因此，理解和運(yùn)用工程實(shí)踐有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)社會(huì)的整體性認(rèn)識(shí)。其次，掌握工程實(shí)踐知識(shí)有助于提升未來勞動(dòng)力對(duì)基礎(chǔ)技能的敏感度和認(rèn)知度，明確工程實(shí)踐指向。最后，工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)關(guān)系著表達(dá)能力、交流能力、合作能力等一系列工作中必備的素質(zhì)，不僅是解決專業(yè)領(lǐng)域問題的必備條件，也是解決非工程領(lǐng)域問題的基礎(chǔ)。因此，增強(qiáng)未來勞動(dòng)力的實(shí)踐能力是工程實(shí)踐的主要目的之一。

（二）工程實(shí)踐的內(nèi)涵

工程實(shí)踐集“工程”和“實(shí)踐”為一體，與科學(xué)實(shí)踐并行于NGSS中。工程實(shí)踐與科學(xué)實(shí)踐既存在共同要素，又各有特殊性。

1.工程實(shí)踐與科學(xué)實(shí)踐的共同要素

工程實(shí)踐與科學(xué)實(shí)踐的共同要素主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，調(diào)查和基于經(jīng)驗(yàn)的探究；其次，展開邏輯推理、創(chuàng)造性分析，并建構(gòu)解釋、開發(fā)模型；最后，分析評(píng)估模型與理論解釋的合理性和規(guī)范化（見圖1）。

調(diào)查和基于經(jīng)驗(yàn)探究的過程主要進(jìn)行“提問和問題定義”“開發(fā)和使用模型”“規(guī)劃和開展調(diào)查”等實(shí)踐。無論在科學(xué)研究還是在工程設(shè)計(jì)中，提出一個(gè)準(zhǔn)確并且清晰的問題尤為關(guān)鍵。因此，具備提問的能力是進(jìn)一步研究和學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。模型的使用和調(diào)查的開展也建立在一定的問題之上。

在展開邏輯推理、創(chuàng)造性分析，并建構(gòu)解釋、開發(fā)模型的過程中，主要進(jìn)行“分析和解釋數(shù)據(jù)”“運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維”“構(gòu)造解釋和設(shè)計(jì)解決方案”“進(jìn)行證據(jù)論證”等實(shí)踐。理論建構(gòu)和方案設(shè)計(jì)階段的實(shí)踐首先基于調(diào)查分析和對(duì)數(shù)據(jù)的闡釋，在解釋數(shù)據(jù)的過程中必定會(huì)運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)模擬等實(shí)證性研究工具，因此，數(shù)學(xué)和計(jì)算思維的運(yùn)用貫穿于整個(gè)研究過程。之后，在調(diào)查、計(jì)算和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上形成理論建構(gòu)和方案設(shè)計(jì)，并基于論據(jù)論證該理論和方案的合理性。

在分析、評(píng)估模型和理論解釋兩方面的合理性以及規(guī)范化的過程中，評(píng)估作為每一步實(shí)踐的必要因素貫穿于研究過程的始終。無論在創(chuàng)建、完善理論和模型的過程中，還是在問題的調(diào)查中，批判性思維指導(dǎo)下的評(píng)估都必不可少。K-12階段工程與科學(xué)實(shí)踐主要表現(xiàn)為“獲取、評(píng)估和交流信息”。

2.工程實(shí)踐與科學(xué)實(shí)踐的區(qū)別

雖然以下八項(xiàng)實(shí)踐是工程設(shè)計(jì)與科學(xué)研究的共同要素，但是工程與科學(xué)始終擁有各自不同的研究對(duì)象、研究方法、研究目的、理論基礎(chǔ)等?；诓煌难芯糠妒胶皖I(lǐng)域，工程與科學(xué)體現(xiàn)在實(shí)踐中也各有側(cè)重。因此，二者是在“和”的基礎(chǔ)上而有所不同（見表1）。

（三）工程實(shí)踐的原則

工程實(shí)踐的提出強(qiáng)調(diào)工程在STEM教育中的重要作用，在實(shí)施中則主要關(guān)注實(shí)踐的中心地位。因此，NGSS中的工程實(shí)踐主要遵循以下四個(gè)原則。

1.面向K-12階段全體學(xué)生的實(shí)踐

工程實(shí)踐強(qiáng)調(diào)實(shí)踐是面向全體學(xué)生的實(shí)踐。NGSS中的工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)為不同的年級(jí)段設(shè)計(jì)了不同的預(yù)期目標(biāo)，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)闡釋和舉例。標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)幼兒園的孩子提出了適合的水平標(biāo)準(zhǔn)，逐漸增強(qiáng)幼兒的實(shí)踐能力。需要指出的是，該標(biāo)準(zhǔn)并沒有闡明每個(gè)年級(jí)的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，各州以及各學(xué)區(qū)可根據(jù)年級(jí)段標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)每個(gè)年級(jí)的具體標(biāo)準(zhǔn)。但是，無論如何，工程實(shí)踐必須是面向K-12階段全體學(xué)生的實(shí)踐。

2.實(shí)踐隨著年級(jí)的升高愈加復(fù)雜

工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)隨著學(xué)生生理和心理的成長而改變。例如，八項(xiàng)實(shí)踐之一的“規(guī)劃和開展調(diào)查”強(qiáng)調(diào)幼兒園階段的調(diào)查在已規(guī)劃好的情境中進(jìn)行，并在孩子明確調(diào)查對(duì)象、觀察、測(cè)量、記錄結(jié)果的過程中給予幫助；小學(xué)階段，學(xué)生需要自己規(guī)劃和開展調(diào)查，并隨著年級(jí)的升高而提高所調(diào)查問題的復(fù)雜性；中學(xué)階段，學(xué)生要能夠盡量減少調(diào)查中發(fā)生的錯(cuò)誤。總之，工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)從幼兒園到12年級(jí)都有其學(xué)習(xí)進(jìn)階（Learning Progressions，LPs），并隨著年級(jí)的升高而愈加復(fù)雜。

3.實(shí)踐是工程和科學(xué)的共同要素

工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究皆在此八項(xiàng)實(shí)踐的基礎(chǔ)上展開，并進(jìn)行反復(fù)探討和驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)和理論達(dá)到最優(yōu)化。即便實(shí)踐是工程和科學(xué)的共同要素，也因?qū)嵺`目的的不同而有所側(cè)重。在一定程度上，用于界定和解決問題的實(shí)踐即為工程設(shè)計(jì)，用于解答問題的實(shí)踐即為科學(xué)研究。

4.實(shí)踐相互關(guān)聯(lián)、重疊

八項(xiàng)實(shí)踐并非是相互獨(dú)立的個(gè)體，而是緊密相連的集體。它們之間既可以依次展開，也可以部分重疊、同時(shí)進(jìn)行。例如，“提問”這一實(shí)踐后可緊隨著“開發(fā)和使用模型”，也可隨之進(jìn)行“規(guī)劃和開展調(diào)查”，然后是“分析和解釋數(shù)據(jù)”；“運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維”這一實(shí)踐通常包含于“分析和解釋數(shù)據(jù)”中。因此，八項(xiàng)實(shí)踐在學(xué)習(xí)中并非按照嚴(yán)格的順序依次進(jìn)行，而是根據(jù)設(shè)計(jì)和研究需要進(jìn)行靈活調(diào)整。相對(duì)于幫助學(xué)生合理運(yùn)用每一項(xiàng)實(shí)踐，使之理解八項(xiàng)實(shí)踐之間的相互聯(lián)系更為重要。

三、評(píng)價(jià)

美國此次科學(xué)教育改革強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，是對(duì)STEM教育和社會(huì)發(fā)展需要的回應(yīng)，其目的、內(nèi)容和原則均體現(xiàn)出工程與科學(xué)并行、探究向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變、重視學(xué)習(xí)進(jìn)階等重要科學(xué)教育理念的融合。

（一）工程教育與科學(xué)教育并行

把工程教育融入科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)并非初次倡導(dǎo)，早在美國“2061計(jì)劃”系列叢書中就有所體現(xiàn)。但是，工程教育沒有在科學(xué)課程、評(píng)價(jià)以及科學(xué)教師教育中獲得與科學(xué)教育同等的地位。NGSS工程實(shí)踐最突出的特點(diǎn)是把工程教育融入科學(xué)教育結(jié)構(gòu)中，把工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究置于課堂教學(xué)中的同等高度，把工程的核心概念置于與其他主要科學(xué)核心概念的同等地位，使人們能夠在學(xué)習(xí)和目標(biāo)評(píng)價(jià)中對(duì)工程和科學(xué)一視同仁。K-12科學(xué)教育中科學(xué)與工程并行有一定的合理性，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，面對(duì)全球性問題的挑戰(zhàn)，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)、積極地從事工程和科學(xué)研究是整個(gè)社會(huì)發(fā)展的需要；其二，工程與科學(xué)并行有助于學(xué)生把所學(xué)的科學(xué)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際問題的解決，從而更加深入地理解科學(xué)的本質(zhì)[4]。因此，NGSS中工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)工程與科學(xué)并行，有助于社會(huì)問題和教育問題的解決。

（二）探究向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變

工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)探究向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)變，這是科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)豐富、發(fā)展的必然產(chǎn)物。20世紀(jì)60年代的科學(xué)教育改革中，“科學(xué)過程”（Progresses of Science ）被廣泛使用，并替代了60年代前科學(xué)教育所強(qiáng)調(diào)的“科學(xué)方法”（Methods of Science）?！翱茖W(xué)過程”的提出改變了科學(xué)教育引導(dǎo)學(xué)生“觀察”“闡述”“測(cè)量”“推理”和“預(yù)測(cè)”五步法，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等活動(dòng)，在活動(dòng)過程中獲得體驗(yàn)并基于體驗(yàn)理解科學(xué)本質(zhì)。20世紀(jì)60年代至90年代，“科學(xué)探究”（Scientific Inquiry）替代了“科學(xué)過程”?！翱茖W(xué)探究”的觀點(diǎn)認(rèn)為，科學(xué)概念的學(xué)習(xí)必不可少，并且應(yīng)基于概念的掌握逐漸培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。基于“探究”的學(xué)習(xí)有助于豐富學(xué)生對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)，適應(yīng)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平，并提高教學(xué)效率。即便如此，“科學(xué)探究”也沒有如預(yù)期般被廣泛運(yùn)用。21世紀(jì)初，美國學(xué)者認(rèn)為學(xué)校中的科學(xué)教育是一系列內(nèi)容和實(shí)踐的組合，實(shí)踐對(duì)探究的替代主要基于實(shí)踐的包容性：科學(xué)實(shí)踐代表教育中的“做”和“學(xué)”，二者密不可分；實(shí)踐內(nèi)涵則更為豐富，包括“反復(fù)做以至熟練精通”、“徹底學(xué)習(xí)以理解本質(zhì)”、“知識(shí)在現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用”等釋義[5]。因此，探究只是實(shí)踐中的一種方式，探究到實(shí)踐的轉(zhuǎn)變并非是對(duì)探究的完全舍棄，而是在原有基礎(chǔ)上的豐富和擴(kuò)展。

（三）重視學(xué)習(xí)進(jìn)階

提高科學(xué)教育中K-12年級(jí)或年級(jí)段之間的關(guān)聯(lián)度，是貫穿NGSS的重要原則和思想，并滲透于工程實(shí)踐之中。傳統(tǒng)科學(xué)教育的缺陷之一便是教育學(xué)生掌握一系列不直接相關(guān)或者相互獨(dú)立的科學(xué)事實(shí)，忽視科學(xué)知識(shí)和實(shí)踐之間的關(guān)聯(lián)和承接。學(xué)習(xí)進(jìn)階關(guān)注學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)和實(shí)踐與亟需掌握的知識(shí)和實(shí)踐之間的順承關(guān)系，強(qiáng)調(diào)更高水平的標(biāo)準(zhǔn)建立在前一水平的目標(biāo)之上，有助于從整體上提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。工程實(shí)踐中的學(xué)習(xí)進(jìn)階建立在學(xué)生原有的知識(shí)和能力基礎(chǔ)之上，基于學(xué)生對(duì)周圍現(xiàn)象的好奇心，用更科學(xué)的方式指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)和工程的本質(zhì)。學(xué)習(xí)進(jìn)階還強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)中知識(shí)和實(shí)踐的融合，各年級(jí)段的知識(shí)水平和實(shí)踐水平的對(duì)應(yīng)，使學(xué)生能夠合理地基于知識(shí)的掌握進(jìn)行工程實(shí)踐[6]?？偠灾?，“學(xué)習(xí)進(jìn)階”是NGSS根據(jù)學(xué)生生理、心理等發(fā)展的基本規(guī)律而提出的，把它融入工程實(shí)踐能力培養(yǎng)過程，不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)需要，也是基于“為了每一個(gè)學(xué)生的發(fā)展”的教育目標(biāo)而提出的重要教育理念。

四、結(jié)語

《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的制定體現(xiàn)了美國基于中小學(xué)科學(xué)教育現(xiàn)存的學(xué)業(yè)成績落后、求寬不求深等問題的解決方法和理念，工程實(shí)踐作為主要內(nèi)容之一被視為科學(xué)教育改革的重要路徑?；A(chǔ)教育階段工程與科學(xué)并行、探究向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變、學(xué)習(xí)進(jìn)階思想的合理融入可為我國科學(xué)教育改革提供一定的借鑒意義。

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編輯 朱婷婷 李廣平