修前前 王濤 倫應(yīng)杰 王忠厚

摘? ?要：作為STEM教育的核心目標(biāo)，技術(shù)與工程素養(yǎng)逐漸受到國際重視。為幫助人們做出有關(guān)技術(shù)的明智決定，更好地為技術(shù)的設(shè)計、開發(fā)和使用作出貢獻，2020年7月13日美國頒布《技術(shù)與工程素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)和工程在STEM教育中的作用》。文章分析了該標(biāo)準(zhǔn)的研制背景和內(nèi)涵，闡釋其學(xué)段貫通和資源整合的課程體系，深度解構(gòu)技術(shù)和工程的實踐框架與交互圖景。我國可從基于本土STEM實踐和國際經(jīng)驗，厘清技術(shù)和工程素養(yǎng)內(nèi)涵;橫向整合跨學(xué)科課程、縱向貫通學(xué)段，構(gòu)建技術(shù)與工程教育框架體系;整合各級各類多元主體，打通產(chǎn)學(xué)研用合作壁壘，探索協(xié)同育人和評估機制。

關(guān)鍵詞：技術(shù)與工程素養(yǎng) 素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn) 工程教育? STEM教育

盡管研究者對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）概念的觀點莫衷一是，但在其跨學(xué)科整合的屬性上達(dá)成共識。STEM學(xué)科的課程體系經(jīng)過制度化和標(biāo)準(zhǔn)化的推進后愈發(fā)成熟，完成了學(xué)校內(nèi)實體化課程的升級塑造。但在中小學(xué)階段，STEM中的“E”基本上是“沉默無聲”的。[1]美國國家教育進展評估（NAEP）于2013年出臺《2014年NAEP技術(shù)與工程素養(yǎng)評估框架》（以下簡稱《框架》），是首次將技術(shù)和工程學(xué)科并列的學(xué)科素養(yǎng)與評估框架[2]。但該《框架》的三維學(xué)科內(nèi)容領(lǐng)域仍以技術(shù)為主，側(cè)重學(xué)生應(yīng)普遍掌握的知識和技能，并未深度解構(gòu)兩門學(xué)科的本質(zhì)概念和內(nèi)在邏輯，其評估結(jié)果多用于現(xiàn)狀描述，亦在指導(dǎo)教學(xué)改進和政策制定方面遭遇困境。2020年7月13日，國際技術(shù)與工程教育協(xié)會（ITEEA）制定了《技術(shù)與工程素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)和工程在STEM教育中的作用》（Standards for Technological and Engineering Literacy： The Role of Technology and Engineering in STEM Education，STEL），基于STEM教育背景，明確了技術(shù)和工程專業(yè)人才需具備的知識和技能，強調(diào)技術(shù)與工程人才的關(guān)鍵品質(zhì)和個性特質(zhì)，并簡要編寫用于制定特定年級課程計劃的教師和課程開發(fā)人員手冊。本文旨在深度闡釋該標(biāo)準(zhǔn)的背景內(nèi)涵、課程體系，解構(gòu)其實踐框架與交互圖景，以期為我國技術(shù)和工程教育提供借鑒。

一、STEL的研制背景和學(xué)科內(nèi)涵

（一）技術(shù)教育的工程轉(zhuǎn)向

威廉·E. 達(dá)格（William E. Dugger）博士于20世紀(jì)90年代倡導(dǎo)“面向全體美國人的技術(shù)行動”，在2000年首次出版了《技術(shù)素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》（Standard for Technical Literacy），并全力推行。[3]美國國家科學(xué)院在2009年發(fā)布《K-12教育中的工程：理解現(xiàn)狀和未來提升》，將工程教育的重要性提升至新高度。2010年，為順應(yīng)工程教育重要性日益凸顯的趨勢，國際技術(shù)教育協(xié)會（ITEA）改名為國際技術(shù)與工程教育學(xué)會（ITEEA）。美國國家教育進展評估于2014年提出了由內(nèi)容領(lǐng)域、實踐領(lǐng)域和情境領(lǐng)域所建構(gòu)的《框架》，為2020年STEL的制定奠定理論和實踐基礎(chǔ)。從總體上看，《框架》側(cè)重學(xué)生知識和技能的習(xí)得過程，強調(diào)“按需”的評估路徑，關(guān)注學(xué)生應(yīng)該普遍掌握的關(guān)鍵技術(shù)知識和能力，但未能呈現(xiàn)教師如何整合跨學(xué)科課程以指導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟知識技能學(xué)習(xí)的方法并習(xí)得社會情感技能的路線圖，因此不能作為技術(shù)與工程類課程教學(xué)的指南[4]，故而轉(zhuǎn)向STEL的多學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二）STEL的學(xué)科內(nèi)涵

八大學(xué)科核心素養(yǎng)列出了學(xué)生需掌握的技術(shù)的基本知識和工作原理、學(xué)生需具備的技術(shù)技能、學(xué)生需達(dá)成的意愿和價值觀，從認(rèn)知、過程和情感三個基準(zhǔn)整體建構(gòu)了學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)。具身認(rèn)知理論指認(rèn)知、身體和環(huán)境是動態(tài)的統(tǒng)一體，認(rèn)為生理體驗與心理狀態(tài)之間存在強烈聯(lián)系，生理體驗“激活”心理感知，反之亦然。[5]因此，在具身認(rèn)知理念下，良好、真實與多元的情境對技術(shù)與工程學(xué)習(xí)成效極為有利。在教育情境中，深度挖掘技術(shù)與工程學(xué)科的本質(zhì)和特征，能夠引導(dǎo)學(xué)生理解和熟悉技術(shù)與工程的相關(guān)概念及其與其他學(xué)習(xí)領(lǐng)域之間的關(guān)系。STEL對學(xué)科內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)與工程實踐、技術(shù)與工程情境（分別簡稱為“標(biāo)準(zhǔn)”“實踐”“情境”）三大領(lǐng)域的內(nèi)容設(shè)置均基于學(xué)生的身心發(fā)展水平，將技術(shù)與工程教育劃分為四個學(xué)段：學(xué)前至二年級、三至五年級、六至八年級、九至十二年級。內(nèi)容基準(zhǔn)是學(xué)生需要達(dá)到的具體目標(biāo)，學(xué)科內(nèi)容基準(zhǔn)的分段設(shè)置不斷深化拓展學(xué)生的技術(shù)和工程學(xué)科知識。STEL從學(xué)段貫通與資源整合兩方面拓寬了技術(shù)與工程課程體系的構(gòu)建。

二、學(xué)段貫通與資源整合的課程體系

（一）學(xué)段貫通逐級深化的素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)

從學(xué)前的具象模具到高年級的抽象問題設(shè)置，情境建構(gòu)機制與水平也在螺旋上升。四個學(xué)段內(nèi)容的有效銜接對逐級提升學(xué)生的技術(shù)工程素養(yǎng)具有明顯效力，也為一線教師開展教學(xué)提供有效參考。學(xué)生的技術(shù)和工程素養(yǎng)包含了解、歸納、操作、應(yīng)用設(shè)計四個層面，對學(xué)生技術(shù)和工程實踐能力要求逐步提升。STEL分學(xué)段設(shè)置學(xué)科內(nèi)容、實踐和情境方面要求，提出了八大核心學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)與工程的本質(zhì)與特征（標(biāo)準(zhǔn)1），技術(shù)和工程的核心概念（標(biāo)準(zhǔn)2），知識、技術(shù)和實踐的整合（標(biāo)準(zhǔn)3），技術(shù)的作用（標(biāo)準(zhǔn)4），社會對技術(shù)發(fā)展的影響（標(biāo)準(zhǔn)5），技術(shù)史（標(biāo)準(zhǔn)6），技術(shù)與工程教育的設(shè)計（標(biāo)準(zhǔn)7），技術(shù)產(chǎn)品與系統(tǒng)的應(yīng)用、維護和評估（標(biāo)準(zhǔn)8）。各標(biāo)準(zhǔn)間環(huán)環(huán)相扣，層層遞進，回應(yīng)了學(xué)生應(yīng)了解的技術(shù)與工程概念，需進行的技術(shù)與工程實踐操作和對待技術(shù)與工程應(yīng)持有的態(tài)度。如表1所示，I至IV是其所對應(yīng)的四個學(xué)段，1A至1R代表標(biāo)準(zhǔn)1的18個基準(zhǔn)，以此類推，共計142條基準(zhǔn)。[6]

（二）夯實校內(nèi)資源的課程開發(fā)基礎(chǔ)

校內(nèi)如何開展工程教育一直是美國STEM課程體系落實和深化的核心問題之一。2009—2010年，美國先后頒布了《K-12教育中的工程：理解現(xiàn)狀和未來提升》和《K-12年級工程教育標(biāo)準(zhǔn)》兩份文件，強調(diào)了工程教育的基本原則[7]，以及工程教育實施的“注入”和“映射”兩條途徑[8]。美國工程教育之所以難以在校內(nèi)開展，關(guān)鍵在于其學(xué)科領(lǐng)域涉及面廣、教學(xué)開展的靈活性要求高、工程教師學(xué)科背景弱、與其他學(xué)科整合難度大、工程教育研究數(shù)據(jù)不充分等因素。STEL將技術(shù)與工程教育并列，對學(xué)科內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、實踐和情境三大領(lǐng)域進行了跨學(xué)科整合，使工程文化和概念向技術(shù)滲透，降低了學(xué)科整合難度。八大核心學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)對技術(shù)與工程的規(guī)定的關(guān)鍵內(nèi)容進行詳細(xì)描述（標(biāo)準(zhǔn)2），體現(xiàn)出技術(shù)與工程的人為性（與自然界區(qū)分）、跨學(xué)科性（技術(shù)、工程、科學(xué)、數(shù)學(xué)四門學(xué)科交互影響，標(biāo)準(zhǔn)3）和應(yīng)用性（標(biāo)準(zhǔn)1）三個核心特征，能夠有效聚焦學(xué)科課程內(nèi)容、規(guī)范實踐教學(xué)形式，從而夯實校內(nèi)資源的課程開發(fā)基礎(chǔ)。

在具體應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)與工程的社會影響具有兩面性，技術(shù)開發(fā)人員需認(rèn)真權(quán)衡技術(shù)的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，推動可持續(xù)性發(fā)展（標(biāo)準(zhǔn)4），此基準(zhǔn)為校內(nèi)設(shè)施資源的建設(shè)提供借鑒。不僅如此，新技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新需遵循技術(shù)的發(fā)展軌跡，了解技術(shù)史可洞見技術(shù)和工程發(fā)展的演變路徑（標(biāo)準(zhǔn)6），在此基礎(chǔ)上，社會需求、價值觀和信念等因素驅(qū)動技術(shù)和工程的變革，推動新技術(shù)的傳播（標(biāo)準(zhǔn)5），打開了校內(nèi)課程資源的實施思路。為安全、高效地使用技術(shù)產(chǎn)品及其系統(tǒng)，需要對產(chǎn)品進行評估，對其定期排障、測試和診斷。評估環(huán)節(jié)為校內(nèi)隱性資源的開發(fā)提供了審查依據(jù)，以“技術(shù)與工程的本質(zhì)和特征”學(xué)科內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)1為例，從學(xué)前到十二年級，涉及工程教育的內(nèi)容涵蓋工程師、設(shè)計工具、解釋創(chuàng)造性關(guān)系、提出新方法等，技術(shù)和工程領(lǐng)域的內(nèi)涵不斷拓展，概念逐漸清晰，為工程教育的學(xué)校實施路徑提供了有力抓手?！犊蚣堋肥状翁岢龅募夹g(shù)與工程素養(yǎng)，對學(xué)生現(xiàn)有的技術(shù)和工程知識和能力進行了測評，而STEL為校內(nèi)技術(shù)與工程教育所需達(dá)到的學(xué)科知識目標(biāo)和學(xué)科能力提供了統(tǒng)一明確的指導(dǎo)，為校內(nèi)資源的開發(fā)夯實了課程實施基礎(chǔ)。

三、技術(shù)和工程的實踐框架與交互圖景

（一）以實踐統(tǒng)領(lǐng)K-12階段技術(shù)和工程學(xué)習(xí)活動

美國的科學(xué)教育改革經(jīng)歷了由20世紀(jì)20年代關(guān)注科學(xué)知識的傳播，60年代強調(diào)科學(xué)教育的過程與方法，90年代突出科學(xué)探究，到21世紀(jì)以實踐為導(dǎo)向的理論流變，STEL的制定進一步拓寬了這一發(fā)展路徑。2011年美國《K-12科學(xué)教育框架：實踐、跨學(xué)科概念、核心概念》（A Framework for K-12 Science Education：Practices，Cross-cutting Concepts，and Core Ideas）首次提出科學(xué)實踐的概念，其原因在于此前科學(xué)教育中的實踐活動缺乏科學(xué)性和方法論層面的認(rèn)知以及對科學(xué)本質(zhì)的深度理解[9]。實踐強調(diào)科學(xué)學(xué)習(xí)需要學(xué)生不斷對概念進行解構(gòu)和建構(gòu)的深化理解過程。不僅如此，美國的科學(xué)教育一直深受杜威實用主義哲學(xué)的影響，實踐也有“取之實踐，用之實踐”之意，即以科學(xué)知識和技能的運用為最終目標(biāo)。

STEL的八大實踐領(lǐng)域由系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、制造和做（Making and Doing）、批判性思維、樂觀、交流、合作、道德關(guān)注構(gòu)成（見表2）。系統(tǒng)思維有兩層含義，一是對技術(shù)的全面了解，二是對常用的系統(tǒng)模型的理解。創(chuàng)造力是綜合運用認(rèn)知能力和實踐能力來達(dá)成技術(shù)與工程目標(biāo)的能力。與其他學(xué)科不同，制造和做是技術(shù)與工程的核心，意味著技術(shù)和工程的學(xué)習(xí)需以學(xué)生的動覺學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，并借助計算機軟件或其他方法設(shè)計和制造技術(shù)產(chǎn)品和系統(tǒng)。批判性思維包括邏輯、推理和質(zhì)疑等能力。樂觀是一種迎難而上的觀念，是堅信可以通過改進技術(shù)、實驗、建模等方法，優(yōu)化技術(shù)與工程問題的解決方案。交流在技術(shù)和工程教育中，一是作為一種工具，用于了解目標(biāo)用戶或社區(qū)的需要，二是作為一種手段，用于解釋和辯護設(shè)計方案過程中所作的選擇。合作是指團隊成員能夠積極投入個人觀點和能力，為團隊貢獻力量。對道德的關(guān)注是指重視技術(shù)產(chǎn)品、系統(tǒng)和技術(shù)過程的風(fēng)險評估與利弊，及其對他人和環(huán)境的影響。以培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維為例，學(xué)生K-12階段需從認(rèn)識和例證產(chǎn)品關(guān)系、使用系統(tǒng)模型、排除系統(tǒng)故障等一系列具體的事件活動中獲得對技術(shù)和工程概念知識的理解，活動的過程是與科學(xué)知識相融合的過程，從認(rèn)識概念、到舉例證明、再到運用和解決現(xiàn)實問題，均是以問題解決為導(dǎo)向的。實踐領(lǐng)域強調(diào)了技術(shù)與工程學(xué)生的關(guān)鍵品質(zhì)和人格特質(zhì)，為學(xué)生未來工作準(zhǔn)備創(chuàng)造了條件，也為教師構(gòu)建課程實施和評估方案、設(shè)計和改進教學(xué)策略、建立教育社區(qū)之間的聯(lián)系提供了腳手架和路線圖。

（二）主題解構(gòu)技術(shù)與工程素養(yǎng)的交互圖景

本部分通過隱含狄利克雷分配（Latent Dirichlet Allocation，LDA）模型主題分析挖掘STEL的發(fā)展全景與未來趨向。LDA模型是一種文檔主題生成模型，屬于文本主題建模的分析工具，也稱為三層貝葉斯概率模型，涉及詞、主題和文檔三層結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于文本數(shù)據(jù)的淺層語義分析。[10]為發(fā)掘文本主題隨STEL內(nèi)容的變化趨勢，按照章節(jié)把文檔合并為一個文檔集，再做主題分析，由此得到五個章節(jié)的主題演變。STEL的五章內(nèi)容分別由技術(shù)與工程素養(yǎng)背景、技術(shù)與工程素養(yǎng)結(jié)構(gòu)、核心學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和工程實踐、技術(shù)和工程情境構(gòu)成。作為概率主題模型的隱含狄利克雷分布，體現(xiàn)的是主題所在章節(jié)與其他章節(jié)相比出現(xiàn)的概率，背景部分通過技術(shù)工具和工程設(shè)計，搭建豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境，同時側(cè)重技術(shù)史的體悟和自動化技術(shù)的學(xué)習(xí)過程。結(jié)構(gòu)部分強調(diào)自然情境中的環(huán)境構(gòu)建、問題邏輯、運輸?shù)茸h題，以及對結(jié)構(gòu)要素的深度分析。標(biāo)準(zhǔn)部分關(guān)注以醫(yī)療健康主題為代表的STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容，并且側(cè)重技術(shù)史和技術(shù)本質(zhì)的理解，指向?qū)W生創(chuàng)造力的提升。實踐部分側(cè)重制作和做，以諸如能源等主題進行跨學(xué)科和多水平的實踐。情境部分則基于設(shè)計的環(huán)境，關(guān)注學(xué)生在諸如農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)的主題中的系統(tǒng)思維和學(xué)習(xí)過程。如表3所示，在LDA模型五個主題分析結(jié)果中均有學(xué)生作為關(guān)鍵特征詞，學(xué)生與其他關(guān)鍵詞交互研究的頻次最高，可見STEL以學(xué)生為中心，涉及學(xué)生的學(xué)習(xí)、能力、實踐、交流、思維和經(jīng)歷等方面。整體上呈現(xiàn)出對學(xué)生STEM素養(yǎng)培育，關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計與制造的過程，強調(diào)技術(shù)與工程素養(yǎng)教育要與實踐相結(jié)合，同時重視產(chǎn)品在真實環(huán)境中的應(yīng)用。

四、啟示與展望

（一）基于本土STEM實踐和國際經(jīng)驗，厘清技術(shù)和工程素養(yǎng)內(nèi)涵

STEM教育以其跨學(xué)科整合的優(yōu)勢在我國備受關(guān)注，但是STEM四門學(xué)科的整合存在目標(biāo)不清晰、內(nèi)涵界定不統(tǒng)一等問題，使得STEM教育未能深度觸及科學(xué)、技術(shù)與工程素養(yǎng)的本質(zhì)問題。STEL明確了技術(shù)、工程及技術(shù)和工程素養(yǎng)的內(nèi)涵，技術(shù)是對自然環(huán)境的改造，通過設(shè)計產(chǎn)品、開發(fā)系統(tǒng)來滿足人類的需求;工程則是利用科學(xué)原理和數(shù)學(xué)推理優(yōu)化技術(shù)以滿足人類需求;技術(shù)與工程素養(yǎng)是指理解、運用、創(chuàng)造和評估技術(shù)與工程活動中人類設(shè)計環(huán)境的能力。我國K-12階段的技術(shù)教育往往等同于信息通信技術(shù)、計算機技術(shù)或職業(yè)技術(shù)教育等;職業(yè)高中階段對學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)、工程教育重視也不足。因此，應(yīng)從本土STEM教育實踐的瓶頸問題出發(fā)，借鑒國際技術(shù)和工程教育經(jīng)驗，在厘清技術(shù)和工程素養(yǎng)內(nèi)涵的同時，明確其實踐路徑和策略，推動我國技術(shù)與工程教育向縱深方向前行。

（二）跨學(xué)科課程與學(xué)段貫通橫縱結(jié)合，構(gòu)建技術(shù)與工程教育框架體系

跨學(xué)科課程是將多個學(xué)科的知識、原則和價值觀進行整合。STEL在其核心學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容、技術(shù)與工程實踐和情境中都注重STEM四門學(xué)科的知識與技能、能力與實踐、應(yīng)用情境與場域的整合，并在以上三大體系上分別構(gòu)建了貫通學(xué)段的基準(zhǔn)，為教育工作者有針對性開展技術(shù)與工程教育提供參考。鑒于此，我國的技術(shù)與工程教育需注重技術(shù)與工程兩門學(xué)科的整合融通和學(xué)段的縱向貫通：一是應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)學(xué)科特點，借鑒國外循證課程開發(fā)與實踐研究，明確技術(shù)和工程課程標(biāo)準(zhǔn)的編制原則;二是在內(nèi)容選擇上，以技術(shù)和工程學(xué)科共通概念（共同主題）為基礎(chǔ)，加強跨學(xué)科課程融合;三是參考不同層面的教育研究者對K-12階段學(xué)生開展的教與學(xué)過程的實證調(diào)查，循證提出不同學(xué)段和水平的技術(shù)與工程教育內(nèi)容、實踐和情境三維框架體系;四是技術(shù)與工程教育框架體系的設(shè)計應(yīng)使用趨向明確的行為動詞，為教師課堂教學(xué)和評價提供實施依據(jù)。

（三）整合多元主體打通產(chǎn)學(xué)研用合作模式，探索協(xié)同育人和評估機制

STEL的研發(fā)是ITEEA利益相關(guān)者共同協(xié)作的結(jié)晶。STEL的使用者包括課程開發(fā)商、教科書出版商、教師教育工作者等，其中真正推動STEL落地的是學(xué)校和教師。技術(shù)和工程的學(xué)習(xí)是手腦并用的探究活動，包括問題解決的高層次思維活動以及技術(shù)和工程的實踐應(yīng)用。因此，技術(shù)與工程課程標(biāo)準(zhǔn)的制定與人才培養(yǎng)一致，需要打破產(chǎn)學(xué)研用的合作壁壘，加強中小學(xué)階段學(xué)校技術(shù)與工程教育與企業(yè)和高校之間的合作關(guān)系。技術(shù)與工程人才的培養(yǎng)離不開實訓(xùn)基地和專業(yè)技術(shù)人員、工程師的指導(dǎo)，企業(yè)可以提供給學(xué)生真實情境學(xué)習(xí)和實踐觀摩的場地，高校則可以對企業(yè)員工進行理論指導(dǎo)，從而增強技術(shù)和工程從業(yè)人員的理論素養(yǎng)。此外，還應(yīng)建立產(chǎn)學(xué)研用一體化的協(xié)同育人模式與監(jiān)測評估機制，以提高這種育人模式的實效。

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編輯 呂伊雯? ?校對 王亭亭