中小學(xué)的工程教育，不僅是呼應(yīng)國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要舉措，也為培養(yǎng)具有科技報(bào)國情懷的“未來工程師”打下堅(jiān)實(shí)的根基。

——摘自第六屆IEIC大會 凌文分享

中國工程院院士，世界工程組織聯(lián)合會執(zhí)行委員

凌文 | 第六屆IEIC大會科技教育論壇主旨演講

人工智能時(shí)代的到來，讓眾多家庭將教育目光聚焦于未來科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)上，不再只盯著分?jǐn)?shù)和成績，意識到科學(xué)創(chuàng)造力對孩子未來職業(yè)發(fā)展的重要性。

然而，對如何培養(yǎng)孩子的科學(xué)素養(yǎng)卻一時(shí)眾說紛紜，“STEM”、“PBL”等海外教育方式的流行，也讓諸多不甚了解這方面知識的家長陷入迷茫：

·未來科技創(chuàng)新人才，究竟需要具備什么素養(yǎng)?

·如何避免盲目跟風(fēng)，科學(xué)培養(yǎng)?

在第六屆IEIC國際教育創(chuàng)新大會上，中國工程院院士，世界工程組織聯(lián)合會執(zhí)行委員凌文院士通過云端帶來主旨演講《新時(shí)代中小學(xué)工程教育的挑戰(zhàn)和使命》，他回顧四次工業(yè)革命的發(fā)展歷程，梳理了科學(xué)、技術(shù)、工程的關(guān)系，對中小學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的必要性進(jìn)行闡述，并針對現(xiàn)狀提出重要建議。

*以下內(nèi)容摘自凌文院士第六屆IEIC大會分享，為方便閱讀，以第一人稱視角陳述。

科學(xué)、技術(shù)和工程的內(nèi)涵、外延、遞進(jìn)與統(tǒng)一

我的報(bào)告主題分四個(gè)方面：

一，科學(xué)、技術(shù)與工程

二，中小學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的必要性

三，中小學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)現(xiàn)狀

四，中小學(xué)生工程素養(yǎng)提升建議

圖 | 嘉賓分享PPT

首先是科學(xué)、技術(shù)和工程的內(nèi)涵、外延、遞進(jìn)與統(tǒng)一。

科技進(jìn)步在我們的社會當(dāng)中起到越來越重要的作用。在提到“科學(xué)”或“科技”的時(shí)候，多是在泛指。今天，我想把科學(xué)、技術(shù)和工程的內(nèi)涵、外延理清楚。

回顧歷史上的四次工業(yè)革命，我們可以看到——

第一次工業(yè)革命，牛頓力學(xué)把人類對自然界的認(rèn)識推到了一個(gè)新的水平;

第二次工業(yè)革命，電磁學(xué)證明了電流周圍存在著磁場，而電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成的;

第三次工業(yè)革命，起源于圖靈機(jī)的模型理論，它為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論奠定了基礎(chǔ);

第四次工業(yè)革命，則是人工智能理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能計(jì)算所促成的工業(yè)4.0時(shí)代。

科學(xué)是反映客觀世界現(xiàn)象和物質(zhì)內(nèi)在規(guī)律的科學(xué)理論、知識集合，而技術(shù)則是進(jìn)步的方法和手段，是在科學(xué)理論的指導(dǎo)下通過總結(jié)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)所得到的知識，能夠直接作用于生產(chǎn)的實(shí)際技能，像蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)、計(jì)算機(jī)和人工智能，就是這四次工業(yè)革命的主要技術(shù)。所以，技術(shù)的成果是發(fā)明與訣竅，而工程則是科學(xué)技術(shù)改造世界的一座橋梁，它是運(yùn)用科學(xué)理論和技術(shù)竅門來進(jìn)行的大規(guī)模改造世界的活動(dòng)，解決“做出了什么”的問題，像我們所熟知的長城、三峽、芯片、“兩彈一星”和“載人航天”都是工程的典型例證。

科學(xué)、技術(shù)與工程既彼此獨(dú)立又密不可分?？茖W(xué)負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)內(nèi)在規(guī)律，技術(shù)負(fù)責(zé)發(fā)明、革新工藝技能，工程負(fù)責(zé)建造美好的世界。

對于“科學(xué)、技術(shù)和工程的相互關(guān)系”，我認(rèn)為有三點(diǎn)非常重要：

第一，技術(shù)必須基于真正的科學(xué)。如果有人聲稱發(fā)明了“永動(dòng)機(jī)”，這顯然是不成立的，因?yàn)樗`背了科學(xué)的基本原理。

第二，技術(shù)必須是可以工程化的科學(xué)。像“核的聚變”，已經(jīng)具有很清晰的科學(xué)原理，但人類怎么能控制它，即“可控核聚變”仍然是個(gè)難題，正因?yàn)槿绱耍こ淌且蓱?yīng)用、可以工程化的技術(shù)。

第三，應(yīng)用工程要具備實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。實(shí)用性不行，工程沒有效果;經(jīng)濟(jì)性不行，也不是一個(gè)可以應(yīng)用的技術(shù)。

如果梳理第一次工業(yè)革命到第四次工業(yè)革命的主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)、主要技術(shù)發(fā)明、主要工程應(yīng)用分別是什么，我們就可以從中看到跨學(xué)科領(lǐng)域的整體性和系統(tǒng)性工程的關(guān)系。我們國家的“兩院”，也就是科學(xué)院與工程院的研究重點(diǎn)，前者在于科學(xué)和技術(shù)，后者在于技術(shù)和工程。

我國著 名的戰(zhàn)略科學(xué)家錢學(xué)森同志，在1947年提出“科學(xué)、技術(shù)與工程的相互關(guān)系”，他發(fā)表論文，從此奠定了國內(nèi)系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)，從系統(tǒng)的角度觀察、研究客觀世界，并提出系統(tǒng)科學(xué)的整體架構(gòu)，從科學(xué)、技術(shù)、工程的演進(jìn)過程中觀察到最初的、原始的認(rèn)識世界的方法論和世界觀，就是哲學(xué)和哲學(xué)的分類。

中小學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的必要性

第二點(diǎn)，來談?wù)勚行W(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的必要性。

習(xí)總書記指出，要培養(yǎng)大批卓越工程師，努力建設(shè)一支愛黨報(bào)國、敬業(yè)奉獻(xiàn)、具有突出技術(shù)創(chuàng)新能力、善于解決復(fù)雜工程問題的工程師隊(duì)伍。中小學(xué)的工程教育，是基礎(chǔ)教育呼應(yīng)國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要舉措，為培養(yǎng)具有科技報(bào)國情懷的“未來工程師”打下堅(jiān)實(shí)的根基。

在學(xué)生發(fā)展層面，工程素養(yǎng)是培養(yǎng)未來職業(yè)生涯發(fā)展的核心素養(yǎng)，它是一種綜合能力，包括創(chuàng)新思維、技術(shù)應(yīng)用、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和綜合問題解決等方面。

首先，工程素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)通過系統(tǒng)性觀察、分析、批判、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、迭代、改進(jìn)來解決問題，以幫助學(xué)生應(yīng)對未來復(fù)雜多變的社會環(huán)境。

其次，工程素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的科技應(yīng)用能力可以幫助學(xué)生理解和應(yīng)用科技知識，從而更有可能成為未來科技領(lǐng)域的創(chuàng)新者和領(lǐng)導(dǎo)者。

第三，工程素養(yǎng)有助于培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生可以學(xué)會溝通、協(xié)作和分享，這些是在未來職場中必不可少的技能。

最后，工程素養(yǎng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技倫理。在技術(shù)與工程教育中，關(guān)注倫理意味著關(guān)注未來技術(shù)產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程對人和環(huán)境的影響，以培養(yǎng)理性公民。

中小學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)現(xiàn)狀

我要分享的第三點(diǎn)，是中小學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)現(xiàn)狀。

中國學(xué)生的工程素養(yǎng)教育處于起步階段，各地都進(jìn)行了比較有益的探索。

2023年，無錫市出臺《關(guān)于推進(jìn)中小學(xué)工程教育的指導(dǎo)意見》，以培養(yǎng)“未來卓越工程師”核心素養(yǎng)為引領(lǐng)，明晰各學(xué)段工程教育目標(biāo)定位和實(shí)施重點(diǎn)，健全中小學(xué)工程教育課程體系，優(yōu)化工程教育學(xué)習(xí)環(huán)境，提升專任教師能力素質(zhì)，深化拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)，在全江蘇省構(gòu)建各學(xué)段銜接有序、一體推進(jìn)的工程教育新格局。

浙江省探索了多路徑實(shí)施中小學(xué)工程啟蒙教育，培養(yǎng)學(xué)生綜合科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，包含以下幾個(gè)實(shí)施路徑——

路徑一 依托普通高中通用技術(shù)課程，探索工程思維的有效教學(xué)

路徑二 在“STEM”教育實(shí)施中普及工程教育，強(qiáng)化技術(shù)與工程實(shí)踐

路徑三 探索設(shè)計(jì)教育，降低工程教育的門檻

路徑四 深化勞動(dòng)教育，嵌入啟蒙的工程教育

目前，我國的工程素養(yǎng)教育普遍存在不足——

一，唯分?jǐn)?shù)、應(yīng)試培養(yǎng)體系，而忽略了底層的學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng);

二，部分地區(qū)缺乏綜合實(shí)踐活動(dòng)的師資和物質(zhì)條件;

三，普遍缺乏系統(tǒng)性的工程教育素養(yǎng)制度設(shè)計(jì)和配套教學(xué)資源。

總體而言，缺乏對技術(shù)與工程學(xué)內(nèi)容的明確，引入課程設(shè)計(jì)也多為按圖裝配或改進(jìn)的設(shè)計(jì);缺乏對學(xué)生開發(fā)性、創(chuàng)新性的要求，相關(guān)課程選擇只與高考選科掛鉤;缺乏整體的面向性，特別是沒有建立起系統(tǒng)性的12年連貫的技術(shù)與工程教育體系。

在教育實(shí)踐中，“PBL”，也就是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，可以讓孩子對工程教育有一個(gè)更好的探索。因?yàn)楣こ趟仞B(yǎng)的培養(yǎng)，需要情景式、參與式和強(qiáng)包容性的項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)有7個(gè)基本項(xiàng)目設(shè)計(jì)元素，包括富有挑戰(zhàn)性的問題、持久研究、真實(shí)性、學(xué)生的發(fā)言權(quán)和選擇權(quán)、反思與總結(jié)、評價(jià)與修正以及公開展示與分享。它是一種教學(xué)方法，讓學(xué)生通過對真實(shí)的、復(fù)雜的問題進(jìn)行研究，從中獲取知識和技能，培養(yǎng)跨學(xué)科的綜合解決能力。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以學(xué)生為中心，鼓勵(lì)學(xué)生自由合作，解決開放性問題，同時(shí)讓學(xué)生在學(xué)習(xí)小組合作討論中，通過輪換角色來培養(yǎng)不同的技能，在解決問題當(dāng)中強(qiáng)調(diào)技巧和能力的發(fā)展。

在美國，大家熟知的“STEM”模式可以供我們參考。

所謂“STEM”，就是把——

科學(xué)(Science)

技術(shù)(Technology)

工程(Engineering)

數(shù)學(xué)(Mathematics)

融合起來的綜合教育。

“STEM”可以很好地培養(yǎng)計(jì)算思維，即時(shí)、個(gè)性化的反饋，工程設(shè)計(jì)流程和嵌入式評估。“STEM”的創(chuàng)新實(shí)踐聚焦技術(shù)，可以成為學(xué)習(xí)的強(qiáng)大工具。美國教育技術(shù)辦公室與Digital Promise合作，將創(chuàng)新數(shù)字技術(shù)整合到“STEM”學(xué)習(xí)當(dāng)中，有效地利用技術(shù)來加深學(xué)生的“STEM”體驗(yàn)。

在這其中我們可以看到“STEM”模式有五個(gè)特點(diǎn)：

-政府有力引導(dǎo)和科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)

-創(chuàng)新學(xué)習(xí)測量方法，多元評價(jià)機(jī)制

-構(gòu)建科學(xué)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，注重評估

-開展早期的“STEM”教育，注重幼兒教育

-跨機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，建立以學(xué)習(xí)為中心的多元網(wǎng)絡(luò)

它從底層的學(xué)科內(nèi)容、具體學(xué)科到多學(xué)科綜合，是金字塔式的培養(yǎng)教育理念。

中小學(xué)生工程素養(yǎng)提升建議

最后，就我國中小學(xué)生工程素養(yǎng)提升提出如下建議：

一，建議加強(qiáng)學(xué)科整合。將工程素養(yǎng)滲透到各個(gè)學(xué)科教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)一批創(chuàng)新思維活躍的交叉學(xué)科人才，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式來培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手的創(chuàng)新思維。

二，建議適時(shí)開設(shè)工程理論與實(shí)踐課程，讓中小學(xué)生了解基本的工程概念，具備一定的系統(tǒng)性工程思維，讓學(xué)生了解到所在城市的典型工程項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生參與工程類社會實(shí)踐研學(xué)活動(dòng)。

三，建議在學(xué)校建立科創(chuàng)空間，為中小學(xué)生參與工程實(shí)踐、嘗試規(guī)劃和構(gòu)建項(xiàng)目提供條件。除學(xué)生在學(xué)校的科創(chuàng)課程學(xué)習(xí)，也鼓勵(lì)學(xué)生來參與校外的科技競賽活動(dòng)，在實(shí)踐中鍛煉提升工程素養(yǎng)。

四，建議建立綜合評價(jià)機(jī)制。包括系統(tǒng)化、規(guī)范化、創(chuàng)新性、可操作性、及時(shí)反饋，這樣可以建立有效的工程素養(yǎng)的綜合評價(jià)機(jī)制，以便教師和學(xué)生能夠有針對性地改進(jìn)教學(xué)方法和策略。

五，建議加強(qiáng)工程科普。鼓勵(lì)工程師進(jìn)課堂，貼近現(xiàn)場，了解工程學(xué)如何幫助解決當(dāng)今社會重大問題和挑戰(zhàn)，例如能源、疾病防治、全球環(huán)境變化等問題。建立有效的工程科普機(jī)制，有利于提升中小學(xué)生工程素養(yǎng)興趣的提升和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)其學(xué)習(xí)的深度研究。

我作為中國工程院院士，這些年來一直堅(jiān)持對中小學(xué)進(jìn)行工程科普，曾分別就磁懸浮、氫能源、可再生能源和中小學(xué)生的科學(xué)技術(shù)和工程素養(yǎng)分別進(jìn)行了科普，廣大學(xué)生普遍反映效果比較好。

另外，在我所擔(dān)任科協(xié)主席的山東省，每一個(gè)縣都建立了科學(xué)館，讓我們的中小學(xué)生都能夠在科學(xué)館里面學(xué)到相應(yīng)的技術(shù)，特別是工程知識。同時(shí)我們也選擇了一批典型的工廠，中小學(xué)生很早就能夠?qū)嵉伢w驗(yàn)，看到我們的工廠、工程師是如何工作的。