◎ 万家伟 丁淑燕
人类进入21世纪以来，“制造业回归”成为世界各国提振经济的主要策略，而与制造业相关的科学、技术与工程教育也得到了前所未有的关注。各国不仅关注高等教育领域内工科学生培养模式改革，更加强了对基础教育阶段学生技术与工程素养的培育。美国在新旧世纪之交提出“STEM教育”概念；
澳大利亚在吸纳美国已有研究的基础上，提出了《STEM学校教育国家战略2016—2026》；
芬兰教育部组织开展了一项名为LUMA的数学和科学教育发展项目；
我国也出台了一系列有关STEM教育的政策、文件，并围绕STEM教育在中小学阶段设计、开发了与之相关的课程体系，但这些课程体系在覆盖面、推广度、落实度等方面还处于起步阶段。因此，我们应该如何界定工程教育在整个STEM教育体系中的定位，尤其是结合《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》？我们又该如何设计、开发工程教育课程体系，以实现提升义务教育阶段学生的工程技术素养的目标？本研究结合具体的课程案例，对义务教育阶段工程教育校本课程的设计与开发进行了一些探索。
工程教育作为一门实践性学科，其教育的宗旨是基于真实问题的解决，使中小学生对工程有基本的认识；
创造兴趣，培养他们对工程职业的向往，提升他们的动手设计能力等。［1］工程人才培养质量决定着国家的创新力和持续竞争力。
（一）工程教育在我国义务教育阶段的目标定位
自20世纪末以来，我国通过发布各种教育政策，将工程教育作为提升义务教育阶段学生综合能力的重要措施，如1999 年颁发的《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》；
2006年发布的《国务院关于实施〈国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）〉若干配套政策的通知》。虽然在这些政策体系中没有明确提出“工程教育”的概念，但政策的宗旨与工程教育的核心理念一脉相承。近年来的教育政策则将工程教育直接写入政策体系中，如2015年教育部在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中首次提出要“探索STEAM教育、创客教育等新教育模式”。2016年教育部在《教育信息化“十三五”规划》进一步要求“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用”等。这些政策的颁发逐步将工程教育置于与科学、技术教育同等重要的地位。
（二）“工程教育校本课程”是推进新课标与工程教育融合的重要路径
在工程教育未进入国家课程体系的现状下，如何在义务教育课程标准的要求下构建合适的工程教育课程体系，让工程教育在学校得以发展与成长，是工程教育研究者必须面对的问题。如何将《义务教育课程标准（2022年版）》（以下简称《2022版课标》）的改革内容和思想与工程教育相融合，课程设计与开发是关键。《义务教育课程方案（2022年版）》（以下简称《2022版课程方案》）将义务教育课程分为国家课程、地方课程和校本课程三类。［2］对于在不同层次的课程设置中如何融入工程教育的内容，已有的研究进行了一些探索，比如叶兆宁等提出，运用跨学科理念开展学科融合，将工程教育内容融入学科教育之中是中小学工程教育落地的关键。［3］其研究主要着眼于学科类型的国家课程，从跨学科思维的视角提出通过“跨学科主题”将工程教育与学科教育进行融合。但是，《2022版课标》中每门学科设置“跨学科主题”活动的课时数很少，只占到学科总课时的10%。因此，虽然跨学科融合视角下的工程教育模式是当前义务教育阶段推进工程教育的一种路径，但其并不能成为主要路径。
本研究提出将义务教育阶段国家课程方案中学校有一定自主权的劳动、信息技术教育等综合实践活动课程与工程教育相融合，结合本校的特色教育教学资源，以校本课程的形式，开展工程教育校本化教学实践的改革思路。
（一）校本课程中工程教育的核心素养
核心素养是课程育人价值的集中体现，是学生通过课程学习之后而逐步养成的正确价值观、必备品格与关键能力。［5］对于“核心素养”的研究已有很多，2015年，北京师范大学林崇德教授领衔的研究团队发布了以培养“全面发展的人”为核心，以“文化基础、自主发展和社会参与”为三个维度的中国学生发展核心素养框架。［6］《2022版课标》中，对除综合实践课程外的其他14门国家课程也提出了明确的核心素养要求，综合已有研究，可以发现，核心素养具有整体性、情境性、反思性等特征，是学生应用学科知识和方法在解决学科问题，或跨学科问题时表现出来的能力与创新意识。本研究基于工程的综合性、系统性、复杂性、实践性等特点，将工程教育的核心素养要点对应于学生发展核心素养，再依据学生发展核心素养映射工程教育核心素养，提炼出校本课程中工程教育的核心素养，分别为工程观念、设计思维、物化实践和态度责任，如图1所示。
图1 校本课程中工程教育的核心素养
（二）工程教育校本课程目标内涵
图1中四个维度的核心素养是学生在接受工程教育过程中，通过问题导向的社会实践逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。四个维度相互支持，相互渗透，共同促进学生工程素养的提升，构成工程教育校本课程目标。其具体内涵如下。
1. 了解工程观念
工程观念是指在理解工程概念、原理基础上形成的对工程的认知和总体看法，以及在此基础上形成的基本态度和情感，是以系统分析、比较权衡、风险评估和综合决策为核心的能力与思维。包括工程、系统、设计、材料、技术与功能等领域的一些具体观念，主要表现为：工程与技术的联系与区别；
设计、材料与技术对工程功能实现的限制；
能认识系统与工程的多样性和复杂性；
能运用系统分析的方法，针对某一具体技术领域的问题进行要素分析、整体规划，并运用模拟和简易建模等方法进行设计；
能领悟结构、流程、系统、控制等基本知识和方法并加以运用。
2. 强化设计思维
设计思维是指在具体的问题情境中，采用以人为本的设计理念，创新性地提出有意义的创意和想法，来解决特定的实际问题，实现价值创造。［5］设计思维是一种创新性的解决问题的思维方式，包括移情（同理心）、定义问题、头脑风暴、原型制作、测试等过程要素。［7］主要表现为：学生需要在发现与明确问题的基础上，收集相关信息，运用人机关系及相关理论进行综合分析，提出符合设计原则，且具有一定创造性的构思方案；
能进行技术性能和指标的技术试验、技术探究等实践操作，准确地观测、记录与分析；
能综合各种社会文化因素评价设计方案并加以优化。
3. 重视物化实践
物化实践是指采用一定的工艺、技术方法将构思方案、设计图纸转化为具有实用价值的物品，或对已有的物品进行改进与优化［5］的实践活动，以及在实践活动中形成的探究能力、技术与工程实践能力，是个体知识、技能、思维方式、行为方式，对待社会的方式的综合表现。物化实践主要表现为：需要学生知道常见材料的属性和常用工具、基本设备的使用方法，常见工艺方法，形成一定的操作经验积累和感悟；
能根据方案设计要求，进行材料选择、测试与规划，工具选择与使用，工艺设计与产品制作等；
能独立完成模型或产品的成型制作、装配及测试，具有较强的动手实践与创造能力。
在职业的选择上，漂亮女人如蛾逐火地喜爱抛头露脸的行当。比如唱歌跳舞做演员，偏偏都是吃口青春饭的事，便是风光，其时也短，很难登峰造极，成为一方大家。当一般的人人到中年，正朝气勃勃，卓有成效地做着自己的事业的时候，漂亮女人却已经花事阑珊，走下坡路了，只好自怨自怜，哀叹红颜易老，青春难留。
4. 培育态度责任
态度责任是指在认识和理解工程实践的本质与规律基础上，逐渐形成的在工程实践活动中的道德规范和行为自律等方面应秉承的科学态度以及应承担的社会责任。态度责任主要表现为：能认识到工程实践是为社会创造有用的物品的活动，对工程实践活动保持好奇心和探究热情；
能体验工匠精神对技术制造质量的独特作用，形成物化过程中严谨细致、精益求精、追求卓越的工作态度，培育工匠精神；
在工程实践中养成团结、合作、尊重他人的团队协作精神。
工程教育校本课程目标体系作为一个多维度的结构，如何落实到具体的课程设施中？本研究建构了基于工程学科大概念体系的项目化学习课程内容体系，如图2所示。
图2 指向核心素养的工程教育校本课程内容体系
（一）工程设计
工程设计是依据用户的需求，在综合考虑技术手段、工艺方法、材料的可取性、功能的可实现性、自然与社会环境的各种限制因素的基础上，设计最优化的产品方案。设计来源于学生个体的创造力，也会因每个人的想法不同而呈现出个性化的设计风格。因此，工程设计的课程内容不仅需要包含学生掌握材料、制造、功能等相关的知识内容，还需要包含学生通过日常实践来不断积累经验的实践活动内容。
（二）材料应用
材料是决定工程设计能否实现其功能的关键因素，不管是来自自然界的原材料，还是人造物的材料，在材料应用时都需要充分考虑其优点和不足。因此，学生在应用材料实现工程设计时，需要知道材料应用以下四个方面的知识：材料来源、材料特性、碳排放量、资源储备。材料来源是指这种材料来自哪里，可以如何获得这种材料。材料特性是指这种材料有何特性，应如何根据这种材料的特性进行加工。碳排放量是指在碳达标、碳中和的背景下，从碳排放的角度考虑获取和使用这种材料对环境会有何影响。资源储备是指如果这种材料是不可再生资源，地球当前的储备能用多久？是否可以寻找到合适的替代材料？
（三）功能实现
工程设计的物化产品能否达到产品设计方案的指标要求，能否满足社会、人对产品的使用需求，实现产品的使用价值，最终是由产品的功能决定的。产品的功能包含美学功能和技术功能两个属性。产品的美学功能需要考虑如何使产品更吸引人的感官，给人以美感、愉悦感和使用满足感。产品的技术功能则需要考虑实现产品功能的动力、控制和结构等方面的技术实现路径，产品的应用效果如何。
（四）产品制造
产品制造是指通过一定的工艺流程、技术方法，将材料按照产品的设计方案，制造成对社会、人有使用价值的物化产品的过程。产品制造应包含以下五个方面的知识：减材制造、增材制造、等材制造、组装产品和表面覆盖后处理。减材制造是指在加工过程中涉及材料的去除，如车铣刨磨。增材制造是指以材料累加为基本特征直接制造零件，如3D打印。等材制造是指材料在加工过程中材料没有移除只是重新成型，如铸造、焊接。组装成品是指把不同的零件结合起来（有时与其他制造工艺结合）。表面覆盖后处理是指通过一定的技术方法与工艺流程，让产品表面受到保护，如喷漆。
（五）批判性思考
批判性思考是指在完成产品的物化后，能够批判性地思考该产品对人类社会、地球环境的影响。这项技术或产品是创造了一个能让人们受到公平对待的社会，还是创造了一个对某些人有利而对有些人不利的社会？这项技术或产品是否能够对地球环境的健康发展起到积极的促进作用？这项技术或产品是否对人类社会、地球环境存在负面影响？如果存在负面影响，又该如何对产品进行升级改造以最大限度减轻负面影响？人类在改造自然，为自身谋取福利的工程实践中，应该着重思考人与社会、人与自然、人与人之间的相互关系，并将这种关系置于人类社会的发展以及如何促进人与自然、人与人构建和谐关系的高度上，自觉遵守工程实践的社会伦理道德和行为准则。
“创见新竹园”是上海市J中学基于本项目设计的以“核心素养”为目标的工程教育校本课程。该课程以“品君子竹文化”为项目引导，以“筑君子文化园”“创君子科技园”为项目载体，以“展君子园风采”为最终呈现方式，具体内容如下。
（一）课程目标设计
“创见新竹园”课程围绕“了解工程观念、强化设计思维、重视物化实践、培养态度责任”四大核心素养，通过项目化学习让学生在工程设计、材料应用、功能实现、产品制造、批判性思考等流程中，了解建筑设计、木工加工等工程知识，提升实践能力与物化能力，锻炼设计思维，培养对工程问题的技术意识；
通过对劳动技术、信息技术等跨学科知识的实践应用，增强学生的问题解决能力，最终提升工程教育核心素养。
（二）课程组织实施
“创见新竹园”课程构建了“品君子竹文化、筑君子文化园、创君子科技园和展君子‘竹’风采”四个模块。第一模块“品君子竹文化”提出项目学习的驱动性问题——如何让校园“竹”文化焕发出AI时代新生机？该驱动性问题贯穿于本课程的四个学习模块，将四个模块的学习内容有机地整合在一起。“筑君子文化园、创君子科技园”两个模块围绕“工程设计、材料应用、功能实现、产品制造、批判性思考”五个维度设计课程内容（见表1），让核心概念的教学落实有了内容依据。
表1 筑君子文化园和创君子科技园课程内容
（三）课程评价
“创见新竹园”课程依据“了解工程观念、强化设计思维、重视物化实践和培育态度责任”四个维度的核心素养，设计了“定义问题、头脑风暴、分工合作、优化改进、展示交流和文创设计”六维学习评价量表，让教师对学生开展工程教育校本化课程学习评价。
“创见新竹园”是基于新课标的改革内容、改革思想与工程教育相融合，在初中阶段进行工程教育校本课程的积极探索与有益尝试，后续也将随着项目的深入不断进行完善与改进。
工程教育对学生综合能力的培养、创造力的培养具有基础性的作用。在中小学开展工程教育，不是要将每个学生都培养成工程师，而是着眼于让学生逐步养成符合这个时代需要的工程思维，让学生具备工程核心素养。在中小学开展工程教育，只有厘清工程教育课程在中小学国家课程体系中的定位，确立课程要达成的核心素养目标体系，才能设计与开发工程教育校本课程内容等基础性要素，其最终的目的是促进工程教育在基础教育学段的健康发展。
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