美国STEM背景下的工程教育技术教育现状及启示
美国STEM背景下的工程教育技术教育现状及启示 摘要：借美国STEM教育东风，工程教育与技术教育在美 国KN12领域的研究与实施有了长足进展。各级各类标准为教 育实施提供了规范；教材市场化、多元化特点明显；
课程实 施方式及课程内容多样化，强调设计及个性化问题解决方 案；
师资队伍建设有明确入职要求及持续专业成长的途径。
美国的工程教育与技术教育有效开展的经验对我国工程教 育、技术教育可提供有益的借鉴。
随着2003年《普通高中技术课程标准（实验）》的颁布， 技术课程成为普通高中课程结构中的八大领域之一，通用技 术成为新课程改革的亮点的同时也成了难点。我国已建构了 与时俱进的具有中国特色的高中技术课程体系，发展了以技 术素养培养为核心的高中通用技术课程价值结构，探索了多 元并举的高中通用技术课程开设与教学实施模式。但同时实 践中也存在一定的问题：对课程的认识误区还需澄清，全国 的实施状况还很不平衡，通用技术教师的专业化水平还需要 进一步提高，课程资源建设还有待进一步加强。义务教育阶 段中，劳动与技术作为综合实践活动课程的四个领域之一， 其研究与实践一直未获足够重视。近年来，借美国“科学、 技术、工程、数学”（Science．Technology．Engineer-ing， and Mathematics，简称STEM）教育东风，工程教育与技术 教育在美国K—12领域的研究与实施有了长足进展。笔者通 过对美国相关文献研究以及实地调研，对其K—12工程教育与技术教育现状进行了简要探讨，以期助力我国中小学技术 教育发展。
一、工程教育与技术教育的历史、定义 美国K一12教育中的技术教育历史悠久。其现代技术教 育的思想源头可回溯至18世纪裴斯泰洛齐的相关研究。美国 技术教育在经历了19世纪60年代起的孕育期、20世纪初的探 索期、20世纪50年代起的转变期后，于20世纪80年代进入了 发展期，从此技术教育开始迈入技术素养教育时代。
在这一百多年的时间内，美国技术教育前后经历并使用 过手工艺( Sloyd)、手工艺训练( Manual Training)、机械 艺术( Mechanic Arts)、美工(Manual Arts)、工艺 ( Industrial Arts)、职业教育(Vocational-Industrial Education)、技术教育(TechnologyEducation)、职业与技 术教育(Career andTechnical Education)等阶段及名称。
然而对于技术的定义，美国教育界理解差异巨大。
一类定义将技术理解为广义的一切技术。如美国国家研 究委员会( NationalResearch Council，NRC)在2011年发布 的《K—12科学教育框架》(A Framework for K~ 12 Science Education)中，技术指“所有人造设备、系统和工作流程”。
美国国家评估管理委员会(National Assessment CoverningBoard)在《技术与工程素养框架》(Techno-logy and Engineering Literacy Framework，简称TELF)中，将 技术定义为“对自然界进行的任何用以满足人类需求或期望的改造”。但在教育实践中，却通常因计算机技术的体积庞 大且内容自成体系而将其排除在技术教育之外，单独称为计 算机科学( Computer Science)，技术虽定义指向一切广泛 的技术但在教育实践中主要指向除计算机技术以外的其他 技术。
另一类定义则将技术主要指向信息技术、计算机科学。
如1996年，美国教育部将技术素养定义为“计算机技能和使 用计算机及其他技术以提高学习、工作效率和性能的能力”。
虽然近年来理论研究界对此类理解日趋减弱，但其对实践层 面造成的影响至今仍不可小觑。
K~ 12教育中的工程教育历史相对较短，2000年国际技 术与工程教育者联盟(International Technology and EngineeringEducators Association，简称Ⅱ´EEA) 发布《技术素养标准：技术学习的内容》( Standardsof Technology Literacy: Content of TechnolgyLeaming，简 称STL）（国内译作《美国国家技术教育标准：技术学习的 内容》）后，部分技术教师开始自发进行工程概念与技能的 教学。随着STEM概念的提出，工程教育受到了K—12教育领 域的重视。对于工程，TELF中将其定义为“系统性地、并通 常以迭代法设计目标、过程和系统以满足人类需求”。《科 学教育框架》中的工程是指“所有以系统性的设计工作解决 特定问题的实践”。在美国教育实践中，由于K~ 12技术教 育实施的多样性，使得它与工程教育之间很难清晰区分，两者往往被统称为工程／技术教育而捆绑出现。
笔者希望通过对美国相应教育的研究为我国通用技术 及劳动与技术教育提供借鉴，因此将工程教育及技术教育共 同纳入本文视野，对部分无法清晰区分两者的实践依照原名 称称为“工程／技术教育”，对美国技术教育中实际指向计 算机科学的实践暂不讨论。
二、工程教育与技术教育的现状 （一）学习标准 美国教育行政体系实行联邦教育部一州教育部门一学 区一学校四级分权管理。中小学教育事务由各州自行决定， 联邦原则上不加干预。因此全美并无统一强制性标准。有关 K~ 12工程／技术教育的各标准中，以由26个州共同参与制 定、2013年正式颁布的《下一代科学标准》（NextGeneration Science Standards，简称NGSS）影响力最大，并已被13个 州采用。
在NGSS中，以“科学与工程实践”作为整个标准框架的 三大主线之一，贯穿整个标准并与其他学科内容产生交集与 融合，工程设计( Engineering Design)、物理科学、生命 科学、地球与空间科学并列为四大学科核心概念，工程／技 术教育在该标准及整个K—12科学教育中的地位得到凸显。
NGSS之所以将工程／技术包含在内，一则在于科学与工 程／技术被认为在实践中密不可分，两者实践流程较为相似。
二则是历史沿袭及受STEM的课程整合趋势影响。将工程／技术整合在科学标准中的做法在美国早已有之并普遍存在。如 1989年的《所有美国人的科学》，1993年及2008年的《科学 素养基准》等皆是如此。2012年的一项统计表明，全美50个 州中，41个州的学习标准中有工程技术相关的内容，但通常 都含在科学等标准中而非独立存在。
STL是另一个已被广泛采用的标准。在一项调查中显示 回答该调查的37个州中有15个州已采用STL标准。STL描述了 学生要达成应有的技术素养而需具备的应知、应会。它从K~ 12年级共同围绕技术的本质、技术与社会、设计、应付技术 世界的能力、设计世界等5个内容分设20个标准，依循不同 年龄段学生的身心发展水平，在标准下设的衡量基准的表述 上形成了合理的梯度。
除此之外，还有众多组织、机构、部门也制定了多种有 关或包含工程／技术的标准，如上文提及的TELF，在此不一 一赘述。
各州具有标准采用或自己制定的决定权。马萨诸塞州鉴 于本州科学与工程／技术教育已优于NGSS要求，参与制定但 并未采用该标准，制定了呈现形式参考NCSS但基准更高的 《马萨诸塞州科学与工程／技术标准》，计划于2015年末正 式公布最终稿。纽约州制定了《纽约州数学科学与技术学习 标准》。
由于标准的概括性与教材、课程的实践明确性需求之间 存在一定距离，为帮助具体课程设计与教材编写，有些机构以各种形式制定遵循各种标准但更为具体、教学实施指导性 更强的方案。如ITEEA提供的“通过设计学技术”是一套遵 循《共同核心教育标准》（Common Core，简称CC）、NCSS、 STL等五个标准的结构模型，提供贯穿整个K—12的工程技术 项目建议及教学时长建议。将近一半的州也以独立或整合于 其他学科的不同形式给出工程／技术教育实施指导意见。如 新罕布什尔州制定了《新罕布什尔州技术／工程教育课程指 导》，针对不同学段与年级提供项目建议。
（二）教材 美国教材出版体制成熟，市场化和多元化特点显著。学 区选定是目前美国主要的教材选用制度，州级选定是第二种 重要模式。教科书的编写、出版由出版公司根据市场需要组 织进行。
美国大型出版公司Pearson出版了一系列的技术／工程 教材。如《工程技术教育：在设计中学习》初中教材，整合 了STEM概念并鼓励发展21世纪技能，如批判思维、团队合作 与问题解决等。教材主要章节包括：技术的本质，技术世界 的设计，材料、制作与结构，通讯与信息技术，能量、动力 与传输，生物与化学技术，社会中的技术前景等。同时提供 了教师参考书及学生实验手册等配套材料。另一大型出版公 司McGraw-Hill针对6年级以上出版了《技术入门》《工程预 科》以及针对9 N12年级的《工程与技术》《技术、工程与 设计》《机械制图》等共5部工程／技术教育教材。由于STEM的推动，近几年涌现出众多致力于STEM的非营 利机构，专注于工程／技术教育的教材编写、课程推动和教 师专业成长。如“项目引领方向”( ProjectLead The Way， PLTW)，该机构关注STEM并着重推动STEM中受到忽视的工程 ／技术教育，帮助学生在协作、研究／循证、基于项目的原 则上开展自主学习，找到个性化问题解决方案。其工程／技 术教材及项目已被全美6 500所中小学采纳。波士顿科学博 物馆在线免费提供针对小学课堂教学、小学课余、初中课余 的系列工程课程及实验材料清单等辅助性文件。其中针对小 学课堂教学的“小学中的工程”教材目前共有二十个活动单 元，如：一个令人担忧的问题——设计报警电路、走到桥对 面——桥梁设计、冒险尝试——潜水器设计等。活动单元之 间相对独立，教学中可灵活安排与采用。该教材已被应用于 华盛顿特区所有公立学校。
无论是否以盈利为目的，上述教材的内容选择及编写流 程都体现出相当的严谨性。内容选择上，严格遵循一定的标 准。如Pearson公司的相关教材编写基于STL及TELF。教材编 写有一系列严谨的流程，如波士顿科学博物馆的小学工程教 材，每个活动单元的8—10小时课堂时间背后对应的是3 000 小时的研发时间，正式发布前需要经历初始设计、州内试点、 修订、全国范围试点、再修订等多项流程。
（三）课程开设 上文所述标准绝大多数为学习标准，并往往持“如何更好地帮助学生达到发展目标的决定权交给州、学区、学校” 等类似态度，并不规范课程设置及教材使用等具体教学实施。
州教育部门对课程及教育内容仅进行框架性的建议与要求。
作为美国教育行政单位的学区，拥有学区内标准采用、课程 设置、教材选择的决定权。也有部分学区将决定权交给具体 学校。私立学校课程则由本校自主决定。因此全美各学区、 各校的工程／技术教育开展情况迥异。
总体而言，美国小学工程／技术课程以与其他课程整合 形式居多，初中及高中阶段作为独立课程的形式较为普遍。
美国小学共设有八大课程，分别是英语语言艺术、数学、 科学、社会研究、健康卫生、艺术、音乐、体育。工程／技 术通常被整合在科学课中。但因包班制下教师精力有限及现 有教师队伍相关专业素养的缺乏，在小学阶段大规模开展工 程／技术教育的学区学校较少。部分学校安排有工程／技术 课时并使用上述教材进行教学，或在STEM教学中融合工程／ 技术内容。
Malden STEAM Academic学校是一所以科学、技术、工 程、艺术、数学( Science，Technology,Engineering, AIts, Mathematics,简称STEAM）为特色的K~8年级学校。该校K~5 年级使用波士顿科学博物馆的“小学中的工程”系列教材， 同时聘请了专职STEAM教师对课程进行校本设计，为本校开 发了近200个偏重于工程／技术的STEAM项目。项目一般需要 学生为实现特定问题在既定的经费范围内提出个性化解决方案并通过技术实现。如使用海绵、牛奶盒、塑料气囊和胶 带等限量材料保护高空坠下的鸡蛋。
同时，该校还采纳Tufts大学的“小说工程”（Novel Engineering）项目进行2—5年级英语语言艺术与工程的整 合教学。在该项目中，学生阅读儿童读物后选择主人公遇到 的若干技术问题之一，寻找身边的常用材料体验设计解决方 案的过程。如有学生针对读物中主人公需要雨伞的问题，使 用塑料薄膜和纸片制作微型雨伞，保护象征主人公的乐高积 木人偶不受雨淋，并当场由教师用洒水壶检验是否有效，再 进行改进。学生既收获了设计体验，同时也在问题分析中深 化了对故事的理解。
美国初中与高中的工程／技术课程作为独立课程存在 时，由于学区或学校自主开发系统教材有困难，所以大多使 用现成教材。如上述Malden STEAM Academic学校，6~8年级 使用PLTW教材，按照教材设计实施教学。有部分师资研究能 力雄厚的中学则通过校本课程中彰显本校在工程／技术教 育方面的实力与特色，如Newton North High School高中的 技术／工程、绿色工程两个系列共19门课程。
美国技术／工程课程教学中共同的特点是从或模拟或 真实的情境与需求出发，让学生在有限的资源条件下提出个 性化解决方案，在运用具体技术的过程中通过不断检验、调 整与完善，最终解决问题，即让学生体验技术设计的全过程。
而“设计”，也正是被工程／技术教育者认为除工程、技术名词本身以外最能代表本课程特色的词汇。
（四）师资队伍 各州对于教师资质都有一定要求，一般包括学位、教育 学时以及教育实习等，且不同证书对应不同学科。如加州要 求执教幼儿园到9年级的教师应持多学科资格证，而执教高 中的教师通常需持单学科资格证。马萨诸塞州对于5—12年 级工程／技术教师的知识要求包括：工程技术系统的性质；
特定领域里的工程概念：制造业、建筑业、通信、电力、能 源、交通技术；
工程设计和技术的发展历程；
如何正确和安 全地使用工具、机械、材料；
工程／技术对环境的影响；
技 术文档阅读和写作技能；
数学和物理科学里的相关主题等。
教师获得资格证后，需要不断参与专业成长活动、积累 专业成长点数，以保持证书有效性并升级证书级别（从临时 资格证到初级资格证、专业资格证）。活动组织与提供者可 大致分为四类：(1)高校或工程／技术教育相关机构组织。
如Tufts大学开设了针对K~ 12工程教师的在线培训课程，教 师在18个月内参与在线工程专业知识及教学法课程，通过邮 寄到家的材料包和线上专家帮助、群组讨论辅助学习，并在 线提交培训中开放性任务的解决方案与实物图片。管理与课 程发展协会( Association for Supervision and Cumculum Development)提供在线培训及线下专家讲座等多种形式的 教师专业成长机会，范围覆盖K一12年级各门学科，并提供 针对学区及学校的专业成长活动方案。(2)教材出版公司。PLTW为工程／技术教师提供三个阶段的培训：基本专业知识 与技能一战备培训；
STEM意识与信心一核心培训；
以及在线 的持续培训。(3)学区或学校。学区有课程协调员( Cumculum Coordinator)以及教育教练员( Instructional Coach)负责 学区内此类活动。(4)慕课平台。Coursera、edX等慕课平台 提供了众多适合工程／技术教师专业成长的在线课程，成为 教师专业成长重要的新生途径。
虽然全美对于STEM课程日益重视，但各种数据显示相应 师资队伍的现状却仍不够理想。2013年秋季，全美共有高校 及中小学全日制教师350万人。同一时间基于34个州的调查 显示，该34个州中小学共有工程／技术教师15，510名。而 且这一数据在多年中未有明显增长。另一方面由于同一学校 或学区内工程／技术师资数量有限，每校以1至2名为主，不 利于形成日常同侪交流，在一定程度上影响了工程／技术教 师的专业成长。
三、美国工程教育与技术教育对我国技术教育的启示 （一）基础教育课程标准衔接性 美国各类学习标准共同之处在于对k~ 12所有学段进行 通盘考虑与设计，有利于课程设计与教学实施在各学段之间 的平稳过渡。即使标准未对课程形式做出规定，但依然因具 有对学生学业水平的连贯预期而有利于教育教学规划。
反观我国技术教育，高中通用技术课程作为独立课程具 有课程标准，小学与初中劳动与技术包含在综合实践活动课程中，作为其学习领域而非独立课程，且综合实践活动课程 有课程指导纲要而无课程标准。义务教育阶段标准的缺失使 得高中通用技术课程成为空中楼阁。
（二）标准之间的比照 美国在各类学习标准制定时会充分考虑与相关标准之 间的关系与一致性。不同学习领域的标准之间、同一学习领 域内不同机构制定的标准之间、同一标准新旧版本之间，甚 至同一标准内不同学段（年级）之间，往往通过比照列出关 联与异同，其脉络一目了然。如NGSS中每一知识内容模块后 都有“一致性”一栏，列出该部分内容与cc、与NGSS自身内 同一年级其他知识内容、与NGSS自身内低年级知识内容之间 的相关性。马萨诸塞州在制定《马萨诸塞州科学工程技术标 准》时，参考NGSS的呈现格式，采纳NGSS的内容，具体知识 内容中就NCSS标准已有内容及该州增加的内容分别单独标 号，两者自成体系又融为一体。该州教育部门还提供了《2006 年科学与工程／技术课程框架》和《2013年科学工程技术标 准》这两个新旧标准的详细对照，其异同清晰明了。
我国课程标准由国家统一制定，不存在同一课程多个标 准之间的比照问题。但就技术课程而言，义务教育阶段与高 中阶段存在学段间的衔接问题，技术课程与其他课程之间也 存在内容交叉，如电子电工技术与物理中的电学等。2014年 国家开始启动普通高中课程标准修订工作，如能在不同课标 修订组之间建立协调机制进行统一规划及比照，则学生素质提升规划可以更为合理有效。新旧课标之间的变化如有某种 形式的清晰陈述，更有利于引导教师对新版标准的理解并指 导实施。
（三）课程内容 美国工程／技术教育课程内容往往以开放式项目形式 展开，强调设计与动手的结合。学生基于特定需求提出个性 化解决方案并通过具体技术实现设计，规划设计与动手实践 缺一不可。我国小学劳动与技术课程偏向于劳动、技术这两 个与动手操作密切相关的概念，对于设计与个性化解决方案 关注不足。高中通用技术教学实践中部分课堂又出现了偏重 设计而弱化动手实现的偏差。美国工程／技术教育对于我国 劳动与技术、通用技术课程的课程定位、内容设置和教学实 施有一定的借鉴意义。
（四）师资队伍建设 美国工程／技术教师需要获取与学科对应的资质证书 方可执教课程，职后需要持续不断地参加各类专业成长活动。
这种要求确保教师具备相应专业素养并不断得到提升。我国 教师资格证书考试中，中学教师“学科知识与教学能力”科 目列表中无通用技术与综合实践活动，高校也无相应专业， 导致高中通用技术及初中综合实践活动师资来源缺乏，入职 标准缺失，师资队伍参差不齐。
我国技术课程教师专业成长机会缺乏。据国内一项调查 显示，57%的通用技术教师参加过省级以上培训，但绝大多数只参加过一次，且培训时间很短，有的甚至只有一两天。
与此同时，认为自己有操作技能方面、课程资源及技术知识 方面不足的通用技术教师分别达到50%、50. 7%和38. 6%。
我国教师专业成长大多依靠各地教师培训系统、教研系统等 行政机构组织活动，高校及其他社会机构组织的培训活动相 对较少，专业成长活动行政色彩较强，教师自主选择余地不 大。我国近年来出现的“菜单式”教师培训模式可算一种有 益尝试。但总体而言，教师难以根据自身特点、需求、兴趣 点选择个性化专业成长方向。为解除我国技术教育面临的困 境，教师队伍建设意识亟待加强、师资专业素养提升规划值 得深入思考。
*本文系2014年度江苏政府留学奖学金、第十期江苏省 中小学教学研究课题（教育厅）重点课题“江苏省义务教育 阶段学生信息素养培养现状实践研究”(项目编号：2013JK10 - 2066)研究成果。
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