义务教育阶段中美“技术与工程”内容比较研究

【摘要】作为STEM教育的重要组成部分，技术与工程教育是培养创新人才的重要途径。为了系统了解技术工程素养的内涵以及技术工程教学在不同维度和学习阶段的表现，可以将我国2022年版科学和信息科技两个学科的课程标准与美国2020年版《技术与工程素养标准：STEM教育中技术与工程的作用》作为研究对象，基于已有研究中成熟的技术工程素养评价框架进行内容比较。两国文件在三个评价领域和三个实践维度均表现出一定的分布差异性和学段差异性。我国科学学科和信息科技学科的分科设置能够发挥优势互补的作用，但在技术工程教育的连贯性和系统性上还需进一步加强，可以从深化系统思维、凸显发展的综合性、加强连贯性三个角度进行改进。【关键词】技术与工程；课程标准；国际比较；STEM在全球化的大背景下，人才竞争成为各国科技竞争的核心，我国也提倡加速培养具有突出技术创新能力和善于解决复杂工程问题的工程师队伍。而要实现这一目标需要教育体系内部的通力合作：一方面，高校需要完善技术工程相关专业的人才培养体系；另一方面，K-12教育阶段应注重在基础学科中渗透技术工程教育，挖掘具有发展潜力的青少年作为储备力量。作为STEM教育的重要组成部分，技术工程教育在全世界范围内的发展相对薄弱，尤其是K-12阶段的培养策略还有待完善和优化。［1］针对以上问题，世界各国逐步加强了基础教育阶段技术工程教育标准的制定和课程设计。2020年美国技术工程教师教育协会和国际技术工程教育协会联合发布了《技术与工程素养标准：STEM教育中技术与工程的作用》（STEL），它强调要在跨学科教学中培养学生的技术与工程素养［2］5。而我国2022年发布的《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“科学新课标”）和《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“信息科技新课标”）中也体现了技术与工程方面的重要元素。理解技术与工程素养的内涵、维度和学习各阶段的表现是有效实施技术工程教育的关键。出于以上考虑，下面通过对比中美两国相关文件中技术工程教学内容的异同为我国未来技术工程教育的实施与评价提供参考。一、研究背景与设计（一）研究对象考虑到标准的适用范围和使用广度，我们选择了美国《技术与工程素养标准：STEM教育中技术与工程的作用》（STEL）和我国的科学新课标、信息科技新课标作为研究对象。其中，2017年版科学课程标准中首次增加了技术与工程领域的内容，2022年版则调整了核心概念的内容，因此可以判断这两个部分是科学新课标中应当重点关注的内容。需要注意的是，义务教育阶段与“技术与工程”相关的内容在劳动和综合实践课程中也有涉及，但总体来看综合性强且地区差异大，因此不列入本次研究范围。与此同时，科学课程在部分初中学校还可能细化为物理、化学、生物三门课程，因与科学课程的开设存在重叠区间，也不列入讨论。下文我国教学部分仅集中阐述科学新课标与信息科技新课标中的技术与工程元素。1.我国新课标中技术与工程相关内容科学新课标将课程设置为13个学科核心概念和4个跨学科概念，这些概念都是义务教育阶段学生要学习的核心内容。其中，技术与工程的相关内容与2个学科核心概念（“技术、工程与社会”和“工程设计与物化”）及4个跨学科概念密切相关。“技术、工程与社会”强调了技术与工程的性质特点，还有它们对人类世界的影响及与科学的关系；“工程设计与物化”描述了工程的定义及与设计的关系。科学新课标围绕以上核心概念详细阐述了学生在1～2年级、3～4年级、5～6年级、7～9年级四个学段的内容要求和学业要求，具体情况见表1。2022年版信息科技新课标将原来的“信息技术”更名为“信息科技”，将其从综合实践活动中分离出来，这标志着信息科技正式成为独立的国家课程。信息科技是现代科学、工程和技术领域的重要组成部分，它主要关注“以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现”［3］1。因此信息科技课程也必然与技术工程素养的培养息息相关，该课程主要培养学生信息意识、计算思维、数字化学习与创新和信息社会责任四大核心素养［3］4。课程内容主要围绕数据、算法、网络、信息处理、信息安全、人工智能六条主线展开，依据学生的认知特征在四个学段各自安排了九大学习内容和四大跨学科主题，这些都与技术工程教育有着紧密的联系，具体情况可参考表2。需要注意的是，义务教育阶段仅在3～8年级单独开设此门课程。2.美国STEL技术工程素养的内涵与我国课程标准的要求相比，美国STEL将技术工程素养的培养设定在STEM大范圍内，覆盖学前到高中整个学段，因此学科教学的整合性和学习的连贯性更强。文件从标准、实践和情境三个维度阐述了技术工程素养的内涵：标准包括技术与工程的本质和特点、技术与工程的核心概念、知识技术与实践的整合、技术的影响、社会对技术发展的影响、技术史、技术与工程教育中的设计、技术产品及系统的应用、维护与评价；实践包括系统思维、创造力、批判性思维等；情境包括自动化、人工智能和机器人、能源与动力、信息与通信等。其中八项核心标准依次分布在PreK-2年级、3～5年级、6～8年级、9～12年级四个学段，形成了完整、系统的学习进阶过程。但是由于具体内容的交叉程度较高，因此需要采用更为系统合理的研究工具以评价这些标准的内容侧重点。（二）研究方法和分析框架由于两国文件既有相似之处又具有差异性，因此想要对内容进行对比分析需要构建合理的比较框架。由美国国家教育进步评价项目（NAEP）开发的技术与工程素养评价框架在国际上认可度较高，目前已经完成两轮针对美国学生的技术工程素养评价。该框架能为国内外课程标准分析提供评价的理论基础，这对于改进技术工程教育的课程设计和教学实践具有启发意义。与STEL类似，NAEP提出的技术与工程素养评价框架包含“评价领域”“实践”“情境”三个部分（见图1）。其中，“评价领域”包括“技术与社会”“设计与系统”“信息与通信技术”三个领域，具体对应的子领域见表3（为便于下文提及并做分析对比，分别用数字和A、B、C等字母标注和指代）。其中，“技术与社会”领域主要关注技术对人类、自然世界和信息知识世界的影响以及使用技术涉及的伦理问题；设计与系统领域主要关注技术的本质、技术发明过程中的工程设计和工作原理；“信息与通信技术”则关注技术工具的使用和功能。实践中，“理解技术原理”指利用技术相关的事实、概念和原则形成论点；“设计方案并实现目标”指利用技术知识和工具解决现实问题；“交流与合作”指利用技术工具交流信息和实现团队合作。“情境”则是技术工程素养评价的载体，“评价领域”和“实践”主要是在试题情境中展开。鉴于本文的研究重点是中美文件中技术工程素养的具体体现，因此主要关注“评价领域”和“实践”两个方面。NAEP在文件中进一步详细阐述了每一种评价领域对应的技术工程实践，这些示例为本研究中的文本分析提供了可靠的编码依据。编码过程中，笔者首先以语义为基本单位从“评价领域”和“实践”两个维度对两国文件中的学业要求进行编码，示例如表4。由于两国K-12教育体系的学段设置有所差异，因此横向比较前首先需要解决两国纵向学段划分不同的问题。具体来说，可以将学段按照小学低年级、小学高年级和初中三个阶段进行划分，如此一来我国3～4年级和5～6年级两个学段需要合并起来，方便与美国的3～5年级进行对照。学段划分完成后，便可以采用频数统计的方法比较技术工程素养不同元素在三个阶段的分布情况。二、中美技术工程教学内容的比较（一）两国文件在评价领域和实践维度的描述性数据经统计，各个学段中与技术工程相关的内容描述在三个评价领域出现的频率数据如图2所示（图中S指科学新课标，T指信息科技新课标）。其中，我国两个新课标和STEL文件中分别出现137个和125个编码，我国的137个编码中有73个来自信息科技新课标，64个来自科学新课标。我国两个新课标文件的编码在“技术与社会”“设计与系统”“信息与通信技术”三个评价领域占比分别为22.63%、51.82%和25.55%，信息科技新课标中编码在“技术与社会”领域出现的次数高于科学新课标。以子领域1C为例，它能有效补充科学新课标在该领域内容涵盖不足的问题，这体现了分科教育下不同学科侧重点的差异和相互补充的优势。与此同时，我国的两个新课标内容集中在1A和1D上，而对1B则没有涉及。“设计与系统”领域主要集中在2A和2B上，2D则涉及较少；2C作为技术工程教育的重要思维方式，主要出现在信息科技新课标中，在科学新课标技术与工程模块涉及较少。“信息与通信技术”的子领域分布相对均匀，且主要来自信息科技新课标，但3D领域内容相对较少。从学段分布来看，“技术与社会”和“设计与系统”在3～6年级的占比高于1～2年级和7～9年级，而“信息与通信技术”在三个学段的分布差异不大。美国STEL文件中，编码在“技术与社会”“设计与系统”“信息与通信技术”三个领域中占比分别为28.8%、63.2%和8%。“技术与社会”领域在四个子领域中均有涉及，主要集中在1A和1B；“设计与系统”领域也涉及四个子领域，但主要集中在2A、2B、2C；“信息与通信技术”领域整体占比较低，主要涉及3A、3B和3C，但在3D和3E没有涉及。从学段分布来看，三个评价领域在三个学段整体都呈现出递增趋势（如图2、图3、图4所示，其中S指科学新课标，T指信息科技新课标）。如果采用相同的编码规则从“实践”的维度分别对两国文件再次进行编码，各个学段的技术工程内容描述在三个维度出现的频率数据如图5（其中S指科学新课标，T指信息科技新课标）所示。其中，我国两个新课标和STEL文件中分别出现147个编码和99个编码。我国两个新课标的147个编码中有66个来自科学新课标，81个来自信息科技新课标，整体来看出现在“理解技术原理”“设计方案并实现目标”“交流与合作”的占比分别为48.98%、36.05%和14.97%。从学段分布来看，三种实践行为在3～6年级的占比高于1～2年级和7～9年级。STEL文件中在“理解技术原理”“设计方案并实现目标”“交流与合作”的占比则分别为52.53%、43.43%和4.04%。从学段分布来看，“设计方案并实现目标”在三个学段中呈现递增趋势，“理解技术原理”在3～5年级占比稍高于PreK-2年级和6～8年级。“交流与合作”整体占比较少，在三个学段的分布差异也不大。（二）两国文件整体比较及主要差异从整体层面来看，我国K-12阶段的技术工程教育尚处于起步和探索阶段，但科学与信息科技两个新课标的内容基本覆盖技术工程素养的不同方面，甚至两个学科的分科设置还能更全面、更综合地覆盖“评价领域”和“实践”两个不同的维度。STEL则是描述STEM环境中技术工程素养标准的独立文件，它體现了融合技术与工程的整体趋势，“明确了技术与工程教育的跨学科性及其在STEM教育中的学科整合作用”［6］。从评价领域层面来看，我国两个新课标和STEL都强调了“设计与系统”领域在技术工程教育中的重要性，尤其强调了2A和2B两个子领域。2C在两国文件中均有涉及，但主要分布在我国信息科技新课标中，科学新课标相对较少。与系统思维相关的2D在我国两个新课标中并未涉及，但作为技术工程教育的重要思维方式，如何在科学新课标的技术与工程模块将系统思维外显应当进一步探究。“技术与社会”领域中，两国文件均重点关注1A这一子领域。STEL对1C和1D有所涉及，但占比较少，而我国的信息科技新课标能够有效补充科学新课标在这两方面的不足。我国两个新课标都较少涉及1B，而STEL因为能够体现跨学科优势，涉及的内容范畴也更广，所以涵盖了该领域的四个方面。“信息与通信技术”领域我国两个新课标的占比明显高于STEL，这是因为科学与信息科技的分科优势使得我国两个新课标在大部分子领域的频次皆高于美国STEL。从技术工程实践层面来看，中美两国文件主要关注“理解技术原理”和“设计方案并实现目标”两方面，其中“理解技术原理”在两国文件中占比最高。不同的是，中国两个新课标中“交流与合作”的占比明显高于STEL。以上两个层面在不同学段的变化趋势中也表现出相似性或差异性。相似处体现在大部分评价领域和实践层面在小学阶段高年级出现的频次高于低年级，这侧面反映了学生学习的进阶性以及小学高年级是培养学生技术工程素养的重要时期这两个客观现象。差异处体现在以上内容在我国初中阶段的要求中出现的频次有所下降，而在美国文件中整体表现出逐步递增的趋势。这一差异背后可能的原因是我国从初中开始进行分科，学校可以根据实际情况以物理、化学、生物等学科不同程度上替代科学课程，因而技术与工程的相关内容有可能渗透在其他分支学科中。三、内容比较对我国技术工程教育的启示技术工程教育是培养学生创造力的重要途径，尤其是近年就如何在K-12阶段整合技术工程教育逐渐受到人们的关注和重视。新课标背景下，我国技术工程教育的标准制定和实施路径尚处于不断探索的过程中。面对国家人才培养的新要求，K-12技术工程教育应从标准制定、内容整合和学段连贯等方面进行思考。根据中美两国文件内容的比较结果，可以从技术与工程素养的评价领域和学段连贯性两个角度获得启示，提出以下改进建议。（一）深化技术与工程模块的系统思维“系统”是我国课程标准和美国下一代科学标准中重要的跨学科概念，STEL和NAEP文件中也将系统思维列为重要的实践表现。目前系统思维主要体现在信息科技新课标中，它在科学新课标中集中于“生命系统的构成层次”“地球系统”等核心概念中，而在技术与工程模块涉及较少，仅停留在浅层的“现代技术与工程具有系统性”的理解上，未基于系统这一概念进一步拆解和挖掘。技术与工程是人类根据实践经验和科学原理改造自然的活动和手段，而技术与工程相关产品是改造自然的结果，因此它本身就构成了系统结构［7］。义务教育阶段将系统思维迁移到科学课程中具有重要的实践意义，这有助于学生从整体和宏观层面分析问题。具体操作过程中，技术与工程产品的系统性可以从产品的静态结构构成和动态运行过程两个层面如图6所示进行分析。静态构成层面上，技术与工程产品包含结构、控制和流程三类要素，它们分别由小部件连接形成模块，通过各个组成要素相互作用，发挥系统的整体功能；动态运行过程层面则应考虑输入、过程、输出和反馈四个环节。以上四个环节的系统模型思想也被广泛运用到美国初高中的工程设计教学中。我国一线教师可以在不同阶段以开放式的维修挑战为载体进行教学，例如通过维修简单的玩具或家用电器，发展学生的系统思维，以及故障诊断和维修能力；还可以结合添加食品添加剂的利弊、化石能源的利用等社会科学议题组织辩论活动，帮助学生在交流讨论中发展系统思维。此外，系统工程也是我国钱学森院士的重要思想，指的是用系统观点处理问题的工程技术［8］。挖掘这些跨学科素材可以帮助学生从STEM、历史、语文等多学科角度展开活动，培养科学精神和爱国精神。（二）凸显技术与工程发展的綜合性按照钱学森院士的分类，人类社会是一个复杂的巨系统，它与外部环境有着物质、能量、信息的交换［9］。技术与工程的发展是人类社会系统前进的动力，也是人类社会与自然环境交互的媒介，因此义务教育阶段应在不同学科情境下鼓励学生从不同视角认识技术与工程发展的综合作用。目前我国课程标准主要关注它在改善人类生活和生产方面发挥的积极作用，却忽略了技术工程发展与外部环境的相互作用。技术的产生和发展因人类和社会需要所驱动，随着时间的推移对自然环境和社会文化环境产生正面或负面影响，而人类应充分利用技术优势实现可持续发展。随着全球进入信息化时代，如何利用技术工程实现社会高质量发展是值得深入思考的问题。作为教育工作者，教师可以在