摘 要：培养学生的工程实践能力是美国基础教育科学课程改革的新举措。基于社会发展、国家安全，以及科学、技术、工程、数学（Science，Technology，Engineering，Mathematics，STEM）教育现状，重视工程实践旨在为优化大学教育和培养未来劳动力做准备。工程实践与科学实践相辅相成、同中存异，其主要内容是工程与实践的协调配置，是工程与科学并存、由探究向实践转变、重视学习进阶等理念的恰当融合。
关键词：美国；科学教育标准；课程改革；工程实践
2011年7月，美国国家研究理事会发布了《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》。该框架是美国制定《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standard，NGSS）的基础。框架确定后，美国阿契夫公司（AchieveInc.）牵头研发最终的《新一代科学教育标准》。2013年1月，阿契夫公司公开发布了《新一代科学教育标准（第二草案）》。该草案的内容框架主要来源于《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》。“科学与工程实践”作为框架中的三大核心内容之一，在草案中得到了详细的体现。工程在获得与科学同等重要地位的前提下，关于其实践能力的培养也得到了相应的重视。
一、背景
工程实践作为NGSS中的重要内容，是“工程”与“实践”的合理融合，把工程提升到与科学同等的地位，又强调实践相对于探究的优越性。工程实践能力的培养之所以得到美国基础教育科学课程改革的重视，主要是基于宏观和微观现实状况的考量。
首先，社会发展所面临的挑战要求重视工程实践。随着人口的增长和经济的高速发展，流行疾病、自然灾害、能源危机、环境危机等人类生存问题随之而生，严重威胁着社会的可持续发展。美国国家工程院（NAE）的相关研究认为，21世纪全人类主要面临创造清洁能源、提供洁净水源、循环利用资源、防止核恐怖危机、推进医疗信息化、改善城市基础设施建设等多重严峻挑战[1]。工程实践在解决方案的研发中起主导作用。虽然工程实践不能单独解决所有的问题，但是缺少工程实践便无法应对以上挑战。因此，基于人类发展和国家安全保障的需要，工程实践必不可少。
其次，美国基础工程教育现状要求重视学生工程实践能力的培养。STEM教育的出现表面上凸显了美国对科学、技术、工程和数学的重视，但实际上却是注重发展科学和数学教育，忽略技术和工程教育，尤其是工程教育近年来才逐渐面向K-12课堂。据美国国家科学理事会和国家工程院统计，1990～2009年，K-12阶段接受正规工程教育的学生人数约500万，仅占K-12阶段年均入学人数的10%[2]。学生接受正规工程教育的机会较少，加之工程教育标准、州评价体系、工程教师培训项目的匮乏，使工程实践能力的培养只是纸上谈兵。此外，工程教育并非孤立存在，它的发展与数学、科学和技术能力的培养紧密相连。因此，重视工程教育，培养学生的工程实践能力是美国K-12阶段STEM教育发展的必然要求。
二、主要内容
工程实践作为NGSS“科学与工程实践”的重要组成部分，其主要内容与科学实践既相互联系又有所区别。
（一）工程实践的目的
1.提高基础教育阶段学生的科学素养
培养K-12阶段学生工程实践能力有助于提高其科学素养。自20世纪50年代末以来，科学素养便作为科学教育的核心目标被广泛提及，但其涵义在学界并没有达成共识。1996年的《美国国家科学教育标准》将科学素养界定为关于科学原则和过程的理解及运用，该原则和过程的理解与运用能力主要用于个人决策和科学探讨，包括批判思维、创新能力、合作能力、技术的有效运用、终身学习能力培养[3]。随着科学的进步和社会更迭对能力要求的转变，科学素养的内涵随之得到丰富和发展。强调学生工程实践能力的培养便是科学素养在新世纪的新要求。K-12阶段学生的工程实践能力直接影响着大学的科学教育成效，把工程实践能力的培养提上改革日程可以为大学的科学教育做准备。
2.增强未来劳动力的实践能力
培养K-12阶段学生的工程实践能力有助于增强未来劳动力的实践能力。对中学后直接参与工作的学生来说，K-12阶段的工程实践能力培养是提高未来劳动力工作效率的重要途径。首先，工程实践与科学知识和探究紧密相连，因此，理解和运用工程实践有助于增强学生对社会的整体性认识。其次，掌握工程实践知识有助于提升未来劳动力对基础技能的敏感度和认知度，明确工程实践指向。最后，工程实践能力的培养关系着表达能力、交流能力、合作能力等一系列工作中必备的素质，不仅是解决专业领域问题的必备条件，也是解决非工程领域问题的基础。因此，增强未来劳动力的实践能力是工程实践的主要目的之一。
（二）工程实践的内涵
工程实践集“工程”和“实践”为一体，与科学实践并行于NGSS中。工程实践与科学实践既存在共同要素，又各有特殊性。
1.工程实践与科学实践的共同要素
工程实践与科学实践的共同要素主要体现在三个方面：首先，调查和基于经验的探究；其次，展开逻辑推理、创造性分析，并建构解释、开发模型；最后，分析评估模型与理论解释的合理性和规范化（见图1）。
调查和基于经验探究的过程主要进行“提问和问题定义”“开发和使用模型”“规划和开展调查”等实践。无论在科学研究还是在工程设计中，提出一个准确并且清晰的问题尤为关键。因此，具备提问的能力是进一步研究和学习的基础。模型的使用和调查的开展也建立在一定的问题之上。
在展开逻辑推理、创造性分析，并建构解释、开发模型的过程中，主要进行“分析和解释数据”“运用数学和计算思维”“构造解释和设计解决方案”“进行证据论证”等实践。理论建构和方案设计阶段的实践首先基于调查分析和对数据的阐释，在解释数据的过程中必定会运用数学统计、计算机模拟等实证性研究工具，因此，数学和计算思维的运用贯穿于整个研究过程。之后，在调查、计算和预测的基础上形成理论建构和方案设计，并基于论据论证该理论和方案的合理性。
在分析、评估模型和理论解释两方面的合理性以及规范化的过程中，评估作为每一步实践的必要因素贯穿于研究过程的始终。无论在创建、完善理论和模型的过程中，还是在问题的调查中，批判性思维指导下的评估都必不可少。K-12阶段工程与科学实践主要表现为“获取、评估和交流信息”。
2.工程实践与科学实践的区别
虽然以下八项实践是工程设计与科学研究的共同要素，但是工程与科学始终拥有各自不同的研究对象、研究方法、研究目的、理论基础等。基于不同的研究范式和领域，工程与科学体现在实践中也各有侧重。因此，二者是在“和”的基础上而有所不同（见表1）。
（三）工程实践的原则
工程实践的提出强调工程在STEM教育中的重要作用，在实施中则主要关注实践的中心地位。因此，NGSS中的工程实践主要遵循以下四个原则。
1.面向K-12阶段全体学生的实践
工程实践强调实践是面向全体学生的实践。NGSS中的工程实践标准为不同的年级段设计了不同的预期目标，并对标准进行了详细阐释和举例。标准也对幼儿园的孩子提出了适合的水平标准，逐渐增强幼儿的实践能力。需要指出的是，该标准并没有阐明每个年级的预期标准，各州以及各学区可根据年级段标准设计每个年级的具体标准。但是，无论如何，工程实践必须是面向K-12阶段全体学生的实践。
2.实践随着年级的升高愈加复杂
工程实践标准应随着学生生理和心理的成长而改变。例如，八项实践之一的“规划和开展调查”强调幼儿园阶段的调查在已规划好的情境中进行，并在孩子明确调查对象、观察、测量、记录结果的过程中给予帮助；小学阶段，学生需要自己规划和开展调查，并随着年级的升高而提高所调查问题的复杂性；中学阶段，学生要能够尽量减少调查中发生的错误。总之，工程实践标准从幼儿园到12年级都有其学习进阶（LearningProgressions，LPs），并随着年级的升高而愈加复杂。
3.实践是工程和科学的共同要素
工程设计和科学研究皆在此八项实践的基础上展开，并进行反复探讨和验证，使设计和理论达到最优化。即便实践是工程和科学的共同要素，也因实践目的的不同而有所侧重。在一定程度上，用于界定和解决问题的实践即为工程设计，用于解答问题的实践即为科学研究。
4.实践相互关联、重叠
八项实践并非是相互独立的个体，而是紧密相连的集体。它们之间既可以依次展开，也可以部分重叠、同时进行。例如，“提问”这一实践后可紧随着“开发和使用模型”，也可随之进行“规划和开展调查”，然后是“分析和解释数据”；“运用数学和计算思维”这一实践通常包含于“分析和解释数据”中。因此，八项实践在学习中并非按照严格的顺序依次进行，而是根据设计和研究需要进行灵活调整。相对于帮助学生合理运用每一项实践，使之理解八项实践之间的相互联系更为重要。
三、评价
美国此次科学教育改革强调培养学生的工程实践能力，是对STEM教育和社会发展需要的回应，其目的、内容和原则均体现出工程与科学并行、探究向实践转变、重视学习进阶等重要科学教育理念的融合。
（一）工程教育与科学教育并行
把工程教育融入科学标准并非初次倡导，早在美国“2061计划”系列丛书中就有所体现。但是，工程教育没有在科学课程、评价以及科学教师教育中获得与科学教育同等的地位。NGSS工程实践最突出的特点是把工程教育融入科学教育结构中，把工程设计和科学研究置于课堂教学中的同等高度，把工程的核心概念置于与其他主要科学核心概念的同等地位，使人们能够在学习和目标评价中对工程和科学一视同仁。K-12科学教育中科学与工程并行有一定的合理性，主要体现在两个方面：其一，面对全球性问题的挑战，激励学生主动、积极地从事工程和科学研究是整个社会发展的需要；其二，工程与科学并行有助于学生把所学的科学知识运用于实际问题的解决，从而更加深入地理解科学的本质[4]。因此，NGSS中工程实践能力的培养强调工程与科学并行，有助于社会问题和教育问题的解决。
（二）探究向实践转变
工程实践能力的培养强调探究向实践的转变，这是科学本质和科学素养丰富、发展的必然产物。20世纪60年代的科学教育改革中，“科学过程”（Progresses of Science ）被广泛使用，并替代了60年代前科学教育所强调的“科学方法”（Methodsof Science）。“科学过程”的提出改变了科学教育引导学生“观察”“阐述”“测量”“推理”和“预测”五步法，转而强调学生参与实验、调查等活动，在活动过程中获得体验并基于体验理解科学本质。20世纪60年代至90年代，“科学探究”（ScientificInquiry）替代了“科学过程”。“科学探究”的观点认为，科学概念的学习必不可少，并且应基于概念的掌握逐渐培养学生的科学探究能力。基于“探究”的学习有助于丰富学生对科学的认识，适应学生认知发展水平，并提高教学效率。即便如此，“科学探究”也没有如预期般被广泛运用。21世纪初，美国学者认为学校中的科学教育是一系列内容和实践的组合，实践对探究的替代主要基于实践的包容性：科学实践代表教育中的“做”和“学”，二者密不可分；实践内涵则更为丰富，包括“反复做以至熟练精通”、“彻底学习以理解本质”、“知识在现实中的运用”等释义[5]。因此，探究只是实践中的一种方式，探究到实践的转变并非是对探究的完全舍弃，而是在原有基础上的丰富和扩展。
（三）重视学习进阶
提高科学教育中K-12年级或年级段之间的关联度，是贯穿NGSS的重要原则和思想，并渗透于工程实践之中。传统科学教育的缺陷之一便是教育学生掌握一系列不直接相关或者相互独立的科学事实，忽视科学知识和实践之间的关联和承接。学习进阶关注学生已经掌握的知识和实践与亟需掌握的知识和实践之间的顺承关系，强调更高水平的标准建立在前一水平的目标之上，有助于从整体上提高学生的科学素养。工程实践中的学习进阶建立在学生原有的知识和能力基础之上，基于学生对周围现象的好奇心，用更科学的方式指导学生认识科学和工程的本质。学习进阶还强调工程设计中知识和实践的融合，各年级段的知识水平和实践水平的对应，使学生能够合理地基于知识的掌握进行工程实践[6]。总而言之，“学习进阶”是NGSS根据学生生理、心理等发展的基本规律而提出的，把它融入工程实践能力培养过程，不仅是学生学习的现实需要，也是基于“为了每一个学生的发展”的教育目标而提出的重要教育理念。
四、结语
《新一代科学教育标准》的制定体现了美国基于中小学科学教育现存的学业成绩落后、求宽不求深等问题的解决方法和理念，工程实践作为主要内容之一被视为科学教育改革的重要路径。基础教育阶段工程与科学并行、探究向实践转变、学习进阶思想的合理融入可为我国科学教育改革提供一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]National Academic of Engineering. GrandChallenges for Engineering[EB/OL].http：//www.engineeringchallenges.org/cms/8996.aspx，2013-04-02.
[2]Committee on Standards for K-12Engineering Education， National Acadey of Engineering. Standardsfor K-12 Engineering Education[M]. Washington，DC： The National Academies Press，2010：6.
[3]National Committee on Science EducationStandards and Assessment， National Research Council. NationalScience Education Standards[M]. Washington， DC： The National Academies Press，1996： 4.
[4]NGSS Public Release.Conceptual Shifts inthe Next Generation Science Standards[EB/OL]. http：//www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Appendix%20A%20-%20Conceptual%20Shifts%20in%20the%20Next%20Generation%20Science%20Standards%20-%20FINAL.pdf，2013-01-16.
[5]Rodger W. Bybe. Scientific andEngineering Practices in K-12 Classrooms—UnderstandingA Framework for K-12 Science Education[J]. NSTA’sjournals， 2011（12）.
[6]NGSS Public Release. Progressions WithinThe Next Generation Science Standards[EB/OL]. http：//www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Appendix%20E%20-%20Progressions%20within%20NGSS%20-%20FINAL.pdf， 2013-01-17.
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