中小學的工程教育，不僅是呼應國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略、創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要舉措，也為培養(yǎng)具有科技報國情懷的“未來工程師”打下堅實的根基。
——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，不再只盯著分數和成績，意識到科學創(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)孩子的科學素養(yǎng)卻一時眾說紛紜，“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，科學培養(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《新時代中小學工程教育的挑戰(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、技術、工程的關系，對中小學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的必要性進行闡述，并針對現狀提出重要建議。
*以下內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、技術和工程的內涵、外延、遞進與統(tǒng)一
我的報告主題分四個方面：
一，科學、技術與工程
二，中小學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的必要性
三，中小學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)現狀
四，中小學生工程素養(yǎng)提升建議
圖 | 嘉賓分享PPT
首先是科學、技術和工程的內涵、外延、遞進與統(tǒng)一。
科技進步在我們的社會當中起到越來越重要的作用。在提到“科學”或“科技”的時候，多是在泛指。今天，我想把科學、技術和工程的內涵、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，牛頓力學把人類對自然界的認識推到了一個新的水平;
第二次工業(yè)革命，電磁學證明了電流周圍存在著磁場，而電流是電荷的定向運動形成的;
第三次工業(yè)革命，起源于圖靈機的模型理論，它為現代計算機理論奠定了基礎;
第四次工業(yè)革命，則是人工智能理論、神經網絡和智能計算所促成的工業(yè)4.0時代。
科學是反映客觀世界現象和物質內在規(guī)律的科學理論、知識集合，而技術則是進步的方法和手段，是在科學理論的指導下通過總結實踐的經驗所得到的知識，能夠直接作用于生產的實際技能，像蒸汽機、電動機、計算機和人工智能，就是這四次工業(yè)革命的主要技術。所以，技術的成果是發(fā)明與訣竅，而工程則是科學技術改造世界的一座橋梁，它是運用科學理論和技術竅門來進行的大規(guī)模改造世界的活動，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、技術與工程既彼此獨立又密不可分。科學負責發(fā)現內在規(guī)律，技術負責發(fā)明、革新工藝技能，工程負責建造美好的世界。
對于“科學、技術和工程的相互關系”，我認為有三點非常重要：
第一，技術必須基于真正的科學。如果有人聲稱發(fā)明了“永動機”，這顯然是不成立的，因為他違背了科學的基本原理。
第二，技術必須是可以工程化的科學。像“核的聚變”，已經具有很清晰的科學原理，但人類怎么能控制它，即“可控核聚變”仍然是個難題，正因為如此，工程是要可應用、可以工程化的技術。
第三，應用工程要具備實用性和經濟性。實用性不行，工程沒有效果;經濟性不行，也不是一個可以應用的技術。
如果梳理第一次工業(yè)革命到第四次工業(yè)革命的主要科學發(fā)現、主要技術發(fā)明、主要工程應用分別是什么，我們就可以從中看到跨學科領域的整體性和系統(tǒng)性工程的關系。我們國家的“兩院”，也就是科學院與工程院的研究重點，前者在于科學和技術，后者在于技術和工程。
我國著 名的戰(zhàn)略科學家錢學森同志，在1947年提出“科學、技術與工程的相互關系”，他發(fā)表論文，從此奠定了國內系統(tǒng)科學的基礎，從系統(tǒng)的角度觀察、研究客觀世界，并提出系統(tǒng)科學的整體架構，從科學、技術、工程的演進過程中觀察到最初的、原始的認識世界的方法論和世界觀，就是哲學和哲學的分類。
中小學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的必要性
第二點，來談談中小學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的必要性。
習總書記指出，要培養(yǎng)大批卓越工程師，努力建設一支愛黨報國、敬業(yè)奉獻、具有突出技術創(chuàng)新能力、善于解決復雜工程問題的工程師隊伍。中小學的工程教育，是基礎教育呼應國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略、創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要舉措，為培養(yǎng)具有科技報國情懷的“未來工程師”打下堅實的根基。
在學生發(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、技術應用、團隊協(xié)作和綜合問題解決等方面。
首先，工程素養(yǎng)強調通過系統(tǒng)性觀察、分析、批判、創(chuàng)新設計、迭代、改進來解決問題，以幫助學生應對未來復雜多變的社會環(huán)境。
其次，工程素養(yǎng)強調學生的科技應用能力可以幫助學生理解和應用科技知識，從而更有可能成為未來科技領域的創(chuàng)新者和領導者。
第三，工程素養(yǎng)有助于培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。學生可以學會溝通、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)引導學生關注科技倫理。在技術與工程教育中，關注倫理意味著關注未來技術產品、系統(tǒng)和過程對人和環(huán)境的影響，以培養(yǎng)理性公民。
中小學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)現狀
我要分享的第三點，是中小學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)現狀。
中國學生的工程素養(yǎng)教育處于起步階段，各地都進行了比較有益的探索。
2023年，無錫市出臺《關于推進中小學工程教育的指導意見》，以培養(yǎng)“未來卓越工程師”核心素養(yǎng)為引領，明晰各學段工程教育目標定位和實施重點，健全中小學工程教育課程體系，優(yōu)化工程教育學習環(huán)境，提升專任教師能力素質，深化拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)，在全江蘇省構建各學段銜接有序、一體推進的工程教育新格局。
浙江省探索了多路徑實施中小學工程啟蒙教育，培養(yǎng)學生綜合科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，包含以下幾個實施路徑——
路徑一 依托普通高中通用技術課程，探索工程思維的有效教學
路徑二 在“STEM”教育實施中普及工程教育，強化技術與工程實踐
路徑三 探索設計教育，降低工程教育的門檻
路徑四 深化勞動教育，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，唯分數、應試培養(yǎng)體系，而忽略了底層的學科素養(yǎng)的培養(yǎng);
二，部分地區(qū)缺乏綜合實踐活動的師資和物質條件;
三，普遍缺乏系統(tǒng)性的工程教育素養(yǎng)制度設計和配套教學資源。
總體而言，缺乏對技術與工程學內容的明確，引入課程設計也多為按圖裝配或改進的設計;缺乏對學生開發(fā)性、創(chuàng)新性的要求，相關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年連貫的技術與工程教育體系。
在教育實踐中，“PBL”，也就是項目式學習，可以讓孩子對工程教育有一個更好的探索。因為工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，需要情景式、參與式和強包容性的項目學習方式。
項目式學習有7個基本項目設計元素，包括富有挑戰(zhàn)性的問題、持久研究、真實性、學生的發(fā)言權和選擇權、反思與總結、評價與修正以及公開展示與分享。它是一種教學方法，讓學生通過對真實的、復雜的問題進行研究，從中獲取知識和技能，培養(yǎng)跨學科的綜合解決能力。項目式學習以學生為中心，鼓勵學生自由合作，解決開放性問題，同時讓學生在學習小組合作討論中，通過輪換角色來培養(yǎng)不同的技能，在解決問題當中強調技巧和能力的發(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(Science)
技術(Technology)
工程(Engineering)
數學(Mathematics)
融合起來的綜合教育。
“STEM”可以很好地培養(yǎng)計算思維，即時、個性化的反饋，工程設計流程和嵌入式評估。“STEM”的創(chuàng)新實踐聚焦技術，可以成為學習的強大工具。美國教育技術辦公室與Digital Promise合作，將創(chuàng)新數字技術整合到“STEM”學習當中，有效地利用技術來加深學生的“STEM”體驗。
在這其中我們可以看到“STEM”模式有五個特點：
-政府有力引導和科學的頂層設計
-創(chuàng)新學習測量方法，多元評價機制
-構建科學的衡量標準，注重評估
-開展早期的“STEM”教育，注重幼兒教育
-跨機構協(xié)調，建立以學習為中心的多元網絡
它從底層的學科內容、具體學科到多學科綜合，是金字塔式的培養(yǎng)教育理念。
中小學生工程素養(yǎng)提升建議
最后，就我國中小學生工程素養(yǎng)提升提出如下建議：
一，建議加強學科整合。將工程素養(yǎng)滲透到各個學科教學中，發(fā)現和培養(yǎng)一批創(chuàng)新思維活躍的交叉學科人才，采用項目式學習方式來培養(yǎng)學生動腦、動手的創(chuàng)新思維。
二，建議適時開設工程理論與實踐課程，讓中小學生了解基本的工程概念，具備一定的系統(tǒng)性工程思維，讓學生了解到所在城市的典型工程項目，鼓勵學生參與工程類社會實踐研學活動。
三，建議在學校建立科創(chuàng)空間，為中小學生參與工程實踐、嘗試規(guī)劃和構建項目提供條件。除學生在學校的科創(chuàng)課程學習，也鼓勵學生來參與校外的科技競賽活動，在實踐中鍛煉提升工程素養(yǎng)。
四，建議建立綜合評價機制。包括系統(tǒng)化、規(guī)范化、創(chuàng)新性、可操作性、及時反饋，這樣可以建立有效的工程素養(yǎng)的綜合評價機制，以便教師和學生能夠有針對性地改進教學方法和策略。
五，建議加強工程科普。鼓勵工程師進課堂，貼近現場，了解工程學如何幫助解決當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制，有利于提升中小學生工程素養(yǎng)興趣的提升和學習動機，促進其學習的深度研究。
我作為中國工程院院士，這些年來一直堅持對中小學進行工程科普，曾分別就磁懸浮、氫能源、可再生能源和中小學生的科學技術和工程素養(yǎng)分別進行了科普，廣大學生普遍反映效果比較好。
另外，在我所擔任科協(xié)主席的山東省，每一個縣都建立了科學館，讓我們的中小學生都能夠在科學館里面學到相應的技術，特別是工程知識。同時我們也選擇了一批典型的工廠，中小學生很早就能夠實地體驗，看到我們的工廠、工程師是如何工作的。
