工程技术教育：美国K-12科学教育框架中的新元素，本文主要内容关键词为：美国论文,工程技术论文,框架论文,新元素论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
美国国家研究理事会于2011年正式发布了科学教育新文件《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念与核心概念》(以下简称新框架)，新框架对原框架进行了解构、添加和重组，第一次将工程技术单独列出并加入到科学教育的新框架中，并且声明：“此科学框架，旨在帮助实现科学和工程领域教育的愿景，在这些领域，学生多年来积极从事科学和工程实践、应用跨学科概念去加深他们对这些领域的核心思想的理解。”[1]预示了科学框架的三个维度的内容：科学和工程实践、跨学科概念和学科核心概念。新框架强调，新的科学课程应帮助学生在如下四个方面得到长足的发展：(1)能懂得自然界的科学解释，并会运用和阐释这些解释；(2)能收集和评估科学证据和解释；(3)能理解科学知识的本质和发展；(4)能有成效地参与科学实践和讨论。[1]本文主要介绍工程技术教育新元素的相关内容及评析新框架对科学教育的启示。
一、新框架的三维内容及其解释
(一)科学和工程实践(science and engineering practices)
科学框架的第一个维度是科学和工程实践。要求在科学课堂上培养学生以下八个方面的能力：(1)提出科学问题和界定技术难题；(2)发展和使用模型；(3)计划和开展研究；(4)分析和阐释数据；(5)使用数学、信息、计算机技术和计算思维；(6)构建解释(针对科学)和设计解决方案(针对工程)；(7)参与基于证据的争论；(8)获取、评估和交流信息。
新框架用“科学和工程实践”替代“科学探究”一方面是为了强调“做”与“学”无法真正分开，参与科学研究和工程设计不仅需要技能，还需要对相关知识的深入理解和运用；另一方面也为了避免人们的一些片面看法，如：将探究技能解释为机械掌握某项活动或程序步骤；或者将探究窄化理解为特指学生参与实验。此处术语“实践”的含义为：重复行为以使其熟练；深入彻底地学习以使其成为习惯；运用知识以使其达成目标。[1]新框架认为，“实践”能够更广义地体现科学学习的特点，强调学生要亲自参与体验各种活动，从中深刻理解科学和工程的核心概念；而探究只是实践的重要形式之一。
(二)跨学科概念(cross-cutting concepts)
跨学科概念作为第二维度是指那些应用于科学和工程所有领域中的概念，具有重要的解释价值，它被细分为7个跨学科概念。这些概念为学科界限搭建了沟通的桥梁，它着重于帮助学生构建和填充知识框架，让他们从初学者水平向更专业的层次迈进；并且是基于研究人类如何学习的最新进展之上的。下表1所示的7个跨学科概念将帮助学生建立对科学和工程的完整认识。
(三)学科核心概念(disciplinary core ideas)
以往，美国中小学主流科学教材分为三大领域：物质科学、生命科学、地球与空间科学。新框架将科学教材分为四个主要领域：物质科学、生命科学、地球与空间科学、工程与技术。
每个领域的核心概念都将作为重要的学习内容。物质科学领域的核心概念包括：物质及其相互作用；运动和稳定：力和相互作用；能量；波及其在信息传递技术中的应用。生命科学领域包括：从分子到生物体：结构和过程；生态系统：相互作用，能量和动态；遗传学：性状的遗传和变异；生物进化：统一性和多样性。地球与空间科学领域包括：地球在宇宙中的位置；地球系统；地球和人类活动。工程技术和科学应用领域包括：工程设计；联结工程、技术、科学和社会。[3]
以下具体论述新增的关于工程技术和科学应用领域的核心概念。
1.工程设计
指设计过程中工程师解决问题的基本方法，如问题的定义、模型的开发和利用以及对解决方案的最终决定等。这些工程实践中包含了一些有关的标准和制约，建模和分析，优化和权衡的专门知识。具体包括解释和定义工程问题，讨论什么是一个成功的解决方案的标准和限制因素？提出开发的可能解决方案以及优化设计方案，探讨不同的设计解决方案间该如何比较和权衡？其中开发一种新的设计方案来解决问题，这种创造性过程是工程设计的核心要素。
2.工程、技术、科学与社会之间的相互联系
对于科学的新见解，常常催化出新技术的产生及其应用，这些都是利用工程设计被开发出来的。反过来，新技术也为新的科学研究提供了机遇。在科学、工程和技术上的进步确实对人类社会产生了深刻的影响，但当科技在不断被引进时，一些人们意想不到的后果也会发生，如环境、能源等问题。因此，要决定有关的任何新技术是否被使用，需预计其成本、利益和风险，有时，这些预计可以通过科技和工程的辅助，例如，数学模型可以很容易地预测到行动的后果。不仅科学与工程会影响社会，社会的决策(市场力量或政治进程)也会为工程设计设置限制，从而影响科学家和工程师的工作。
二、三维框架的整合与教育目标的实现
新框架的四个教育目标为加入工程技术教育后的科学教育指引了方向。在表2中我们可以看到新增的工程技术是如何自然流畅地被加入到原有的框架中，并与其他框架结构因素巧妙地结合在一起的。
三、新框架对科学教育的启示
知识和实践应整合贯穿于中小学科学课程的教学设计中。学生不应该仅仅学习“探究”这一主题。相反，探究应作为学生的实践手段去解决一些科学工程问题，因为知识和实践两者不可或缺，知识需要在实践中学习和不断运用中加以深化；一个有意义的实践活动也一定要有确定的知识目标，并需要以先前知识为基础展开，在“动手”的过程中更需“动脑”，而不只是简单的操作活动。
科学老师应更多地思考如何融合各科教学方法而不是单独的学科教学方法来进行跨学科教学，工程技术的加入将有利于鼓励在学校层面上跨学科的合作和协调。以往学习中，学生往往看不到他们正在学习的各学科之间的联系，这是由于教师间对共同课程和教学计划认识的缺乏造成的，也是由于跨学科术语使用的缺乏造成的。例如，在自然科学中的“能源”一词，在生物学、化学、物理的内容中略有不同的含义，并可能在工程和技术方面的意思更加迥异，这些都会混淆学生甚至妨碍他们掌握对“能量”这一各学科间共有的基本科学概念。因此，在教学中协调指令，统一概念的定义将成为科学教育关注的重点。
学校应加强与校外机构如科学中心和工程协会之间的合作来补充或支持工程技术教学。学校外的学习环境，从科学技术中心到本地工业、工程技术专业协会可以通过提供学生一些超框架的学习机会来补充科学的教学，从而使教师能集中精力于其他教学方面而不是仅仅停留在此标准框架上。另一方面，学校通过与校外机构合作实施教学，可以支持此标准框架的不断优化。所以在这种互利的情况下，教师和学校需要与外部组织联手合作，明确每个合作伙伴在其中的不同作用，共同推进工程技术教学。
工程技术可为学生提供检验和运用科学知识的情境，并体验将科学运用于解决实际问题的乐趣，学生还可从中领悟到科学、工程技术的不同之处以及它们之间的相互联系。长久以来我国国民的技术素养远远落后于美国等发达国家，为了适应日益激烈的国际竞争环境，我国理科教育在近20年落实STS教育的基础上，吸纳了国际理科教育改革研究新成果，在科学新课程改革中已经凸现了技术教育的重要性，明确指出“技术设计”在教材编写和教学中应渗透到各领域的内容之中。如在全日制义务教育科学课程标准中，专门将“技术设计”作为一个主题。高中化学选修课程的6个模块之一是“化学与技术”，它在内容的选择上突出了“技术”的特点，让学生“认识化学科学与技术进步和社会发展的关系，培养社会责任感和创新精神”。这些都表明了我国的科学教育已经重视科学与技术的有机结合。
随着工程技术教育加入新框架，谁来教授技术和工程的内容？新框架没有明确地解释这个问题，也没有表明科学教师是学校的唯一的甚至最重要的传授者去教授给学生工程科技知识。因此，新框架为工程技术教师开启了一个潜在的更广阔的天地。鉴于目前的实际情况，建议在高等教育的大学或专科学校中与工程技术有关的专业应增设科学教育师范类专业，或在社会的工程技术机构中选派有良好教授能力的人才等各种有效方法来培育专业的工程技术教师。
总之，美国K-12科学教育新框架首次把工程教育提高到了一个不可忽视的地位，将工程教育整合入科学课程，并规定了需要学生学习的具体内容，希冀学生获取有关工程技术的核心概念，完成相关的实践活动，预示了科学教育的未来发展趋势，我国应该对此加以关注和研究。