杭州市勝利實(shí)驗(yàn)學(xué)校：在STEM教育中培育學(xué)生工程素養(yǎng)

隨著全球科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的深入發(fā)展，STEM教育作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提升國家競爭力的關(guān)鍵路徑，其戰(zhàn)略意義日益凸顯。教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》，明確強(qiáng)調(diào)要推動(dòng)學(xué)科融合，重視探究實(shí)踐，強(qiáng)化工程思維，為中小學(xué)STEM教育提供了清晰的行動(dòng)指引。在STEM教育中，工程素養(yǎng)培育是關(guān)鍵內(nèi)容，讓學(xué)生像工程師一樣系統(tǒng)思考、迭代設(shè)計(jì)并創(chuàng)造性地將知識(shí)應(yīng)用于真實(shí)情境。浙江省杭州市勝利實(shí)驗(yàn)學(xué)校作為省STEM教育種子學(xué)校，深刻認(rèn)識(shí)到推進(jìn)工程與技術(shù)實(shí)踐，培養(yǎng)小學(xué)生工程素養(yǎng)，是教育主動(dòng)回應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求的必然選擇。為此，2014年起學(xué)校從重點(diǎn)研制素養(yǎng)框架、探索實(shí)踐路徑兩個(gè)方面發(fā)力，為小學(xué)工程教育提供兼具兒童立場與發(fā)展張力的系統(tǒng)化解決方案。

研制小學(xué)生工程素養(yǎng)框架

學(xué)校鼓勵(lì)學(xué)生“用知識(shí)創(chuàng)造價(jià)值”，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中理解“創(chuàng)造源于對(duì)生活的深切關(guān)懷”，進(jìn)而學(xué)會(huì)以系統(tǒng)思維和責(zé)任感回應(yīng)未來世界的各種挑戰(zhàn)。為確保這一行動(dòng)目標(biāo)真正落地，學(xué)校根據(jù)小學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和發(fā)展需求，專門研制并細(xì)化小學(xué)生工程素養(yǎng)框架（見下頁表），并將其作為開展工程教育的行動(dòng)指南。

表：小學(xué)生工程素養(yǎng)框架

（一）小學(xué)生工程素養(yǎng)的維度

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出：學(xué)生要“知道工程需要經(jīng)歷明確問題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施計(jì)劃、檢驗(yàn)作品、改進(jìn)完善、發(fā)布成果等過程”。這一要求為小學(xué)生工程素養(yǎng)培育提供了依據(jù)。小學(xué)生工程素養(yǎng)是在工程問題解決中形成的思維特征、必備品格與關(guān)鍵能力。

為確保工程素養(yǎng)培育方向科學(xué)、有效，學(xué)?；陂L期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論研究，采用德爾菲專家調(diào)查法，將問題意識(shí)、設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐應(yīng)用三個(gè)維度確定為小學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)重點(diǎn)。其中，問題意識(shí)是工程實(shí)踐的起點(diǎn)，指學(xué)生能主動(dòng)在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)潛在需求，并能清晰界定具體的工程問題。設(shè)計(jì)能力，要求學(xué)生在充分考慮科學(xué)原理、倫理規(guī)范、資源限制等條件下，構(gòu)思設(shè)計(jì)解決方案并合理權(quán)衡，通過圖案、框架等形式呈現(xiàn)設(shè)計(jì)思路。實(shí)踐應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在試錯(cuò)中經(jīng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為作品，根據(jù)用戶反饋，在專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)下持續(xù)迭代優(yōu)化，最終將形成的產(chǎn)品應(yīng)用于真實(shí)場景，以解決實(shí)際問題。

（二）小學(xué)生工程素養(yǎng)的發(fā)展層次

義務(wù)教育階段學(xué)生認(rèn)知發(fā)展具有明顯的階段性、差異性、層級(jí)性等特征。低年段學(xué)生以具象思維為主要認(rèn)知方式，進(jìn)入高年段后，學(xué)生的抽象思維和系統(tǒng)思維逐步發(fā)展，開始具備分析復(fù)雜問題、構(gòu)建邏輯框架的能力。在工程素養(yǎng)培育中，學(xué)校遵循這一認(rèn)知規(guī)律，將工程素養(yǎng)目標(biāo)拆解為適合不同年齡認(rèn)知水平的發(fā)展層次，轉(zhuǎn)化為可觀察、可階段評(píng)估的具體行為表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)“教—學(xué)—評(píng)”一致性。清晰的發(fā)展層次劃分，既能幫助教師精準(zhǔn)把握各學(xué)段的教學(xué)重點(diǎn)，避免目標(biāo)設(shè)定過高或過低，又能指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的工程項(xiàng)目和實(shí)踐活動(dòng)，讓工程素養(yǎng)的培育更具針對(duì)性和可操作性。

基于此，學(xué)校以問題意識(shí)、設(shè)計(jì)能力與實(shí)踐應(yīng)用三個(gè)維度及九項(xiàng)具體表現(xiàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開展縱向的發(fā)展層次劃分，針對(duì)低年段、中年段和高年段學(xué)生的認(rèn)知差異，分別制定了梯度化、差異化的素養(yǎng)發(fā)展要求。將階段化標(biāo)準(zhǔn)前置，為教師提供清晰的育人指引，讓教學(xué)實(shí)施有章可循，同時(shí)為學(xué)生搭建明確的成長階梯，幫助他們了解自身素養(yǎng)的提升路徑，使學(xué)生更加主動(dòng)地參與工程實(shí)踐。

探索小學(xué)生工程素養(yǎng)培育的實(shí)踐路徑

小學(xué)生工程素養(yǎng)的培育需要在實(shí)踐中推動(dòng)。學(xué)校以工程素養(yǎng)表現(xiàn)框架為行動(dòng)指南，積極在課程開發(fā)、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、學(xué)科聯(lián)動(dòng)、校企合作等方面作出嘗試，探索工程素養(yǎng)培育的實(shí)踐路徑，賦能學(xué)生工程素養(yǎng)發(fā)展。

（一）打造課程超市，賦能學(xué)生技術(shù)儲(chǔ)備

培育學(xué)生工程素養(yǎng)，需要構(gòu)建良好的支撐環(huán)境，包括空間、設(shè)備、課程、師資等要素。同時(shí)，要滿足學(xué)生在工程實(shí)踐中不同的技能需求。為了解決空間不足、資源零散等問題，同時(shí)滿足學(xué)生在問題解決過程中產(chǎn)生的個(gè)性化技能需求，學(xué)校精心打造創(chuàng)意智造學(xué)習(xí)中心，并開發(fā)課程超市，助力學(xué)生自主選擇合適的學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)技術(shù)儲(chǔ)備。

創(chuàng)意智造學(xué)習(xí)中心功能分區(qū)明確，包含三維建模區(qū)、人工智能學(xué)習(xí)區(qū)、激光切割區(qū)、教學(xué)區(qū)、社團(tuán)活動(dòng)區(qū)、演講交流區(qū)、作品展示區(qū)、物料陳列倉儲(chǔ)區(qū)等，其中人工智能學(xué)習(xí)區(qū)配備前沿的硬件系統(tǒng)和軟件，為學(xué)生提供更加多元的學(xué)習(xí)選擇，激光切割區(qū)、三維建模區(qū)則滿足不同工程實(shí)踐場景需求。課程超市依托創(chuàng)意智造學(xué)習(xí)中心開發(fā)的課程資源集群，通過選修課程、親子工坊課程、線上微課等方式實(shí)施，內(nèi)容涉及開源硬件、三維建模、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域工程技術(shù)。

在實(shí)施流程上，每學(xué)期初發(fā)布選修課程清單，學(xué)生自主報(bào)名，每周五開展工程專題學(xué)習(xí)，學(xué)期末由授課教師根據(jù)學(xué)生技能表現(xiàn)點(diǎn)亮工程技能星。親子工坊通過發(fā)布主題清單招募參與者，學(xué)生與家長在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成工程項(xiàng)目，增進(jìn)親子互動(dòng)與技術(shù)交流，活動(dòng)結(jié)束后由家長點(diǎn)亮工程技能星。線上微課由學(xué)生在導(dǎo)師指導(dǎo)下開發(fā)并發(fā)布在學(xué)習(xí)網(wǎng)站，充分發(fā)揮學(xué)生互助互學(xué)的作用。學(xué)生可按照興趣自主搜索并學(xué)習(xí)微課，通過自評(píng)點(diǎn)亮工程技能星。例如，學(xué)校開發(fā)《激光切割啟蒙》選修課程，設(shè)計(jì)以“制作個(gè)性手機(jī)支架”為主題的親子工坊活動(dòng)。同時(shí)以學(xué)生為主體錄制10課時(shí)《激光切割入門》系列專題微課并發(fā)布在學(xué)習(xí)網(wǎng)站。通過線上線下相結(jié)合的方式，學(xué)生可靈活選擇不同的學(xué)習(xí)路徑，并將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際成果，切實(shí)提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

（二）依托“智造手冊”推進(jìn)工程項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)工程實(shí)踐活動(dòng)過于強(qiáng)調(diào)動(dòng)手制作和最終作品的呈現(xiàn)，忽視了工程思維、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與迭代優(yōu)化等核心能力的培養(yǎng)；活動(dòng)形式雖豐富熱鬧，但缺乏循序漸進(jìn)的教學(xué)邏輯與明確的能力發(fā)展主線，導(dǎo)致學(xué)生難以形成深層次理解和遷移能力。為解決上述問題，學(xué)校依托具有方法指導(dǎo)作用的“智造手冊”，實(shí)施包含“資源開發(fā)、全員培訓(xùn)、智造實(shí)踐、作品展評(píng)、反思改進(jìn)”五個(gè)環(huán)節(jié)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)。

資源開發(fā)環(huán)節(jié)，由骨干教師團(tuán)隊(duì)先行設(shè)計(jì)必要的教學(xué)資源，包括“智造手冊”、軟硬件工具、材料等。全員培訓(xùn)圍繞“智造手冊”展開，組織各學(xué)科教師通過概念學(xué)習(xí)、項(xiàng)目模擬等方式參與。形成協(xié)同共識(shí)，保障教學(xué)的專業(yè)性和精準(zhǔn)性。在智造實(shí)踐中，學(xué)生依據(jù)“智造手冊”，從學(xué)習(xí)和生活需求出發(fā)開展創(chuàng)意構(gòu)思、工程設(shè)計(jì)、原型制作等活動(dòng)，從被動(dòng)操作者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)設(shè)計(jì)者。作品展評(píng)環(huán)節(jié)采用班級(jí)推薦、年級(jí)評(píng)優(yōu)、校園展演等階梯式平臺(tái)推進(jìn)，通過作品推介活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的合作、策劃與表達(dá)能力，實(shí)現(xiàn)多元成果交流。反思改進(jìn)環(huán)節(jié)，師生共同依托“智造手冊”對(duì)項(xiàng)目流程進(jìn)行復(fù)盤，并迭代和優(yōu)化手冊內(nèi)容，使實(shí)施方式不斷完善。

“智造手冊”是針對(duì)具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)任務(wù)管理工具與支架，旨在幫助師生更好地理解和執(zhí)行實(shí)踐過程、實(shí)現(xiàn)自我管理?！爸窃焓謨浴睂⒅С中怨ぞ吲c表現(xiàn)性評(píng)價(jià)合二為一，圍繞工程素養(yǎng)的表現(xiàn)框架全面覆蓋工程實(shí)踐的各個(gè)環(huán)節(jié)。近年來，學(xué)校已積累“校園禮物”“失物招領(lǐng)”等智造手冊10余套，每套包含學(xué)生操作手冊和教師指導(dǎo)手冊?！皩W(xué)生操作手冊”旨在幫助學(xué)生記錄學(xué)習(xí)過程、評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果，以便及時(shí)調(diào)整進(jìn)度、促進(jìn)合作，包含確立問題、羅列創(chuàng)意、分析可行性、設(shè)計(jì)圖紙、制作迭代等多樣化工具。“教師指導(dǎo)手冊”提供項(xiàng)目概述、課時(shí)安排、教學(xué)建議、項(xiàng)目評(píng)價(jià)等關(guān)鍵要素，是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施的重要參考。

（三）探索學(xué)科聯(lián)動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展

學(xué)校鼓勵(lì)學(xué)生在解決問題時(shí)不斷提出新方案，通過應(yīng)用中的反思迭代，持續(xù)提高實(shí)踐效能。小學(xué)階段是學(xué)生突破性思維養(yǎng)成的重要時(shí)期，為此學(xué)校堅(jiān)持以學(xué)科聯(lián)動(dòng)為抓手，引導(dǎo)學(xué)生自覺將不同學(xué)科領(lǐng)域的思維方法橫向遷移到其他學(xué)科的問題解決中，打破固有的思維局限，創(chuàng)造性解決學(xué)科學(xué)習(xí)中的各類問題。

學(xué)科聯(lián)動(dòng)實(shí)施的主體包括師生雙方，具體有以下幾個(gè)步驟：第一步，由某一學(xué)科教師與學(xué)生共同梳理日常學(xué)習(xí)中的痛點(diǎn)和困惑，確保問題源于真實(shí)學(xué)習(xí)場景，為后續(xù)聯(lián)動(dòng)奠定基礎(chǔ)；第二步，該教師牽頭召集其他學(xué)科教師，通過“學(xué)科聯(lián)合教研”開展專題研討，跳出單一學(xué)科的思維框架，從多學(xué)科視角提出問題解決的創(chuàng)新思路；第三步，依據(jù)研討形成的創(chuàng)新方案，學(xué)生以某一學(xué)科任務(wù)為核心，輔以編程、人工智能、數(shù)字化工具等技術(shù)手段，在課堂現(xiàn)場完成問題解決實(shí)踐。通過這一過程，學(xué)科聯(lián)動(dòng)不僅幫助學(xué)生更深入地理解某一學(xué)科知識(shí)，同時(shí)提升學(xué)生換角度思考、換方法創(chuàng)新的能力。

例如，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)課《降落傘》的教學(xué)中，師生在使用秒表計(jì)時(shí)與目測觀察的方式記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，出現(xiàn)時(shí)間誤差較大的問題。針對(duì)這一問題，科學(xué)教師主動(dòng)召集信息科技教師開展聯(lián)合教研專題研討，信息科技教師提出利用三軸傳感器和編程技術(shù)精準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)解決誤差問題的思路。隨后，學(xué)生在教師指導(dǎo)下重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，通過分析傳感器采集的數(shù)據(jù)，直觀精準(zhǔn)地記錄降落傘落地時(shí)間，成功減少了人工計(jì)時(shí)帶來的誤差。這種思維方式的突破，拓寬了學(xué)生解決學(xué)科問題的思路。

（四）校企合作助力工程實(shí)踐應(yīng)用

若學(xué)生的學(xué)習(xí)成果僅停留在課堂展示或校內(nèi)評(píng)比層面，容易削弱實(shí)踐意義和學(xué)習(xí)深度。為打破這一局限，學(xué)校將學(xué)習(xí)環(huán)境從封閉課堂延伸至真實(shí)校園與社會(huì)，廣泛開展校企合作，通過企業(yè)真實(shí)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與市場視角，反向推動(dòng)工程學(xué)習(xí)走向系統(tǒng)化、社會(huì)化和產(chǎn)品化。

校企合作主要通過簽約孵化、駐點(diǎn)指導(dǎo)、企業(yè)研學(xué)、校企共創(chuàng)等方式推進(jìn)。每年在項(xiàng)目學(xué)習(xí)周中脫穎而出的優(yōu)秀作品團(tuán)隊(duì)，會(huì)與學(xué)校簽訂《產(chǎn)品孵化協(xié)議》，學(xué)校設(shè)立專項(xiàng)資金，確定對(duì)口支持科室，并以“項(xiàng)目進(jìn)度會(huì)”的形式定期跟進(jìn)孵化進(jìn)度，為項(xiàng)目落地提供保障。同時(shí)，學(xué)校引進(jìn)合作企業(yè)的工程師與學(xué)生團(tuán)隊(duì)結(jié)對(duì)，開展企業(yè)研學(xué)、駐點(diǎn)指導(dǎo)活動(dòng)。學(xué)生走進(jìn)企業(yè)，沉浸式觀察工程師的日常工作，直觀感受行業(yè)規(guī)范；工程師進(jìn)駐校園，在與學(xué)生共同優(yōu)化產(chǎn)品的過程中，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)的問題解決思維。最后，企業(yè)結(jié)合學(xué)生的作品創(chuàng)意，有針對(duì)性地提供軟硬件資源，校企共同迭代優(yōu)化產(chǎn)品。

校企合作為學(xué)生創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實(shí)用產(chǎn)品提供了多維支撐，不僅拓展了學(xué)生的實(shí)踐平臺(tái)，更讓學(xué)生在解決真實(shí)問題的過程中形成工程思維、迭代意識(shí)和責(zé)任意識(shí)，實(shí)現(xiàn)從“做作品”到“產(chǎn)產(chǎn)品”、從“學(xué)習(xí)者”到“創(chuàng)造者”的轉(zhuǎn)變。例如，學(xué)生設(shè)計(jì)的第一代“拐角防撞器”于2016年10月完成，在合作企業(yè)支持下成功投入使用，歷經(jīng)三屆學(xué)生接力迭代，2019年5月孫同學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的第三代版本已在學(xué)校一樓拐角運(yùn)行至今，成為激勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的“種子項(xiàng)目”。近年來，智能借還球柜、拖堂提醒器等7項(xiàng)創(chuàng)意產(chǎn)品成功落地，學(xué)生的創(chuàng)新概念在校園場景中得到論證，真正實(shí)現(xiàn)了“我的學(xué)校我做主”。

總之，經(jīng)過12年探索，學(xué)生的工程素養(yǎng)得到顯著提升，能主動(dòng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問題，可獨(dú)立完成從構(gòu)思、設(shè)計(jì)到制作優(yōu)化的完整過程，在多項(xiàng)科技競賽中獲獎(jiǎng)。與此同時(shí)，學(xué)生通過設(shè)計(jì)和制作創(chuàng)意作品參與校園文化建設(shè)，充分展現(xiàn)出良好的工程思維和強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感。在教師層面，團(tuán)隊(duì)主動(dòng)探索學(xué)習(xí)機(jī)制變革，推動(dòng)教學(xué)理念和教學(xué)行為轉(zhuǎn)變，教學(xué)能力同步增強(qiáng)，在此過程中開發(fā)出多門省市級(jí)精品課和跨學(xué)科課例，逐步形成學(xué)科協(xié)同、項(xiàng)目化教學(xué)的良好氛圍。未來，學(xué)校將依托人工智能技術(shù)開發(fā)工程素養(yǎng)數(shù)字化評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生工程素養(yǎng)的精準(zhǔn)分析。優(yōu)化和改編“智造手冊”，進(jìn)一步強(qiáng)化手冊在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中的支撐與評(píng)價(jià)功能。創(chuàng)新校企合作模式，推動(dòng)合作從“作品孵化共育”向“課程、師資共建共育”升級(jí)，構(gòu)建更具可持續(xù)性的教育生態(tài)。通過系列舉措助力小學(xué)生工程素養(yǎng)持續(xù)提升，為其應(yīng)對(duì)未來社會(huì)挑戰(zhàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（張浩強(qiáng) 作者系浙江省杭州市勝利實(shí)驗(yàn)學(xué)校校長）

《人民教育》2025年第19期