以实践为本的普通高中工程教育模式研究

【摘要】工程教育的培养目标是培育具备工程实践能力和创新精神的高素质工程技术人才。本研究以无锡某高中课程基地建设为例，立足高中阶段，以实践为本，构建课程体系、拓宽教育场域、变革教学模式，为高中阶段工程教育的推进提供有益的实施经验。【关键词】工程教育；课程体系实践；普通高中工程教育的培养目标是培育具备工程实践能力和创新精神的高素质工程技术人才[1]。科技与社会的高速发展，对人才的实践能力提出了新的要求，因此，本研究以无锡某高中课程基地建设为例，立足高中阶段，以实践为本，聚焦工程教育课程体系的建构与实施，以期不断拓展工程教育路径，大力培养“未来科学家”“未来工程师”，为高质量发展提供人才和智力支撑。以实践为本的工程教育课程体系构建工程是有目的、有计划的实践活动，体现“做中学”“用中学”“创中学”。教师只有将工程教育的理念、目标与内容切实落实到普通高中的课程体系里，并且在日常的课堂教学实践中持续渗透、积极践行，才能够真正、有效地推进普通高中的工程教育，使其发挥出应有的作用，为学生的发展和社会对人才的需求奠定坚实的基础。因此，本研究以课程建设为重点开展工程教育，开发并建设了三层次、七模块，共29门工程教育课程群。从课程体系来看，它分为基础型课程、拓展型课程、研究型课程，兼顾国家及校本课程的深度关联。基础型课程面向全体，注重操作学习与实验学习，将工程思维融入各学科课堂教学；拓展型课程是面向学有专长的学生，旨在延伸学科课程的广度及深度；研究性课程面向拔尖创新人才校本课程，致力于高水平培养学生工程素养。从课程内容看，它有指向真实情境、具有时代感、体现跨学科、关注问题解决能力等特征。1.在国家必修课程中渗透工程教育内容工程教育是以技术科学为主要学科基础的，而国家课程是所有中学都会开展的教学课程，中小学工程教育在国家课程方面的探索必然更加具有普遍意义的研究和实践价值，因此在国家必修课程中加强对于工程内容的渗透，是本研究一个非常重要的实践领域。一方面，我们深度整合通用技术、信息技术课程内容，嵌入数学相关知识，以设计驱动工程整合，构建“技术与设计”“数据与计算”两大技术课程模块。另一方面，我们在物理、化学、生物、地理等理科日常教学中渗透工程内容，构建“科学与实验”基础模块，挖掘高中国家教材中科学整合工程教学的相关内容，以探究性实验、验证性实验等方式开展科学探究。如此，通过科学实验与技术实践，科学教育、技术教育等工程教育的通道切实发挥作用，为后续项目课程奠定工程教育必备的知识和技能基础。2.在特色拓展课程中加强工程设计衔接面向特长学生，我们开设“工程设计”系列特色拓展课程，挖掘简单真实的工程问题，让学生经历工程设计过程，初步学会解决工程问题的范式，通过实践获取学习成果，注重实践环境的真实性，以确保学习成果的持久性。“工程设计”衔接课程包括“太空电梯工程设计”“I创无限”“智慧家居设计”“三维创意设计”等项目，引导学生应用基础科学与技术、数学、工程科学，集成现有资源，经历发散、转换、收敛的设计过程，最优化地达到工程目标，初步掌握解决工程问题的一般模式，培养学生的工程素养。3.在创新研究课程中注重跨学科融合真实工程问题不是单一学科问题，应在解决问题过程中，让学生体会学科间的关联，促成学科间的拓展和运用。本研究基于基础学科的结合点提出创新研究课题项目，构建“智能制造”“绿色能源”“生命科学”三大模块，内含15个项目课程，引导学生在真实工程实践过程中培养工程素养，加强对工程伦理问题的探讨，始终将公众的安全、健康和福祉放在首位。如“基于环境科学与工程的‘双碳’研究”这个项目综合应用通用技术、信息技术、生物、化学等学科知识，结合国家“双碳”的发展思路和举措，从碳调查、碳检测、碳应用等几个方面，激发学生对“双碳”的认知，对工程思维的理解；引导学生完成二氧化碳检测设备的搭建，并应用于校园绿地碳汇能力的探究任务；在此基础上，进一步引导学生开展自主“双碳”课题的研究和工程问题的解决。以实践为本的工程教育场域拓展学校基于工程整合教育体系，创设学习环境，配备学习平台与系统资源，为学生能像工程师一样实践，解决真实工程问题提供环境资源保障，把环境资源转化为工程教育的课程资源。1.创建校内资源学校建有数学建模与云计算中心，五个理、化、生DIS数字化实验室，四个技术与设计中心，五个数据与计算中心等，以支撑国家必修课程中工程内容的渗透。创建AI+智造中心、创想工程中心、生命智汇中心、绿色双碳中心四大学习中心，分别支撑学生的智能制造、工程设计、生命科学与绿色能源四大模块的项目化课程学习和科创、科研探究活动。2.整合社会资源我们寻求高校、企业、科研院所的专业技术、人才优势、资源场所等方面的支持，借助解决真实工程问题的社会实践基地，开好工程教育课程。学校与上海交通大学、南京大学、东南大学等六所高校，中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所、南京大学锡山应用生物技术研究所等七家本地研究所，以及无锡精准医疗产业园、中瑞低碳生态城、江苏极熵物联科技有限公司等五家高新企业成立校外实践基地，通过学科体验营、科创夏令营、人才成长营、深度参与项目研究等活动，为学生提供更真实的实践场域。如六O七所在学校开设了“航空机载雷达概论”校本选修课；学生深度参观无锡市南京大学锡山应用生物技术研究所，了解生物合成等前沿研究领域，并开始了“生物合成——餐厨废料变身记”项目的探索；借助江南大学的实验室，高二一位学生完成了“氨基酸钝化钙钛矿太阳能电池界面的性能研究”；中瑞低碳生态城的零碳馆给学生带来双碳研究的直观体验，促进了“基于环境科学与工程的‘双碳’研究”工程项目的实施。以实践为本的工程教育教学模式变革本项目引导学生经历与工程师一样的实践过程，综合运用多学科知识和技能，解决真实工程问题，最终形成某一实际工程产品或解决方案，以此来培养学生的工程素养，助力他们成长为创新研究型人才（图1）。因此，基于工程教育的独特属性，我们采用项目式教学，注重实验探究和启发式学习，在实际问题的设计学习、操作学习、实验学习过程中，发展学生的创新能力、工程素养和实践能力，深化跨学科育人育才研究，支撑学校工程教育高质量发展。1.挖掘素材高中阶段工程教育项目课程的开发是一个系统性工作，其准备阶段至关重要。我们紧密围绕真实世界的问题，从学生需求、社会需求、教育资源现状等出发，深入挖掘并利用实际的工程素材，为工程项目开发指明方向。学生需求——了解高中生的兴趣、认知水平和未来职业规划，密切联系学生实际生活，确保课程能够激发他们的项目实践内驱力，并为他们的未来发展奠定基础。社会需求——为满足无锡构建“465”现代产业集群的需要，分析对工程人才的需求，包括行业趋势、技术革新和岗位变化等，确保课程能够与社会需求保持同步。教育资源——评估学校现有的教学资源，如师资力量、软硬件资源等，确保课程开发能够充分利用现有资源，并适当引入外部资源。基于以上分析，我们对接无锡市构建的未来产业“5+X”特色发展体系。围绕学校发展特色，本研究开发了多个工程实践项目，如化学能源小车项目、电子宠物项目、生物合成项目等，引导学生将课堂所学的科学知识、原理运用于解决真实的工程问题，实现学科后端应用，培养工程思维。2.教学分析基于真实工程问题，我们梳理相关知识，围绕需求任务重组各学科教材内容，嵌入素材资料，为大项目的开发奠定内容基础。工程实践类的项目对于科学和技术都有知识、技能的储备要求，而鉴于目前小学、初中阶段技术类课程实施参差不齐的现状，我们需对学校高一新生进行随机抽样访谈与调研，了解学生所具备的相关知识及技能，明晰项目难度。3.项目设计在上述分析基础上，我们确定项目主题，并进行可行性研究，明确教学目标、实施形式，创设项目情境，编制学生项目学习手册，并制定工程项目方案。工程项目方案是项目设计、项目实施、项目反思评价与迭代优化的依据。4.项目实施预设项目成果，以结果为导向，反向设计项目内容，并按照“共情需求—明确问题—科学探究—工程设计—工程实践—测试评估—迁移应用”的逻辑展开项目设计，项目实施的全过程强调学生的实践性，基于科学探究的结论，开展工程设计与实践，确保工程项目的科学严谨，并在整个过程中细化落实培养学生的工程素养。5.项目反思迭代项目开发环环相扣，整个过程都要注意反思与总结，分析项目设计和实施过程中的不足之处，并制定项目修改方案，不断积累成功经验，思考项