中小學的工程教育，不僅是呼應國家創新驅動發展戰略、創新人才培養的重要舉措，也為培養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，世界工程組織聯合會執行委員
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新人才的培養上，不再只盯著分數和成績，意識到科學創造力對孩子未來職業發展的重要性。
然而，對如何培養孩子的科學素養卻一時眾說紛紜，“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：
·未來科技創新人才，究竟需要具備什么素養?
·如何避免盲目跟風，科學培養?
在第六屆IEIC國際教育創新大會上，中國工程院院士，世界工程組織聯合會執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和使命》，他回顧四次工業革命的發展歷程，梳理了科學、技術、工程的關系，對中小學生工程素養培養的必要性進行闡述，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，中小學生工程素養培養的必要性
三，中小學生工程素養培養現狀
四，中小學生工程素養提升建議
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革命，我們可以看到——
第一次工業革命，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4.0時代。
科學是反映客觀世界現象和物質內在規律的科學理論、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，就是這四次工業革命的主要技術。所以，技術的成果是發明與訣竅，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。科學負責發現內在規律，技術負責發明、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革命到第四次工業革命的主要科學發現、主要技術發明、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”，他發表論文，從此奠定了國內系統科學的基礎，從系統的角度觀察、研究客觀世界，并提出系統科學的整體架構，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。
中小學生工程素養培養的必要性
第二點，來談談中小學生工程素養培養的必要性。
習總書記指出，要培養大批卓越工程師，努力建設一支愛黨報國、敬業奉獻、具有突出技術創新能力、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新驅動發展戰略、創新人才培養的重要舉措，為培養具有科技報國情懷的“未來工程師”打下堅實的根基。
在學生發展層面，工程素養是培養未來職業生涯發展的核心素養，它是一種綜合能力，包括創新思維、技術應用、團隊協作和綜合問題解決等方面。
首先，工程素養強調通過系統性觀察、分析、批判、創新設計、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境。
其次，工程素養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新者和領導者。
第三，工程素養有助于培養團隊協作能力。學生可以學會溝通、協作和分享，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、系統和過程對人和環境的影響，以培養理性公民。
中小學生工程素養培養現狀
我要分享的第三點，是中小學生工程素養培養現狀。
中國學生的工程素養教育處于起步階段，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“未來卓越工程師”核心素養為引領，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，優化工程教育學習環境，提升專任教師能力素質，深化拔尖創新人才培養，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，培養學生綜合科技素養和創新能力，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，我國的工程素養教育普遍存在不足——
一，唯分數、應試培養體系，而忽略了底層的學科素養的培養;
二，部分地區缺乏綜合實踐活動的師資和物質條件;
三，普遍缺乏系統性的工程教育素養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;缺乏對學生開發性、創新性的要求，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。因為工程素養的培養，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，包括富有挑戰性的問題、持久研究、真實性、學生的發言權和選擇權、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不同的技能，在解決問題當中強調技巧和能力的發展。
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，是金字塔式的培養教育理念。
中小學生工程素養提升建議
最后，就我國中小學生工程素養提升提出如下建議：
一，建議加強學科整合。將工程素養滲透到各個學科教學中，發現和培養一批創新思維活躍的交叉學科人才，采用項目式學習方式來培養學生動腦、動手的創新思維。
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空間，為中小學生參與工程實踐、嘗試規劃和構建項目提供條件。除學生在學校的科創課程學習，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。
四，建議建立綜合評價機制。包括系統化、規范化、創新性、可操作性、及時反饋，這樣可以建立有效的工程素養的綜合評價機制，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，例如能源、疾病防治、全球環境變化等問題。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。
