中小学的工程教育，不仅是呼应国家创新驱动发展战略、创新人才培养的重要举措，也为培养具有科技报国情怀的“未来工程师”打下坚实的根基。
——摘自第六届IEIC大会 凌文分享
中国工程院院士，世界工程组织联合会执行委员
凌文 | 第六届IEIC大会科技教育论坛主旨演讲
人工智能时代的到来，让众多家庭将教育目光聚焦于未来科技创新人才的培养上，不再只盯着分数和成绩，意识到科学创造力对孩子未来职业发展的重要性。
然而，对如何培养孩子的科学素养却一时众说纷纭，“STEM”、“PBL”等海外教育方式的流行，也让诸多不甚了解这方面知识的家长陷入迷茫：
·未来科技创新人才，究竟需要具备什么素养?
·如何避免盲目跟风，科学培养?
在第六届IEIC国际教育创新大会上，中国工程院院士，世界工程组织联合会执行委员凌文院士通过云端带来主旨演讲《新时代中小学工程教育的挑战和使命》，他回顾四次工业革命的发展历程，梳理了科学、技术、工程的关系，对中小学生工程素养培养的必要性进行阐述，并针对现状提出重要建议。
*以下内容摘自凌文院士第六届IEIC大会分享，为方便阅读，以第一人称视角陈述。
科学、技术和工程的内涵、外延、递进与统一
我的报告主题分四个方面：
一，科学、技术与工程
二，中小学生工程素养培养的必要性
三，中小学生工程素养培养现状
四，中小学生工程素养提升建议
图 | 嘉宾分享PPT
首先是科学、技术和工程的内涵、外延、递进与统一。
科技进步在我们的社会当中起到越来越重要的作用。在提到“科学”或“科技”的时候，多是在泛指。今天，我想把科学、技术和工程的内涵、外延理清楚。
回顾历史上的四次工业革命，我们可以看到——
第一次工业革命，牛顿力学把人类对自然界的认识推到了一个新的水平;
第二次工业革命，电磁学证明了电流周围存在着磁场，而电流是电荷的定向运动形成的;
第三次工业革命，起源于图灵机的模型理论，它为现代计算机理论奠定了基础;
第四次工业革命，则是人工智能理论、神经网络和智能计算所促成的工业4.0时代。
科学是反映客观世界现象和物质内在规律的科学理论、知识集合，而技术则是进步的方法和手段，是在科学理论的指导下通过总结实践的经验所得到的知识，能够直接作用于生产的实际技能，像蒸汽机、电动机、计算机和人工智能，就是这四次工业革命的主要技术。所以，技术的成果是发明与诀窍，而工程则是科学技术改造世界的一座桥梁，它是运用科学理论和技术窍门来进行的大规模改造世界的活动，解决“做出了什么”的问题，像我们所熟知的长城、三峡、芯片、“两弹一星”和“载人航天”都是工程的典型例证。
科学、技术与工程既彼此独立又密不可分。科学负责发现内在规律，技术负责发明、革新工艺技能，工程负责建造美好的世界。
对于“科学、技术和工程的相互关系”，我认为有三点非常重要：
第一，技术必须基于真正的科学。如果有人声称发明了“永动机”，这显然是不成立的，因为他违背了科学的基本原理。
第二，技术必须是可以工程化的科学。像“核的聚变”，已经具有很清晰的科学原理，但人类怎么能控制它，即“可控核聚变”仍然是个难题，正因为如此，工程是要可应用、可以工程化的技术。
第三，应用工程要具备实用性和经济性。实用性不行，工程没有效果;经济性不行，也不是一个可以应用的技术。
如果梳理第一次工业革命到第四次工业革命的主要科学发现、主要技术发明、主要工程应用分别是什么，我们就可以从中看到跨学科领域的整体性和系统性工程的关系。我们国家的“两院”，也就是科学院与工程院的研究重点，前者在于科学和技术，后者在于技术和工程。
我国著 名的战略科学家钱学森同志，在1947年提出“科学、技术与工程的相互关系”，他发表论文，从此奠定了国内系统科学的基础，从系统的角度观察、研究客观世界，并提出系统科学的整体架构，从科学、技术、工程的演进过程中观察到最初的、原始的认识世界的方法论和世界观，就是哲学和哲学的分类。
中小学生工程素养培养的必要性
第二点，来谈谈中小学生工程素养培养的必要性。
习总书记指出，要培养大批卓越工程师，努力建设一支爱党报国、敬业奉献、具有突出技术创新能力、善于解决复杂工程问题的工程师队伍。中小学的工程教育，是基础教育呼应国家创新驱动发展战略、创新人才培养的重要举措，为培养具有科技报国情怀的“未来工程师”打下坚实的根基。
在学生发展层面，工程素养是培养未来职业生涯发展的核心素养，它是一种综合能力，包括创新思维、技术应用、团队协作和综合问题解决等方面。
首先，工程素养强调通过系统性观察、分析、批判、创新设计、迭代、改进来解决问题，以帮助学生应对未来复杂多变的社会环境。
其次，工程素养强调学生的科技应用能力可以帮助学生理解和应用科技知识，从而更有可能成为未来科技领域的创新者和领导者。
第三，工程素养有助于培养团队协作能力。学生可以学会沟通、协作和分享，这些是在未来职场中必不可少的技能。
最后，工程素养引导学生关注科技伦理。在技术与工程教育中，关注伦理意味着关注未来技术产品、系统和过程对人和环境的影响，以培养理性公民。
中小学生工程素养培养现状
我要分享的第三点，是中小学生工程素养培养现状。
中国学生的工程素养教育处于起步阶段，各地都进行了比较有益的探索。
2023年，无锡市出台《关于推进中小学工程教育的指导意见》，以培养“未来卓越工程师”核心素养为引领，明晰各学段工程教育目标定位和实施重点，健全中小学工程教育课程体系，优化工程教育学习环境，提升专任教师能力素质，深化拔尖创新人才培养，在全江苏省构建各学段衔接有序、一体推进的工程教育新格局。
浙江省探索了多路径实施中小学工程启蒙教育，培养学生综合科技素养和创新能力，包含以下几个实施路径——
路径一 依托普通高中通用技术课程，探索工程思维的有效教学
路径二 在“STEM”教育实施中普及工程教育，强化技术与工程实践
路径三 探索设计教育，降低工程教育的门槛
路径四 深化劳动教育，嵌入启蒙的工程教育
目前，我国的工程素养教育普遍存在不足——
一，唯分数、应试培养体系，而忽略了底层的学科素养的培养;
二，部分地区缺乏综合实践活动的师资和物质条件;
三，普遍缺乏系统性的工程教育素养制度设计和配套教学资源。
总体而言，缺乏对技术与工程学内容的明确，引入课程设计也多为按图装配或改进的设计;缺乏对学生开发性、创新性的要求，相关课程选择只与高考选科挂钩;缺乏整体的面向性，特别是没有建立起系统性的12年连贯的技术与工程教育体系。
在教育实践中，“PBL”，也就是项目式学习，可以让孩子对工程教育有一个更好的探索。因为工程素养的培养，需要情景式、参与式和强包容性的项目学习方式。
项目式学习有7个基本项目设计元素，包括富有挑战性的问题、持久研究、真实性、学生的发言权和选择权、反思与总结、评价与修正以及公开展示与分享。它是一种教学方法，让学生通过对真实的、复杂的问题进行研究，从中获取知识和技能，培养跨学科的综合解决能力。项目式学习以学生为中心，鼓励学生自由合作，解决开放性问题，同时让学生在学习小组合作讨论中，通过轮换角色来培养不同的技能，在解决问题当中强调技巧和能力的发展。
在美国，大家熟知的“STEM”模式可以供我们参考。
所谓“STEM”，就是把——
科学(Science)
技术(Technology)
工程(Engineering)
数学(Mathematics)
融合起来的综合教育。
“STEM”可以很好地培养计算思维，即时、个性化的反馈，工程设计流程和嵌入式评估。“STEM”的创新实践聚焦技术，可以成为学习的强大工具。美国教育技术办公室与Digital Promise合作，将创新数字技术整合到“STEM”学习当中，有效地利用技术来加深学生的“STEM”体验。
在这其中我们可以看到“STEM”模式有五个特点：
-政府有力引导和科学的顶层设计
-创新学习测量方法，多元评价机制
-构建科学的衡量标准，注重评估
-开展早期的“STEM”教育，注重幼儿教育
-跨机构协调，建立以学习为中心的多元网络
它从底层的学科内容、具体学科到多学科综合，是金字塔式的培养教育理念。
中小学生工程素养提升建议
最后，就我国中小学生工程素养提升提出如下建议：
一，建议加强学科整合。将工程素养渗透到各个学科教学中，发现和培养一批创新思维活跃的交叉学科人才，采用项目式学习方式来培养学生动脑、动手的创新思维。
二，建议适时开设工程理论与实践课程，让中小学生了解基本的工程概念，具备一定的系统性工程思维，让学生了解到所在城市的典型工程项目，鼓励学生参与工程类社会实践研学活动。
三，建议在学校建立科创空间，为中小学生参与工程实践、尝试规划和构建项目提供条件。除学生在学校的科创课程学习，也鼓励学生来参与校外的科技竞赛活动，在实践中锻炼提升工程素养。
四，建议建立综合评价机制。包括系统化、规范化、创新性、可操作性、及时反馈，这样可以建立有效的工程素养的综合评价机制，以便教师和学生能够有针对性地改进教学方法和策略。
五，建议加强工程科普。鼓励工程师进课堂，贴近现场，了解工程学如何帮助解决当今社会重大问题和挑战，例如能源、疾病防治、全球环境变化等问题。建立有效的工程科普机制，有利于提升中小学生工程素养兴趣的提升和学习动机，促进其学习的深度研究。
我作为中国工程院院士，这些年来一直坚持对中小学进行工程科普，曾分别就磁悬浮、氢能源、可再生能源和中小学生的科学技术和工程素养分别进行了科普，广大学生普遍反映效果比较好。
另外，在我所担任科协主席的山东省，每一个县都建立了科学馆，让我们的中小学生都能够在科学馆里面学到相应的技术，特别是工程知识。同时我们也选择了一批典型的工厂，中小学生很早就能够实地体验，看到我们的工厂、工程师是如何工作的。
