2005年,钱学森发出了“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”的世纪之问。2021年,美国对中国实施经济制裁,我国5G技术领先全球却在芯片和半导体等关键核心技术领域被发达国家卡住了脖子。统计显示,当前我国高校工程教育规模居世界第一,但工程师总体合格程度在全球相对靠后。我国工程教育发展面临着发展困境。

如何突破工程教育发展困境?如何开展普通高中工程教育?如何构建高中—高校卓越工程师贯通培养机制?围绕这一系列问题,唐江澎校长带领江苏省锡山高级中学(以下简称“省锡中”)全体师生率先试点,“十年磨一剑”,探索出一条普通高中工程教育的创新实践之路。

见证省锡中百年发展史的匡园门

为何开展普通高中工程教育?

两百多年来,西方发达国家逐渐形成了工程技术、工程科学、工程引领三种工程教育模式,构建了基础教育与高等教育衔接贯通的工程教育体系,为培养工程科学人才和工程引领人才奠定了坚实的基础。美国从幼儿园至9、10年级均开设与科技、工程相关的课程,而中国只有小学高年级和初中的科学教育标准,并且更集中在科学而非工程领域。

据统计,我国高考选择工程专业大类的学生占比为30%-40%,但高中学生工程技术教育基础几乎为零,以刷题为主的学习方式导致普高学生动手实践能力、创新能力普遍偏低,学生工程素养基础薄弱。

与此同时,随着以信息通信技术与制造业融合发展为主线的新一轮科技革命与产业变革的深入推进,制造业重新成为全球经济竞争制高点,国内高校不断新增以新工科为主的专业,主动对接国家重大战略新兴领域和未来尖端领域。而在基础教育阶段,学生却往往缺少基本的工程兴趣和习惯。唐江澎曾听到这样一个故事,一位中国工程院院士带领新生参观工程实验室,看到机床、车床等设备后,有学生当即表示自己不是来当工人的,令人哭笑不得。

普通高中工程教育顶层整体设计和课程体系的缺乏、高等教育阶段与高中阶段的工程教育衔接机制不畅,是造成我国高水平工程技术人才与发达国家存在不少差距的现实原因。

小创客们

北京师范大学心理学院教授乔志宏指出,青少年阶段个体发展有两大核心——主动性和自控性。应注重培养学生主动性的发展,有利于激发青少年创造力、构建创新型社会。在工程教育中,学生需要主动参与到综合性、实践性强的项目中,学习重新建构知识,能够很好地锻炼青少年批判性思维和创造性思维。

全国两会上,唐江澎委员提出应加强普高工程教育,建立高中—高校贯通培养机制

为此,唐江澎提出,应重视工程教育育人价值,引导学生树立科技报国情怀;建立指向深度学习的、与大学教育贯通的普高工程课程体系,是培养创新人才的主要路径。

然而在应试教育的背景下,普通高中开展工程教育面临着课时紧张、课程设计复杂、师资力量不足、缺乏专业教室等具体问题。而国内还没有一所普通高中全面开展工程教育,省锡中集中师资力量、动员社会力量,将难题一一击破。

开展工程课程的四大“拦路虎”

如何从高中紧张的课时中匀出“工程教育”的课时?省锡中打破不同学科限制,将通用技术课程、信息技术课程、综合实践活动中的研究性学习、校本课程四类课程融合贯通,形成整体性的工程教育课时,充分保障学习和实践时间。

胡晓军指导学生制作“基于物联网的火场救生机器犬”,这一发明斩获NOC物联网创新设计决赛全国一等奖

不同于科学教育和技术教育,科学教育侧重于教人认识、理解环境与客观事物的知识和能力;技术教育侧重于教人掌握控制或者改变环境、事物的技能;而工程教育则是以技术科学为基础, 以培养能将科学技术转化为生产力的工程师为目标的专门教育。据省锡中教师发展处主任胡晓军介绍,在目前的高中课程标准中,数、生、化、物等学科均涉及到工程教育的内容。因此,老师们以信息技术和通用技术课程为技术支撑,从多学科课程标准中“萃取”出工程类元素并组成一个有机的工程教育课程框架,围绕学科大概念,先后开发了17门课程,构建出“基础、提高、荣誉”三级工程课程群。如此一来,不仅解决了之前没有工程教育内容的问题,而且工程课程内容与其他学科内容得以互相关联,大大激发了学生学习兴趣。

学生在创造工坊制作作品

绝大多数县域普通高中里,很少有工程教育专业的老师。为了解决这一问题,省锡中一方面组织老师培训,一方面通过外聘的方式,聘请校外专业人员任教。目前,省锡中与华中科技大学、复旦大学等国内外高校开展战略合作,共同开发课程。校内教师和水工、电工、木工,校外工程师、高校教授等共同组建了工程教育专业社群,各展所长,协同育人。

学生在研究廊桥结构模型

在以往的桥梁设计课程中,学生们期末需要动手制作出桥梁模型,但胡晓军认为,这类课程与高中生的心智发展水平并不匹配。为解决这一问题,他请来了同济大学土木工程学院的老师,带着孩子们测量水温、研究桥梁承重量与行人通过量的关系、桥梁对周围环境的影响,有效提升了课程品质。

为培养具有国际胜任力的学子,学校聘请国外高校教授驻校授课,部分课程内容与国际同步。在国际发明展、世界机器人大会、世界教育机器人大赛中,锡中学子屡屡斩获国际金牌9枚,获国际二等奖以上者达57人次。

工程教育中涉及大量动手实践类的课程,因此需要创设工程学习的环境,明确其基本样态和功能配置标准。为此,省锡中采用“先开课程,后建场地”的思路,研制出工程教育学习环境建设标准,自主研发了工业设计教室、创客空间、机器人中心、创造工坊等10多套教室建设标准,建设成专业化、精致化的高中工程教育场景,并配备了相关设施设备。

3D打印课堂

在建立了一套课时、课程、师资、专业教室等保障机制之后,如何开发工程教育典型的学习方式、让学生深入探索工程奥秘呢?

工程教育如何实施?

不同于其他学科以纸笔学习和接受式学习为主要的学习方式,工程教育是一门实践性极强的学科,如果没有一种独立形态的课程让学生去动手实践,学生整体的学习方式将难以改变。胡晓军认为,以实践为导向,倡导体验式学习和基于问题的学习,符合面向社会发展与工程需求的课程设置原则,是进行高质量工程教育、培养高质量工程人才的必然选择。为此,胡晓军借鉴高校工程专业、工程类企业等领域的经验,将国际流行的高校工程教育“CDIO”教学模式引入省锡中。

王元哲在研究中

伴随着汽车的普及,汽车安全问题越来越引起人们的重视,每年在全国各地都有因开车门不慎造成的交通事故。为解决这一问题,每个寒暑假,锡中学子王元哲都泡在实验室里如饥似渴地学习算法、编程,最终研究发明了智能车门预警避险系统,“只需要在车后方加装激光雷达,它可以根据后方车辆进行数据采集并模拟其行动轨迹,然后根据轨迹和速度进行综合判断,若有危险则会进行预警。”这一系统获得了国家“实用新型专利”。

为了研究工程教育的学习方式,唐江澎曾去以色列考察,并引入了科技企业孵化器的学习模式。

发明“高空仿生清洁机器人”的李可欣

在一档央视春晚小品中,省锡中学生李可欣看到清洁工人在高楼幕墙上工作,她想,“能不能发明一种安全的玻璃清洁器?”正好学校开设了工程课程,李可欣提出了“高空仿生清洁机器人”的项目设计书,由老师和学生组成的“孵化委员会”对项目进行可行性和资金评估。在申请“校园风险投资”和“学生创业银行”后,李可欣获得孵化资金支持,造出了能够“攀墙走壁”的机器人。最后,她申报专利、联系工厂、参加比赛、拍卖成品,并将资金还流到“学生创业银行”的科技孵化基金中去。

学生在测试中

不仅如此,学校还探索“劳动实践”的学习方式,创设了10个面向真实情境的校内工程劳动岗,如将物联网技术“嫁接”传统农耕,设立了建设与管理物联网蔬菜大棚的高科技农业生产岗;“电子创新设计”课程设置了校园橱窗亮化项目,学生设计感应灯光系统,并安装至校园橱窗。高中生变身“工程师”,在真实场景中逐步提升实践能力。

康奈尔大学Agua Clara项目创始人舍克说,“课堂中知识和技能的学习都不如亲自体验工程项目的每一个环节,都不能与真实的工程体验对学生产生的改变和影响相提并论。”锡中学子通过参与工程课程,面对真实情景提出问题,自主获取解决问题所需要的知识,并找到问题的解决方法; 而且通过参与综合性、复杂性的项目中对所学的碎片化的学科知识进行整合,实现知识的重新建构,极大地锻炼了系统性、批判性和创造性思维。

省锡中的工程教育,闪烁着人文关怀的底色,学校致力于将“对人生命的成全”的理念贯穿学科教育的始终。在工程教育实施中,胡晓军注重引导学生关注真实世界中的问题、关注人的存在,并且通过培养学生在解决问题的过程中体现人文关怀、实现社会价值,最终带给社会向善、向美的变化。在他看来,“卓越工程师”的培养,工程师品质和工程师思维二者缺一不可。

产学研育:拉动工程教育发展的四驾马车

作为中国民族工业和乡镇企业发源地,江苏省无锡市属于中国现代制造业的高地,呈现出产业结构不断升级的蓬勃发展之势,这为省锡中开展工程教育的“产学研育”一体化探索提供了天然的沃土。

2021年高中工程教育太湖论坛上,时任无锡市市长杜小刚发言

在2021年高中工程教育太湖论坛上,时任无锡市市长杜小刚指出,省锡中和华中科技大学联手在全国率先展开高中工程教育探索实践,顺应了新一轮科技革命和产业变革的大势,响应了党中央加快建设科技强国、实现高水平科技自立自强的号召,呼应了无锡加快太湖湾科创带建设、高水平打造教育强市的部署要求,必将为培养国家战略科技人才和拔尖创新人才作出积极贡献。

2021年高中工程教育太湖论坛期间,李培根、丁汉等6位院士与唐江澎校长联合发布《高中工程教育倡议书》

在无锡市政府的大力支持下,省锡中开始探索学校教育、社会企业、高等院校和科研院所有机结合的合作育人机制。无锡量子感知研究所和国仪量子公司组织研发攻关,启动了基于金刚石量子计算教学机的中小学量子计算实验课程研发项目,基于“产学研育”一体化与省锡中开展合作。2020年年底,三方共同开发“量子计算原理与实验”课程,并配套了整套的课程资源。中国中小学的量子计算课迎来了正式开课的里程碑时刻。

学生在聚精会神地探索量子世界的奥秘

“第一通道是激光,第三通道是测量,要注意各个通道的状态。”胡氏三杰自然科学实验中心三楼“量子计算”实验室里,全国首个“量子计算原理与实验”课程吸引了学生们的目光,中国科学技术大学陈明博士正带着高一学生做拉比振荡实验。据介绍,该课程旨在探索量子计算在新药研究、大数据算法、密码破解等领域的应用。

“烧脑”的课程没有吓倒孩子们。高一8班的黄唯欣说,“老师的讲解还是比较深入浅出的,和同学一起做量子计算相关实验也很有趣,这门课程让我们有机会在高中阶段接触前沿科技,为我们未来的专业选择奠定了基础。”同学们在实验中对量子世界的神奇现象产生了浓厚兴趣,同时激发了立志为建设科技强国贡献力量的担当精神。

中国工程院院士朱高峰认为,产学合作是构建现代化工程教育体系的一个重要环节,是提高工程教育质量、提高学校办学效益的一项战略性措施。

理论学习与社会实践的紧密结合,让锡中学子在实施项目的过程中,充分考虑到社会需求、企业条件、环境等综合条件对工程项目的影响,有效提升了学生解决问题、综合思维的能力,激发学生的社会责任感。

通过产学研育一体化建设,省锡中学术氛围日益浓郁,创新实践蔚然成风。传统的高中人才培养模式,逐步从原来的人才培养的单一环节变为人才培养的全过程发展,从学校内部封闭培养机制蜕变为开放的社会合作育人机制。

探索建立高中—高校卓越工程师贯通培养机制

高中教育作为衔接高等教育和义务教育的关键“腰部”,对上为高校人才培养输送优才,对下则承担着引领义务教育发展的重担。如何为高校输送优秀工程人才?如何让高中学生找到兴趣所在并确定未来发展方向?如何将二者兼顾?唐江澎一直在思考和探索。

目前,高校没有将人才培养前置到基础教育中来,在招收学生时仅以“分数”为录取标准,唐江澎认为,高校应该把‘兜售式’的招生变成‘孵化式’的培养。

为此,省锡中陆续与八所高校签约共建“复旦大学物理医学实验室”“中国科技大学光电信息实验室”等实验室,并组建高中工程教育高端智库、建设高中工程教育中心课程基地、研制高中工程教育课程方案。

李培根院士调研省锡中

2021年6月,中国工程院院士、华中科技大学原校长李培根实地考察省锡中工程教育,李培根与唐江澎就课程基地的申报、学习场馆的改造等进行了交流,并规划了课程基地建设的进度。中国科学院院士、华中科技大学教授丁汉多次前往省锡中,就课程基地建设、研制课程方案等事宜进行研讨,双方通力合作,致力于将现代工业的双翼前植于高中课程体系。无锡市委书记杜小刚与李培根、丁汉多次会晤时指出,要与省锡中深度探讨、加强合作,在课程设置上创新开拓,培养未来工业的领军人物。

在此基础上,华中科技大学与省锡中不断加深合作,着力打通高中的技术课程与高校的相关专业课程。据华中科技大学无锡研究院副院长王立成介绍,双方合作共建了华中科技大学智能制造课程基地,创设“人工智能基础实验室”“机器人制作实验室”“工业机器人视觉应用实验室”等学习环境,共同研发课程,通过理论、现场、实践教学等多种方式授课;组织学生赴高新技术企业见习;还定期邀请国内外知名学者开会研讨。

丁汉院士引导学子们研究前沿科技领域,树立科技报国情怀

2021年9月,在市委书记杜小刚亲自安排部署下,“华科·锡中”未来技术实验班第一课正式开课!丁汉院士为学子们带来精彩的《机器人学导论》。唐江澎校长坐在最后一排认真听讲,并寄语学生们,“技术改变世界,技术强盛中国。需要同学们真正地把学业同未来祖国的强大联系在一起,最现实的一条路径是选择以技术强国。”

唐江澎表示,“目前生涯规划和生涯指导是基础教育高中阶段的一个重要的内容。但是我觉得要让学生对高校的专业有深入地了解,必须面向专业大类建构起我们的选修课程体系。如果把一部分大学的高精尖课程在高中率先开发出来,让学生在这样的课程里,通过体验大学专业大类的课程,以典型的学习方式去学习,来判断其人生是否适合向此路径发展,这样他才能够认识自我、定义自我,从而实现发展自我。”

不仅如此,唐江澎认为,在现实情境中激发学生“给世界一个问题解决方案”的强烈意识,让创新者在寻找使命感的学习中不断优化学习动机,变为“分”而学为因“志”而学,把今天的学业与未来大学的专业、立身的事业乃至服务祖国造福人类的志业贯通起来,是培养献身创造精神的重要基础。

建立“高中—高校卓越工程师贯通培养机制”,不仅能让学生在充分了解自我的基础上选择志业所向,充分激发个人发展潜力;而且能为高校培育和孵化高水平工程人才,为提高我国工程类拔尖创新人才培养水平打下坚实基础。

胡晓军带领学生研讨

高品质的课程、专业化的师资、实践性强的学习方式、精致化的学习环境、“产学研育”一体化的培养模式、丰富的激励措施、高中—高校贯通的培养机制覆盖了省锡中全体学生,学校每年孵化项目超过200项。据统计,2017、2018届学生中,入学时对工程实验类方向感兴趣的学生为18%和14%,在工程教育课程群的推动下,2020年、2021年有43%和42%的学生报考该类专业,分别提升了25%和28%。

“工程教育是与国家经济社会发展直接相关的教育,在一个人心智走向成熟、发现自我、形成兴趣的高中阶段,将工程科技教育前移,对激发学生工程科技学习兴趣,提高创新能力和工程科技素养,立志成为担当民族复兴大任的卓越工程师、工程科技专家和工程引领人才,都有十分重大的意义。”唐江澎表示。

2021年11月,江苏省普通高中与高校协同创新发展研讨会暨“双高”协同培养拔尖创新人才示范校启动仪式在南京大学举行。江苏省教育厅副厅长顾月华表示,深化育人方式改革,培养拔尖创新人才是国家发展的战略需要。探索拔尖创新后备人才培养的模式和机制,关键在于高品质示范高中与一流高校在拔尖创新后备人才方面协同培养、贯通培养、创新培养。

事实上,江苏一直在积极探索普通高中与高等院校协同培养人才的模式改革与创新,并走在全国前列。在江苏,高校与高中联手、大学与地方联动的高等教育与基础教育协同育人大格局已初具规模。

未来,以省锡中为代表的普通高中,将继续合作开展工程教育实践,探索工程人才培养新范式,向世界贡献工程技术人才培养的中国智慧和中国方案。(文/姜丽丽)