杭州市胜利实验学校：在STEM教育中培育学生工程素养

随着全球科技革命与产业变革的深入发展，STEM教育作为培养创新人才、提升国家竞争力的关键路径，其战略意义日益凸显。教育部等十八部门联合印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，明确强调要推动学科融合，重视探究实践，强化工程思维，为中小学STEM教育提供了清晰的行动指引。在STEM教育中，工程素养培育是关键内容，让学生像工程师一样系统思考、迭代设计并创造性地将知识应用于真实情境。浙江省杭州市胜利实验学校作为省STEM教育种子学校，深刻认识到推进工程与技术实践，培养小学生工程素养，是教育主动回应时代发展需求的必然选择。为此，2014年起学校从重点研制素养框架、探索实践路径两个方面发力，为小学工程教育提供兼具儿童立场与发展张力的系统化解决方案。

研制小学生工程素养框架

学校鼓励学生“用知识创造价值”，引导学生在实践中理解“创造源于对生活的深切关怀”，进而学会以系统思维和责任感回应未来世界的各种挑战。为确保这一行动目标真正落地，学校根据小学生认知特点和发展需求，专门研制并细化小学生工程素养框架（见下页表），并将其作为开展工程教育的行动指南。

表：小学生工程素养框架

（一）小学生工程素养的维度

《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确指出：学生要“知道工程需要经历明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等过程”。这一要求为小学生工程素养培育提供了依据。小学生工程素养是在工程问题解决中形成的思维特征、必备品格与关键能力。

为确保工程素养培育方向科学、有效，学校基于长期实践经验和相关理论研究，采用德尔菲专家调查法，将问题意识、设计能力、实践应用三个维度确定为小学生工程素养的培养重点。其中，问题意识是工程实践的起点，指学生能主动在真实情境中发现潜在需求，并能清晰界定具体的工程问题。设计能力，要求学生在充分考虑科学原理、伦理规范、资源限制等条件下，构思设计解决方案并合理权衡，通过图案、框架等形式呈现设计思路。实践应用，强调让学生在试错中经设计转化为作品，根据用户反馈，在专业技术指导下持续迭代优化，最终将形成的产品应用于真实场景，以解决实际问题。

（二）小学生工程素养的发展层次

义务教育阶段学生认知发展具有明显的阶段性、差异性、层级性等特征。低年段学生以具象思维为主要认知方式，进入高年段后，学生的抽象思维和系统思维逐步发展，开始具备分析复杂问题、构建逻辑框架的能力。在工程素养培育中，学校遵循这一认知规律，将工程素养目标拆解为适合不同年龄认知水平的发展层次，转化为可观察、可阶段评估的具体行为表现，实现“教—学—评”一致性。清晰的发展层次划分，既能帮助教师精准把握各学段的教学重点，避免目标设定过高或过低，又能指导教师设计符合学生认知发展水平的工程项目和实践活动，让工程素养的培育更具针对性和可操作性。

基于此，学校以问题意识、设计能力与实践应用三个维度及九项具体表现为基础，进一步开展纵向的发展层次划分，针对低年段、中年段和高年段学生的认知差异，分别制定了梯度化、差异化的素养发展要求。将阶段化标准前置，为教师提供清晰的育人指引，让教学实施有章可循，同时为学生搭建明确的成长阶梯，帮助他们了解自身素养的提升路径，使学生更加主动地参与工程实践。

探索小学生工程素养培育的实践路径

小学生工程素养的培育需要在实践中推动。学校以工程素养表现框架为行动指南，积极在课程开发、项目化学习、学科联动、校企合作等方面作出尝试，探索工程素养培育的实践路径，赋能学生工程素养发展。

（一）打造课程超市，赋能学生技术储备

培育学生工程素养，需要构建良好的支撑环境，包括空间、设备、课程、师资等要素。同时，要满足学生在工程实践中不同的技能需求。为了解决空间不足、资源零散等问题，同时满足学生在问题解决过程中产生的个性化技能需求，学校精心打造创意智造学习中心，并开发课程超市，助力学生自主选择合适的学习资源，实现技术储备。

创意智造学习中心功能分区明确，包含三维建模区、人工智能学习区、激光切割区、教学区、社团活动区、演讲交流区、作品展示区、物料陈列仓储区等，其中人工智能学习区配备前沿的硬件系统和软件，为学生提供更加多元的学习选择，激光切割区、三维建模区则满足不同工程实践场景需求。课程超市依托创意智造学习中心开发的课程资源集群，通过选修课程、亲子工坊课程、线上微课等方式实施，内容涉及开源硬件、三维建模、物联网等领域工程技术。

在实施流程上，每学期初发布选修课程清单，学生自主报名，每周五开展工程专题学习，学期末由授课教师根据学生技能表现点亮工程技能星。亲子工坊通过发布主题清单招募参与者，学生与家长在导师指导下完成工程项目，增进亲子互动与技术交流，活动结束后由家长点亮工程技能星。线上微课由学生在导师指导下开发并发布在学习网站，充分发挥学生互助互学的作用。学生可按照兴趣自主搜索并学习微课，通过自评点亮工程技能星。例如，学校开发《激光切割启蒙》选修课程，设计以“制作个性手机支架”为主题的亲子工坊活动。同时以学生为主体录制10课时《激光切割入门》系列专题微课并发布在学习网站。通过线上线下相结合的方式，学生可灵活选择不同的学习路径，并将所学知识转化为实际成果，切实提升学生的工程实践能力。

（二）依托“智造手册”推进工程项目化学习

传统工程实践活动过于强调动手制作和最终作品的呈现，忽视了工程思维、系统设计与迭代优化等核心能力的培养；活动形式虽丰富热闹，但缺乏循序渐进的教学逻辑与明确的能力发展主线，导致学生难以形成深层次理解和迁移能力。为解决上述问题，学校依托具有方法指导作用的“智造手册”，实施包含“资源开发、全员培训、智造实践、作品展评、反思改进”五个环节的项目学习活动。

资源开发环节，由骨干教师团队先行设计必要的教学资源，包括“智造手册”、软硬件工具、材料等。全员培训围绕“智造手册”展开，组织各学科教师通过概念学习、项目模拟等方式参与。形成协同共识，保障教学的专业性和精准性。在智造实践中，学生依据“智造手册”，从学习和生活需求出发开展创意构思、工程设计、原型制作等活动，从被动操作者转变为主动设计者。作品展评环节采用班级推荐、年级评优、校园展演等阶梯式平台推进，通过作品推介活动培养学生的合作、策划与表达能力，实现多元成果交流。反思改进环节，师生共同依托“智造手册”对项目流程进行复盘，并迭代和优化手册内容，使实施方式不断完善。

“智造手册”是针对具体项目设计的学习任务管理工具与支架，旨在帮助师生更好地理解和执行实践过程、实现自我管理。“智造手册”将支持性工具与表现性评价合二为一，围绕工程素养的表现框架全面覆盖工程实践的各个环节。近年来，学校已积累“校园礼物”“失物招领”等智造手册10余套，每套包含学生操作手册和教师指导手册。“学生操作手册”旨在帮助学生记录学习过程、评价学习效果，以便及时调整进度、促进合作，包含确立问题、罗列创意、分析可行性、设计图纸、制作迭代等多样化工具。“教师指导手册”提供项目概述、课时安排、教学建议、项目评价等关键要素，是教师进行教学设计和实施的重要参考。

（三）探索学科联动，促进学生思维发展

学校鼓励学生在解决问题时不断提出新方案，通过应用中的反思迭代，持续提高实践效能。小学阶段是学生突破性思维养成的重要时期，为此学校坚持以学科联动为抓手，引导学生自觉将不同学科领域的思维方法横向迁移到其他学科的问题解决中，打破固有的思维局限，创造性解决学科学习中的各类问题。

学科联动实施的主体包括师生双方，具体有以下几个步骤：第一步，由某一学科教师与学生共同梳理日常学习中的痛点和困惑，确保问题源于真实学习场景，为后续联动奠定基础；第二步，该教师牵头召集其他学科教师，通过“学科联合教研”开展专题研讨，跳出单一学科的思维框架，从多学科视角提出问题解决的创新思路；第三步，依据研讨形成的创新方案，学生以某一学科任务为核心，辅以编程、人工智能、数字化工具等技术手段，在课堂现场完成问题解决实践。通过这一过程，学科联动不仅帮助学生更深入地理解某一学科知识，同时提升学生换角度思考、换方法创新的能力。

例如，在科学实验课《降落伞》的教学中，师生在使用秒表计时与目测观察的方式记录实验数据时，出现时间误差较大的问题。针对这一问题，科学教师主动召集信息科技教师开展联合教研专题研讨，信息科技教师提出利用三轴传感器和编程技术精准记录数据解决误差问题的思路。随后，学生在教师指导下重新设计实验流程，通过分析传感器采集的数据，直观精准地记录降落伞落地时间，成功减少了人工计时带来的误差。这种思维方式的突破，拓宽了学生解决学科问题的思路。

（四）校企合作助力工程实践应用

若学生的学习成果仅停留在课堂展示或校内评比层面，容易削弱实践意义和学习深度。为打破这一局限，学校将学习环境从封闭课堂延伸至真实校园与社会，广泛开展校企合作，通过企业真实的技术标准与市场视角，反向推动工程学习走向系统化、社会化和产品化。

校企合作主要通过签约孵化、驻点指导、企业研学、校企共创等方式推进。每年在项目学习周中脱颖而出的优秀作品团队，会与学校签订《产品孵化协议》，学校设立专项资金，确定对口支持科室，并以“项目进度会”的形式定期跟进孵化进度，为项目落地提供保障。同时，学校引进合作企业的工程师与学生团队结对，开展企业研学、驻点指导活动。学生走进企业，沉浸式观察工程师的日常工作，直观感受行业规范；工程师进驻校园，在与学生共同优化产品的过程中，引导学生学习专业的问题解决思维。最后，企业结合学生的作品创意，有针对性地提供软硬件资源，校企共同迭代优化产品。

校企合作为学生创意转化为实用产品提供了多维支撑，不仅拓展了学生的实践平台，更让学生在解决真实问题的过程中形成工程思维、迭代意识和责任意识，实现从“做作品”到“产产品”、从“学习者”到“创造者”的转变。例如，学生设计的第一代“拐角防撞器”于2016年10月完成，在合作企业支持下成功投入使用，历经三届学生接力迭代，2019年5月孙同学团队设计的第三代版本已在学校一楼拐角运行至今，成为激励学生创新实践的“种子项目”。近年来，智能借还球柜、拖堂提醒器等7项创意产品成功落地，学生的创新概念在校园场景中得到论证，真正实现了“我的学校我做主”。

总之，经过12年探索，学生的工程素养得到显著提升，能主动发现现实问题，可独立完成从构思、设计到制作优化的完整过程，在多项科技竞赛中获奖。与此同时，学生通过设计和制作创意作品参与校园文化建设，充分展现出良好的工程思维和强烈的社会责任感。在教师层面，团队主动探索学习机制变革，推动教学理念和教学行为转变，教学能力同步增强，在此过程中开发出多门省市级精品课和跨学科课例，逐步形成学科协同、项目化教学的良好氛围。未来，学校将依托人工智能技术开发工程素养数字化评估系统，实现对学生工程素养的精准分析。优化和改编“智造手册”，进一步强化手册在项目化学习中的支撑与评价功能。创新校企合作模式，推动合作从“作品孵化共育”向“课程、师资共建共育”升级，构建更具可持续性的教育生态。通过系列举措助力小学生工程素养持续提升，为其应对未来社会挑战奠定坚实基础。

（张浩强 作者系浙江省杭州市胜利实验学校校长）

《人民教育》2025年第19期