福建省福州市倉山區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué) 李 兵

科學(xué)教育經(jīng)歷了三大發(fā)展階段：作為知識(shí)的科學(xué)、作為過程的科學(xué)、作為探究的科學(xué)。2011 年美國《K-12 科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念和核心概念》（以下簡稱《框架》），以“科學(xué)實(shí)踐”代替“科學(xué)探究”，扭轉(zhuǎn)課堂探究模式化的局面，拓寬科學(xué)教育的內(nèi)容，拓展學(xué)科教學(xué)的含義，增加課程間的融合?！犊蚣堋钒ㄈ齻€(gè)維度：科學(xué)和工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念、學(xué)科核心概念，其中科學(xué)和工程實(shí)踐描述了科學(xué)家建構(gòu)自然世界的模式和方法，以及工程師設(shè)計(jì)、搭建模型和系統(tǒng)時(shí)的主要工程實(shí)踐。2013 年美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》指出：“提升對(duì)于工程學(xué)概念的理解，將工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究放在同等重要位置，通過工程設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用來強(qiáng)調(diào)核心概念學(xué)習(xí)?！睂⒖茖W(xué)實(shí)踐與工程實(shí)踐并提，并提出以工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究的整合為基本途徑。

2017 年版《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》把“技術(shù)與工程”納入課程內(nèi)容中，科學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)與工程實(shí)踐關(guān)系的理解，獲得綜合所學(xué)知識(shí)解決問題及制作產(chǎn)品的體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的能力。

一、科學(xué)探究與工程實(shí)踐融合的依據(jù)

科學(xué)探究與工程實(shí)踐有著天然聯(lián)系，對(duì)二者的認(rèn)識(shí)要先進(jìn)行科學(xué)與工程的辨別區(qū)分。科學(xué)活動(dòng)以發(fā)現(xiàn)為核心，以發(fā)現(xiàn)事物規(guī)律為根本任務(wù)，形成科學(xué)的知識(shí)體系；工程活動(dòng)以設(shè)計(jì)為核心，以技術(shù)為要素，運(yùn)用科學(xué)知識(shí)系統(tǒng)，建設(shè)具體項(xiàng)目。

科學(xué)與工程的創(chuàng)造性和實(shí)踐本質(zhì)也決定了科學(xué)教育和工程教育各自屬性。科學(xué)教育是學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)實(shí)踐培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。工程教育是培養(yǎng)在工程設(shè)計(jì)及實(shí)踐中發(fā)揮作用的工程設(shè)計(jì)型人才的教育活動(dòng)。工程問題解決的思路一般是提出問題、制訂方案、實(shí)施方案、反思評(píng)價(jià)、修改方案，與科學(xué)問題解決的思路基本相似。此外，科學(xué)探究為工程實(shí)踐提供了知識(shí)創(chuàng)獲或積累的基礎(chǔ)，工程實(shí)踐則是檢驗(yàn)科學(xué)探究中知識(shí)、方法合理性的重要途徑，為二者有機(jī)融合奠定理論基礎(chǔ)。

科學(xué)探究和工程實(shí)踐的融合是本文核心范疇，課程融合是將具有內(nèi)在邏輯或價(jià)值關(guān)聯(lián)的原有分科課程內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)整。科學(xué)探究和工程實(shí)踐都倡導(dǎo)以跨學(xué)科思維，整合各學(xué)科核心概念，建立科學(xué)探究與工程實(shí)踐相融合的人才培養(yǎng)路徑。二者既是教學(xué)內(nèi)容，也是教學(xué)方法。從內(nèi)容層面分析，不是只有科學(xué)和工程兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)容的融合，而是根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇融合內(nèi)容；從方法層面分析，科學(xué)探究和工程實(shí)踐也是一種方法，《框架》論述科學(xué)探究與工程實(shí)踐共有的指導(dǎo)教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和組織教學(xué)的八個(gè)層次，即提出問題、建立和使用模型、設(shè)計(jì)和實(shí)施調(diào)查研究、分析和解釋數(shù)據(jù)、利用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維建構(gòu)解釋、構(gòu)造解釋和設(shè)計(jì)解決方案、基于證據(jù)進(jìn)行論證、獲取評(píng)估信息。科學(xué)探究與工程實(shí)踐如同科學(xué)教學(xué)的雙翼，各有側(cè)重又相輔相成。

二、科學(xué)探究與工程實(shí)踐融合的意義

科學(xué)探究與工程實(shí)踐相融合，讓學(xué)生共享“貫通性概念”，一方面，學(xué)生獲得與年齡階段相適應(yīng)的科學(xué)知識(shí)、工程原理，運(yùn)用知識(shí)綜合解決現(xiàn)實(shí)問題；另一方面，豐富了科學(xué)學(xué)習(xí)的實(shí)踐形式，使學(xué)生更好地適應(yīng)多學(xué)科間的復(fù)雜問題，形成跨學(xué)科視野與工程思維方式。二者融合打通了科學(xué)、技術(shù)和工程教育，增加學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中科學(xué)應(yīng)用的關(guān)注。

三、科學(xué)探究與工程實(shí)踐融合的基本方式

科學(xué)探究與工程實(shí)踐在科學(xué)教學(xué)中的融合尚在探索階段，教學(xué)活動(dòng)過程模式構(gòu)造和教學(xué)邏輯提煉少有涉及。因此，要把握科學(xué)探究與工程實(shí)踐的關(guān)鍵特征及其聯(lián)系，以工程設(shè)計(jì)為框架，基于教材的融入以科學(xué)探究為內(nèi)核，基于課外的融入以拓展為中心。

（一）以工程設(shè)計(jì)為框架的融入

以工程設(shè)計(jì)為框架的融入是指以工程設(shè)計(jì)任務(wù)為目的搭建學(xué)習(xí)情境，從設(shè)計(jì)需要引發(fā)科學(xué)探究，再通過假設(shè)、驗(yàn)證和解釋建構(gòu)，為概念形成及成品改進(jìn)提供依據(jù)，經(jīng)歷“設(shè)計(jì)—探究—設(shè)計(jì)”的循環(huán)，體現(xiàn)了科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的雙向聯(lián)系，科學(xué)探究是工程設(shè)計(jì)的依據(jù)，工程設(shè)計(jì)拓展了科學(xué)探究的創(chuàng)新空間。

蘇教版四年級(jí)上冊(cè)“冷和熱”單元屬于物質(zhì)領(lǐng)域教學(xué)內(nèi)容，圍繞“熱”這個(gè)核心概念組織教學(xué)，在“熱的傳遞”教學(xué)內(nèi)容后設(shè)置了“設(shè)計(jì)保溫杯”活動(dòng)，但教材僅呈現(xiàn)一句話“設(shè)計(jì)一個(gè)保溫杯，比一比哪個(gè)小組保溫杯的效果更好”，使得設(shè)計(jì)及制作活動(dòng)可有可無。以工程設(shè)計(jì)為框架融入本單元教學(xué)中，在教師創(chuàng)設(shè)的工程問題情境引領(lǐng)下，引導(dǎo)學(xué)生將科學(xué)現(xiàn)象規(guī)律及方法技能應(yīng)用到問題的解決中，通過參與設(shè)計(jì)、制作成品等工程實(shí)踐活動(dòng)，達(dá)到科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的融合，體會(huì)“做”的樂趣，養(yǎng)成通過“動(dòng)手做”解決問題的習(xí)慣。具體課例分析如下：以“全球變暖，讓我們?yōu)槠簌Z建造房屋”的工程活動(dòng)任務(wù)為單元學(xué)習(xí)開始，在經(jīng)歷“熱的傳遞”科學(xué)探究活動(dòng)，了解熱傳遞和熱輻射概念后，提出工程問題：“建造一座房屋，保護(hù)企鵝形狀的冰塊在高溫下不被融化”；帶著問題為建造房子做調(diào)查、研究；設(shè)計(jì)和建造住房，進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，將相同材料放在兩個(gè)紙盒上測量紙盒溫度，根據(jù)材料保溫性能選擇建造材料，收集整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律；改進(jìn)及進(jìn)行二次測試；同伴分享、交流，為作品后續(xù)修改提供參考。

以上案例利用工程問題作為單元學(xué)習(xí)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)，學(xué)生體驗(yàn)了問題—調(diào)查—建造—改進(jìn)完整的工程實(shí)踐過程。富有童趣的挑戰(zhàn)“保護(hù)企鵝冰塊不被融化”活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，根據(jù)特定情境和具體條件，選擇制訂合理的解決方案，開展探究不同材料導(dǎo)熱性能比較的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，最后將創(chuàng)意和方案轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品并進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。通過工程設(shè)計(jì)及實(shí)踐加深學(xué)生對(duì)科學(xué)概念、科學(xué)方法及技能的掌握，達(dá)到學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的目的，加深學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的了解，發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)。

科學(xué)探究需要將現(xiàn)實(shí)中的問題抽象成模型進(jìn)行研究，工程實(shí)踐也運(yùn)用相同的方法，生命科學(xué)、地球科學(xué)領(lǐng)域課程內(nèi)容則也以工程設(shè)計(jì)為框架而融入，運(yùn)用“建?！被顒?dòng)，將科學(xué)探究和工程實(shí)踐相聯(lián)系。

教科書科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)“植物的生活”，建構(gòu)生命科學(xué)領(lǐng)域的幾個(gè)重要概念，其中一個(gè)是“植物能適應(yīng)環(huán)境，制造和獲取養(yǎng)分來維持自身的生存”。“植物的莖”是單元第四課，僅通過簡單的觀察實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不能很好地認(rèn)識(shí)植物的莖具有運(yùn)輸水分的功能及內(nèi)部運(yùn)作，在教學(xué)中將工程設(shè)計(jì)融入探究活動(dòng)中，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)植物模型，構(gòu)建相關(guān)概念理解力。具體課例分析如下：首先，教師提出工程問題“能否構(gòu)建一個(gè)模型，幫助我們了解營養(yǎng)物質(zhì)、水分在植物體內(nèi)的運(yùn)作？”然后，以小組為單位，進(jìn)行觀察后利用教師提供的生活化材料，如吸管、卡紙、塑料泡沫等，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建。接著，進(jìn)行小組展示、分享模型設(shè)計(jì)，根據(jù)意見重新修改模型設(shè)計(jì)方案。最后，根據(jù)“是否清晰呈現(xiàn)了植物內(nèi)部運(yùn)作”，再加工、改造。

本案例從學(xué)生觀察植物的結(jié)構(gòu)到探究結(jié)構(gòu)的功能再到最后構(gòu)造概念的模型，模型操作簡單、實(shí)踐性強(qiáng)，在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置上分配了問題分析和實(shí)踐活動(dòng)，從科學(xué)到工程，以工程設(shè)計(jì)的方式呈現(xiàn)探究結(jié)果，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究與工程實(shí)踐的融合，促進(jìn)概念的形成。

（二）以科學(xué)探究為內(nèi)核的融入

科學(xué)探究是科學(xué)教學(xué)的本質(zhì)特征，從課標(biāo)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容闡釋中可以發(fā)現(xiàn)，了解工程與技術(shù)所涉及事物的作用和意義，或通過動(dòng)手實(shí)踐了解事物本質(zhì)、設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品，都需要學(xué)生通過科學(xué)探究活動(dòng)來完成，因此科學(xué)探究也是工程實(shí)踐活動(dòng)的重要特征。

以科學(xué)探究為內(nèi)核的融入是以科學(xué)探究為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生在掌握科學(xué)概念的基礎(chǔ)上開展工程實(shí)踐。完成工程設(shè)計(jì)任務(wù)的同時(shí)，科學(xué)探究也獲得相應(yīng)的媒介或手段，進(jìn)而達(dá)到利用模擬技術(shù)拓展科學(xué)探究視野的目的。

教科版五年級(jí)上冊(cè)“做一個(gè)太陽能熱水器”，學(xué)生需要了解太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)和原理，為設(shè)計(jì)、制作太陽能熱水器做好鋪墊，其中幫助學(xué)生理解測試不同顏色的同種物質(zhì)吸收太陽能的能力、陽光直射與斜射對(duì)吸熱效果的影響，是完成太陽能熱水器的制作關(guān)鍵。因此引導(dǎo)學(xué)生利用太陽能熱水器的模擬裝置，開展設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論等一系列科學(xué)探究活動(dòng)，為后續(xù)制作太陽能熱水器的工程實(shí)踐活動(dòng)奠定科學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)。本案例是將科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法在工程問題“做一個(gè)太陽能熱水器”引導(dǎo)下進(jìn)行整合統(tǒng)一，將科學(xué)知識(shí)運(yùn)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作過程中，靈活遷移解決真實(shí)世界中的問題，釋放科學(xué)知識(shí)的潛在價(jià)值，建立有廣泛聯(lián)系的融合知識(shí)體系。

綜上所述，以工程設(shè)計(jì)為框架，基于教材的融入以科學(xué)探究為內(nèi)核，科學(xué)探究和工程實(shí)踐都是問題解決的過程，經(jīng)歷“面對(duì)問題—提出方案—設(shè)計(jì)驗(yàn)證—評(píng)價(jià)反思”的循環(huán)環(huán)節(jié)，需要結(jié)合認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建構(gòu)，反復(fù)實(shí)證檢驗(yàn)，并進(jìn)行修正結(jié)論或修改方案。它們?cè)谌诤线^程中也各有特色，科學(xué)探究強(qiáng)調(diào)篩選最合理的證據(jù)及解釋，工程實(shí)踐則關(guān)注問題方案的開發(fā)與優(yōu)化，為科學(xué)教學(xué)中兩種實(shí)踐形式的融合提供了模式參考。

（三）以綜合實(shí)踐活動(dòng)為拓展的融入

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“小學(xué)科學(xué)課程是一門活動(dòng)性和實(shí)踐性的課程，是一門與其他學(xué)科有密切聯(lián)系的課程?！痹谛W(xué)科學(xué)教學(xué)中，需要實(shí)施多種多樣的、與生活緊密聯(lián)系的實(shí)踐活動(dòng)，凸顯現(xiàn)實(shí)生活中需要解決問題的真實(shí)性，也進(jìn)一步促進(jìn)科學(xué)探究與工程實(shí)踐的融合。

科學(xué)探究和工程實(shí)踐在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的融合，是以具體的工程實(shí)踐項(xiàng)目促進(jìn)科學(xué)教育目標(biāo)的全面落實(shí)。在科學(xué)教學(xué)中提供更真實(shí)的實(shí)踐場景，發(fā)展學(xué)生綜合利用科學(xué)原理創(chuàng)造性解決問題的實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)造興趣及對(duì)工程職業(yè)的向往。也充分體現(xiàn)科學(xué)教育從實(shí)踐到理論，從理論回到實(shí)踐的認(rèn)識(shí)論觀點(diǎn)，真正體現(xiàn)生活中的科學(xué)，科學(xué)中的生活理念。