美國《Science Dimensions》科學(xué)教材工程技術(shù)教育特色分析

房曉彤 劉曄

摘要：隨著2017年我國《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的頒布，小學(xué)三至六年級科學(xué)教材也進(jìn)行了全面修訂，新教科版科學(xué)教材從2019年9月開始投入使用。其中一大變化是新增設(shè)技術(shù)與工程領(lǐng)域。同期，基于美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）編寫的科學(xué)和工程教科書《Science Dimensions》（《科學(xué)的維度》，以下簡稱SD教材）也開始發(fā)售。SD教材的課程內(nèi)容與《框架》和NGSS中的“科學(xué)與工程實(shí)踐”“學(xué)科核心概念”“跨學(xué)科概念”三個維度內(nèi)容一致，并創(chuàng)造性地將基于這三個維度構(gòu)成的課程體系巧妙地融合到每節(jié)課中，以達(dá)到學(xué)生的“表現(xiàn)預(yù)期”，從而更好地幫助學(xué)生獲得基礎(chǔ)的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)教材;工程設(shè)計(jì);開發(fā)

本文的教學(xué)案例選用一節(jié)典型的工程技術(shù)課進(jìn)行介紹，以“怎么做工程設(shè)計(jì)？”為主題并分析其對我國中小學(xué)科學(xué)工程技術(shù)課的啟示。

一、“怎么做工程設(shè)計(jì)？”教學(xué)設(shè)計(jì)

第1步：通過指定標(biāo)準(zhǔn)和約束條件來定義問題。

問題背景：因?yàn)樯降朗艿絿?yán)重侵蝕導(dǎo)致徒步路線存在安全隱患，你如何解決這個問題？

了解需要解決的問題后，為學(xué)生準(zhǔn)備一個問題解決的支架——需修建道路的公園的地形圖。通過地形圖了解此地區(qū)的地理情況再結(jié)合此地區(qū)的天氣條件，以確定將使用什么標(biāo)準(zhǔn)和面臨什么約束條件。此時，既提供了獲取信息來源的工具——地圖，又點(diǎn)明了工具的使用方法和目的。

接下來引導(dǎo)學(xué)生分析山道修復(fù)這個工程項(xiàng)目的指定標(biāo)準(zhǔn)和約束條件分別是什么。

我們預(yù)期的目標(biāo)是什么？比如，這個山道侵蝕問題想得到合理解決需要達(dá)到這3項(xiàng)要求：通行安全、減緩降水對山地的侵蝕、修復(fù)過程中盡量少用建筑材料。

我們面臨的限制有哪些？比如，實(shí)施這項(xiàng)工程所耗費(fèi)的資金、材料、空間、時間……

第2步：開發(fā)和比較多個解決方案。

在這個環(huán)節(jié)，根據(jù)教材以插圖搭配文字的方式引導(dǎo)學(xué)生一步一步進(jìn)行頭腦風(fēng)暴。

在5～10分鐘內(nèi)獨(dú)立想出盡可能多的解決方案，然后不加評判地傾聽每個人的想法。選一個小組成員做記錄員，使用每個人都能看到的白板記錄大家的方案。

小組進(jìn)行觀點(diǎn)討論，給每個人一個機(jī)會來解釋自己的方案。

盡量將方案清單減少到2～3個想法。使用決策矩陣來選擇實(shí)施可行性最大的方案。

最終小組的方案是有理性判斷的工具。

第3步：進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)來測試可選擇的方案。

首先是動手項(xiàng)目。學(xué)生需要制作一個按比例縮小的山地立體模型來測試方案的可行性。如通過模擬降水的方法測試。學(xué)生按照科學(xué)探究的步驟進(jìn)行測試，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。此處，還會向?qū)W生滲透一個觀點(diǎn)即“‘失敗是設(shè)計(jì)過程中必不可少的部分，因?yàn)樗赋隽颂岣咴O(shè)計(jì)方案的途徑”。

然后與學(xué)生一起總結(jié)什么是工程設(shè)計(jì)。工程師們遵循“發(fā)現(xiàn)問題或需求一調(diào)查一定義問題一共同討論解決方案一評估解決方案并做出最佳選擇一開發(fā)和測試模型一評價測試結(jié)果一交流”的步驟來開發(fā)解決方案，而這些步驟可以分為三部分，即定義問題、形成可能的方案、改進(jìn)設(shè)計(jì)。

二、案例的啟示

（一）“工程技術(shù)”單元與其他單元的聯(lián)動設(shè)計(jì)

在整套SD教材的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)中工程和STEAM是重要組成部分。從橫向來看，教材將K-5年級的每冊課程內(nèi)容都分成了4個板塊：工程與技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)。其中，工程與技術(shù)作為每冊的第1單元，統(tǒng)領(lǐng)其后的物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)各單元。學(xué)生先學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的必備知識和掌握關(guān)鍵能力后再應(yīng)用到一般科學(xué)探究活動中。SD教材G5第1單元《工程與技術(shù)》共有3節(jié)課，其中第1課是了解科學(xué)和數(shù)學(xué)如何應(yīng)用于工程，第2課是怎么做工程設(shè)計(jì)？而在第3課則學(xué)習(xí)技術(shù)如何影響社會，還包括單元表現(xiàn)性任務(wù)和單元回顧。這樣的課時安排是符合學(xué)生的認(rèn)知能力的，先介紹工程設(shè)計(jì)中用到的數(shù)學(xué)和科學(xué)知識，然后再遵循工程設(shè)計(jì)步驟解決問題，問題解決后也就更能夠深入理解技術(shù)是如何影響社會的。從縱向來看，首先學(xué)生已經(jīng)有了K-2的工程技術(shù)基礎(chǔ)，在G3、G4兩個學(xué)段學(xué)生主要學(xué)習(xí)如何定義問題、如何設(shè)計(jì)解決方案、測試和改進(jìn)原型，作為三～五年級段的最高段，G5學(xué)段則要求學(xué)生掌握的是怎么做工程設(shè)計(jì)。學(xué)生將展示在小學(xué)階段所掌握的全部工程技術(shù)能力。

我國2017年新教科版小學(xué)科學(xué)教材中也對工程技術(shù)部分進(jìn)行了重新布局。在一至二年級段安排了如1年級上冊“比較與測量”單元來進(jìn)行工程技術(shù)的滲透，在三至四年級段的工程與技術(shù)訓(xùn)練則是以對應(yīng)主題單元課時的方式安排，如四年級上冊“運(yùn)動和力”單元的第7、第8課時“設(shè)計(jì)制作小車”。在四至六年級段設(shè)計(jì)了4個“技術(shù)與工程”專題單元，分別為五年級上冊“計(jì)量時間”、五年級下冊“船的研究”、六年級上冊“工具與技術(shù)”、六年級下冊“小小工程師”。從分布來看，尊重學(xué)生認(rèn)知成熟度的安排較為明顯。隨著學(xué)生知識量的積累，操作水平提高，在小學(xué)高段年級著重進(jìn)行技術(shù)與工程能力的實(shí)踐訓(xùn)練。但是學(xué)生只是了解了工程設(shè)計(jì)一般有什么步驟，缺乏對分解步驟的強(qiáng)化訓(xùn)練。從縱向來看，4個專題單元的切入點(diǎn)是按照從認(rèn)識人工世界到技術(shù)再到工程的編排邏輯，由具體問題到宏觀的視角，符合學(xué)習(xí)進(jìn)階的設(shè)計(jì)原則，但是僅六年級下冊“小小工程師”這一專題內(nèi)容是明確用工程技術(shù)解決問題，其他的專題單元仍然是知識主題下的動手實(shí)踐項(xiàng)目，訓(xùn)練機(jī)會少。從橫向來看，還需要加強(qiáng)與其他類主題單元之間的聯(lián)動。

（二）情境創(chuàng)設(shè)：真實(shí)的重要性

SD教材的“工程技術(shù)”單元所選內(nèi)容力求貼近學(xué)生的真實(shí)生活，凸顯美國基礎(chǔ)教育階段“‘工程技術(shù)不僅僅是對科學(xué)的應(yīng)用，而且是人類改造世界的一項(xiàng)系統(tǒng)化實(shí)踐”的教育理念。該教材在每一課的最后安排了部分與本課內(nèi)容背景一致、有關(guān)科學(xué)和工程方面的職業(yè)或者科學(xué)家、工程師的職業(yè)內(nèi)容介紹。與真實(shí)世界的聯(lián)系菲常有利于讓學(xué)生感受到所學(xué)內(nèi)容的價值。而我國的教材是以單元學(xué)習(xí)主題來作為工程設(shè)計(jì)的背景，偏重知識，而不是偏重解決實(shí)際生活問題。如四年級上冊“運(yùn)動和力”單元的工程技術(shù)訓(xùn)練內(nèi)容“設(shè)計(jì)制作小車”的設(shè)計(jì)中，首先要求學(xué)生明確問題：“人們根據(jù)需要會設(shè)計(jì)各種動力的車輛來執(zhí)行不同的任務(wù)。我們也設(shè)計(jì)一輛具有動力的小車來完成任務(wù)吧！”接著給出任務(wù)要求“請利用生活中的材料設(shè)計(jì)制作一輛具有動力的小車，使它能在5秒內(nèi)把2塊橡皮運(yùn)輸1米遠(yuǎn)”。這樣的任務(wù)對于學(xué)生工程設(shè)計(jì)思維能力的訓(xùn)練幫助是有限的。

中美教材總目標(biāo)是基本一致的，都將目標(biāo)定位為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并為他們繼續(xù)學(xué)習(xí)、成為合格公民和終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。從學(xué)習(xí)方法來看，兩套教材的提倡均基于活動探究的學(xué)習(xí)方式，注重培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力以及直接經(jīng)驗(yàn)的獲取。我國的工程技術(shù)領(lǐng)域育人目標(biāo)的達(dá)成還在探索過程中，絕不能讓工程實(shí)踐內(nèi)容的教學(xué)停留在單純的技能或知識學(xué)習(xí)層面，要不斷探索，使學(xué)生找到綜合應(yīng)用知識解決實(shí)際問題的路徑。