把握技術與工程領域的教學

張軍霞

摘要隨著科學技術的迅猛發(fā)展，技術產(chǎn)品不斷迭代，技術與工程和人類生活更加息息相關，國際科學教育開始倡導STEM教育，技術與工程進入科學教育者的視野并受到重視，也成為《義務教育小學科學課程標準》新增加的學習領域?？茖W、技術與工程是人類三種不同的社會實踐活動，如何理解技術與工程領域中科學、技術與工程的內(nèi)容是廣大科學教師面臨的新問題。理解科學、技術與工程，把握技術與工程領域中科學、技術與工程的區(qū)別與聯(lián)系，對于開展技術與工程領域的教學具有重要意義。

關鍵詞 科學 技術 工程教學

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.24.007

Grasp the Teaching in the Field of Technology and Engineering

ZHANG Junxia

（Institute of Curriculum and Teaching Materials， People’s Education Press， Beijing 100081）

Abstract： With the rapid development of science and technology and the continuous iteration of technical products， technology is more closely related to engineering and human life. International science education began to advocate stem education. Technology and engineering have entered the vision of science educators and re？ ceived attention. It has also become a new learning field in the curriculum standard of minor subjects of com？ pulsory education. Science， technology and engineering are three different social practice activities of human be？ ings. How to understand the contents of science， technology and engineering in the field of technology and engi？ neering is a new problem faced by science teachers. Understanding science， technology and engineering and grasping the differences and relations between science， technology and Engineering in the field of technology and engineering are of great significance for teaching in the field of technology and engineering.

Keywords： science； technology； engineering； teaching

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，技術產(chǎn)品不斷迭代，技術與工程和人類生活更加息息相關，國際科學教育開始倡導STEM教育，技術與工程進入科學教育者的視野并受到重視，也成為《義務教育小學科學課程標準》新增加的學習領域?？茖W、技術與工程是人類三種不同的社會實踐活動，如何理解技術與工程領域中科學、技術與工程的內(nèi)容是廣大科學教師面臨的新問題。理解科學、技術與工程，把握技術與工程領域中科學、技術與工程的區(qū)別與聯(lián)系，對于開展技術與工程領域的教學具有重要意義。

科學、技術與工程的內(nèi)涵

1.科學

《現(xiàn)代漢語詞典》這樣解釋科學：“反映自然、社會、思維等的客觀規(guī)律的分科的知識體系。”這一定義比較寬泛，包括自然科學、社會科學、思維科學等。我們探討的科學，一般屬于自然科學的范疇。

中科院原院長周光召對科學的解釋是：“科學主要是對客觀世界的結構、運動規(guī)律、相互間的作用在理論方面的規(guī)律性了解，最后上升為系統(tǒng)的理論；科學成果是用一種系統(tǒng)的、理論的、知識的形態(tài)反映出來；簡單地說，科學是認識世界?！彼€指出，科學工作是非常艱巨的、長期的、復雜的勞動，需要一個穩(wěn)定支持的環(huán)境，科學不一定馬上就可以產(chǎn)生效益。對一些基本性的研究應給予足夠的重視，尤其是要能自立于世界民族之林，而不是亦步亦趨地跟著別的國家，一定要具備自己獨立進行這些基本的科學研究的能力。

在加拿大安大略省的課程體系中，科學和技術合并為一門學科。在《科學與技術》的課程文件中對科學的解釋是：“科學的首要目標是了解自然和人類設計的世界；科學是描述和解釋自然和物質(zhì)世界的方法，是人類為獲得關于自然知識而使用的某些過程，以及通過這些過程獲得的關于自然的知識的有組織的整體；科學是一項充滿活力和創(chuàng)造性的活動，有著悠久而有趣的歷史，許多都為科學知識和理解的發(fā)展作出了貢獻；科學家通過測試規(guī)律和理論，并根據(jù)令人信服的新證據(jù)或對現(xiàn)有證據(jù)的重新概念化，不斷評估和判斷科學知識的合理性；在大多數(shù)情況下，科學的基本思想，如生命的細胞基礎、能量定律和粒子概念等，已被證明是穩(wěn)定的?！?/p>

綜上所述，我們可以認為科學是為了了解世界，包括知識、方法、過程、活動，科學知識是相對穩(wěn)定的。我國的小學科學課程標準指出：“人類觀察自然、研究各種現(xiàn)象產(chǎn)生和變化的原因而產(chǎn)生科學，科學的核心是發(fā)現(xiàn)?！币簿褪钦f，科學要通過觀察和研究，發(fā)現(xiàn)存在于客觀事物的現(xiàn)象和變化中的規(guī)律性。

2.技術

《現(xiàn)代漢語詞典》這樣解釋技術：“人類在認識自然和利用自然的過程中積累起來并在生產(chǎn)勞動中體現(xiàn)出來的經(jīng)驗和知識，也泛指其他操作方面的技巧。有時也指技術裝備。”

周光召對技術是這樣解釋的：“技術是在人類的實踐活動中積累起來的從事生產(chǎn)的一些經(jīng)驗、工藝或理論等。技術與生產(chǎn)相聯(lián)系，是生產(chǎn)的一部分，是生產(chǎn)力的一部分。簡單地說，技術要解決改造世界的問題?！彼J為，科學領域可以分為三大類：基礎科學、技術科學和環(huán)境科學。因此，研究如何改進技術方法，提高技術水平，也屬于科學研究。也就是說，發(fā)展技術也需要用科學研究的思路與方法。

在加拿大安大略省的《科學和技術》課程文件中對技術的解釋是：“技術包括開發(fā)和使用解決人類問題和幫助滿足人類需求和欲望的材料、工具和過程，許多技術產(chǎn)品幫助人類完成那些本來很難或不可能完成的任務；技術是一種認識的方式，也是一種探索和實驗的過程；技術是一種知識形式，它使用其他學科（包括科學）的概念和技能，并應用這些知識來滿足確定的需求或使用材料、能源和工具（包括計算機）解決特定問題；技術方法包括發(fā)明或修改裝置、結構、系統(tǒng)或工藝，雖然技術提供了許多好處，但也產(chǎn)生了相關的成本和風險，我們要考慮技術的收益、成本和風險并明智地使用它?！?/p>

綜上所述，我們可以這樣理解技術：源于生產(chǎn)生活需要而產(chǎn)生問題，解決這些問題的工具、方法和經(jīng)驗總稱為技術。例如建造技術、顯微技術、生物技術、計算機技術、航空航天技術等都屬于技術。我國的小學科學課程標準指出：“對科學加以巧妙運用以適應環(huán)境，改善生活而產(chǎn)生技術，技術的核心是發(fā)明。”也就是說，技術是利用科學知識，發(fā)明出幫助人們改善生活的工具。

3.工程

《新牛津詞典》將工程定義為：“一項精心設計計劃的，為了實現(xiàn)特定目標的，單獨或聯(lián)合實施的工作。”《現(xiàn)代漢語詞典》這樣解釋工程：“土木建筑或其他生產(chǎn)、制造部門用比較大而復雜的設備來進行的工作。如土木工程、機械工程、化學工程、采礦工程、水利工程等。也指具體的建設工程項目，如城市改建工程、京九鐵路工程。也泛指某項需要投入巨大人力和物力的工作，如菜籃子工程?！?/p>

百度百科將自然科學的理論應用到具體工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中形成的各學科的總稱稱為“工程學”，并給出了狹義和廣義兩種定義。狹義而言，工程定義為“以某組設想的目標為依據(jù)，應用有關的科學知識和技術手段，通過有組織的一群人將某個（或某些）現(xiàn)有實體（自然的或人造的）轉化為具有預期使用價值的人造產(chǎn)品的過程”，如某項水利工程、某項橋梁工程。小學科學教材中的工程內(nèi)容，基本上屬于狹義的范疇。廣義而言，工程則被定義為由一群（個）人為達到某種目的，在一個較長時間周期內(nèi)進行協(xié)作（單獨）活動的過程。如前面提到的城市改建工程、京九鐵路工程、菜籃子工程等。

我們可以這樣簡單地理解工程：運用科學原理和技術手段創(chuàng)造人工物體的系統(tǒng)性的、經(jīng)常反復的過程和途徑，如土木工程、軟件工程、通信工程、基因工程等。我國的小學科學課程標準中指出：“人類為實現(xiàn)自己的需要，對已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)性的開發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造等，這便是工程，工程的核心是建造?！?/p>

科學、技術與工程的區(qū)別與聯(lián)系

通過對科學、技術、工程內(nèi)涵的梳理和對《義務教育小學科學課程標準解讀》的學習，筆者列出了科學、技術與工程的一些不同點（見下表）。

1.科學、技術與工程的區(qū)別

（1）研究對象不同

科學是由好奇心驅使，提出關于自然的問題，然后找出答案。因此，科學是對未知世界的客觀規(guī)律的探索與發(fā)現(xiàn)?？茖W是以理性與客觀為前提，用邏輯與實驗完整地證明出來的知識和方法系統(tǒng)。技術是改造世界的手段、方法和過程。工程是人工改造物質(zhì)世界的物質(zhì)性建造的實施過程。

（2）活動核心不同

科學活動以發(fā)現(xiàn)為核心，科學發(fā)現(xiàn)可以增加人類的知識和精神財富。技術活動以發(fā)明為核心，是對可行的方法、技巧或機器的發(fā)明。工程活動以建造為核心，為人類生存發(fā)展建造所需要的人工世界與物品。

（3）社會角色不同

三者的社會角色分別為科學家、發(fā)明家、工程師。當然，科學家和工程師的職業(yè)定位比較明確，從我國評職稱的角度可以比較明確地劃分，有的參評研究員系列，有的參評工程師系列。按照周光召的說法，技術研發(fā)過程與一般科學研究過程相似，因此，科研人員、工程技術人員都有可能是發(fā)明家。

（4）知識形式不同

科學知識的基本形式是科學概念、原理、假說、定律、解釋模型等，技術知識的基本形式是技術原理和操作方法，工程知識的主要形式是工程原理、設計和施工方案以及建造出來的物品等。

（5）研究方法不同

科學活動最典型的形式是科學探究。技術最典型的方式是技術開發(fā)，包括發(fā)明、拓展、重組、創(chuàng)新等。設計與制造是工程師解決問題的基本方法，設計是建造的前提。完成工程項目時，要考慮計劃、預算、執(zhí)行、管理、評估。

（6）驗證性不同

科學、技術與工程存在一個關鍵區(qū)分點，科學規(guī)律和技術方法都是可以反復驗證實施的，但工程項目是一次性的，其適用對象是唯一的，無法復制的。對于同一工程問題，其設計方案往往不是唯一的，沒有標準答案。

2.科學、技術與工程的聯(lián)系

科學和技術是緊密聯(lián)系在一起的。科學通常使用并需要由技術開發(fā)的工具和過程，反之，技術通常使用科學開發(fā)的原理、定律、理論和過程?，F(xiàn)在，科學與技術還出現(xiàn)了相互滲透的趨勢?，F(xiàn)代科學更加技術化，現(xiàn)代技術更加科學化，科學與技術逐漸融為一體。例如，一些大學生學習的是工科專業(yè)，如計算機、電子、材料等，但他們在做畢業(yè)論文或其他研究時，可能更多的是追求理論發(fā)現(xiàn)而不是發(fā)明。工科學子做科研這一大學中的普遍現(xiàn)象，表現(xiàn)出科學與技術的密切關系。

科學、技術與工程的緊密聯(lián)系還體現(xiàn)在：技術是工程的組成要素，工程是若干技術的系統(tǒng)集成體，它們是在科學發(fā)現(xiàn)的基礎上，通過發(fā)明產(chǎn)生技術，最后通過設計將技術應用到工程實踐中。

小學科學課程標準說明了技術與工程的聯(lián)系：工程的關鍵是設計，工程中包含著技術，技術的核心是發(fā)現(xiàn)；在工程中可以進行技術發(fā)明；技術發(fā)明出的技術手段應用于工程建造，形成人工產(chǎn)品，共同創(chuàng)造出人工世界。小學科學課程標準列出了科學、技術與工程三者的聯(lián)系：科學的發(fā)展促進技術和工程的發(fā)展，技術的發(fā)展也促進了科學的發(fā)展，技術通過工程設計而成型（如下圖）。

把握技術與工程領域的教學要求

在科學課教學中，我們要注意引導學生在更宏觀的背景下看待技術與工程領域中的科學、技術和工程，將它們視為人類對自身和其他生物產(chǎn)生重要影響的努力，并學會將所學的科學、技術與工程知識與學校以外的世界聯(lián)系起來。

科學探究主要是發(fā)現(xiàn)客觀事物的規(guī)律，教學中首要的任務是提出科學性問題，提出關于自然界的問題，以基于實證的解釋的方式給出合理普遍的答案，形成反映自然、社會、思維等客觀規(guī)律的知識體系。如植物的生長規(guī)律、水和空氣的特征、拉力和推力的作用、材料沉浮的規(guī)律以及天氣變化、晝夜交替等，都屬于科學的內(nèi)容。學生學習這些內(nèi)容，都要提出關于自然界的問題，以基于實證的方式，探究尋找合理的答案，形成反映客觀事物的概念化、規(guī)律性的理解。

在技術與工程的實踐中，我們要引導學生經(jīng)歷工程師在設計、搭建模型和構建系統(tǒng)時使用的重要的工程技術實踐過程。“設計與技術”主要包括四個方面教學：設計、制作、評估和技術知識。這四個方面的基本教學要求如下：

1.設計

（1）通過研究和開發(fā)設計標準，為特定個人或群體提供具有創(chuàng)新性、功能性和吸引力的產(chǎn)品設計信息。

（2）通過討論，繪制草圖、橫截面圖、分解圖、原型、樣板，利用計算機輔助設計，生成、開發(fā)、建模和表達他們的想法。

上述兩句話中有一些關鍵詞，如產(chǎn)品設計信息、繪制草圖、橫截面圖、分解圖等，教師較為熟悉。在人教鄂教版《科學》教材（下文介紹的內(nèi)容均屬于本教材）中，技術與工程單元基本都有設計這一環(huán)節(jié)，大多是通過繪圖等方式呈現(xiàn)產(chǎn)品的設計方法。

2.制作

（1）選擇并使用更廣泛的工具和設備來準確地執(zhí)行實際任務。如切割、成型、接合和精加工。

（2）根據(jù)材料和部件的功能特性和審美品質(zhì)，選擇并使用更廣泛的材料和組件，包括建筑材料、紡織品和配料。

上述兩句話中的一些關鍵詞，如切割、成型、接合、加工、選擇并使用材料和組件等，教師在教學時也有所體會。技術與工程單元基本都有制作這一步，如一年級下冊的“制作指南針”。有的課在拓展與應用中有制作建議，如三年級上冊《開關》一課拓展與應用中的“制作一個簡易開關”。

3.評估

（1）調(diào)查和分析一系列現(xiàn)有產(chǎn)品。

（2）根據(jù)自己的設計標準評估他們的想法和產(chǎn)品，并考慮其他人的意見，以改進他們的工作。

（3）了解設計和技術中關鍵事件、個人如何幫助塑造世界。

教師對其中的一些關鍵詞，如調(diào)查、分析、評估、改進等已經(jīng)深有體會。技術與工程單元基本都有評估與改進這一環(huán)節(jié)。如一年級上冊《制作小物品》中的“展示、改進筆筒”，一年級下冊《制作指南針》中的“測試、改進自制的指南針”。

4.技術知識

（1）知道如何增強、鞏固、加固更復雜的結構。

（2）理解機械系統(tǒng)，并在產(chǎn)品中使用，如齒輪、滑輪、凸輪、杠桿和連桿。

（3）了解電氣系統(tǒng)，并在產(chǎn)品中使用，如含有開關、燈泡、蜂鳴器和電機的電路。

（4）在編程、監(jiān)控和控制產(chǎn)品時體現(xiàn)對計算的理解。

以上要求中，增強、鞏固、加固、機械、電、計算等是關鍵詞。在技術與工程單元的先導課中，會介紹一些技術知識。如一年級下冊技術與工程單元“制作指南針”的第一課中，引導學生觀察指南針各部分是用什么制作的；三年級上冊技術與工程單元“小小建筑師”的第二課研究了“哪種結構更穩(wěn)定，哪種結構承受力較大”；三年級下冊技術與工程單元“動力小車”中，分析可以給小車安裝哪些動力裝置。

教材非常重視技術與工程領域的學習，每一冊的最后一個單元都專門設計為技術與工程單元。這樣的設計，讓學生經(jīng)歷長時間、完整和系統(tǒng)化的技術與工程的學習，使他們能夠對科學、技術、工程有更深刻的理解，不僅清楚它們的不同點，還能以一種綜合的、聯(lián)系的思維來解決一些科學、技術與工程的問題，提高他們的科學實踐能力和創(chuàng)新能力。