科學(xué)探究與工程實(shí)踐在課堂中的整合

曾美良 王微娜

【摘要】基于新版《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中多次提及的“工程”理念，在科學(xué)課堂中，正確理解科學(xué)和工程的關(guān)系，通過創(chuàng)設(shè)基于工程的科學(xué)情境，以及項(xiàng)目化學(xué)習(xí)與跨學(xué)科教學(xué)模式，從而整合科學(xué)探究與工程實(shí)踐，真正落實(shí)科學(xué)新課標(biāo)理念，更好地培養(yǎng)學(xué)生工程思維和創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】新課標(biāo);科學(xué);工程;項(xiàng)目學(xué)習(xí)

一、基本概述

“工程”（engineering）這個(gè)概念最早出現(xiàn)在美國(guó)。2011年美國(guó)的《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》提出科學(xué)和工程實(shí)踐，跨學(xué)科概念、學(xué)科核心概念，以及2013年制定的《新一代科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)一步細(xì)化了工程教育這一概念以及相關(guān)的實(shí)踐指引。2017年初，我國(guó)教育部頒布了《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”），也多次出現(xiàn)“工程”一詞。

在新課標(biāo)中，科學(xué)與工程的關(guān)系多以“科學(xué)探究”與“工程設(shè)計(jì)”出現(xiàn)?？茖W(xué)探究在課標(biāo)中分為8個(gè)環(huán)節(jié)：提出問題-作出假設(shè)-制定計(jì)劃-搜集證據(jù)-處理信息-得出結(jié)論-表達(dá)交流-反思評(píng)價(jià)。工程設(shè)計(jì)，在課標(biāo)中出現(xiàn)在課程內(nèi)容也指出了基本步驟：明確問題-確定方案-設(shè)計(jì)制作-改進(jìn)完善。仔細(xì)分析，這二者并非矛盾也并非毫無關(guān)系。

如今科學(xué)課堂不斷在改革與創(chuàng)新，如何在課堂上更好地整合科學(xué)與工程，在科學(xué)探究中，滲入工程理念，探究工程問題，是非常值得探討的一個(gè)問題。培養(yǎng)學(xué)生工程思維與能力，注重實(shí)踐與應(yīng)用，是真正實(shí)現(xiàn)有效科學(xué)課堂的一個(gè)重要手段。

二、基于工程的科學(xué)情境，培養(yǎng)學(xué)生工程思維及能力

科學(xué)課上，實(shí)驗(yàn)各式各樣，但往往許多實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上，都與工程缺乏聯(lián)系，甚至部分實(shí)驗(yàn)的“探究味”都不濃，2017年新版《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中“技術(shù)與工程”領(lǐng)域明確指出：科學(xué)的核心是發(fā)現(xiàn)，工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決實(shí)際問題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)。所以，科學(xué)課堂應(yīng)該把科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，只需教師在設(shè)計(jì)課堂時(shí)巧妙地創(chuàng)設(shè)一些情境將二者聯(lián)系上，讓學(xué)生一邊發(fā)現(xiàn)一邊創(chuàng)造，在設(shè)計(jì)與創(chuàng)造中，慢慢地發(fā)現(xiàn)更多科學(xué)原理和知識(shí)，解決實(shí)際問題，進(jìn)行工程思維及能力的培養(yǎng)。

《白醋和小蘇打的反應(yīng)》這節(jié)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)課，但是多數(shù)課堂都是設(shè)計(jì)白醋和小蘇打在燒杯中反應(yīng)，觀察現(xiàn)象，收集氣體，檢驗(yàn)氣體等環(huán)節(jié)。如果在課堂上，設(shè)置工程情境，完成白醋和小蘇打吹氣球的挑戰(zhàn)。那么學(xué)生需要思考如何吹起氣球？學(xué)生在了解白醋與小蘇打反應(yīng)后可以產(chǎn)生氣體這一原理后，教師提問借助礦泉水瓶，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)小蘇打與白醋如何放入礦泉水瓶子？最終學(xué)生設(shè)計(jì)與制作，將白醋提前裝入水瓶中，小蘇打裝入氣球中，再把氣球套在瓶口，提起氣球時(shí)，氣球內(nèi)的小蘇打便能夠進(jìn)入瓶中與白醋發(fā)生反應(yīng)，這是一個(gè)封閉的反應(yīng)環(huán)境，所以產(chǎn)生的氣體便能夠吹起氣球。另外，只需要把氣球小心拆下來，蓋好蓋子，便可以進(jìn)行檢測(cè)瓶?jī)?nèi)的氣體的后續(xù)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)設(shè)計(jì)，很巧妙地把實(shí)驗(yàn)變成一個(gè)挑戰(zhàn)，完成吹氣球的任務(wù)，制作過程也培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和細(xì)心程度。這個(gè)實(shí)驗(yàn)變從原本簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室科學(xué)實(shí)驗(yàn)，變成簡(jiǎn)易任務(wù)、設(shè)計(jì)與制作的簡(jiǎn)單工程問題。

《污水與污水處理》一課變身污水處理競(jìng)賽：各組制作一個(gè)污水凈化器。身邊常見材料：活性炭、石英砂、細(xì)沙、青草、紗布、餐巾紙、樹葉、明礬粉末、濾紙等材料供學(xué)生選擇，每組只能選擇其中6種材料，分層裝入空的過濾器中。學(xué)生首先要了解污水有哪些特點(diǎn)？污水處理的方法和流程，同時(shí)要清楚各種材料的作用與優(yōu)缺點(diǎn)。所以，學(xué)生在親自體驗(yàn)了污水凈化的困難之后，更能深切地感受環(huán)境污染帶來的弊端。于是這節(jié)便由以下環(huán)節(jié)構(gòu)成：討論自學(xué)→設(shè)計(jì)→制作→展示→改進(jìn)→工程創(chuàng)造。

在小學(xué)科學(xué)課本中，還有許多相關(guān)實(shí)例，如在三年級(jí)磁鐵相關(guān)單元中，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用磁鐵性質(zhì)制作一個(gè)磁鐵玩具;五年級(jí)的制作太陽(yáng)能熱水器課程;在六年級(jí)《抵抗彎曲》中，讓學(xué)生設(shè)計(jì)快遞物品的保護(hù)套等，此類課程在科學(xué)課堂中需要學(xué)生學(xué)會(huì)探究，如果加入相應(yīng)的工程情景，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐和思考，有效地鍛煉學(xué)生工程思維及能力。

三、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)與跨學(xué)科教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）是以項(xiàng)目作為驅(qū)動(dòng)力，注重將離散的知識(shí)融合，使之形成結(jié)構(gòu)。而新課標(biāo)在實(shí)施建議中，也出現(xiàn)STEM這個(gè)詞，即科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）、數(shù)學(xué)（mathematics），這是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。近年來，也由此延伸出STEAM（科學(xué)science、技術(shù)technology、工程engineering、藝術(shù)art、和數(shù)學(xué)mathematics），以及廣州提出的STEEN（科學(xué)science、技術(shù)technology、工程engineering、環(huán)境environment和自然nature）科學(xué)教育理念，都是倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式，其中科學(xué)與工程的聯(lián)系非常緊密，可見在科學(xué)課堂融合工程，可以更好地促進(jìn)科學(xué)課的結(jié)構(gòu)生成。

2018年最新的教育科學(xué)出版社二年級(jí)上冊(cè)《科學(xué)》書中第二單元便可以整合成一個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方案。以最后一課《做一頂帽子》為項(xiàng)目主體目標(biāo)，在此課之前，學(xué)生通過學(xué)習(xí)《不同材料的餐具》《書的歷史》《神奇的紙》等課程，認(rèn)識(shí)了不同材料的特點(diǎn)及作用?！兑巫硬缓?jiǎn)單》一課認(rèn)識(shí)了許多物品需要多種材料制作完成。在本課中，教材提出“你能用不同材料做出不同功能的帽子嗎？”這個(gè)問題，明確“做帽子”的任務(wù)，而且強(qiáng)調(diào)帽子的功能。接著以三個(gè)步驟引導(dǎo)學(xué)生：設(shè)計(jì)、選材料、畫草圖→量一量、做一做→帽子展示會(huì)。

溫州市陳素平名師工作室研究項(xiàng)目成果《菜譜設(shè)計(jì)與制作》是一個(gè)非常典型的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)案例。該案例是科教版《科學(xué)》四年級(jí)下冊(cè)第三單元《食物》，通過整合《食物中的營(yíng)養(yǎng)》《生的食物和熟的食物》《減慢食物變質(zhì)的速度》《營(yíng)養(yǎng)要均衡》幾節(jié)課程，將學(xué)生的學(xué)習(xí)置于真實(shí)的生活情境，最終以“一周菜譜”的形式展示成果。

此類項(xiàng)目學(xué)習(xí)，便是很好地結(jié)合了科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)甚至美術(shù)等學(xué)科知識(shí)，對(duì)于學(xué)生的綜合發(fā)展，培養(yǎng)發(fā)散思維能力非常有意義。

四、結(jié)語(yǔ)

2017版新課標(biāo)前言部分明確指出了科學(xué)素養(yǎng)的概念：“科學(xué)素養(yǎng)是指了解必要的科學(xué)技術(shù)知識(shí)及其對(duì)社會(huì)與個(gè)人的影響，知道基本的科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，樹立科學(xué)思想，崇尚科學(xué)精神，并具備一定的運(yùn)用它們處理實(shí)際問題、參與公共事務(wù)的能力。”

新課標(biāo)第四部分“實(shí)施建議”中指出要“動(dòng)手動(dòng)腦做科學(xué)”，同時(shí)倡導(dǎo)“開展探究式學(xué)習(xí)，但是不要把探究式學(xué)習(xí)作為唯一的科學(xué)學(xué)習(xí)方式?！边@些建議非常值得科學(xué)教師思考，將工程引入科學(xué)課堂，正是更好地促進(jìn)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)非常好的方式。同時(shí)關(guān)注新課標(biāo)“技術(shù)與工程”領(lǐng)域理念，整合科學(xué)與工程，從原本在課堂中學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，改變?yōu)檫\(yùn)用科學(xué)知識(shí)，解決實(shí)際問題，進(jìn)而形成工程成果，真正實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。

五、參考文獻(xiàn)：

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【本文是廣州市增城區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃（2017年度）課題《基于核心素養(yǎng)框架下學(xué)生工程思維及能力培養(yǎng)策略研究》（課題編號(hào)：ZC2017003）的階段性成果?！?/p>