工程實(shí)驗(yàn)：指向知識(shí)與實(shí)踐融合的學(xué)程再造

謝小立

【摘 ? 要】科學(xué)在于發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造。工程實(shí)驗(yàn)以學(xué)生創(chuàng)制產(chǎn)品，解決具體問題為主體活動(dòng)，它成功地將技術(shù)與工程的學(xué)習(xí)方法推廣到對(duì)科學(xué)知識(shí)的探究性學(xué)習(xí)中，并將兩者融合，為科學(xué)教師變革物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)的學(xué)習(xí)方式和開展技術(shù)與工程的學(xué)習(xí)提供了一種思路、一個(gè)范例，具有創(chuàng)新性。

【關(guān)鍵詞】工程實(shí)驗(yàn);技術(shù)與工程;科學(xué)知識(shí);學(xué)程再造

根據(jù)新頒布的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》），科學(xué)課程由13個(gè)核心概念構(gòu)成，涉及物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程四個(gè)領(lǐng)域[1]。一般而言，前三個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容被歸納為認(rèn)知活動(dòng)，指向自然界的存在方式，探究活動(dòng)的目標(biāo)是明白“自然界是怎樣的”，從而獲得科學(xué)知識(shí)?！凹夹g(shù)與工程”領(lǐng)域的內(nèi)容指向人的活動(dòng)方式，通過應(yīng)用包括前三個(gè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)所獲的知識(shí)，解決“我們應(yīng)當(dāng)怎樣做”的問題，最終成果是制造出的產(chǎn)品或模型。[2]可見，科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展既側(cè)重科學(xué)認(rèn)知，又側(cè)重探究實(shí)踐，還強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)認(rèn)知的協(xié)調(diào)發(fā)展。

一、困局：當(dāng)前科學(xué)探究和技術(shù)與工程學(xué)習(xí)存在割裂與分化

將知識(shí)的獲取探究和應(yīng)用實(shí)踐表述為兩個(gè)相對(duì)平行的領(lǐng)域，容易導(dǎo)致在具體教學(xué)中出現(xiàn)兩者獨(dú)立、相互割裂的問題。

（一）科學(xué)探究的實(shí)踐過程被簡化

為引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范操作，嚴(yán)格控制變量，準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)，形成科學(xué)結(jié)論，教師習(xí)慣于將科學(xué)探究概括為提出問題、做出假設(shè)、制訂計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃、得出結(jié)論、表達(dá)和交流等按部就班的程式。為提高知識(shí)獲取的效率，教師時(shí)常外顯知識(shí)特征，讓學(xué)生進(jìn)行高度概括和提煉，形成標(biāo)準(zhǔn)化的理想模型，但這樣的探究活動(dòng)就成了累積既定事實(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的過程，甚至簡化成了知識(shí)結(jié)論的重現(xiàn)和追認(rèn)。

（二）技術(shù)與工程的認(rèn)知功能被淡化

雖然也有觀點(diǎn)認(rèn)為，將所學(xué)科學(xué)知識(shí)在技術(shù)與工程中加以應(yīng)用，可以加深學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的理解，但大部分教師還是將技術(shù)與工程學(xué)習(xí)的重心定位于“運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作”的動(dòng)手操作上，未能發(fā)掘技術(shù)與工程在科學(xué)知識(shí)習(xí)得與建構(gòu)方面的重要功能，這也就淡化了它的認(rèn)知功能。

二、破局：工程實(shí)驗(yàn)再造知識(shí)與實(shí)踐融合的新內(nèi)涵

實(shí)際上，科學(xué)是知識(shí)與實(shí)踐融合統(tǒng)一的學(xué)科，科學(xué)探究本身就有著較強(qiáng)的實(shí)踐屬性。技術(shù)與工程的設(shè)計(jì)制造過程，本質(zhì)上是科學(xué)原理在真實(shí)情境中發(fā)生、發(fā)展、物化應(yīng)用的過程，可以幫助學(xué)生在設(shè)計(jì)、制造、測試、評(píng)價(jià)和完善工程產(chǎn)品的經(jīng)歷中理解和深化科學(xué)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)學(xué)科核心知識(shí)和跨學(xué)科概念。

近年來，“科學(xué)日趨技術(shù)化，技術(shù)日趨科學(xué)化”的科技一體化特征日益顯著。有效吸收技術(shù)與工程的實(shí)踐精髓，突出其在平衡知識(shí)習(xí)得和實(shí)踐應(yīng)用中的融合作用，反映科學(xué)知識(shí)、技術(shù)與工程在日常生活和真實(shí)世界中是如何產(chǎn)生、應(yīng)用和實(shí)踐的，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，發(fā)展科學(xué)思維，提升實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力的綜合價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生更全面領(lǐng)會(huì)科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)和理解科學(xué)實(shí)踐的要素，逐漸成為小學(xué)科學(xué)教育探索方向。[3]

工程實(shí)驗(yàn)是融合了“科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究自然因果機(jī)制”和“技術(shù)與工程應(yīng)用科學(xué)知識(shí)建造產(chǎn)品”兩者特征的一種學(xué)習(xí)方式。即通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作的物化過程，開展科學(xué)知識(shí)的探究性學(xué)習(xí)，將知識(shí)學(xué)習(xí)融合在技術(shù)創(chuàng)新與工程制造中。它以完成真實(shí)、具體任務(wù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與創(chuàng)制為主體活動(dòng)。學(xué)生須經(jīng)歷設(shè)計(jì)模型、知識(shí)探究、決策分析、方案驗(yàn)證、產(chǎn)品公布等過程（如圖1）。

由圖1可見，工程實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變了以往先學(xué)習(xí)知識(shí)再應(yīng)用知識(shí)的一般形式，而是將應(yīng)用與學(xué)習(xí)融為一體。在應(yīng)用中探究的學(xué)習(xí)方式改變了以住由低到高（習(xí)—用—?jiǎng)?chuàng)）的認(rèn)知學(xué)習(xí)層次，它用高階學(xué)習(xí)（創(chuàng)—用—習(xí)）“包裹”低階學(xué)習(xí)，使學(xué)生在真實(shí)情境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行制作和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)學(xué)科核心概念與實(shí)踐的一致性、連貫性與融合性。每一環(huán)節(jié)的關(guān)鍵思想如表1。

“工程實(shí)驗(yàn)”需要用到系統(tǒng)性思維、批判性思維以及應(yīng)用設(shè)計(jì)、制作、探究、創(chuàng)造、合作、溝通等能力，還會(huì)涉及科學(xué)史的學(xué)習(xí)。它的關(guān)鍵在于工程建造與實(shí)驗(yàn)探究過程要素的整合，需要發(fā)揮探究、應(yīng)用及創(chuàng)造的功能。它的流程融合了科學(xué)探究和技術(shù)與工程的雙重特征（如表2）。

三、基于工程實(shí)驗(yàn)的學(xué)程再造課例

（一）案例：《運(yùn)動(dòng)與摩擦》

《運(yùn)動(dòng)與摩擦》是小學(xué)科學(xué)教材中的經(jīng)典內(nèi)容，不同版本教材呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)探究材料也幾乎相同。多年來，教師總是為學(xué)生提供接觸面粗糙的砂紙、接觸面光滑的塑料板（玻璃）、木塊、載重物、彈簧測力計(jì)等材料。學(xué)習(xí)的流程與目標(biāo)是讓學(xué)生在體驗(yàn)中感受摩擦力，學(xué)習(xí)測量摩擦力的方法，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)了解摩擦力與接觸面粗糙程度及與接觸面間壓力大小的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)是為了得出概念知識(shí)，了解實(shí)驗(yàn)方法，掌握程序性知識(shí)的特征，常常缺少探究發(fā)現(xiàn)、實(shí)踐應(yīng)用、挑戰(zhàn)創(chuàng)造的過程。

（二）運(yùn)用工程實(shí)驗(yàn)的學(xué)程再造

運(yùn)用技術(shù)與工程的方法，展開《運(yùn)動(dòng)與摩擦》的工程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，可以較好地融合科學(xué)探究、技術(shù)與工程的過程和功能（如表3）。

（三）工程實(shí)驗(yàn)再造《運(yùn)動(dòng)與摩擦》學(xué)程后的學(xué)習(xí)目標(biāo)

《運(yùn)動(dòng)與摩擦》屬于《課程標(biāo)準(zhǔn)》核心概念3“物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與相互作用”下3.1.1“知道日常生活中常見的摩擦力、彈力、浮力等都是直接施加在物體上的力”的內(nèi)容。運(yùn)用工程實(shí)驗(yàn)再造學(xué)程后的學(xué)習(xí)目標(biāo)如表4。

通過表4的分析可以看出，工程實(shí)驗(yàn)理念下的《運(yùn)動(dòng)與摩擦》的學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過改變和控制鞋底與接觸面摩擦力的過程，學(xué)習(xí)摩擦力及影響其大小的因素等概念知識(shí)。同時(shí)結(jié)合摩擦力影響因素的假設(shè)與驗(yàn)證，展開鞋這一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、改進(jìn)、驗(yàn)證、發(fā)布等技術(shù)與工程活動(dòng)。它將學(xué)習(xí)置于更真實(shí)的情境中，幫助學(xué)生調(diào)用探究、設(shè)計(jì)、制作、評(píng)價(jià)等多種學(xué)習(xí)工具探究科學(xué)概念。關(guān)注科學(xué)概念和技術(shù)，注重工程的結(jié)構(gòu)化、融合化，將會(huì)使學(xué)生更深入地理解概念知識(shí)及其應(yīng)用，并經(jīng)歷通過技術(shù)與工程方法創(chuàng)造一個(gè)人工產(chǎn)品的過程。

四、工程實(shí)驗(yàn)的效果與價(jià)值

工程實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了學(xué)科知識(shí)、科學(xué)探究、技術(shù)與工程、跨學(xué)科概念的整合，與科學(xué)家、工程師、教育家對(duì)科學(xué)教育未來發(fā)展方向的判斷有著較高的吻合度，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）工程實(shí)驗(yàn)在理論上與國內(nèi)外科學(xué)教育的整合思想具有較高一致性

科學(xué)教育改革著作《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)通過表現(xiàn)期望，實(shí)現(xiàn)科學(xué)工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念與學(xué)科核心知識(shí)的整合。工程實(shí)驗(yàn)以技術(shù)與工程為依托，通過讓學(xué)生研究并解決一個(gè)有吸引力的技術(shù)與工程任務(wù)，從而形成對(duì)重要知識(shí)和關(guān)鍵能力的理解，強(qiáng)化了知識(shí)學(xué)習(xí)與科學(xué)實(shí)踐的融合，突出了科學(xué)模型在認(rèn)知中的作用。由知識(shí)吸入取向到智能融合取向的轉(zhuǎn)變，與科學(xué)教育的改革方向是一致的。

（二）工程實(shí)驗(yàn)在目標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知的系統(tǒng)化

科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展，要避免困囿于標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)習(xí)材料，執(zhí)行程序化的步驟和得出確定的結(jié)論的框架。教師應(yīng)為學(xué)生提供大量的動(dòng)手、動(dòng)腦、動(dòng)嘴、試錯(cuò)與批判的機(jī)會(huì)。工程實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)性問題更具真實(shí)性、挑戰(zhàn)性，貫穿活動(dòng)始終。學(xué)生要進(jìn)行全局的、復(fù)雜的思考，融合科學(xué)、技術(shù)、工程、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化、環(huán)境及科學(xué)史等多種要素。這也是系統(tǒng)地形成科學(xué)觀念、科學(xué)思維、態(tài)度責(zé)任的一種學(xué)習(xí)行為。

（三）工程實(shí)驗(yàn)在過程上突破了教材內(nèi)容的領(lǐng)域邊界

教材以學(xué)科核心概念為單元內(nèi)容的編排方式，容易導(dǎo)致一線教師僅關(guān)注學(xué)科知識(shí)，拘泥于形式化的探究步驟，無法突破教材內(nèi)容的領(lǐng)域劃分，難以建立起各領(lǐng)域之間有意義的聯(lián)系。

工程實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)品創(chuàng)制和知識(shí)學(xué)習(xí)融于同一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生在“創(chuàng)制+探究”模式的活動(dòng)中逐漸獲取科學(xué)知識(shí)，形成解決問題的產(chǎn)品模型，從而深入理解科學(xué)知識(shí)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐?？梢哉f，工程實(shí)驗(yàn)從內(nèi)容領(lǐng)域的維度實(shí)現(xiàn)了“知識(shí)探究”“建構(gòu)模型”“推理論證”和“創(chuàng)新思維”的一致性，突破了技術(shù)與工程以展示、表演、附加實(shí)踐或作為例證的局限，建立起了技術(shù)與工程和隱藏其后的希望掌握的概念性知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)。[4]

總體而言，指向科學(xué)知識(shí)與科學(xué)實(shí)踐融合的工程實(shí)驗(yàn)提示了科學(xué)認(rèn)知、技術(shù)與工程協(xié)同發(fā)展的一種學(xué)程模式，能夠幫助教師從知行合一、實(shí)踐檢驗(yàn)、學(xué)以致用的維度，指導(dǎo)學(xué)生開展以認(rèn)知發(fā)展和能力發(fā)展為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，從而更好地幫助學(xué)生形成關(guān)鍵能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：16.

[2]龔凱健.科學(xué)課堂從“探究”到“實(shí)踐”走向[J].教育，2017（34）：18.

[3]陳錢錢，趙國慶，王曉靜.科學(xué)工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念與學(xué)科核心知識(shí)的整合：從《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》視角看WISE項(xiàng)目[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2018，36（2）：29-36.

[4]孔思敏，王磊.促進(jìn)中學(xué)生科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)認(rèn)識(shí)協(xié)同發(fā)展的教學(xué)模型：以化學(xué)學(xué)科為例[J].課程·教材·教法，2022（3）：131-138.

（浙江省嘉興市嘉善縣吳鎮(zhèn)教育集團(tuán)泗洲小學(xué)314100）