學(xué)科項目化學(xué)習(xí)：溝通科學(xué)探究與工程實踐的橋梁

周振宇

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》明確指出，通過科學(xué)課程培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)包括四個方面：科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐、態(tài)度責(zé)任。這是首次在課程標(biāo)準(zhǔn)中將“探究”和“實踐”放到并重的位置，這樣的表述體現(xiàn)出我國科學(xué)教育界對探究與實踐關(guān)系認(rèn)識的變化，值得仔細(xì)品讀、領(lǐng)悟。

一、從課標(biāo)的變化看人們對探究與實踐認(rèn)識的發(fā)展

2001 年頒布的《全日制義務(wù)教育科學(xué)（3～6 年級）課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗稿）》，就科學(xué)課程改革提出了六條基本理念，其中第三條指出“科學(xué)學(xué)習(xí)要以探究為核心”，并進(jìn)一步對探究的含義進(jìn)行了闡釋：“探究既是科學(xué)學(xué)習(xí)的目標(biāo)，又是科學(xué)學(xué)習(xí)的方式。親身經(jīng)歷以探究為主的學(xué)習(xí)活動是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的主要途徑。”該輪課程改革，面對知識講授和驗證性實驗為主的科學(xué)課堂教學(xué)現(xiàn)狀，旗幟鮮明地指出必須以探究為核心，力求徹底改變教師灌輸式教學(xué)的慣習(xí)，保障學(xué)生的主體地位，具有非常重要的現(xiàn)實意義，也起到了非常好的效果。

2017年，重新修訂的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“2017年版課標(biāo)”）指出科學(xué)課程的性質(zhì)為：基礎(chǔ)性課程、實踐性課程、綜合性課程。同時在“實踐性課程”部分進(jìn)一步指出：“探究活動是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式?！瓘娬{(diào)從學(xué)生熟悉的日常生活出發(fā)，通過學(xué)生親身經(jīng)歷動手動腦等實踐活動，了解科學(xué)探究的具體方法和技能，理解基本的科學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)和提出生活實際中的簡單科學(xué)問題，并嘗試用科學(xué)方法和科學(xué)知識予以解決，在實踐中體驗和積累認(rèn)知世界的經(jīng)驗，提高科學(xué)能力，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度，學(xué)習(xí)與同伴的交流、交往與合作。”從上述文字可以看出，探究從科學(xué)學(xué)習(xí)的核心變?yōu)橹匾绞剑鴮嵺`則成了探究的上位概念，泛指學(xué)生親身經(jīng)歷的動手動腦活動，探究只是實踐的一種類型。

2022年4月，最新頒布的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中，首次將探究與實踐并列為通過科學(xué)課程培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)，并作出如下闡釋：探究實踐主要指在了解和探索自然、獲得科學(xué)知識、解決科學(xué)問題，以及技術(shù)與工程實踐過程中，形成的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力?？茖W(xué)探究能力體現(xiàn)在：理解科學(xué)探究的一般過程和方法；提出科學(xué)問題，并針對科學(xué)問題進(jìn)行合理猜想與假設(shè)；制定計劃并搜集證據(jù)，分析證據(jù)并得出結(jié)論；對結(jié)果進(jìn)行解釋與評估；準(zhǔn)確表達(dá)觀念，反思探究過程與結(jié)果。技術(shù)與工程實踐能力體現(xiàn)在：了解技術(shù)與工程實踐的一般過程和方法，針對實際需要明確問題，提出有創(chuàng)意的方案，并根據(jù)科學(xué)原理或限制條件進(jìn)行篩選；實施計劃，利用工具和材料進(jìn)行加工制作；根據(jù)實際效果進(jìn)行修改迭代；用自制的簡單裝置及實物模型驗證或展示某些原理、現(xiàn)象和設(shè)想。自主學(xué)習(xí)能力體現(xiàn)在：自主確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，選擇學(xué)習(xí)策略，監(jiān)控學(xué)習(xí)過程，反思學(xué)習(xí)過程與結(jié)果。很顯然，在新課標(biāo)中，探究指科學(xué)探究，實踐指技術(shù)與工程實踐，科學(xué)探究和技術(shù)與工程實踐在科學(xué)學(xué)習(xí)中具有同等重要的地位。

二、科學(xué)探究和技術(shù)與工程實踐之間的共生關(guān)系

從三版課標(biāo)的表述看，我國科學(xué)教育界對探究與實踐關(guān)系的認(rèn)識在不斷變化，從探究為核心到探究是實踐的一種方式再到科學(xué)探究和技術(shù)與工程實踐并行并重，其背后反映了人們對科技認(rèn)識的變化。人們逐漸認(rèn)識到，科學(xué)、技術(shù)與工程是共同推動社會發(fā)展的重要力量，三者各自承擔(dān)著重要的任務(wù)，缺一不可，又彼此相融，相互促進(jìn)，共同發(fā)展，形成了一種和諧的共生關(guān)系。

所謂科學(xué)，是人們在認(rèn)識世界和改造世界的過程中創(chuàng)造出來的，正確反映客觀世界現(xiàn)象、物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的系統(tǒng)理論知識。技術(shù)則是在科學(xué)的指導(dǎo)下，通過總結(jié)實踐經(jīng)驗而得到，在生產(chǎn)過程和其他實踐過程中廣泛應(yīng)用的，涉及設(shè)計、裝備、方法、規(guī)范、管理等各個方面的系統(tǒng)知識。而工程是人類有組織地綜合運用多種科學(xué)技術(shù)進(jìn)行的大規(guī)模改造世界的活動。它除了要考慮技術(shù)的先進(jìn)性和可行性外，還要考慮成本、質(zhì)量及對環(huán)境的影響，做到經(jīng)濟(jì)、美觀、實用、環(huán)保。沒有科學(xué)，人們就失去了對這個世界最本質(zhì)特征的認(rèn)識；沒有技術(shù)，即使有再多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，人類的生產(chǎn)和生活也難有實實在在的改變；沒有工程，科學(xué)和技術(shù)就不可能融會貫通，并產(chǎn)生產(chǎn)品?？茖W(xué)負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)，技術(shù)負(fù)責(zé)發(fā)明，工程負(fù)責(zé)建造，科學(xué)發(fā)展帶來技術(shù)進(jìn)步，科技的進(jìn)步在工程實踐中以集大成的方式呈現(xiàn)出來，三者聯(lián)合，就成了完美的組合。當(dāng)然，三者之間往往有著先后順序，先有科學(xué)的發(fā)展，進(jìn)而推動技術(shù)革新，然后科技共同作用于工程，并在工程實施的過程中得到驗證和改良。隨著社會的發(fā)展，工程項目的難度不斷加大，這種不斷加大的難度又會倒過來產(chǎn)生科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的新問題、新挑戰(zhàn)，從而推動科學(xué)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，以此形成一個螺旋上升、不斷迭代的鏈條。

教育是為社會發(fā)展服務(wù)的?？茖W(xué)、技術(shù)、工程在社會生產(chǎn)生活中體現(xiàn)出來的良性互動關(guān)系必然反映到教育領(lǐng)域。因此，面向未來的優(yōu)質(zhì)教育不能只重視科學(xué)，輕視技術(shù)，無視工程，而是要讓學(xué)習(xí)置身于真實的生活情境中，致力于復(fù)雜問題的解決，把科學(xué)探究與技術(shù)工程實踐融為一體，讓學(xué)習(xí)者基于問題解決的需要產(chǎn)生科學(xué)探究和技術(shù)提升的內(nèi)驅(qū)力，并在學(xué)習(xí)過程中掌握技術(shù)工程實踐的能力和科學(xué)探究的本領(lǐng)，潛移默化地發(fā)展探究實踐素養(yǎng)。

三、學(xué)科項目化學(xué)習(xí)是融會科學(xué)探究與工程實踐的最佳路徑

認(rèn)識到科學(xué)探究與技術(shù)工程實踐之間相互依存的關(guān)系之后，我們需要在教學(xué)實踐中讓這種依存關(guān)系得以彰顯，使學(xué)生從學(xué)習(xí)的起始階段就把科學(xué)探究與工程實踐融為一體，養(yǎng)成基于工程實踐需要開展科學(xué)探究，科學(xué)探究進(jìn)展及時用于工程實踐改進(jìn)的良好習(xí)慣與素養(yǎng)。

那么，傳統(tǒng)的教學(xué)方式有沒有可能實現(xiàn)上述目標(biāo)呢？答案是否定的。原因有三：其一，傳統(tǒng)課堂以講授為主，學(xué)生被動接受知識，喪失了學(xué)習(xí)的自主性，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失，學(xué)習(xí)動力不足，學(xué)習(xí)方向不明；其二，傳統(tǒng)教學(xué)習(xí)慣于分科教學(xué)，容易割裂知識間復(fù)雜而深刻的聯(lián)系，忽視知識生成的綜合性特點，不利于學(xué)生形成綜合性、批判性思維能力；其三，傳統(tǒng)教學(xué)更多發(fā)生在教室里，遠(yuǎn)離學(xué)生的生活，遠(yuǎn)離問題情境的現(xiàn)場，學(xué)生學(xué)到的知識與生活脫節(jié)，難以在生產(chǎn)生活中加以應(yīng)用。傳統(tǒng)教學(xué)的上述三點缺陷成為打通科學(xué)探究與工程實踐的障礙，也成為阻礙教育發(fā)展的攔路虎，因而，亟須一種新型的教學(xué)方式來逐步取代它。

項目化學(xué)習(xí)是取代傳統(tǒng)教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生高階思維，培養(yǎng)他們在實際問題情境中基于問題解決需要開展科學(xué)探究和技術(shù)工程實踐的最佳選擇。所謂項目化學(xué)習(xí)，就是以問題解決為目的，以自主建構(gòu)式學(xué)習(xí)為方式，實現(xiàn)超越學(xué)科、分工合作、展示交流的周期性學(xué)習(xí)活動。［1］19美國巴克教育研究所認(rèn)為，項目化學(xué)習(xí)具有八大“黃金準(zhǔn)則”：重點知識的學(xué)習(xí)和成功素養(yǎng)的培養(yǎng)；解決一個有挑戰(zhàn)性的問題；持續(xù)性的探究；項目要有真實性；學(xué)生對項目要有發(fā)言權(quán)及選擇權(quán)；學(xué)生和教師在項目中進(jìn)行反思；評論與修正；項目化學(xué)習(xí)成果的公開展示。［2］9正是因為項目化學(xué)習(xí)的這些特征，使之具備了讓科學(xué)探究與工程實踐融為一體的可能性。

在科學(xué)教學(xué)中引入項目化學(xué)習(xí)的理念，開展科學(xué)項目化學(xué)習(xí)，大致可以分為四個環(huán)節(jié)：第一是項目發(fā)布，師生基于真實的生活情境和發(fā)展需要，共同產(chǎn)生具有一定復(fù)雜性的工程項目，讓學(xué)生產(chǎn)生團(tuán)隊學(xué)習(xí)的需要和突破難關(guān)的動力。第二是明確驅(qū)動問題，團(tuán)隊對發(fā)布的項目進(jìn)行認(rèn)真思考，討論確定到底面臨哪些具體問題，教師要敏銳捕捉到真實問題背后的科學(xué)問題，并加以引導(dǎo)。第三是探究建構(gòu)，學(xué)習(xí)共同體共同面對科學(xué)問題，作出假設(shè)，設(shè)計實驗，開展科學(xué)探究活動，通過多種科學(xué)方法，得出科學(xué)結(jié)論。第四是實踐應(yīng)用，即學(xué)即用，把團(tuán)隊探究建構(gòu)出來的科學(xué)結(jié)論嘗試應(yīng)用到工程項目實踐中，轉(zhuǎn)化成技術(shù)手段或?qū)嵤┎呗?，以完成項目，形成成果，同時對成果進(jìn)行反思，并力爭在成果的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的項目需求，形成循環(huán)。四個環(huán)節(jié)首尾相連，周而復(fù)始，為了完成項目而提出問題、解決問題，為了解決問題而進(jìn)行科學(xué)探究，探究的結(jié)論自然運用于工程實踐，顯性提升作品的質(zhì)量。在對作品進(jìn)行評價的過程中產(chǎn)生更高階的問題，萌發(fā)更高級別的項目，在充分科學(xué)探究的基礎(chǔ)上提升技術(shù)水平，形成工程作品的迭代效應(yīng)。

以“降落傘”這一教學(xué)內(nèi)容為例。在傳統(tǒng)教學(xué)視界中，“降落傘”的內(nèi)容用一課時完成，主要分為兩個部分：首先，按照教材指定的步驟制作降落傘，學(xué)生分小組將小手帕折疊好，并在手帕四角系上長度相等的線，線的另一端打上結(jié)，系上重物，這樣降落傘就制成了。其次，探究降落傘下降的快慢跟什么因素有關(guān)，假設(shè)和傘面的大小、線的長短、重物的重量等因素可能存在關(guān)系，師生一起探討，當(dāng)研究某一個假設(shè)的時候，討論確定什么可以改變，什么不可以改變，逐步理解對比實驗的要領(lǐng)，并通過實驗得出結(jié)論。這樣的教學(xué)，看似第一環(huán)節(jié)學(xué)生經(jīng)歷了工程實踐，第二環(huán)節(jié)進(jìn)行了科學(xué)探究，但是，這樣的實踐是教材規(guī)定的，是教師強加給學(xué)生的，學(xué)生只要按照步驟機械執(zhí)行就行，這樣的探究主題也是教師發(fā)布的，學(xué)生不明白為什么要去探究降落傘下降的快慢跟什么因素有關(guān)系，探究的結(jié)論又有什么作用。因此，學(xué)生缺失興趣驅(qū)動，缺少學(xué)以致用的意義賦能，更缺少學(xué)習(xí)共同體共同面對復(fù)雜問題，共同制定研究方案，共同實施項目管理，共同調(diào)整研究方向的經(jīng)歷。因而，學(xué)習(xí)深度不夠，學(xué)生的高階思維也難以得到培養(yǎng)。

2017 年版課標(biāo)發(fā)布后，新編蘇教版《科學(xué)》教材中有了更多項目化學(xué)習(xí)的元素。教材把降落傘的形狀、結(jié)構(gòu)、作用、工作原理等列為前期學(xué)習(xí)的內(nèi)容，前期研究的內(nèi)容之二是要設(shè)計一個對比實驗，研究傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩根數(shù)和長短等因素與下降速度之間的關(guān)系，并形成實驗報告。課堂學(xué)習(xí)從項目的發(fā)布開始，項目任務(wù)是：投放一個50 克左右的熟雞蛋，從三樓的高度降落到指定的地點。限制條件是只提供一個雞蛋，且項目任務(wù)要在兩課時內(nèi)完成。學(xué)生組建項目研究小組，并就如何解決定點投放的問題，如何保護(hù)易碎品的問題等展開討論，寫出設(shè)計方案，畫出設(shè)計圖，在設(shè)計過程中需要充分考慮任務(wù)中的限制條件，比如工程造價、時間限制等。設(shè)計方案達(dá)成共識后，小組開展模型制作、性能測試、調(diào)整改進(jìn)、分享交流等。以上教學(xué)圍繞項目任務(wù)的完成展開，學(xué)生在團(tuán)隊學(xué)習(xí)的過程中溝通、交流、合作、時間管理等能力能得到鍛煉，而且每一個學(xué)習(xí)團(tuán)隊的目標(biāo)明確、興趣濃厚。但這樣的教學(xué)依然存在著將科學(xué)探究與工程實踐相割裂的缺陷，兩節(jié)課的學(xué)習(xí)完全聚焦于工程實踐，將降落傘的原理知識與探究過程前置于課堂學(xué)習(xí)之外，使得科學(xué)探究部分依然存在學(xué)生學(xué)習(xí)主動性缺失的問題，缺少了學(xué)生在工程實踐中遇到問題，從而引發(fā)科學(xué)探究動機，進(jìn)而展開探究，解決問題，獲得成功感的妙趣。

如何讓學(xué)習(xí)更深入，讓科學(xué)探究與工程實踐產(chǎn)生更緊密的聯(lián)系呢？我們不妨進(jìn)行調(diào)整，將學(xué)習(xí)周期適當(dāng)放寬，把科學(xué)探究也納入項目。學(xué)習(xí)開始，教師可以發(fā)布這樣的項目：請設(shè)計并完成一個雞蛋保護(hù)裝置，可以讓一個熟雞蛋從三樓拋下，落入指定地點而不摔碎。設(shè)計過程中請綜合考慮成本、美觀、操作的便捷性、穩(wěn)定性等多種因素。這樣的項目面臨的問題比上述教材中的項目更具復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，學(xué)生除了要考慮用降落傘來緩沖之外，還可能有對雞蛋進(jìn)行軟包裝以緩沖、減震，甚至可將幾種措施疊加。不同小組之間的不同思路可能會導(dǎo)致研究方向的不同，有的小組會對影響降落傘下降速度的因素進(jìn)行科學(xué)探究，有的小組會對究竟如何包裝可以最大程度起到減震保護(hù)的效果產(chǎn)生興趣，進(jìn)而制定研究計劃，開展深入探究。在項目化學(xué)習(xí)的視域中，應(yīng)該鼓勵思路與方案的多樣性。當(dāng)學(xué)習(xí)團(tuán)隊把上述這些科學(xué)問題探究清楚之后，會在第一時間根據(jù)項目需要，把這些科學(xué)結(jié)論轉(zhuǎn)化為技術(shù)，進(jìn)而去優(yōu)化工程設(shè)計方案。在實際學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)團(tuán)隊也的確沒有讓我們失望，除了對降落傘的傘面、重量等因素進(jìn)行調(diào)整外，他們有給雞蛋穿上泡沫外套的，有用比較結(jié)實的塑料袋制作水艙并將雞蛋置于其中的，還有多種方式并用的。當(dāng)負(fù)責(zé)保護(hù)雞蛋的研究小組與負(fù)責(zé)投放準(zhǔn)度的研究小組坐到一起的時候，他們又因為彼此意見的不同發(fā)生激烈的爭辯，體積大了投不準(zhǔn)，體積小了保護(hù)效果不好，他們學(xué)會了相互妥協(xié)，努力找到一種雙方都可以接受的中間狀態(tài)。就這樣，多種問題匯聚到一起，經(jīng)過多種意見的相互妥協(xié)，多次實驗失敗之后的反思與改進(jìn)，科學(xué)探究的結(jié)論成為他們決策的信心與底氣，通過研究琢磨出來的技術(shù)成為他們改良方案的寶貴經(jīng)驗，最后因為成本、能力等原因不得不放棄一些理想的追求，讓他們對工程實踐有了更深刻的認(rèn)識。更重要的是，沒有哪兩個組的方案和作品完全一樣，創(chuàng)造的魅力得到了最好的展現(xiàn)。

學(xué)科項目化學(xué)習(xí)的魅力在哪里？夏雪梅認(rèn)為，它將項目化學(xué)習(xí)的設(shè)計要素融入學(xué)科教學(xué)，將低階認(rèn)知“包裹”入高階認(rèn)知，在不降低學(xué)科學(xué)業(yè)成績和保證基礎(chǔ)類知識與技能不損失的情況下，通過項目化學(xué)習(xí)的設(shè)計同時培育學(xué)生的問題解決、元認(rèn)知、批判性思維、溝通與合作等重要的能力。［2］129在科學(xué)教學(xué)中，如果教師用項目化學(xué)習(xí)的理念來設(shè)計課程，科學(xué)探究與工程實踐之間的聯(lián)系必然暢通無阻，學(xué)生探究實踐素養(yǎng)的培養(yǎng)也必然能夠得到有效落實。