用工程思想提升學生科學探究品質

【摘要】在新頒布的《義務教育小學科學課程標準》中，“技術與工程領域”被明確列為科學課程內容，而工程思想和科學探究的整合能夠讓科學教學變得更加活潑和真實，這不僅對教師重新思考并組織科學探究活動具有革命性的意義，同時也提出了新的要求。

【關鍵詞】工程思想；科學探究；基本流程與要點

【中圖分類號】G623.6 【文獻標志碼】A 【文章編號】1005-6009（2017）49-0053-03

【作者簡介】許春良，江蘇省無錫市東北塘實驗小學（江蘇無錫，214191）教師，高級教師，無錫市科學學科帶頭人。

科學課要以科學探究為主要的教學方式，但如果學習者只關注科學探究的最終結論，而不去思考這些科學結論的產生過程，或者不去嘗試運用這些結論來改善現實的生活，那都談不上是成功的科學課。因此，教師有必要讓學生運用科學知識，開展一些基本的科學實踐活動。倡導工程思想和科學探究的整合能夠為科學教學提供全新的視野和有效的途徑。

一、融入工程思想的科學探究的基本流程

假如能夠將工程思想巧妙地融入科學探究之中，那么無疑可以使科學教學變得更加活潑和真實。比如在傳統的科學課上，教師一般會讓學生先拼搭各種形狀的多面體，然后測試它們的承重力，通過這種方式，學生了解什么樣的形狀穩定性強，承重力大。這種類型的探究活動是對事物之間因果關系的探索，其目標是認識自然中的因果機制，并獲得具有普遍價值的科學知識。而工程設計則往往通過操作各種變量試圖得到一個預期的結果，其目標是用工程設計的方法解決現實生活中的特定問題。同樣是上面的科學主題，教師可以讓學生完成一個建瞭望塔的項目，學生模仿工程師和建筑師的工作，把物理力學和技術設計方面的內容聯系起來，如此，學習的過程會更加生動有趣。可見，對于科學教師而言，把工程思想融入科學探究活動并沒有想象中的那么困難，大體來講，它由以下幾個環節構成：

1.明確問題。

通常而言，工程設計始于真實情境中的問題或任務，這個任務可以由教師獨立提出，也可以由學生提出。在工程與科學整合的學習中，教師需要引導學生對問題進行研究，明確任務完成的限制性因素，同時調查過去使用過哪些方案。這一階段的目標是讓問題明確化，同時增加學生的學習興趣。比如：在建塔項目中，教師可以事先設定一些基本技術參數方面的限制，如塔的高度不能低于20厘米，要有一個方形的底座，底座高度不少于5厘米，塔上還需要有一個平臺，能夠讓人在上面進行觀察等。

2.制訂合理的解決方案。

與絕大多數的科學探究實驗相比，工程設計類問題沒有唯一的答案。在這個階段，教師要組織學生進行頭腦風暴，讓學生把注意力集中在產生想法上，而不是急著評估他們的想法是否可行和合適。比如：對于建造什么樣式的塔，教師可以讓學生進行網絡搜索，搜集世界著名建筑物的照片，并帶到課堂中來，讓學生自由討論哪一種形狀或結構可以借鑒。

3.分析解決方案。

當學生討論出一定數量的、可能解決問題的方案后，教師就要組織他們評判每個方案是否符合初始的限制條件（技術參數），可以讓學生分組對設計方案進行評估，研究每個方案的優勢與缺陷，并選擇其中的某個方案完成相應的制作。

4.優化解決方案。

制作一旦完成，下一步就是讓學生測試他們的設計方案，學生要收集體現方案性能的各種數據并找出需要改進的地方，一定要讓學生認識到工程設計過程的反復性，不可能一下子就完成。比如，可以用多種方法來測試塔的穩定性和強度：用電吹風從不同的角度吹，測試塔的穩定性；用噴霧瓶模擬下雨；向塔施加重量來確定其整體強度等等。這些測試可能需要學生用數周時間才能完成。

5.交流。

在整個學習過程中，教師應為學生提供交流測試結果的機會（見圖1）。比如：在明確問題階段，學生就應該和他人分享自己對任務情境、限制條件和評判標準的理解，這樣能夠及時把一些重要的信息傳遞出去，減少不必要的精力投入。

二、工程思想融入科學探究的操作要點

由以上分析可知，科學與工程互相聯系，互為補充，同時又有著各自的特點。融入工程思想對教師重新思考并組織科學探究具有革命性的意義，同時也對教師提出了更高的要求。在實際教學中，教師特別要注意以下幾點：

1.循環定義課堂問題。

工程設計過程大多從真實情境中的問題或任務開始，往往需要對問題進行反復描述，直到確定某個更細致的問題為止，之后再進行方案的制訂、分析和優化，這個過程可能需要重復好幾次，即循環定義問題。而科學課上需要學生進行探究的問題比較明確，且具有極強的計劃性，教師和學生都知道課堂上要研究的問題是什么，活動中自己要做什么，目標一旦確定不輕易更改實驗方案。由此可見，在工程與科學的整合中，教師首先面臨的就是循環定義問題的挑戰。

比如：在開展“怎樣用紙制造一架飛機并讓它飛得更遠”這一工程項目時，由于影響飛機飛行的因素很多，所以不可能只圍繞一個因素進行反復優化設計，但同時也不可能讓學生像飛機制造者那樣測試全部的影響因素。在這種情況下，教師可以借助限制性條件的設置，如規定制造飛機的材料和推動飛機飛行的力量等，先把一些沒有科學價值的因素排除掉。一開始學生制造出來的飛機大多帶有明顯的翅膀但沒有尾部，因為在他們的頭腦中飛機是借助一對巨大的機翼飛行的，但經過測試，他們就會發現翅膀過大并不能有效增加飛機直線飛行的距離。此時，教師需要及時引導學生再次定義問題，“你的問題解決了嗎？”“你又有什么新的問題？”……慢慢地把研究的重心轉移到飛機的形狀結構上來，飛機飛行的距離在反復設計改進的過程中慢慢增加。歸根到底，工程設計是一個非線性的過程，這要求教師和學生在課堂上形成良性的互動關系，學生則不斷地接近預定的任務，同時也不斷地更新著自己的知識庫。

2.均衡選擇實驗類型。

實驗可以分為兩種基本類型：一種是涉及“科學模型”的實驗，這類實驗以探索科學知識和規律為宗旨，如：物體下落的快慢和它的質量有關系嗎？另一種是涉及“工程模型”的實驗，這類實驗通過操作變量來得到一個預期的結果，如“怎樣讓降落傘下降得更慢？”當然，真正的科學家和工程師在做研究時常會同時運用科學模型和工程模型。[1]

作為科學教師，我們知道學生已有的科學知識和生活經驗可能會讓科學學習變得更加復雜和不可預知，但很少有人知道，這些已有的知識和經驗會進一步影響他們選擇實驗活動的類型。比如，當要求學生研究影響車速的因素時，他們通常會無意識地選擇工程模型來開展科學探究——把原本是尋找影響車速因素的科學模型實驗，變成設計一輛速度更快的小車的工程模型實驗，長此以往，學生會認為科學實驗主要是為了獲得某種具體的結果而不是尋找變量之間的關系，形成對科學實驗本質的錯誤理解。

有些教師喜歡在課堂上大量使用競賽，以此激發學生學習的積極性，然而將競賽帶入課堂很容易進一步強化工程模型。這樣的項目不應該過度使用，而應該謹慎地與應用科學模型的活動均衡使用。[1]這意味著教師在把工程思想融入科學探究活動時，絕不是把原本的科學模型實驗全部轉化成工程模型實驗那么簡單，恰恰相反，正是因為學生容易傾向于使用工程模型，教師需要有意識地設計一些能更好地反映科學實驗本質的活動，均衡地、有目的地選擇不同的實驗類型，讓學生在課堂中理解并熟練運用科學模型實驗和工程模型實驗來解決不同的問題。

3.注重培養證據意識。

科學教師通常只要求學生根據觀察到的現象來回答問題，這種課堂文化迫切需要變革。科學教師的主要任務并不只是傳授給學生一些科學知識，更重要的是提高學生的科學思維水平。如果學生全身心地投入某個科學探究活動，為的只是尋找并展示支持某個觀點的證據，那么極有可能固化學生的思維。因為在這樣的科學探究中，學生極有可能對那些不利于自己假設的證據視而不見、棄而不用，事實上它們的存在恰恰能夠用來否定自己一開始的假設和想法。學生缺乏懷疑和創新精神，其中一個重要原因就在于他們已經習慣于被教師引導著去相信科學探究只關注“證明”，而不是懷疑和有理有據的邏輯推理。

比如：在研究哪些因素會影響物體下落的快慢時，很多教師只是讓學生做“兩個鐵球同時落地”的實驗，從而得出物體質量對下落快慢沒有影響這一結論，而事實上這一結論本身就存在著很大的科學性問題。一個比較合理的方法是讓學生在更大的范圍內討論物體的自由下落問題。教師可以先提出相互矛盾的兩種假設：（1）物體重量決定其下落速度；（2）物體的大小和形狀決定其下落速度；然后分別讓學生分組測試這兩種假設是否正確。有些學生會在兩個大小相同的膠卷盒中裝入不同重量的東西，這樣就會得出物體重量不影響下落快慢的結論；有些學生則用乒乓球和小鋼珠來進行比較，很明顯在這種情況下重量的確會起到作用。物體形狀大小的因素所造成的影響也是如此。兩組不同的實驗讓學生得出兩個截然不同的結論，而從正反兩個方面尋找證據的實驗，則有利于引發學生頭腦中原有知識和生活經驗的碰撞和重組，這時學生可以在教師的引導下，結合兩組實驗的測試結果分析得出正確的結論：如果物體的形狀大小和其質量相比起來非常小，那它的重量就不會影響下落的快慢。

由此可見，尊重證據不等同于讓學生通過科學探究單單尋找支持自己想法的證據。有時候需要教師通過均衡的實驗設計，讓學生去測試互相矛盾的假設，在這個過程中同時尋找支持和反對某種觀點的證據，效果反而更好。

4.合理分配探究時間。

既然工程設計是一個散亂的、非線性的過程，那么學生要想在一項任務上獲得成功，往往需要多次嘗試，直到得到符合要求的、滿意的結果為止。鑒于課堂的時間限制，教師對探究時間的分配和控制就顯得尤為重要。

第一種策略是提高時間的利用率。一般而言，課堂中要留給學生充足的動手時間，但也并非越多越好。有時，在確定并定義問題環節需要讓學生充分討論，有時為了制訂合理的方案學生需要進行反復溝通，而后期制作測試的環節則可利用課后時間進行。這就要求教師根據不同的教學內容對探究基本流程統籌安排，把有限的時間用在最能夠促進學生科學素養提升的活動上。另一種策略是在課程安排允許的情況下，如采用兩節科學課連上的形式、增加科學課的周課時數、吸引學生利用課后時間等方法。總而言之，工程設計不可能“一擊必中”，出現失敗的可能性很大，教師要讓學生有足夠的時間去嘗試各種解決問題的方案。

工程思想與科學探究的整合會給科學課程帶來轉變，同時也會對教師提出前所未有的挑戰，教師需要具備必要的技能，設計出讓學生潛能最大化發揮的工程學習項目。當下，科學探究的方向已經指明，道路就在腳下，前景讓人期待！

【參考文獻】

[1]埃里克·布倫塞爾.在課堂中整合工程和科學[M].周雅明，等，譯.上海：上海科技教育出版社，2015.