科學探究與工程實踐在小學科學教學中的融合

福建省福州市倉山區實驗小學 李 兵

科學教育經歷了三大發展階段：作為知識的科學、作為過程的科學、作為探究的科學。2011 年美國《K-12 科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》（以下簡稱《框架》），以“科學實踐”代替“科學探究”，扭轉課堂探究模式化的局面，拓寬科學教育的內容，拓展學科教學的含義，增加課程間的融合?！犊蚣堋钒ㄈ齻€維度：科學和工程實踐、跨學科概念、學科核心概念，其中科學和工程實踐描述了科學家建構自然世界的模式和方法，以及工程師設計、搭建模型和系統時的主要工程實踐。2013 年美國《新一代科學教育標準》指出：“提升對于工程學概念的理解，將工程設計與科學探究放在同等重要位置，通過工程設計與工程應用來強調核心概念學習。”將科學實踐與工程實踐并提，并提出以工程設計與科學探究的整合為基本途徑。

2017 年版《義務教育小學科學課程標準》把“技術與工程”納入課程內容中，科學與工程實踐相結合，增強學生對科學與工程實踐關系的理解，獲得綜合所學知識解決問題及制作產品的體驗，培養學生創造性解決問題的能力。

一、科學探究與工程實踐融合的依據

科學探究與工程實踐有著天然聯系，對二者的認識要先進行科學與工程的辨別區分?？茖W活動以發現為核心，以發現事物規律為根本任務，形成科學的知識體系；工程活動以設計為核心，以技術為要素，運用科學知識系統，建設具體項目。

科學與工程的創造性和實踐本質也決定了科學教育和工程教育各自屬性?？茖W教育是學生經歷科學實踐培養科學素養和創新精神。工程教育是培養在工程設計及實踐中發揮作用的工程設計型人才的教育活動。工程問題解決的思路一般是提出問題、制訂方案、實施方案、反思評價、修改方案，與科學問題解決的思路基本相似。此外，科學探究為工程實踐提供了知識創獲或積累的基礎，工程實踐則是檢驗科學探究中知識、方法合理性的重要途徑，為二者有機融合奠定理論基礎。

科學探究和工程實踐的融合是本文核心范疇，課程融合是將具有內在邏輯或價值關聯的原有分科課程內容進行統整?？茖W探究和工程實踐都倡導以跨學科思維，整合各學科核心概念，建立科學探究與工程實踐相融合的人才培養路徑。二者既是教學內容，也是教學方法。從內容層面分析，不是只有科學和工程兩個領域內容的融合，而是根據實際情況靈活選擇融合內容；從方法層面分析，科學探究和工程實踐也是一種方法，《框架》論述科學探究與工程實踐共有的指導教師進行教學設計和組織教學的八個層次，即提出問題、建立和使用模型、設計和實施調查研究、分析和解釋數據、利用數學和計算思維建構解釋、構造解釋和設計解決方案、基于證據進行論證、獲取評估信息。科學探究與工程實踐如同科學教學的雙翼，各有側重又相輔相成。

二、科學探究與工程實踐融合的意義

科學探究與工程實踐相融合，讓學生共享“貫通性概念”，一方面，學生獲得與年齡階段相適應的科學知識、工程原理，運用知識綜合解決現實問題；另一方面，豐富了科學學習的實踐形式，使學生更好地適應多學科間的復雜問題，形成跨學科視野與工程思維方式。二者融合打通了科學、技術和工程教育，增加學生對現實生活中科學應用的關注。

三、科學探究與工程實踐融合的基本方式

科學探究與工程實踐在科學教學中的融合尚在探索階段，教學活動過程模式構造和教學邏輯提煉少有涉及。因此，要把握科學探究與工程實踐的關鍵特征及其聯系，以工程設計為框架，基于教材的融入以科學探究為內核，基于課外的融入以拓展為中心。

（一）以工程設計為框架的融入

以工程設計為框架的融入是指以工程設計任務為目的搭建學習情境，從設計需要引發科學探究，再通過假設、驗證和解釋建構，為概念形成及成品改進提供依據，經歷“設計—探究—設計”的循環，體現了科學探究與工程設計的雙向聯系，科學探究是工程設計的依據，工程設計拓展了科學探究的創新空間。

蘇教版四年級上冊“冷和熱”單元屬于物質領域教學內容，圍繞“熱”這個核心概念組織教學，在“熱的傳遞”教學內容后設置了“設計保溫杯”活動，但教材僅呈現一句話“設計一個保溫杯，比一比哪個小組保溫杯的效果更好”，使得設計及制作活動可有可無。以工程設計為框架融入本單元教學中，在教師創設的工程問題情境引領下，引導學生將科學現象規律及方法技能應用到問題的解決中，通過參與設計、制作成品等工程實踐活動，達到科學探究與工程設計的融合，體會“做”的樂趣，養成通過“動手做”解決問題的習慣。具體課例分析如下：以“全球變暖，讓我們為企鵝建造房屋”的工程活動任務為單元學習開始，在經歷“熱的傳遞”科學探究活動，了解熱傳遞和熱輻射概念后，提出工程問題：“建造一座房屋，保護企鵝形狀的冰塊在高溫下不被融化”；帶著問題為建造房子做調查、研究；設計和建造住房，進行探究實驗，將相同材料放在兩個紙盒上測量紙盒溫度，根據材料保溫性能選擇建造材料，收集整理實驗數據，尋找規律；改進及進行二次測試；同伴分享、交流，為作品后續修改提供參考。

以上案例利用工程問題作為單元學習的任務驅動，學生體驗了問題—調查—建造—改進完整的工程實踐過程。富有童趣的挑戰“保護企鵝冰塊不被融化”活動，激發學生學習熱情，根據特定情境和具體條件，選擇制訂合理的解決方案，開展探究不同材料導熱性能比較的實驗活動，最后將創意和方案轉化為產品并進行改進與優化。通過工程設計及實踐加深學生對科學概念、科學方法及技能的掌握，達到學習科學知識的目的，加深學生對工程設計的了解，發展學生科學素養和工程素養。

科學探究需要將現實中的問題抽象成模型進行研究，工程實踐也運用相同的方法，生命科學、地球科學領域課程內容則也以工程設計為框架而融入，運用“建?！被顒?，將科學探究和工程實踐相聯系。

教科書科學四年級上冊“植物的生活”，建構生命科學領域的幾個重要概念，其中一個是“植物能適應環境，制造和獲取養分來維持自身的生存”。“植物的莖”是單元第四課，僅通過簡單的觀察實驗，學生不能很好地認識植物的莖具有運輸水分的功能及內部運作，在教學中將工程設計融入探究活動中，引導學生建構植物模型，構建相關概念理解力。具體課例分析如下：首先，教師提出工程問題“能否構建一個模型，幫助我們了解營養物質、水分在植物體內的運作？”然后，以小組為單位，進行觀察后利用教師提供的生活化材料，如吸管、卡紙、塑料泡沫等，進行方案設計、模型構建。接著，進行小組展示、分享模型設計，根據意見重新修改模型設計方案。最后，根據“是否清晰呈現了植物內部運作”，再加工、改造。

本案例從學生觀察植物的結構到探究結構的功能再到最后構造概念的模型，模型操作簡單、實踐性強，在教學環節設置上分配了問題分析和實踐活動，從科學到工程，以工程設計的方式呈現探究結果，實現科學探究與工程實踐的融合，促進概念的形成。

（二）以科學探究為內核的融入

科學探究是科學教學的本質特征，從課標對學習內容闡釋中可以發現，了解工程與技術所涉及事物的作用和意義，或通過動手實踐了解事物本質、設計制作產品，都需要學生通過科學探究活動來完成，因此科學探究也是工程實踐活動的重要特征。

以科學探究為內核的融入是以科學探究為切入點，引導學生在掌握科學概念的基礎上開展工程實踐。完成工程設計任務的同時，科學探究也獲得相應的媒介或手段，進而達到利用模擬技術拓展科學探究視野的目的。

教科版五年級上冊“做一個太陽能熱水器”，學生需要了解太陽能熱水器的結構和原理，為設計、制作太陽能熱水器做好鋪墊，其中幫助學生理解測試不同顏色的同種物質吸收太陽能的能力、陽光直射與斜射對吸熱效果的影響，是完成太陽能熱水器的制作關鍵。因此引導學生利用太陽能熱水器的模擬裝置，開展設計方案、進行對比實驗，分析數據，得出結論等一系列科學探究活動，為后續制作太陽能熱水器的工程實踐活動奠定科學知識基礎。本案例是將科學知識、科學方法在工程問題“做一個太陽能熱水器”引導下進行整合統一，將科學知識運用于產品設計、制作過程中，靈活遷移解決真實世界中的問題，釋放科學知識的潛在價值，建立有廣泛聯系的融合知識體系。

綜上所述，以工程設計為框架，基于教材的融入以科學探究為內核，科學探究和工程實踐都是問題解決的過程，經歷“面對問題—提出方案—設計驗證—評價反思”的循環環節，需要結合認知經驗進行建構，反復實證檢驗，并進行修正結論或修改方案。它們在融合過程中也各有特色，科學探究強調篩選最合理的證據及解釋，工程實踐則關注問題方案的開發與優化，為科學教學中兩種實踐形式的融合提供了模式參考。

（三）以綜合實踐活動為拓展的融入

《義務教育小學科學課程標準》指出：“小學科學課程是一門活動性和實踐性的課程，是一門與其他學科有密切聯系的課程?！痹谛W科學教學中，需要實施多種多樣的、與生活緊密聯系的實踐活動，凸顯現實生活中需要解決問題的真實性，也進一步促進科學探究與工程實踐的融合。

科學探究和工程實踐在小學科學教學中的融合，是以具體的工程實踐項目促進科學教育目標的全面落實。在科學教學中提供更真實的實踐場景，發展學生綜合利用科學原理創造性解決問題的實踐能力，培養創造興趣及對工程職業的向往。也充分體現科學教育從實踐到理論，從理論回到實踐的認識論觀點，真正體現生活中的科學，科學中的生活理念。