科學探究與工程實踐在課堂中的整合

曾美良 王微娜

【摘要】基于新版《義務教育小學科學課程標準》中多次提及的“工程”理念，在科學課堂中，正確理解科學和工程的關系，通過創設基于工程的科學情境，以及項目化學習與跨學科教學模式，從而整合科學探究與工程實踐，真正落實科學新課標理念，更好地培養學生工程思維和創新思維，促進學生科學素養的發展。

【關鍵詞】新課標;科學;工程;項目學習

一、基本概述

“工程”（engineering）這個概念最早出現在美國。2011年美國的《K-12年級科學教育框架》提出科學和工程實踐，跨學科概念、學科核心概念，以及2013年制定的《新一代科學課程標準》，進一步細化了工程教育這一概念以及相關的實踐指引。2017年初，我國教育部頒布了《義務教育小學科學課程標準》（簡稱“新課標”），也多次出現“工程”一詞。

在新課標中，科學與工程的關系多以“科學探究”與“工程設計”出現。科學探究在課標中分為8個環節：提出問題-作出假設-制定計劃-搜集證據-處理信息-得出結論-表達交流-反思評價。工程設計，在課標中出現在課程內容也指出了基本步驟：明確問題-確定方案-設計制作-改進完善。仔細分析，這二者并非矛盾也并非毫無關系。

如今科學課堂不斷在改革與創新，如何在課堂上更好地整合科學與工程，在科學探究中，滲入工程理念，探究工程問題，是非常值得探討的一個問題。培養學生工程思維與能力，注重實踐與應用，是真正實現有效科學課堂的一個重要手段。

二、基于工程的科學情境，培養學生工程思維及能力

科學課上，實驗各式各樣，但往往許多實驗在設計上，都與工程缺乏聯系，甚至部分實驗的“探究味”都不濃，2017年新版《小學科學課程標準》中“技術與工程”領域明確指出：科學的核心是發現，工程技術的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計，解決實際問題和制造產品的活動。所以，科學課堂應該把科學探究和工程設計聯系起來，只需教師在設計課堂時巧妙地創設一些情境將二者聯系上，讓學生一邊發現一邊創造，在設計與創造中，慢慢地發現更多科學原理和知識，解決實際問題，進行工程思維及能力的培養。

《白醋和小蘇打的反應》這節經典的實驗課，但是多數課堂都是設計白醋和小蘇打在燒杯中反應，觀察現象，收集氣體，檢驗氣體等環節。如果在課堂上，設置工程情境，完成白醋和小蘇打吹氣球的挑戰。那么學生需要思考如何吹起氣球？學生在了解白醋與小蘇打反應后可以產生氣體這一原理后，教師提問借助礦泉水瓶，需要進一步設計小蘇打與白醋如何放入礦泉水瓶子？最終學生設計與制作，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，氣球內的小蘇打便能夠進入瓶中與白醋發生反應，這是一個封閉的反應環境，所以產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，便可以進行檢測瓶內的氣體的后續實驗。這個設計，很巧妙地把實驗變成一個挑戰，完成吹氣球的任務，制作過程也培養了學生的動手能力和細心程度。這個實驗變從原本簡單的實驗室科學實驗，變成簡易任務、設計與制作的簡單工程問題。

《污水與污水處理》一課變身污水處理競賽：各組制作一個污水凈化器。身邊常見材料：活性炭、石英砂、細沙、青草、紗布、餐巾紙、樹葉、明礬粉末、濾紙等材料供學生選擇，每組只能選擇其中6種材料，分層裝入空的過濾器中。學生首先要了解污水有哪些特點？污水處理的方法和流程，同時要清楚各種材料的作用與優缺點。所以，學生在親自體驗了污水凈化的困難之后，更能深切地感受環境污染帶來的弊端。于是這節便由以下環節構成：討論自學→設計→制作→展示→改進→工程創造。

在小學科學課本中，還有許多相關實例，如在三年級磁鐵相關單元中，鼓勵學生運用磁鐵性質制作一個磁鐵玩具;五年級的制作太陽能熱水器課程;在六年級《抵抗彎曲》中，讓學生設計快遞物品的保護套等，此類課程在科學課堂中需要學生學會探究，如果加入相應的工程情景，促進學生實踐和思考，有效地鍛煉學生工程思維及能力。

三、項目化學習與跨學科教學模式，培養學生的綜合素質

項目式學習（PBL）是以項目作為驅動力，注重將離散的知識融合，使之形成結構。而新課標在實施建議中，也出現STEM這個詞，即科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）、數學（mathematics），這是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，有利于學生創新能力的培養。近年來，也由此延伸出STEAM（科學science、技術technology、工程engineering、藝術art、和數學mathematics），以及廣州提出的STEEN（科學science、技術technology、工程engineering、環境environment和自然nature）科學教育理念，都是倡導跨學科學習方式，其中科學與工程的聯系非常緊密，可見在科學課堂融合工程，可以更好地促進科學課的結構生成。

2018年最新的教育科學出版社二年級上冊《科學》書中第二單元便可以整合成一個項目式學習方案。以最后一課《做一頂帽子》為項目主體目標，在此課之前，學生通過學習《不同材料的餐具》《書的歷史》《神奇的紙》等課程，認識了不同材料的特點及作用。《椅子不簡單》一課認識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？”這個問題，明確“做帽子”的任務，而且強調帽子的功能。接著以三個步驟引導學生：設計、選材料、畫草圖→量一量、做一做→帽子展示會。

溫州市陳素平名師工作室研究項目成果《菜譜設計與制作》是一個非常典型的項目化學習案例。該案例是科教版《科學》四年級下冊第三單元《食物》，通過整合《食物中的營養》《生的食物和熟的食物》《減慢食物變質的速度》《營養要均衡》幾節課程，將學生的學習置于真實的生活情境，最終以“一周菜譜”的形式展示成果。

此類項目學習，便是很好地結合了科學、工程、數學甚至美術等學科知識，對于學生的綜合發展，培養發散思維能力非常有意義。

四、結語

2017版新課標前言部分明確指出了科學素養的概念：“科學素養是指了解必要的科學技術知識及其對社會與個人的影響，知道基本的科學方法，認識科學本質，樹立科學思想，崇尚科學精神，并具備一定的運用它們處理實際問題、參與公共事務的能力。”

新課標第四部分“實施建議”中指出要“動手動腦做科學”，同時倡導“開展探究式學習，但是不要把探究式學習作為唯一的科學學習方式。”這些建議非常值得科學教師思考，將工程引入科學課堂，正是更好地促進學生探究式學習與跨學科學習非常好的方式。同時關注新課標“技術與工程”領域理念，整合科學與工程，從原本在課堂中學習科學知識，改變為運用科學知識，解決實際問題，進而形成工程成果，真正實現培養學生科學素養的目的。

五、參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育小學課程標準（2017年版）[s].北京：北京師范大學出版社，2017.

[2]郭貝妮.基于項目的學習-PBL-在小學科學教學中的運用[J].中國校外教育，2014（12）：266

[3]趙中建.在課堂中整合工程與科學[M].上海：上海科技教育出版社，2015

[4]馬學軍.本土化詮釋科學教學理念[J].科學課，2016（5）：卷首

[5]邸澤民.當科學課遇上項目學習.中國教育新聞網-中國教師報

【本文是廣州市增城區教育科學“十三五”規劃（2017年度）課題《基于核心素養框架下學生工程思維及能力培養策略研究》（課題編號：ZC2017003）的階段性成果。】