科工整合思維視域下的高中化學(xué)學(xué)科實(shí)踐探究

【課堂聚焦·專題：科工整合思維視域下的化學(xué)教學(xué)研究】

編者按：化學(xué)作為一門連接微觀世界與宏觀應(yīng)用的基礎(chǔ)學(xué)科，其教學(xué)長(zhǎng)期面臨理論與實(shí)踐脫節(jié)、認(rèn)知與創(chuàng)造割裂的困境。科學(xué)思維為化學(xué)原理提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬁蚣埽翘骄课镔|(zhì)變化規(guī)律的“指南針”；工程思維則為化學(xué)知識(shí)搭建從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界的轉(zhuǎn)化“橋梁”，讓分子設(shè)計(jì)、材料合成等理論成果在實(shí)際場(chǎng)景中落地生根。二者的深度融合，不僅能打破傳統(tǒng)教學(xué)中“坐而論道”的局限，更能促進(jìn)知行合一創(chuàng)新素養(yǎng)的發(fā)展。本專題立足科學(xué)思維和工程思維的整合，匯聚多方研究成果，旨在為新時(shí)代化學(xué)教育的改革注入新動(dòng)能，讓課堂成為孕育科技創(chuàng)新種子的沃土，助力學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的發(fā)展。

隨著我國(guó)基礎(chǔ)教育課程教學(xué)目標(biāo)的改革，《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》提出“強(qiáng)化學(xué)科實(shí)踐”的教學(xué)變革要求。與之相對(duì)應(yīng)，教學(xué)方式也從“雙基訓(xùn)練”逐步演進(jìn)到“探究活動(dòng)”，再發(fā)展為“學(xué)習(xí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)”，最終邁向“學(xué)科實(shí)踐”這一育人新范式。這一迭代過(guò)程清晰呈現(xiàn)出學(xué)習(xí)方式的革新軌跡：從被動(dòng)到主動(dòng)探索，從機(jī)械掌握知識(shí)技能到深度介人真實(shí)世界。可見，學(xué)科實(shí)踐代表學(xué)習(xí)方式變革的新方向[，是回歸學(xué)科、回歸實(shí)踐知行合一的形態(tài)。在高中階段開展學(xué)科實(shí)踐對(duì)學(xué)生的未來(lái)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，是落實(shí)著力造就拔尖創(chuàng)新人才的重要路徑之一。

一、學(xué)科實(shí)踐的內(nèi)涵

學(xué)科實(shí)踐從學(xué)科來(lái)看，歸屬于專業(yè)實(shí)踐，是一種學(xué)科的實(shí)踐形態(tài)。其以提出真問題為起點(diǎn)，以客觀事實(shí)為經(jīng)驗(yàn)對(duì)象，以動(dòng)手操作為基本方式，以獲取一手經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為直接目的，以服務(wù)理論建構(gòu)與工程設(shè)計(jì)為基本宗旨[2]，運(yùn)用學(xué)科的概念、思想與方法，從學(xué)科視角解決問題，意在提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和實(shí)踐能力。基于此，筆者梳理了學(xué)科實(shí)踐的基本特征（如圖1）。由此可見，學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)完全匹配了學(xué)生在真實(shí)情境中的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求[3]

圖1學(xué)科實(shí)踐的基本特征

二、學(xué)科實(shí)踐與科學(xué)思維、工程思維的關(guān)聯(lián)

從一定意義上講，學(xué)科實(shí)踐是將探究學(xué)習(xí)這種普適性的學(xué)習(xí)模式與學(xué)科更為緊密地結(jié)合，演變成具有學(xué)科意蘊(yùn)的典型的實(shí)踐過(guò)程。當(dāng)然，學(xué)科實(shí)踐并非對(duì)探究學(xué)習(xí)的否定，而是包含對(duì)學(xué)科教育的深度理解，輸出“源于實(shí)踐、回歸實(shí)踐”的真正的學(xué)科探究。因此，學(xué)科實(shí)踐強(qiáng)調(diào)“像學(xué)科專家一樣思考和實(shí)踐”。

現(xiàn)實(shí)世界中，科學(xué)和工程相互交叉、關(guān)聯(lián)。科學(xué)家和工程師需要協(xié)同合作，將新發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為造福人類的技術(shù)和產(chǎn)品。科學(xué)活動(dòng)重在發(fā)現(xiàn)和理解客觀世界，工程活動(dòng)指向改造客觀世界。[4]學(xué)科實(shí)踐是科學(xué)活動(dòng)與工程活動(dòng)走向?qū)I(yè)化的結(jié)果。在科學(xué)層面，學(xué)科實(shí)踐指向以揭示與表征世界本質(zhì)為目的的科學(xué)思維建構(gòu)，主要闡明“是什么”和“為什么”的問題；在工程層面，學(xué)科實(shí)踐指向以設(shè)計(jì)改造世界的工程為目的的工程思維建構(gòu)，主要剖析“做什么”和“怎么做”的問題。可見，學(xué)科實(shí)踐是連接科學(xué)思維和工程思維的橋梁，它既需要科學(xué)思維的指導(dǎo)，又需要工程思維來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。學(xué)科實(shí)踐與科學(xué)思維、工程思維的關(guān)聯(lián)如圖2所示。科學(xué)與工程實(shí)踐包括提出并界定問題、開發(fā)并運(yùn)用模型、策劃并開展研究、剖析并解讀數(shù)據(jù)、施展數(shù)學(xué)及計(jì)算思維、構(gòu)建闡釋并設(shè)計(jì)解決方案、參與論證、評(píng)價(jià)并交流信息等8個(gè)層次。教師可以此為參照，結(jié)合具體情境靈活設(shè)計(jì)學(xué)科實(shí)踐的內(nèi)容。

三、整合科學(xué)思維和工程思維的學(xué)科實(shí)踐路徑

從高中階段的人才培養(yǎng)來(lái)看，教師可通過(guò)學(xué)科課程體系的建設(shè)，讓學(xué)生進(jìn)階式學(xué)習(xí)重組的理論內(nèi)容，學(xué)會(huì)運(yùn)用結(jié)構(gòu)化的知識(shí)來(lái)解決問題。學(xué)生在親歷“預(yù)測(cè)一實(shí)驗(yàn)一證實(shí)/證偽一再預(yù)測(cè)”等逐步接近真理的探索過(guò)程中，構(gòu)建嚴(yán)密性與自洽性相統(tǒng)一的科學(xué)思維。同時(shí)，在工程決策、設(shè)計(jì)、實(shí)施和評(píng)價(jià)等逐步創(chuàng)造實(shí)物或信息產(chǎn)品的過(guò)程中，構(gòu)建綜合性與應(yīng)用性相結(jié)合的工程思維。學(xué)科實(shí)踐最終指向?qū)W科育人的終極目標(biāo)。整合科學(xué)思維和工程思維（以下簡(jiǎn)稱“科工整合思維”）的學(xué)科實(shí)踐一般有三種方式：一是將技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)為主的學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)設(shè)置為模擬技術(shù)場(chǎng)景的情境體驗(yàn)類；二是將社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)為主的學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)設(shè)置為知識(shí)遷移的開放探究類；三是將研究活動(dòng)為主的學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)設(shè)置為統(tǒng)整交叉的多學(xué)科設(shè)計(jì)類。高中化學(xué)學(xué)科實(shí)踐中科工整合思維的合理性和可行性在于賦予化學(xué)知識(shí)更多應(yīng)用層面上的價(jià)值。

（一）模擬技術(shù)場(chǎng)景的情境體驗(yàn)類

分析是一種感知能力，是能把復(fù)雜的知識(shí)整體分解為各個(gè)組成部分，進(jìn)而理解各部分之間關(guān)系的能力，如因果關(guān)聯(lián)等。情境體驗(yàn)類學(xué)科實(shí)踐借助學(xué)生具體實(shí)踐活動(dòng)中的體驗(yàn)，將科學(xué)思維和工程思維、知識(shí)與行動(dòng)等融為一體，實(shí)現(xiàn)內(nèi)化與外化的合一[5]，進(jìn)而提升學(xué)生的要素分析與規(guī)劃能力，最終指向?qū)W生認(rèn)知分析思維的提升。以人教版高中化學(xué)教材必修第一冊(cè)第三章第二節(jié)“金屬材料”中“鋁和鋁合金”為例，其學(xué)科實(shí)踐理念下的教學(xué)設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

圖2學(xué)科實(shí)踐與科學(xué)思維、工程思維的關(guān)聯(lián)

技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展需要依托真實(shí)的生產(chǎn)生活情境。開展模擬技術(shù)場(chǎng)景的情境體驗(yàn)類學(xué)科實(shí)踐主要依循以下步驟。第一，創(chuàng)設(shè)與真實(shí)生產(chǎn)生活接近的學(xué)習(xí)情境，思考并模擬從實(shí)際需求出發(fā)可能產(chǎn)生的問題，進(jìn)而提煉出產(chǎn)品應(yīng)具備的品質(zhì)。第二，學(xué)生自主感知設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則，并構(gòu)建出設(shè)計(jì)需要的知識(shí)體系，初步形成設(shè)計(jì)工程師的分析思維。第三，學(xué)生轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)師的角色，設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的產(chǎn)品，感知設(shè)計(jì)師與使用者的共同愿景。第四，教師引導(dǎo)學(xué)生以工程師的身份，在情境體驗(yàn)中理解知識(shí)之間相互影響和相互制約的關(guān)系，進(jìn)一步將知識(shí)與技能融人自身的認(rèn)知體系中。情境體驗(yàn)類教學(xué)符合具身認(rèn)知的理念，更能感染學(xué)生學(xué)習(xí)技術(shù)的熱情。[6]

（二）知識(shí)遷移的開放探究類

現(xiàn)實(shí)世界中，許多問題的產(chǎn)生、解決方案和所獲結(jié)論都是不確定的，呈現(xiàn)出開放性和多維度的思維空間。開放探究類學(xué)科實(shí)踐要求學(xué)生在新場(chǎng)景中自主發(fā)現(xiàn)問題，通過(guò)聯(lián)想相似場(chǎng)景鏈接舊知識(shí)，進(jìn)而感知和處理新問題，制訂解決方案并求得結(jié)果，借此提升學(xué)生對(duì)新問題的認(rèn)知與解決能力。以人教版高中化學(xué)教材必修第一冊(cè)第三章第一節(jié)“鐵及其化合物”為例，其學(xué)科實(shí)踐理念下的教學(xué)設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

開展知識(shí)遷移的開放探究類學(xué)科實(shí)踐主要依循以下步驟。第一，在課時(shí)教學(xué)中，圍繞核心知識(shí)引導(dǎo)學(xué)生挖掘現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的相關(guān)現(xiàn)象，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣提出開放性問題。第二，推動(dòng)學(xué)生依據(jù)“預(yù)測(cè)一觀察一解釋”教學(xué)策略的具體流程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并預(yù)測(cè)、觀察和解釋現(xiàn)象，通過(guò)揭示學(xué)生的前概念，引發(fā)認(rèn)知沖突，從而建構(gòu)科學(xué)概念。第三，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析、交流，著力于理解辨識(shí)、分析推理和歸納論證的全過(guò)程，讓學(xué)生像工程師一樣運(yùn)用統(tǒng)籌性思維權(quán)衡利弊，創(chuàng)造物質(zhì)、信息或服務(wù)等形態(tài)的作品。第四，讓學(xué)生在遷移運(yùn)用知識(shí)的過(guò)程中感受知識(shí)的不確定性，提升學(xué)生探究創(chuàng)新的學(xué)科關(guān)鍵能力，使學(xué)生進(jìn)發(fā)出持續(xù)學(xué)習(xí)和適應(yīng)新環(huán)境的能力。

（三）統(tǒng)整交叉的多學(xué)科設(shè)計(jì)類

跨學(xué)科概念提供了科學(xué)與工程領(lǐng)域的通用詞匯。比如，材料化學(xué)領(lǐng)域的能量?jī)?chǔ)存通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，工程師則利用“尺度、比例與數(shù)量”及“物質(zhì)與能量”等跨學(xué)科概念來(lái)理解化學(xué)家的研究，并將研究理論運(yùn)用到其宏觀的成果產(chǎn)出之中。統(tǒng)整交叉的多學(xué)科設(shè)計(jì)類學(xué)科實(shí)踐是一種以解決某一問題為核心的創(chuàng)新學(xué)科融合形式。它將活動(dòng)分解為有層次的多個(gè)子任務(wù)，要求突破各學(xué)科獨(dú)立運(yùn)行的固有約束及單一學(xué)科素養(yǎng)的局限，關(guān)注多學(xué)科知識(shí)與方法的運(yùn)用序列；在逐步完成子任務(wù)的過(guò)程中，幫助學(xué)生理解學(xué)科知識(shí)、工程技術(shù)與社會(huì)生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)，最終提升其學(xué)科交叉融合的認(rèn)知思維。以人教版高中化學(xué)教材選擇性必修1第四章“化學(xué)反應(yīng)與電能”中的“簡(jiǎn)單的電鍍實(shí)驗(yàn)”為例，其學(xué)科實(shí)踐理論下的教學(xué)設(shè)計(jì)框架如圖5所示。

開展統(tǒng)整交叉的多學(xué)科設(shè)計(jì)類學(xué)科實(shí)踐主要依循以下步驟。第一，基于大單元教學(xué)視角，選取源自學(xué)科核心內(nèi)容或教材關(guān)鍵主題的大項(xiàng)目，以此統(tǒng)領(lǐng)多個(gè)單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容或多學(xué)科的知識(shí)融合。第二，將實(shí)踐活動(dòng)拆分為原理探析、模型構(gòu)思、制作測(cè)試等有層次的子活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、藝術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，圍繞整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝流程選擇等核心任務(wù)，通過(guò)計(jì)算分析、反復(fù)實(shí)踐與迭代升級(jí)，最終得到優(yōu)化后的模型。第三，在活動(dòng)過(guò)程中，師生需明確主體學(xué)科與其他學(xué)科的參與權(quán)重及融合邊界，以實(shí)現(xiàn)多學(xué)科素養(yǎng)的互補(bǔ)與協(xié)同提升。第四，采用表現(xiàn)性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，從過(guò)程與結(jié)果、能力與素養(yǎng)等多個(gè)維度開展評(píng)價(jià)，全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

為滿足科工整合思維培育的學(xué)科實(shí)踐需求，教師需在課程設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方式等方面，構(gòu)建適宜工程思維培育的環(huán)境，以促進(jìn)科工整合思維融人化學(xué)學(xué)科教學(xué)，并助推化學(xué)學(xué)科教學(xué)的深化。高中化學(xué)知識(shí)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：選擇和控制工藝條件、評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益、廢物的再利用和處理等。這就需要教師在教學(xué)中采用科工整合思維復(fù)盤活動(dòng)全過(guò)程。工程問題情境作為培養(yǎng)學(xué)生科工整合思維的媒介，其本身往往具有復(fù)雜性和陌生性，且涉及的多學(xué)科知識(shí)常超出學(xué)生的認(rèn)知水平。因此，教師需要對(duì)其進(jìn)行篩選與重構(gòu)，使其能夠作為教學(xué)素材。學(xué)科實(shí)踐倡導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中自主建構(gòu)，在實(shí)際運(yùn)用中推動(dòng)知識(shí)的深化與轉(zhuǎn)化，進(jìn)而通過(guò)不斷嘗試、解決問題，甚至經(jīng)歷失敗，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的個(gè)性化重構(gòu)和遷移，最終達(dá)成“轉(zhuǎn)識(shí)成智”的目標(biāo)。而擁有不同學(xué)科背景和思維方式的教師之間的跨學(xué)科合作能促進(jìn)學(xué)生多視角、活思維地參與科學(xué)實(shí)踐。當(dāng)然，學(xué)科實(shí)踐不僅要求知行一體，更要內(nèi)化為學(xué)生的實(shí)踐自覺，進(jìn)而促使他們主動(dòng)反思并持續(xù)提升自身的實(shí)踐質(zhì)量。

（本文系“沈旭東名師工作室”系列研究成果之一。）

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：羅小熒）