基于知識遷移與開放探究的高中化學科工整合教學探索

受世界格局、科學發展和社會進步的影響，科學教育面臨著前所未有的挑戰。2025年1月，教育部辦公廳印發的《中小學科學教育工作指南》強調，要聚焦綜合實踐改進課堂教學，整合啟發式、探究式、體驗式、項目式等教學方式，實施促進學生科學思維的探究實踐活動，實現學生對核心知識的深度理解、有效建構和靈活應用。[1]STEAM即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數學（Mathe-matics）的整合，STEAM綜合了學科特點，將知識的獲取、方法與工具的應用、創新生產的過程以及情感、態度進行了有機統一，在培養學生創新思維與實踐能力的同時，體現了一種多元學科文化的融合創新。[2STEAM中的工程緊密聯系科學、技術、藝術和數學學科，在具體工程情境中，培養學生綜合運用科學、數學和技術等知識，設計、優化并完善解決方案。科學整合工程（以下簡稱“科工整合”）教育是培養卓越工程師和高新科技人才的重要途徑，在推進社會主義現代化教育強國建設中發揮重大作用。近年來，國內外各階段教育中有關科工整合的研究逐步推進，但基礎教育階段的相關研究尚處于探索啟動階段。作為“大科學”時代背景下的熱點教育問題，科工整合具有一定的研究意義和借鑒價值。

一、科工整合：內涵與發展

2013年，美國頒布《新一代科學教育標準》3，將科學與工程實踐（Science and Engineering Prac-tices，簡稱SEPs）納入中小學科學教育體系中，將工程設計提升到與科學探究同等的地位，明確指出科工整合教育的內容、類型和表現期望。中小學階段的SEPs教育主要概括為以下三方面： ① 在真實工程問題情境下，培養學生成為客觀觀察者、獨立思考者和嚴謹研究者； ② 在具體工程設計中，培養學生科學分析問題和解決問題的能力，引發學生對相關科學問題和工程設計中關鍵問題的深度思考和持續探究； ③ 在實際工程問題解決中，培養學生正確的人生觀、價值觀和世界觀，以及科學態度和社會責任感。SEPs指向科學家探究自然事物、規律與原理的核心實踐，以及工程師設計、構建、測試并完善系統的核心實踐，是學生發展科學素養的關鍵能力框架。SEPs的實施路徑主要包括定義工程問題、制訂解決方案和改進工程設計等（如圖1）。

工程教育經歷了由最初的經驗范式到技術范式，再到科學范式和實踐范式等的轉變，最終回歸工程實踐本質，強調工程活動的跨學科性、整體性。[4-5]隨著STEAM教育理念在全球的普及與工程教育范式的迭代，科工整合成為基礎教育領域的重要研究方向。其強調科學與工程領域的跨學科知識在真實工程情境中的綜合應用，旨在培養兼具創新思維與實踐能力的未來人才。

二、基于知識遷移的開放探究類SEPs模式

科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動，科學探究過程包括提出問題和假設、設計方案、實施實驗、獲取證據、分析解釋或建構模型、形成結論及交流評價等核心要素。[6]12探究教學的基本內容圍繞“科學”和“教學”兩個概念。[]科學探究和工程設計作為科學教學中常見的問題解決策略，存在一定的共性，均遵循“提出問題一設計方案一優化完善一合作交流”的流程，兩者相互整合成為科學教育中新的發展趨勢。

遷移學習最早起源于機器學習的一種技術，利用一個領域或任務上獲得的現有知識來加速相關新領域或任務上的學習進程。遷移學習的關鍵是知識遷移，即個體將源領域或源任務中已掌握的知識、技能或經驗應用于新領域或新任務的過程。在復雜的新領域或新任務學習中，由于問題系統的復雜性或證據鏈的缺失性，知識遷移的優勢在于其源領域豐富的先行證據、知識、技能和態度，可以直接遷移到新情境中。常見的知識遷移類型有實例遷移、特征遷移、模型遷移和關系遷移等。

基于知識遷移的開放探究類SEPs框架如圖2所示。由圖2可知，在具體實施過程中，教師應構建如下核心環節： ① 創設真實工程問題情境，引導學生通過現象觀察與問題凝練，形成開放式的探究問題； ② 鼓勵學生綜合運用科工整合思維設計探究實驗方案，包括如何進行變量控制、數據采集和風險評估等； ③ 協助學生進行化工模擬實驗，推進理解辨識、分析推理和歸納論證工程問題解決的全過程； ④ 推動學生在新情境中進行知識、技能和態度的有效遷移，對問題解決方案進行優化和改進，運用統籌思維進行科工實踐成果設計、結構或性能等形態的創新。

三、高中化學開放探究類SEPs教學內容分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）指明，現代化學工程是將化學研究轉化為生產力的重要途徑之一。化學工程的研究在不斷探索如何揭示物質轉化過程中傳遞、分離、過程強化和反應之間的關系及其對產品組成、結構和性質的影響。[6]6高中化學教學應推進STSE（科學·技術·社會·環境）綜合實驗活動，關注與化學有關的社會熱點問題，強調主題活動的開放性和發展性，為學生提供充足的時間和空間進行探究與實踐，幫助學生發展綜合分析及問題解決能力。高中化學課程中的“化學與社會發展”“化學原理探究”“化工生產過程模擬實驗”和“STSE綜合實驗”主題，與工程設計理念緊密聯系，可以開發系列科工整合實踐活動（見表1）。

新課標倡導化工生產過程的模擬實驗，以真實的化工生產為研究對象，通過查閱資料進行相關化工生產原理、流程和操作的模擬及復原。化學實驗教學的期望主要有以下幾個方面： ① 學生親自動手操作實驗儀器和使用試劑，進行科學觀察、數據收集、數據處理、結論分析和報告書寫； ② 學生通過信息收集、文獻檢索，能提出科學假設，獨立設計實驗方案，并在實踐中加以論證； ③ 學生通過與其他實驗者、研究者的交流和反饋，對實驗進行修正，形成正式的實驗報告或學術論文。化學實驗是研究物質及其變化和認識化學反應及其規律的基本方法，是科學探究的一種重要途徑，也是SEPs整合教學模式中的關鍵環節。

表1高中化學開放探究類SEPs學習實踐活動

四、高中化學開放探究類SEPs案例分析

本文以“化學與社會發展”主題中“海水提溴”為例，結合教學實踐介紹開放探究類SEPs的實施路徑。

（一）情境辨識，知識遷移

知識的獲取是情境化、主題化的意義生成性認知活動。遷移依賴于學生現有的認知結構，其發生過程需要學生識別新舊情境的相似性，從具體情境中概括出核心概念、一般原理和變化規律，并將已知知識與技能靈活應用于新情境的問題解決。“海水提溴”SEPs主題學習，通過開展海水資源開發利用的實踐活動，進行化工生產過程中的模擬實驗，引導學生了解化學在工業生產中的具體應用，學習精細化工產品的生產及工藝特點，認識化工在國民經濟發展中的地位，形成自然資源綜合利用的觀念。教師需要幫助學生激活認知網絡中的知識，即與“海水提溴”主題相關的核心概念、原理、技能或態度等，可從知識遷移、技能遷移和態度遷移等三個維度完成從源任務到新任務的遷移（見表2）。

表2“海水提溴”知識遷移架構

（二）任務分析，明確方向

為了促進學習的有效遷移，可采取先行組織者策略，即根據教學內容、結合教材組織邏輯，在新任務學習前呈現一個抽象概括水平更高、具有引導性與全局性的簡要說明，從而優化學生的認知結構。教師通過布置對主題相關信息、文本等進行檢索的任務，引導學生利用“海水資源綜合利用”“海水淡化”“海水提溴”等關鍵詞通過網絡搜集相關資料，初步了解海水資源綜合利用的途徑，并繪制相關方法的工業流程圖。基于海洋資源元素種類多、總儲量大、富集程度低的特點，可以明確“海水提溴”的關鍵探究問題在于海水預處理、含溴物質的轉化和提取分離。

（三）搭建橋梁，分解任務

該環節旨在將復雜的工程設計有效分解為可操作的子任務，確保科學原理與工程技術的緊密協同性，促進理論知識與實際應用的深度融合。其一，需要對SEPs主題內容進行全面理解與深入分析，明確關鍵要素和核心概念。其二，需要將這些復雜任務細化為多個相對獨立又相互關聯的子任務，每個子任務都應具有可探究的問題、可操作的過程和可實現的成果。“海水提溴”是一個復雜的自然資源問題，其核心要素是物質轉化的工程化設計，對關鍵探究活動進行任務分解，并思考每個探究活動可能存在的工程問題和需要的技術支持（如圖3）。

（四）改進優化，完善模型

SEPs在實施子任務的過程中，注重將理論知識應用于實際問題的解決，通過實踐驗證方案設計的科學性和可行性。教師引導學生圍繞繪制的“空氣吹出法提溴”工業流程圖進行課堂交流討論，分析該技術的優缺點，形成自然資源工業提取物質的一般思路和認知模型（如圖4）。教師提供化工模擬實驗所需的儀器和藥品，引導學生設計“空氣吹出法提溴”的可視化工業模擬實驗，從而提高學生的科學實踐能力。

（五）合作交流，創新成果

創造性思維能力是一種以形成預判、測試想法、探索方案和解決問題為核心的高階思維能力，是創造性產生的基礎，也是完成學習任務的關鍵要素。教師布置進階學習任務，讓學生參考科技文獻，選擇一種目前處于室內研究階段、尚未大規模工業化應用的提溴技術。學生通過合作交流，查閱資料或咨詢專家，分析該技術工業化的可行性與瓶頸問題，形成調查報告。

綜上，基于知識遷移與開放探究的科工整合教學，是化學教學中培養科學思維和工程思維的有效路徑。在教學中，教師可將化學知識與技能的學習融入相應工業情境，引導學生解釋并解決真實情境中的問題，同時充分調動化學學科思想與認知方式，以任務驅動合作學習，最終在學科實踐中有效落實核心素養的培養。

（本文系“沈旭東名師工作室”系列研究成果之一。）

參考文獻：[1］教育部辦公廳關于印發《中小學科學教育工作指南》的通知[EB/OL].（2025-01-14）[2025-05-26]http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A29/202501/t20250122_1176589.html.

[2]崔鴻，朱家華，張秀紅.基于項目的STEAM學習探析：核心素養的視角［J］.華東師范大學學報（教育科學版），2017（4）：54-61.[3]美國科學教育標準制定委員會.新一代科學教育標準［M.葉兆寧，楊元魁，周建中，譯.北京：中國科學技術出版社，2020.[4]肖鳳翔，覃麗君.麻省理工學院新工程教育改革的形成、內容及內在邏輯[J］.高等工程教育研究，2018（2）：45-51.[5]王續琨，宋剛.工程學：工程活動的跨學科整體性研究［J].大連理工大學學報（社會科學版），2015（2）：120-125.[6]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.[7]王換榮，周忠輝，肖中榮.高中科學教學從“科學探究”到“科學實踐”變革的研究［J］.中小學課堂教學研究，2024（8）：6-10.

（責任編輯：羅小熒）