福建省福州市倉山區(qū)實驗小學 李 兵

科學教育經(jīng)歷了三大發(fā)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(zhuǎn)課堂探究模式化的局面，拓寬科學教育的內(nèi)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(gòu)自然世界的模式和方法，以及工程師設(shè)計、搭建模型和系統(tǒng)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(shè)計與科學探究放在同等重要位置，通過工程設(shè)計與工程應(yīng)用來強調(diào)核心概念學習?！睂⒖茖W實踐與工程實踐并提，并提出以工程設(shè)計與科學探究的整合為基本途徑。

2017 年版《義務(wù)教育小學科學課程標準》把“技術(shù)與工程”納入課程內(nèi)容中，科學與工程實踐相結(jié)合，增強學生對科學與工程實踐關(guān)系的理解，獲得綜合所學知識解決問題及制作產(chǎn)品的體驗，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性解決問題的能力。

一、科學探究與工程實踐融合的依據(jù)

科學探究與工程實踐有著天然聯(lián)系，對二者的認識要先進行科學與工程的辨別區(qū)分?？茖W活動以發(fā)現(xiàn)為核心，以發(fā)現(xiàn)事物規(guī)律為根本任務(wù)，形成科學的知識體系；工程活動以設(shè)計為核心，以技術(shù)為要素，運用科學知識系統(tǒng)，建設(shè)具體項目。

科學與工程的創(chuàng)造性和實踐本質(zhì)也決定了科學教育和工程教育各自屬性。科學教育是學生經(jīng)歷科學實踐培養(yǎng)科學素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。工程教育是培養(yǎng)在工程設(shè)計及實踐中發(fā)揮作用的工程設(shè)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(chuàng)獲或積累的基礎(chǔ)，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(chǔ)。

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(nèi)在邏輯或價值關(guān)聯(lián)的原有分科課程內(nèi)容進行統(tǒng)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(yǎng)路徑。二者既是教學內(nèi)容，也是教學方法。從內(nèi)容層面分析，不是只有科學和工程兩個領(lǐng)域內(nèi)容的融合，而是根據(jù)實際情況靈活選擇融合內(nèi)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(shè)計和組織教學的八個層次，即提出問題、建立和使用模型、設(shè)計和實施調(diào)查研究、分析和解釋數(shù)據(jù)、利用數(shù)學和計算思維建構(gòu)解釋、構(gòu)造解釋和設(shè)計解決方案、基于證據(jù)進行論證、獲取評估信息?？茖W探究與工程實踐如同科學教學的雙翼，各有側(cè)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(yīng)的科學知識、工程原理，運用知識綜合解決現(xiàn)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(yīng)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(shù)和工程教育，增加學生對現(xiàn)實生活中科學應(yīng)用的關(guān)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(gòu)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(guān)鍵特征及其聯(lián)系，以工程設(shè)計為框架，基于教材的融入以科學探究為內(nèi)核，基于課外的融入以拓展為中心。

（一）以工程設(shè)計為框架的融入

以工程設(shè)計為框架的融入是指以工程設(shè)計任務(wù)為目的搭建學習情境，從設(shè)計需要引發(fā)科學探究，再通過假設(shè)、驗證和解釋建構(gòu)，為概念形成及成品改進提供依據(jù)，經(jīng)歷“設(shè)計—探究—設(shè)計”的循環(huán)，體現(xiàn)了科學探究與工程設(shè)計的雙向聯(lián)系，科學探究是工程設(shè)計的依據(jù)，工程設(shè)計拓展了科學探究的創(chuàng)新空間。

蘇教版四年級上冊“冷和熱”單元屬于物質(zhì)領(lǐng)域教學內(nèi)容，圍繞“熱”這個核心概念組織教學，在“熱的傳遞”教學內(nèi)容后設(shè)置了“設(shè)計保溫杯”活動，但教材僅呈現(xiàn)一句話“設(shè)計一個保溫杯，比一比哪個小組保溫杯的效果更好”，使得設(shè)計及制作活動可有可無。以工程設(shè)計為框架融入本單元教學中，在教師創(chuàng)設(shè)的工程問題情境引領(lǐng)下，引導學生將科學現(xiàn)象規(guī)律及方法技能應(yīng)用到問題的解決中，通過參與設(shè)計、制作成品等工程實踐活動，達到科學探究與工程設(shè)計的融合，體會“做”的樂趣，養(yǎng)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?yōu)槠簌Z建造房屋”的工程活動任務(wù)為單元學習開始，在經(jīng)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(diào)查、研究；設(shè)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(jù)材料保溫性能選擇建造材料，收集整理實驗數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律；改進及進行二次測試；同伴分享、交流，為作品后續(xù)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(wù)驅(qū)動，學生體驗了問題—調(diào)查—建造—改進完整的工程實踐過程。富有童趣的挑戰(zhàn)“保護企鵝冰塊不被融化”活動，激發(fā)學生學習熱情，根據(jù)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(chuàng)意和方案轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品并進行改進與優(yōu)化。通過工程設(shè)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(shè)計的了解，發(fā)展學生科學素養(yǎng)和工程素養(yǎng)。

科學探究需要將現(xiàn)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(lǐng)域課程內(nèi)容則也以工程設(shè)計為框架而融入，運用“建模”活動，將科學探究和工程實踐相聯(lián)系。

教科書科學四年級上冊“植物的生活”，建構(gòu)生命科學領(lǐng)域的幾個重要概念，其中一個是“植物能適應(yīng)環(huán)境，制造和獲取養(yǎng)分來維持自身的生存”?！爸参锏那o”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(nèi)部運作，在教學中將工程設(shè)計融入探究活動中，引導學生建構(gòu)植物模型，構(gòu)建相關(guān)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(gòu)建一個模型，幫助我們了解營養(yǎng)物質(zhì)、水分在植物體內(nèi)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(shè)計、模型構(gòu)建。接著，進行小組展示、分享模型設(shè)計，根據(jù)意見重新修改模型設(shè)計方案。最后，根據(jù)“是否清晰呈現(xiàn)了植物內(nèi)部運作”，再加工、改造。

本案例從學生觀察植物的結(jié)構(gòu)到探究結(jié)構(gòu)的功能再到最后構(gòu)造概念的模型，模型操作簡單、實踐性強，在教學環(huán)節(jié)設(shè)置上分配了問題分析和實踐活動，從科學到工程，以工程設(shè)計的方式呈現(xiàn)探究結(jié)果，實現(xiàn)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(nèi)核的融入

科學探究是科學教學的本質(zhì)特征，從課標對學習內(nèi)容闡釋中可以發(fā)現(xiàn)，了解工程與技術(shù)所涉及事物的作用和意義，或通過動手實踐了解事物本質(zhì)、設(shè)計制作產(chǎn)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(nèi)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(chǔ)上開展工程實踐。完成工程設(shè)計任務(wù)的同時，科學探究也獲得相應(yīng)的媒介或手段，進而達到利用模擬技術(shù)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(jié)構(gòu)和原理，為設(shè)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(zhì)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(guān)鍵。因此引導學生利用太陽能熱水器的模擬裝置，開展設(shè)計方案、進行對比實驗，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論等一系列科學探究活動，為后續(xù)制作太陽能熱水器的工程實踐活動奠定科學知識基礎(chǔ)。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(tǒng)一，將科學知識運用于產(chǎn)品設(shè)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(lián)系的融合知識體系。

綜上所述，以工程設(shè)計為框架，基于教材的融入以科學探究為內(nèi)核，科學探究和工程實踐都是問題解決的過程，經(jīng)歷“面對問題—提出方案—設(shè)計驗證—評價反思”的循環(huán)環(huán)節(jié)，需要結(jié)合認知經(jīng)驗進行建構(gòu)，反復實證檢驗，并進行修正結(jié)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(diào)篩選最合理的證據(jù)及解釋，工程實踐則關(guān)注問題方案的開發(fā)與優(yōu)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(wù)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(lián)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(lián)系的實踐活動，凸顯現(xiàn)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(fā)展學生綜合利用科學原理創(chuàng)造性解決問題的實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)造興趣及對工程職業(yè)的向往。也充分體現(xiàn)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(xiàn)生活中的科學，科學中的生活理念。