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用工程思想提升學(xué)生科學(xué)探究品質(zhì)

2017-07-31 19:44:01許春良
江蘇教育 2017年49期
關(guān)鍵詞:工程設(shè)計(jì)科學(xué)探究

許春良

用工程思想提升學(xué)生科學(xué)探究品質(zhì)

許春良

在新頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中,“技術(shù)與工程領(lǐng)域”被明確列為科學(xué)課程內(nèi)容,而工程思想和科學(xué)探究的整合能夠讓科學(xué)教學(xué)變得更加活潑和真實(shí),這不僅對(duì)教師重新思考并組織科學(xué)探究活動(dòng)具有革命性的意義,同時(shí)也提出了新的要求。

工程思想;科學(xué)探究;基本流程與要點(diǎn)

科學(xué)課要以科學(xué)探究為主要的教學(xué)方式,但如果學(xué)習(xí)者只關(guān)注科學(xué)探究的最終結(jié)論,而不去思考這些科學(xué)結(jié)論的產(chǎn)生過程,或者不去嘗試運(yùn)用這些結(jié)論來改善現(xiàn)實(shí)的生活,那都談不上是成功的科學(xué)課。因此,教師有必要讓學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí),開展一些基本的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。倡導(dǎo)工程思想和科學(xué)探究的整合能夠?yàn)榭茖W(xué)教學(xué)提供全新的視野和有效的途徑。

一、融入工程思想的科學(xué)探究的基本流程

假如能夠?qū)⒐こ趟枷肭擅畹厝谌肟茖W(xué)探究之中,那么無疑可以使科學(xué)教學(xué)變得更加活潑和真實(shí)。比如在傳統(tǒng)的科學(xué)課上,教師一般會(huì)讓學(xué)生先拼搭各種形狀的多面體,然后測試它們的承重力,通過這種方式,學(xué)生了解什么樣的形狀穩(wěn)定性強(qiáng),承重力大。這種類型的探究活動(dòng)是對(duì)事物之間因果關(guān)系的探索,其目標(biāo)是認(rèn)識(shí)自然中的因果機(jī)制,并獲得具有普遍價(jià)值的科學(xué)知識(shí)。而工程設(shè)計(jì)則往往通過操作各種變量試圖得到一個(gè)預(yù)期的結(jié)果,其目標(biāo)是用工程設(shè)計(jì)的方法解決現(xiàn)實(shí)生活中的特定問題。同樣是上面的科學(xué)主題,教師可以讓學(xué)生完成一個(gè)建瞭望塔的項(xiàng)目,學(xué)生模仿工程師和建筑師的工作,把物理力學(xué)和技術(shù)設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容聯(lián)系起來,如此,學(xué)習(xí)的過程會(huì)更加生動(dòng)有趣。可見,對(duì)于科學(xué)教師而言,把工程思想融入科學(xué)探究活動(dòng)并沒有想象中的那么困難,大體來講,它由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成:

1.明確問題。

通常而言,工程設(shè)計(jì)始于真實(shí)情境中的問題或任務(wù),這個(gè)任務(wù)可以由教師獨(dú)立提出,也可以由學(xué)生提出。在工程與科學(xué)整合的學(xué)習(xí)中,教師需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行研究,明確任務(wù)完成的限制性因素,同時(shí)調(diào)查過去使用過哪些方案。這一階段的目標(biāo)是讓問題明確化,同時(shí)增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如:在建塔項(xiàng)目中,教師可以事先設(shè)定一些基本技術(shù)參數(shù)方面的限制,如塔的高度不能低于20厘米,要有一個(gè)方形的底座,底座高度不少于5厘米,塔上還需要有一個(gè)平臺(tái),能夠讓人在上面進(jìn)行觀察等。

2.制訂合理的解決方案。

與絕大多數(shù)的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)相比,工程設(shè)計(jì)類問題沒有唯一的答案。在這個(gè)階段,教師要組織學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴,讓學(xué)生把注意力集中在產(chǎn)生想法上,而不是急著評(píng)估他們的想法是否可行和合適。比如:對(duì)于建造什么樣式的塔,教師可以讓學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索,搜集世界著名建筑物的照片,并帶到課堂中來,讓學(xué)生自由討論哪一種形狀或結(jié)構(gòu)可以借鑒。

3.分析解決方案。

當(dāng)學(xué)生討論出一定數(shù)量的、可能解決問題的方案后,教師就要組織他們?cè)u(píng)判每個(gè)方案是否符合初始的限制條件(技術(shù)參數(shù)),可以讓學(xué)生分組對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估,研究每個(gè)方案的優(yōu)勢與缺陷,并選擇其中的某個(gè)方案完成相應(yīng)的制作。

4.優(yōu)化解決方案。

制作一旦完成,下一步就是讓學(xué)生測試他們的設(shè)計(jì)方案,學(xué)生要收集體現(xiàn)方案性能的各種數(shù)據(jù)并找出需要改進(jìn)的地方,一定要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到工程設(shè)計(jì)過程的反復(fù)性,不可能一下子就完成。比如,可以用多種方法來測試塔的穩(wěn)定性和強(qiáng)度:用電吹風(fēng)從不同的角度吹,測試塔的穩(wěn)定性;用噴霧瓶模擬下雨;向塔施加重量來確定其整體強(qiáng)度等等。這些測試可能需要學(xué)生用數(shù)周時(shí)間才能完成。

5.交流。

在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中,教師應(yīng)為學(xué)生提供交流測試結(jié)果的機(jī)會(huì)(見圖1)。比如:在明確問題階段,學(xué)生就應(yīng)該和他人分享自己對(duì)任務(wù)情境、限制條件和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的理解,這樣能夠及時(shí)把一些重要的信息傳遞出去,減少不必要的精力投入。

(圖1)

二、工程思想融入科學(xué)探究的操作要點(diǎn)

由以上分析可知,科學(xué)與工程互相聯(lián)系,互為補(bǔ)充,同時(shí)又有著各自的特點(diǎn)。融入工程思想對(duì)教師重新思考并組織科學(xué)探究具有革命性的意義,同時(shí)也對(duì)教師提出了更高的要求。在實(shí)際教學(xué)中,教師特別要注意以下幾點(diǎn):

1.循環(huán)定義課堂問題。

工程設(shè)計(jì)過程大多從真實(shí)情境中的問題或任務(wù)開始,往往需要對(duì)問題進(jìn)行反復(fù)描述,直到確定某個(gè)更細(xì)致的問題為止,之后再進(jìn)行方案的制訂、分析和優(yōu)化,這個(gè)過程可能需要重復(fù)好幾次,即循環(huán)定義問題。而科學(xué)課上需要學(xué)生進(jìn)行探究的問題比較明確,且具有極強(qiáng)的計(jì)劃性,教師和學(xué)生都知道課堂上要研究的問題是什么,活動(dòng)中自己要做什么,目標(biāo)一旦確定不輕易更改實(shí)驗(yàn)方案。由此可見,在工程與科學(xué)的整合中,教師首先面臨的就是循環(huán)定義問題的挑戰(zhàn)。

比如:在開展“怎樣用紙制造一架飛機(jī)并讓它飛得更遠(yuǎn)”這一工程項(xiàng)目時(shí),由于影響飛機(jī)飛行的因素很多,所以不可能只圍繞一個(gè)因素進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì),但同時(shí)也不可能讓學(xué)生像飛機(jī)制造者那樣測試全部的影響因素。在這種情況下,教師可以借助限制性條件的設(shè)置,如規(guī)定制造飛機(jī)的材料和推動(dòng)飛機(jī)飛行的力量等,先把一些沒有科學(xué)價(jià)值的因素排除掉。一開始學(xué)生制造出來的飛機(jī)大多帶有明顯的翅膀但沒有尾部,因?yàn)樵谒麄兊念^腦中飛機(jī)是借助一對(duì)巨大的機(jī)翼飛行的,但經(jīng)過測試,他們就會(huì)發(fā)現(xiàn)翅膀過大并不能有效增加飛機(jī)直線飛行的距離。此時(shí),教師需要及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生再次定義問題,“你的問題解決了嗎?”“你又有什么新的問題?”……慢慢地把研究的重心轉(zhuǎn)移到飛機(jī)的形狀結(jié)構(gòu)上來,飛機(jī)飛行的距離在反復(fù)設(shè)計(jì)改進(jìn)的過程中慢慢增加。歸根到底,工程設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性的過程,這要求教師和學(xué)生在課堂上形成良性的互動(dòng)關(guān)系,學(xué)生則不斷地接近預(yù)定的任務(wù),同時(shí)也不斷地更新著自己的知識(shí)庫。

2.均衡選擇實(shí)驗(yàn)類型。

實(shí)驗(yàn)可以分為兩種基本類型:一種是涉及“科學(xué)模型”的實(shí)驗(yàn),這類實(shí)驗(yàn)以探索科學(xué)知識(shí)和規(guī)律為宗旨,如:物體下落的快慢和它的質(zhì)量有關(guān)系嗎?另一種是涉及“工程模型”的實(shí)驗(yàn),這類實(shí)驗(yàn)通過操作變量來得到一個(gè)預(yù)期的結(jié)果,如“怎樣讓降落傘下降得更慢?”當(dāng)然,真正的科學(xué)家和工程師在做研究時(shí)常會(huì)同時(shí)運(yùn)用科學(xué)模型和工程模型。[1]

作為科學(xué)教師,我們知道學(xué)生已有的科學(xué)知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)可能會(huì)讓科學(xué)學(xué)習(xí)變得更加復(fù)雜和不可預(yù)知,但很少有人知道,這些已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)會(huì)進(jìn)一步影響他們選擇實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的類型。比如,當(dāng)要求學(xué)生研究影響車速的因素時(shí),他們通常會(huì)無意識(shí)地選擇工程模型來開展科學(xué)探究——把原本是尋找影響車速因素的科學(xué)模型實(shí)驗(yàn),變成設(shè)計(jì)一輛速度更快的小車的工程模型實(shí)驗(yàn),長此以往,學(xué)生會(huì)認(rèn)為科學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是為了獲得某種具體的結(jié)果而不是尋找變量之間的關(guān)系,形成對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的錯(cuò)誤理解。

有些教師喜歡在課堂上大量使用競賽,以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,然而將競賽帶入課堂很容易進(jìn)一步強(qiáng)化工程模型。這樣的項(xiàng)目不應(yīng)該過度使用,而應(yīng)該謹(jǐn)慎地與應(yīng)用科學(xué)模型的活動(dòng)均衡使用。[1]這意味著教師在把工程思想融入科學(xué)探究活動(dòng)時(shí),絕不是把原本的科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)全部轉(zhuǎn)化成工程模型實(shí)驗(yàn)?zāi)敲春唵?,恰恰相反,正是因?yàn)閷W(xué)生容易傾向于使用工程模型,教師需要有意識(shí)地設(shè)計(jì)一些能更好地反映科學(xué)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的活動(dòng),均衡地、有目的地選擇不同的實(shí)驗(yàn)類型,讓學(xué)生在課堂中理解并熟練運(yùn)用科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)和工程模型實(shí)驗(yàn)來解決不同的問題。

3.注重培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)。

科學(xué)教師通常只要求學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象來回答問題,這種課堂文化迫切需要變革??茖W(xué)教師的主要任務(wù)并不只是傳授給學(xué)生一些科學(xué)知識(shí),更重要的是提高學(xué)生的科學(xué)思維水平。如果學(xué)生全身心地投入某個(gè)科學(xué)探究活動(dòng),為的只是尋找并展示支持某個(gè)觀點(diǎn)的證據(jù),那么極有可能固化學(xué)生的思維。因?yàn)樵谶@樣的科學(xué)探究中,學(xué)生極有可能對(duì)那些不利于自己假設(shè)的證據(jù)視而不見、棄而不用,事實(shí)上它們的存在恰恰能夠用來否定自己一開始的假設(shè)和想法。學(xué)生缺乏懷疑和創(chuàng)新精神,其中一個(gè)重要原因就在于他們已經(jīng)習(xí)慣于被教師引導(dǎo)著去相信科學(xué)探究只關(guān)注“證明”,而不是懷疑和有理有據(jù)的邏輯推理。

比如:在研究哪些因素會(huì)影響物體下落的快慢時(shí),很多教師只是讓學(xué)生做“兩個(gè)鐵球同時(shí)落地”的實(shí)驗(yàn),從而得出物體質(zhì)量對(duì)下落快慢沒有影響這一結(jié)論,而事實(shí)上這一結(jié)論本身就存在著很大的科學(xué)性問題。一個(gè)比較合理的方法是讓學(xué)生在更大的范圍內(nèi)討論物體的自由下落問題。教師可以先提出相互矛盾的兩種假設(shè):(1)物體重量決定其下落速度;(2)物體的大小和形狀決定其下落速度;然后分別讓學(xué)生分組測試這兩種假設(shè)是否正確。有些學(xué)生會(huì)在兩個(gè)大小相同的膠卷盒中裝入不同重量的東西,這樣就會(huì)得出物體重量不影響下落快慢的結(jié)論;有些學(xué)生則用乒乓球和小鋼珠來進(jìn)行比較,很明顯在這種情況下重量的確會(huì)起到作用。物體形狀大小的因素所造成的影響也是如此。兩組不同的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生得出兩個(gè)截然不同的結(jié)論,而從正反兩個(gè)方面尋找證據(jù)的實(shí)驗(yàn),則有利于引發(fā)學(xué)生頭腦中原有知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)的碰撞和重組,這時(shí)學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下,結(jié)合兩組實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果分析得出正確的結(jié)論:如果物體的形狀大小和其質(zhì)量相比起來非常小,那它的重量就不會(huì)影響下落的快慢。

由此可見,尊重證據(jù)不等同于讓學(xué)生通過科學(xué)探究單單尋找支持自己想法的證據(jù)。有時(shí)候需要教師通過均衡的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),讓學(xué)生去測試互相矛盾的假設(shè),在這個(gè)過程中同時(shí)尋找支持和反對(duì)某種觀點(diǎn)的證據(jù),效果反而更好。

4.合理分配探究時(shí)間。

既然工程設(shè)計(jì)是一個(gè)散亂的、非線性的過程,那么學(xué)生要想在一項(xiàng)任務(wù)上獲得成功,往往需要多次嘗試,直到得到符合要求的、滿意的結(jié)果為止。鑒于課堂的時(shí)間限制,教師對(duì)探究時(shí)間的分配和控制就顯得尤為重要。

第一種策略是提高時(shí)間的利用率。一般而言,課堂中要留給學(xué)生充足的動(dòng)手時(shí)間,但也并非越多越好。有時(shí),在確定并定義問題環(huán)節(jié)需要讓學(xué)生充分討論,有時(shí)為了制訂合理的方案學(xué)生需要進(jìn)行反復(fù)溝通,而后期制作測試的環(huán)節(jié)則可利用課后時(shí)間進(jìn)行。這就要求教師根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容對(duì)探究基本流程統(tǒng)籌安排,把有限的時(shí)間用在最能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提升的活動(dòng)上。另一種策略是在課程安排允許的情況下,如采用兩節(jié)科學(xué)課連上的形式、增加科學(xué)課的周課時(shí)數(shù)、吸引學(xué)生利用課后時(shí)間等方法??偠灾?,工程設(shè)計(jì)不可能 “一擊必中”,出現(xiàn)失敗的可能性很大,教師要讓學(xué)生有足夠的時(shí)間去嘗試各種解決問題的方案。

工程思想與科學(xué)探究的整合會(huì)給科學(xué)課程帶來轉(zhuǎn)變,同時(shí)也會(huì)對(duì)教師提出前所未有的挑戰(zhàn),教師需要具備必要的技能,設(shè)計(jì)出讓學(xué)生潛能最大化發(fā)揮的工程學(xué)習(xí)項(xiàng)目。當(dāng)下,科學(xué)探究的方向已經(jīng)指明,道路就在腳下,前景讓人期待!

[1]埃里克·布倫塞爾.在課堂中整合工程和科學(xué)[M].周雅明,等,譯.上海:上??萍冀逃霭嫔?,2015.

G623.6

A

1005-6009(2017)49-0053-03

許春良,江蘇省無錫市東北塘實(shí)驗(yàn)小學(xué)(江蘇無錫,214191)教師,高級(jí)教師,無錫市科學(xué)學(xué)科帶頭人。

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