吳可會(huì)

美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（ NextGeneration Science Standard，以下簡(jiǎn)稱NGSS）的發(fā)布為科學(xué)教育工作者提供了一個(gè)美好藍(lán)圖，學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)踐充分理解核心概念及跨學(xué)科概念。“學(xué)習(xí)是知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，而不是將內(nèi)容和應(yīng)用分離”，這是NGSS強(qiáng)調(diào)的重要觀點(diǎn)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，工程設(shè)計(jì)類活動(dòng)中常見的做法是直接提出一個(gè)工程挑戰(zhàn)，由教師引導(dǎo)學(xué)生從自身經(jīng)驗(yàn)出發(fā)討論工程限制條件，隨后就進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與制作，而較少深入討論為什么要做，以及有哪些真實(shí)的工程需求，使學(xué)生跳過(guò)了系統(tǒng)思考，直接進(jìn)入了模型設(shè)計(jì)階段。當(dāng)遇到真實(shí)問(wèn)題時(shí)，如何從錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境中提煉有效的信息，明確工程任務(wù)的核心要求，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)仍然是較難跨越的障礙。

NGSS強(qiáng)調(diào)的是發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)與工程如何實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)他們的相關(guān)實(shí)踐能力。當(dāng)學(xué)生參與真正的實(shí)踐任務(wù)時(shí)，他們會(huì)獲得更多思考和決策的機(jī)會(huì)，理解問(wèn)題產(chǎn)生到問(wèn)題解決之間的科學(xué)過(guò)程。與校外的專業(yè)人員合作是創(chuàng)造真實(shí)任務(wù)的一種方法，這種真實(shí)任務(wù)可以向?qū)W生展示科學(xué)與工程之間的關(guān)聯(lián)，理解科學(xué)家和工程師是怎樣工作的。下面，我們將通過(guò)一個(gè)教學(xué)案例，分析讓學(xué)生參與真正的工程任務(wù)的教學(xué)設(shè)計(jì)策略。

○策略一、基于工程任務(wù)需求的科學(xué)探究實(shí)現(xiàn)科學(xué)與工程的整合

“科學(xué)家和工程師如何合作研究深海熱液噴口處的生命”[1]是美國(guó)馬薩諸塞州?？怂共_的Sage學(xué)校的中學(xué)科學(xué)教師Lisa R. Troy和來(lái)自伍茲霍爾海洋學(xué)研究所的科學(xué)家共同開發(fā)的1個(gè)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，面向中學(xué)6-8年級(jí)的學(xué)生展開。項(xiàng)目圍繞探究潛水器和生活在深海的奇異生物展開，將研究問(wèn)題聚焦為設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試一個(gè)深海火山口微生物取樣室。這項(xiàng)工程挑戰(zhàn)和研究大約需要3周時(shí)間，學(xué)生通過(guò)包括3次分組形成的3個(gè)環(huán)節(jié)（如圖1）完成整個(gè)學(xué)習(xí)。

→環(huán)節(jié)1——背景研究：進(jìn)入真實(shí)情境

第1個(gè)環(huán)節(jié)也是第1次分組，教師通過(guò)邀請(qǐng)科學(xué)家來(lái)訪或是播放科學(xué)家訪談視頻2種方式，引入有關(guān)熱液噴口和能量的話題，組織學(xué)生對(duì)熱液噴口課題進(jìn)行背景研究，主題涉及了非生物、生物、工程技術(shù)和研究方法等多個(gè)維度。這時(shí)的研究?jī)?nèi)容較為開放，主要幫助學(xué)生對(duì)課程主題的相關(guān)內(nèi)容（即熱液噴口）建立初步認(rèn)識(shí)，旨在促進(jìn)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)后面的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)任務(wù)。學(xué)生可以自己查閱專題網(wǎng)站資源，也可以向團(tuán)隊(duì)伙伴中的海洋學(xué)研究所專家咨詢這些問(wèn)題。背景研究的環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)了一個(gè)真實(shí)的情境，有助于學(xué)生形成對(duì)真實(shí)問(wèn)題的理解。通過(guò)背景研究，學(xué)生對(duì)表1中工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的具體內(nèi)容和限制條件有了明晰的認(rèn)識(shí)。

→環(huán)節(jié)2——專題研究：明確并研究工程問(wèn)題

第1次的分組在環(huán)節(jié)2中被打亂，重新進(jìn)行的第2次分組使學(xué)生可以在新建立的小組中帶入在背景研究環(huán)節(jié)中獲得的不同經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)閮H僅靠背景研究并不能理解獲得解決問(wèn)題的思路，需要深入明確并開展有關(guān)的科學(xué)探究式的重要任務(wù)。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，每個(gè)學(xué)生都變成“熱”“浮力與壓力”“物質(zhì)對(duì)細(xì)菌的影響”3個(gè)領(lǐng)域中的一方面專家。表2詳細(xì)列出了在該案例的工程設(shè)計(jì)任務(wù)下，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ｎ}需要深入開展科學(xué)探究的問(wèn)題。

通過(guò)環(huán)節(jié)1的背景研究自然引出環(huán)節(jié)2中的3個(gè)領(lǐng)域主題，而這些主題又恰好與NGSS中相關(guān)的核心概念相對(duì)應(yīng)。也就是說(shuō)，環(huán)節(jié)2中出現(xiàn)的科學(xué)研究問(wèn)題是基于其工程任務(wù)的，呈現(xiàn)出為解決該工程任務(wù)自然而然形成的科學(xué)探究的需求，這有助于學(xué)生理解真實(shí)情況下科學(xué)研究與工程實(shí)踐的關(guān)聯(lián)。

→環(huán)節(jié)3——工程設(shè)計(jì)：親歷工程過(guò)程

在第3個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生再次重建小組進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。這次的重組非常重要，它使得具有不同背景的“專家”被分配到每個(gè)工程小組中，他們帶來(lái)了在環(huán)節(jié)2中對(duì)各自專題問(wèn)題進(jìn)行探究的結(jié)果。學(xué)生帶來(lái)不同的認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)，共同研究并解決工程問(wèn)題。

這樣的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)，通過(guò)科學(xué)家的真實(shí)研究問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生的探究興趣，并為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)真實(shí)具體的工程問(wèn)題。在傳統(tǒng)熱傳遞話題基礎(chǔ)上增加了浮力、壓力、材料對(duì)微生物的影響等話題，將生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了有效融合，再現(xiàn)了科學(xué)家在科學(xué)研究中面臨問(wèn)題的真實(shí)狀態(tài)，讓學(xué)生親歷一次學(xué)科間相互作用形成解決方案的真實(shí)工程過(guò)程。而環(huán)節(jié)2中的設(shè)計(jì)更是體現(xiàn)了通過(guò)基于工程任務(wù)需求的科學(xué)探究實(shí)現(xiàn)科學(xué)與工程整合的教學(xué)設(shè)計(jì)策略。

○策略二、通過(guò)三個(gè)維度、預(yù)期表現(xiàn)和學(xué)習(xí)進(jìn)程的分析制訂教學(xué)目標(biāo)與要求

在課程開發(fā)中，基于NGSS的教學(xué)設(shè)計(jì)可能存在一個(gè)常見的難點(diǎn)：在圍繞某個(gè)特定學(xué)科核心概念的課時(shí)或單元中，應(yīng)著重引入哪些實(shí)踐和跨學(xué)科概念，以使所有實(shí)踐和概念在整個(gè)課程中都能得到足夠的關(guān)注[2]。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)該工程任務(wù)中涉及的三個(gè)維度、預(yù)期表現(xiàn)和學(xué)習(xí)進(jìn)程進(jìn)行分析。

→ 明確學(xué)科核心概念

每個(gè)科學(xué)單元或工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目必須把發(fā)展學(xué)生對(duì)至少一個(gè)學(xué)科核心概念的理解作為它的目標(biāo)之一。本案例通過(guò)與校外的專業(yè)人員合作、組建工程合作伙伴的形式，將兩大學(xué)科領(lǐng)域的核心概念學(xué)習(xí)作為其主要目標(biāo)，分別是物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域中的第3個(gè)核心概念：能量（MS-PS3）;工程、技術(shù)及科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域的第1個(gè)核心概念：工程設(shè)計(jì)（MS-ETS1）。圍繞核心概念的實(shí)際教學(xué)會(huì)落腳在更為具體的分解概念上。本案例的落腳點(diǎn)就是“能量”的第2個(gè)分解概念：能量守恒和能量傳遞（PS3. B）;“工程設(shè)計(jì)”的第2個(gè)分解概念：形成可能的方案（ETS1.B）。

→分析學(xué)習(xí)進(jìn)程

由于案例中的教學(xué)對(duì)象為6-8年級(jí)學(xué)生，根據(jù)《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》中對(duì)各核心概念在不同年段學(xué)習(xí)進(jìn)程的指導(dǎo)建議，案例中面向?qū)W科核心概念的教學(xué)目標(biāo)包括：

·旨在讓學(xué)生對(duì)PS3.B這一子概念達(dá)到8年級(jí)末的學(xué)習(xí)進(jìn)程水平，即理解“能量自發(fā)地從較熱的區(qū)域或物體轉(zhuǎn)移到較冷的區(qū)域” （見表3）。

·旨在讓學(xué)生對(duì)TES1.B這一子概念達(dá)到8年級(jí)末的學(xué)習(xí)進(jìn)程水平，即理解“一個(gè)方案需要進(jìn)行測(cè)試，然后在測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改以得到完善” （見表4）。

→解讀預(yù)期表現(xiàn)

依據(jù)上述的學(xué)科核心概念與學(xué)習(xí)進(jìn)程，參照NGSS，不難找出其中對(duì)應(yīng)的預(yù)期表現(xiàn)，即“MS-PS3-3.應(yīng)用科學(xué)原理設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)一個(gè)最小化或最大化熱傳遞的裝置”[2]（見圖2）。在案例的教學(xué)中，可以通過(guò)“學(xué)生分別測(cè)量并記錄取樣室被放入冷水前、在冷水中浸沒10分鐘后的溫度，以確定他們選擇的材料在防止熱量損失方面的有效性”，反映學(xué)生對(duì)能量守恒和能量傳遞的理解。

同理，對(duì)“工程設(shè)計(jì)”的第2個(gè)分解概念，學(xué)生應(yīng)達(dá)到8年級(jí)末的學(xué)習(xí)進(jìn)程水平，即“一個(gè)解決方案需要被測(cè)試，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果改進(jìn)解決方案”，在NGSS中對(duì)應(yīng)的預(yù)期表現(xiàn)為“MS-ETS1-4.開發(fā)一個(gè)模型，用模型生成數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)反復(fù)檢驗(yàn)和改進(jìn)一個(gè)被提出的物體、工具或過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)”[3]?！皩W(xué)生扮演工程師的角色，創(chuàng)建和測(cè)試1個(gè)取樣室模型，它可以用于培養(yǎng)深?；鹕娇谏鷳B(tài)系統(tǒng)中的細(xì)菌”這一過(guò)程，反映了學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的分解概念“形成可能的方案”的直接表現(xiàn)（見圖3）。

→整合跨學(xué)科概念和科學(xué)與工程實(shí)踐

跨學(xué)科概念能幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)和工程學(xué)的核心概念、科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐。各個(gè)學(xué)科和年級(jí)將在各種情境中明確而頻繁地重復(fù)涉及每個(gè)跨學(xué)科概念。這些概念需要成為學(xué)生在構(gòu)建問(wèn)題或開發(fā)觀察、描述和解釋世界的方法時(shí)所用到的科學(xué)語(yǔ)言的一部分[3]。在本案例中，學(xué)生創(chuàng)建了能減少熱損失的取樣室模型，體現(xiàn)了對(duì)“系統(tǒng)與系統(tǒng)模型”這一跨學(xué)科概念的理解;而學(xué)生計(jì)算取樣室模型的熱量損失，則體現(xiàn)了對(duì)“能量與物質(zhì)”這一跨學(xué)科概念的理解。

科學(xué)教育的主要目標(biāo)之一是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維習(xí)慣，發(fā)展他們參與科學(xué)探究的能力，以及教會(huì)他們?nèi)绾卧诳茖W(xué)情境下推理[2]。在本案例中，通過(guò)與海洋研究所建立合作伙伴關(guān)系，創(chuàng)設(shè)了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題情境，為學(xué)生自主思考、開展實(shí)踐提供了良好的機(jī)會(huì)。過(guò)程中，學(xué)生建造了熱量損失最小的取樣室，體現(xiàn)了“開發(fā)與使用模型”的實(shí)踐能力;學(xué)生通過(guò)數(shù)學(xué)公式計(jì)算隔熱裝置的熱量損失，體現(xiàn)了“運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維”的實(shí)踐能力;學(xué)生使用證據(jù)支持他們的論點(diǎn)，表明選擇一種特定材料或設(shè)計(jì)方案能減少熱傳遞，體現(xiàn)了“基于證據(jù)進(jìn)行論證”的實(shí)踐能力。

通過(guò)以上對(duì)三個(gè)維度、預(yù)期表現(xiàn)和學(xué)習(xí)進(jìn)程的分析，更加明晰了學(xué)生在完成該工程任務(wù)工程中的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，再據(jù)此即可制訂出更合理、更符合學(xué)生學(xué)習(xí)需求的教學(xué)目標(biāo)與要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Lisa R.Troy. Nitzan Resnick， Stefan M. Sievert，張亞楠翻譯，工程合作伙伴[J].中國(guó)科技教育，2018 （12）.

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[3]NRC.A Framework for K-12 Science Education：Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M].2011.