◎ 金鶯蓮 黃蘊璐

一、問題的提出

在智能時代，科技與工程創(chuàng)新在增強國家綜合國力和國際競爭力上發(fā)揮著重要作用。2023 年5 月，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加強新時代中小學科學教育工作的意見》指出，要“統(tǒng)籌規(guī)劃科學教育與工程教育，體現(xiàn)實踐性與綜合性”?！读x務教育科學課程標準（2022 年版）》（以下簡稱《2022 版課標》），將2011 年版課標中的“科學探究”修改為“探究實踐”，包括科學探究能力、技術(shù)與工程實踐能力和自主學習能力［1］。由此可見，在基礎教育階段將技術(shù)與工程教育融入科學教育，培養(yǎng)學生包括技術(shù)與工程實踐能力在內(nèi)的科學核心素養(yǎng)已成為我國中小學科學教育的重要目標。

越來越多的研究者開始關(guān)心如何在科學課堂整合科學探究、技術(shù)與工程實踐，落實探究實踐能力的培育。有研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)對科學、技術(shù)與工程教育的關(guān)系、技術(shù)與工程融入科學教育的內(nèi)涵與培養(yǎng)目標等已有較為清晰的認知，但對如何在科學課堂開展技術(shù)與工程實踐的研究尚處于探索階段［2］。

綜上，本文以在課堂中強化技術(shù)與工程實踐能力的培養(yǎng)為切入點，在厘清基礎科學教育中納入技術(shù)與工程教育的學理依據(jù)，綜述科學教育中科學探究、技術(shù)與工程實踐之間的區(qū)別與聯(lián)系，同時探討技術(shù)與實踐活動在課堂中的實施流程，并以實際案例闡釋實施效果，以此為我國基礎科學教育中開展技術(shù)與工程教育教學提供實踐路徑參考。

二、技術(shù)與工程實踐融入科學教育的理論依據(jù)

（一）基礎教育階段技術(shù)與工程實踐和科學教育的關(guān)系

要理解技術(shù)、工程與科學教育的關(guān)系，首先要理解技術(shù)、工程與科學的關(guān)系?；艨怂梗℉oukes）指出，工程與科學這兩門學科都與知識的生產(chǎn)有關(guān)。［3］班斯（Banse）和格倫瓦爾德（Grunwal），戴姆（Dym）和布朗（Brown）等進一步補充，這兩個領域都需要依靠探究等方法來生產(chǎn)知識，傳播知識也都依靠專業(yè)期刊和會議等類似手段。［4］然而，科學和工程的知識生產(chǎn)活動的最終目標是不同的：對于科學來說，關(guān)于自然現(xiàn)象的知識本身就是目的；而對于工程來說，產(chǎn)生的知識只是用于設計技術(shù)的手段。［5］科學旨在理解和解釋自然現(xiàn)象，工程師則滿足于生成產(chǎn)生有用結(jié)果的現(xiàn)象模型，即使這一模型并不能很好地解釋現(xiàn)象。［3］另外，無論是科學還是工程，在研究實踐的過程中都需要借助一定的技術(shù)，同時科學與工程的成果（知識產(chǎn)品）也可以成為技術(shù)更新或迭代的基礎。［6］簡單來說，科學重在探索與發(fā)現(xiàn)世界已經(jīng)存在的事物或規(guī)律，工程則是通過設計與改造構(gòu)建不存在的事物，而技術(shù)是實現(xiàn)科學與工程的手段與方法。［7］

可見，科學、技術(shù)與工程共享著同樣的知識生產(chǎn)方法，在實踐目標上存有差異，但實踐過程往往又密不可分。正因如此，科學、技術(shù)與工程教育的互相滲透成為當前科學教育發(fā)展的新趨勢［2］。同時，考慮到在技術(shù)與工程的前沿領域，科學知識是基礎中的基礎，技術(shù)與工程實踐融入基礎科學教育成為自然而然的事情。

（二）技術(shù)與工程實踐融入科學教育的內(nèi)涵

美國K-12 科學教育委員會對科學與工程教育的培養(yǎng)目標作出如下定義：鼓勵學生通過循環(huán)迭代地解釋、反思和討論，理解自然現(xiàn)象和圍繞于周圍的人工制品，在這一過程中學生會經(jīng)歷科學與工程實踐、發(fā)展學科核心概念和跨學科概念。［8］這一定義強調(diào)了科學探究、技術(shù)與工程實踐在實施過程中的連貫性。例如，兩者通過研究或探究進行學習，所學習的核心概念和跨學科概念有很大的重疊性，等等。但值得注意的是，這一定義忽略了科學本質(zhì)與工程本質(zhì)的區(qū)別，即科學家追求對知識的追尋，而工程師的目標是根據(jù)需求開發(fā)產(chǎn)品。［9］

（三）技術(shù)與工程實踐融入科學教育的價值

研究者通過一系列的實證研究證明了在科學課程中融入技術(shù)與工程實踐的價值，包括但不限于有利于學生提高科學素養(yǎng)、對技術(shù)與工程實踐的認識及相關(guān)職業(yè)選擇的興趣，以及真實問題的解決能力等。例如，南（Nam）等的研究發(fā)現(xiàn)，在科學課程中融入技術(shù)與工程實踐能有效提升學生的問題解決能力與科學素養(yǎng)。［10］英格利希（English）和哈德森（Hudson）的研究還證明，此類課程能有效促進學生對科學、技術(shù)及工程概念的深度理解。［11］還有研究發(fā)現(xiàn)，此類課程能提升學生對科學、技術(shù)與工程等相關(guān)領域的職業(yè)興趣、職業(yè)抱負等。［12，13］

基于以上認識，《2022 版課標》對技術(shù)與工程實踐能力做出了如下界定：了解技術(shù)與工程實踐的一般過程和方法，針對實際需要明確問題，提出有創(chuàng)意的方案，并根據(jù)科學原理或限制條件進行篩選；實施計劃，利用工具和材料進行加工制作；根據(jù)實際效果進行修改迭代；用自制的簡單裝置及實物模型驗證或展示某些原理、現(xiàn)象和設想。［1］這一定義強調(diào)了科學、技術(shù)與工程實踐在學習方式上的共通性，凸顯了技術(shù)與工程實踐強調(diào)創(chuàng)造滿足需求的人工制品這一特性。同時，也為技術(shù)與工程實踐融入科學教育提供了基本切入點——整合科學探究和技術(shù)與工程實踐。

三、科學課堂開展技術(shù)與工程實踐的設計原則

（一）技術(shù)與工程實踐特性的凸顯原則

研究者根據(jù)技術(shù)與工程實踐和科學探究整合的程度以及二者之間的均衡程度，將科學教育融入技術(shù)與工程實踐的教學模式分為三類，強調(diào)技術(shù)與工程實踐和科學探究共通性的“設計–探究”法以及相關(guān)的衍生教學方法，強調(diào)技術(shù)與工程實踐特征的過程模型，以及兩者并重的模式等［2，14］。這些方法盡管側(cè)重點有所不同，但都強調(diào)要凸顯“工程設計”。所謂“工程設計”，指的是針對一個問題提出多種可能的解決方案，通過系統(tǒng)思考進行反復迭代的建模、測試與改進模型，以找到當下的最優(yōu)解決方案。［15］正是這種“工程設計”使技術(shù)與工程實踐和其他活動有了明顯的區(qū)別。

綜上，有研究者認為，在科學課堂上實施技術(shù)與工程實踐應當包含至少三個核心要素：①定義和界定問題；②發(fā)展可能的解決方案；③測試和評價。［14，16-17］其中，核心要素①強調(diào)了對問題的定義與限制，這與科學探究側(cè)重問題的提出顯然不同；核心要素②關(guān)注解決方案的提出，而科學探究更強調(diào)解決方案背后的原理解釋；核心要素③中雖然技術(shù)與工程實踐以及科學探究都需要根據(jù)結(jié)果開展新一輪的改進研究，但兩者的評價標準不同。技術(shù)與工程實踐關(guān)注產(chǎn)品是否符合需求（能解決有限制條件的問題），而科學關(guān)注知識本身。同時需要強調(diào)的是，這三個要素的發(fā)生并不是按照固定順序進行的，而是能根據(jù)問題解決的進展做靈活調(diào)整。

（二）科學探究和技術(shù)與工程實踐實施共性的貫穿原則

當然，除了凸顯技術(shù)與工程實踐的特性之外，在科學課堂融入技術(shù)與工程實踐也需要關(guān)注科學探究和技術(shù)與工程實踐實施的共性原則［12］，具體如下。

（1）創(chuàng)設團隊合作環(huán)境：無論科學、技術(shù)還是工程，在當今社會都是需要高度協(xié)作的領域，因此將學生置于合作環(huán)境有助于增進他們對科學、技術(shù)與工程實踐本質(zhì)的理解。

（2）包含重要的科學和工程知識的學習：學科內(nèi)容知識的整合是科學教育中融入技術(shù)與工程實踐的關(guān)鍵組成部分。

（3）促進思維的發(fā)展：科學探究、技術(shù)與工程實踐都是解決問題的過程，都需要運用批判性思維、創(chuàng)新性思維等尋找證據(jù)、建構(gòu)解釋和檢驗假設。特別需要注意的是，技術(shù)與工程實踐還特別強調(diào)對學生系統(tǒng)思維的培養(yǎng)。

（4）聚焦真實情境下的問題解決：與學生個人經(jīng)驗相關(guān)的真實情境不僅能激發(fā)并維持學生的學習興趣，還能讓學生認識到科學、技術(shù)與工程的價值所在。

四、技術(shù)與工程實踐項目開展流程

基于上述認識，在《2022 版課標》提出的技術(shù)與工程實踐流程基礎上，本研究進一步構(gòu)建了技術(shù)與工程實踐項目實施要點，如圖1 所示。

圖1 技術(shù)與工程實踐的一般流程與實施要點

本研究以“‘植’來直‘趣’——在火星上種植綠色植物”項目的實施為例，闡釋該流程如何應用于實踐中。

（一）活動形式

根據(jù)教師科學課堂教學經(jīng)驗，小組合作第一個要克服的難點是小組內(nèi)的角色分工。如果是自動分工，學生雖然都有各自角色，但總有部分學生習慣于每件事都表達觀點并且不愿意接受不同的建議，部分學生則習慣于默默跟隨、不勞而獲。針對這一問題，在本次項目中，教師采取了小組成員競聘簽約職位方式形成小組分工。通過競聘簽約，學生充分了解自己與團隊伙伴的優(yōu)勢，并根據(jù)職位要求進行匹配，在此過程也發(fā)展了對即將上任職位的角色認同與責任心，大大加強了合作效率，不同觀點在職責的加持下更容易融合了。

從學生“交流成果”環(huán)節(jié)來看，這種合作的效果還是很明顯的。具體表現(xiàn)在，交流過程都由小組參與完成，而非“一言堂”。例如，有的小組會在成果展示開始概述項目實施中每個人的角色以及對成果的貢獻；有的小組則會分工展示，每個成員介紹自己參與的部分內(nèi)容。在這個過程中，學生真實體驗了科學家與工程師合作開展工作的方式。

（二）明確問題

本項目設計的最初想法起源于教師觀察到的一個現(xiàn)象：在我國載人飛船、空間站、火星探測器等航天器發(fā)射升空相關(guān)新聞出現(xiàn)的一段時間，課前課后總有學生來問相關(guān)問題。恰好兩年的科學課上有不少單元涉及這些問題。因此教師思考：能否將六、七年級科學課相關(guān)內(nèi)容整合在一起，形成一個復習單元？后來發(fā)現(xiàn)這一單元的知識內(nèi)容大體屬于科學課的教學范圍，但其工程產(chǎn)品制作所需的技能與時間超出了科學課。恰逢學校開展課后服務，教師決定將科學課和課后服務進行一體化設計，將這一單元擴展為一個學年的特色課程，其中知識的相關(guān)學習放在科學課上進行，科學探究和技術(shù)與工程實踐的內(nèi)容放在課后服務進行。

本項目的具體背景是：學校成立的“移民火星”招募生態(tài)系統(tǒng)工程師，在火星基地建立生態(tài)系統(tǒng)，保障宇航員的“食”。項目最終要解決的科學問題是“如何在火星上種植綠色植物？”。針對這一科學問題，學生要解決的工程問題是“綠色植物種植箱的設計與制作”。

在這一總問題之下，整個項目由五個相互獨立而又緊密聯(lián)系的科學探究和工程與技術(shù)實踐子項目構(gòu)成（詳見圖2）。例如，“火星基地綠植選種育種”子項目就是針對“如何在火星基地保障綠色植物的成功生長？”這一真實情境下的科學問題，提出“選擇適合種類的綠色植物”這一工程問題。

圖2 “‘植’來直‘趣’——在火星上種植綠色植物”項目各子項目

該項目安排在學生的研拓課和課后服務時間進行。參與該項目的學生都是出于興趣自主選擇加入的。這一項目吸引了各個學習水平的學生，這顯示出項目的吸引力所在。

（三）設計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善的迭代循環(huán)

在每一個子項目的實施過程中，學生通常會在設計方案的第一步遇到困難。例如，對于“火星基地綠植選種育種”子項目的問題“什么樣的植物適合在火星種植？”，學生剛開始的第一反應是請教師直接提供解決方案。針對這一現(xiàn)象，教師設計并提供了三維目標表（見表1），以“我知道什么？（所知）”“我想知道什么？（想知）”“我學到了什么？（所學）”三個角度，貫穿學習活動的前期、推進和總結(jié)，幫助學生更好地了解自己對問題的前概念和存在的問題。學生在了解活動主題后，通過分析“我知道什么？（所知）”回顧自己日常生活中所吃的綠色蔬菜，以及均衡營養(yǎng)的知識。再通過思考“我想知道什么？（想知）”明確完成活動需要搜集哪些信息，提高信息收集的有效性和高效性。活動完成后，根據(jù)活動過程中的所學和最終結(jié)果，學生思考總結(jié)，填寫完成“我學到了什么？（所學）”表格欄，在填寫過程中進行反思總結(jié)，并逐步提高用語表達的規(guī)范性。在填寫后經(jīng)過組內(nèi)討論，再次歸納總結(jié)后，各小組詮釋者分享“我們組學到了什么？”，對活動進行分析評價和改進，同時鍛煉交流表達能力。

表1 三維目標表

此外，在每個子項目的迭代循環(huán)過程中，學生的“失敗”是常態(tài)：“種植箱的凈水系統(tǒng)達不到預期效果”“連續(xù)2 次種子的發(fā)芽率都不盡如人意”……教師最開始非常擔心多次“失敗”會挫傷學生積極性。于是，在每個子項目開始之初，發(fā)布成功標準和成果樣品，讓學生成果制作過程有據(jù)可循，哪怕“失敗”也能對著樣品分析原因，從中獲得學習。例如，在“火星基地綠植選種育種”子項目中，在白菜的無土栽培實踐中遇到了多次失敗，但在對失敗原因的一次又一次探索過程中，發(fā)現(xiàn)了設計方案中的不足，逐漸完善種植方案不斷嘗試，比較成功組和失敗組的差異性，在實踐中實現(xiàn)了知識的應用遷移。最終，有一半的小組在經(jīng)歷2次失敗后，第3 次成功育苗；另外一半小組在第3 次的“失敗”中也找到了后續(xù)的改進方向。

（四）成果發(fā)布

根據(jù)以往的課堂經(jīng)驗，初中生的科學口頭論證能力一直不盡如人意。為此，教師做了如下設計：①提供側(cè)重科學論證的交流模板，以小組為單位交流自己研究的成果/制作的產(chǎn)品，并通過研究方案、數(shù)據(jù)分析和得出結(jié)論/產(chǎn)品過程的解釋，論證研究結(jié)果/產(chǎn)品的科學性；②為學生提供充分展示機會，為每個子項目設計了2 場交流會（階段成果和產(chǎn)品展示），每個子項目加上最終成果，一共10 場交流會。

交流會上學生根據(jù)教師提供的論證模板解釋和論證自己小組的成果、觀察他人的成果和聽取教師點評，“看見”這一階段自身的優(yōu)勢與不足，為之后的項目實施和交流積累經(jīng)驗。如此，通過多個子項目的迭代，學生的科學論證與合作交流能力都有了顯著提高。

五、總結(jié)與反思

從整體來看，本文為如何系統(tǒng)培養(yǎng)包括科學探究、技術(shù)與工程實踐、自主學習在內(nèi)的探究實踐能力提供了可行路徑。學生在真實情境中，針對提出的科學問題明確工程問題，利用教師提供的學習支架運用嚴謹?shù)目茖W方法解釋論證方案的可行性和可操作性，更好地利用工具和材料進行加工制作，根據(jù)實際效果進行迭代修改。在此過程中，學生經(jīng)歷了科學研究、技術(shù)與工程實踐的一般過程和方法，科學思維得到一定程度的發(fā)展。

從學生成長的角度來看，學生在應用技術(shù)與工程實踐的實施流程解決“如何在火星種植綠色植物”這一科學問題和達成“植物種植箱的制作”這一工程目標過程中，經(jīng)歷“失敗”，理解“失敗”是科學探究、技術(shù)與工程實踐必不可缺的關(guān)鍵部分。［14］并且，他們在探索“失敗”原因過程中，體會到科學、技術(shù)與工程學習的意義；在子項目的不斷改進中提升了學科自我效能感。

從教師設計角度來看，為了引導學生更好地應用技術(shù)與工程實踐的實施流程，教師需要花費大量的時間在前期的項目和教學支架的設計上。例如，本項目來源于學生的真實問題，項目設計的整個過程體現(xiàn)了教師對科學跨學科概念教學的追求。此外，為了保證學生自主學習的有效性，教師要根據(jù)過往授課經(jīng)驗和必要的課前調(diào)查，預估學生會遇到的困難并提供大量的輔助工具，比如本研究案例的“三維目標表”、每一個子項目的成功標準、“火星種植箱”工程報告書、交流會展示模板等。