科学探究与工程实践在小学科学教学中的融合

福建省福州市仓山区实验小学 李 兵

科学教育经历了三大发展阶段：作为知识的科学、作为过程的科学、作为探究的科学。2011 年美国《K-12 科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》（以下简称《框架》），以“科学实践”代替“科学探究”，扭转课堂探究模式化的局面，拓宽科学教育的内容，拓展学科教学的含义，增加课程间的融合。《框架》包括三个维度：科学和工程实践、跨学科概念、学科核心概念，其中科学和工程实践描述了科学家建构自然世界的模式和方法，以及工程师设计、搭建模型和系统时的主要工程实践。2013 年美国《新一代科学教育标准》指出：“提升对于工程学概念的理解，将工程设计与科学探究放在同等重要位置，通过工程设计与工程应用来强调核心概念学习。”将科学实践与工程实践并提，并提出以工程设计与科学探究的整合为基本途径。

2017 年版《义务教育小学科学课程标准》把“技术与工程”纳入课程内容中，科学与工程实践相结合，增强学生对科学与工程实践关系的理解，获得综合所学知识解决问题及制作产品的体验，培养学生创造性解决问题的能力。

一、科学探究与工程实践融合的依据

科学探究与工程实践有着天然联系，对二者的认识要先进行科学与工程的辨别区分。科学活动以发现为核心，以发现事物规律为根本任务，形成科学的知识体系；工程活动以设计为核心，以技术为要素，运用科学知识系统，建设具体项目。

科学与工程的创造性和实践本质也决定了科学教育和工程教育各自属性。科学教育是学生经历科学实践培养科学素养和创新精神。工程教育是培养在工程设计及实践中发挥作用的工程设计型人才的教育活动。工程问题解决的思路一般是提出问题、制订方案、实施方案、反思评价、修改方案，与科学问题解决的思路基本相似。此外，科学探究为工程实践提供了知识创获或积累的基础，工程实践则是检验科学探究中知识、方法合理性的重要途径，为二者有机融合奠定理论基础。

科学探究和工程实践的融合是本文核心范畴，课程融合是将具有内在逻辑或价值关联的原有分科课程内容进行统整。科学探究和工程实践都倡导以跨学科思维，整合各学科核心概念，建立科学探究与工程实践相融合的人才培养路径。二者既是教学内容，也是教学方法。从内容层面分析，不是只有科学和工程两个领域内容的融合，而是根据实际情况灵活选择融合内容；从方法层面分析，科学探究和工程实践也是一种方法，《框架》论述科学探究与工程实践共有的指导教师进行教学设计和组织教学的八个层次，即提出问题、建立和使用模型、设计和实施调查研究、分析和解释数据、利用数学和计算思维建构解释、构造解释和设计解决方案、基于证据进行论证、获取评估信息。科学探究与工程实践如同科学教学的双翼，各有侧重又相辅相成。

二、科学探究与工程实践融合的意义

科学探究与工程实践相融合，让学生共享“贯通性概念”，一方面，学生获得与年龄阶段相适应的科学知识、工程原理，运用知识综合解决现实问题；另一方面，丰富了科学学习的实践形式，使学生更好地适应多学科间的复杂问题，形成跨学科视野与工程思维方式。二者融合打通了科学、技术和工程教育，增加学生对现实生活中科学应用的关注。

三、科学探究与工程实践融合的基本方式

科学探究与工程实践在科学教学中的融合尚在探索阶段，教学活动过程模式构造和教学逻辑提炼少有涉及。因此，要把握科学探究与工程实践的关键特征及其联系，以工程设计为框架，基于教材的融入以科学探究为内核，基于课外的融入以拓展为中心。

（一）以工程设计为框架的融入

以工程设计为框架的融入是指以工程设计任务为目的搭建学习情境，从设计需要引发科学探究，再通过假设、验证和解释建构，为概念形成及成品改进提供依据，经历“设计—探究—设计”的循环，体现了科学探究与工程设计的双向联系，科学探究是工程设计的依据，工程设计拓展了科学探究的创新空间。

苏教版四年级上册“冷和热”单元属于物质领域教学内容，围绕“热”这个核心概念组织教学，在“热的传递”教学内容后设置了“设计保温杯”活动，但教材仅呈现一句话“设计一个保温杯，比一比哪个小组保温杯的效果更好”，使得设计及制作活动可有可无。以工程设计为框架融入本单元教学中，在教师创设的工程问题情境引领下，引导学生将科学现象规律及方法技能应用到问题的解决中，通过参与设计、制作成品等工程实践活动，达到科学探究与工程设计的融合，体会“做”的乐趣，养成通过“动手做”解决问题的习惯。具体课例分析如下：以“全球变暖，让我们为企鹅建造房屋”的工程活动任务为单元学习开始，在经历“热的传递”科学探究活动，了解热传递和热辐射概念后，提出工程问题：“建造一座房屋，保护企鹅形状的冰块在高温下不被融化”；带着问题为建造房子做调查、研究；设计和建造住房，进行探究实验，将相同材料放在两个纸盒上测量纸盒温度，根据材料保温性能选择建造材料，收集整理实验数据，寻找规律；改进及进行二次测试；同伴分享、交流，为作品后续修改提供参考。

以上案例利用工程问题作为单元学习的任务驱动，学生体验了问题—调查—建造—改进完整的工程实践过程。富有童趣的挑战“保护企鹅冰块不被融化”活动，激发学生学习热情，根据特定情境和具体条件，选择制订合理的解决方案，开展探究不同材料导热性能比较的实验活动，最后将创意和方案转化为产品并进行改进与优化。通过工程设计及实践加深学生对科学概念、科学方法及技能的掌握，达到学习科学知识的目的，加深学生对工程设计的了解，发展学生科学素养和工程素养。

科学探究需要将现实中的问题抽象成模型进行研究，工程实践也运用相同的方法，生命科学、地球科学领域课程内容则也以工程设计为框架而融入，运用“建模”活动，将科学探究和工程实践相联系。

教科书科学四年级上册“植物的生活”，建构生命科学领域的几个重要概念，其中一个是“植物能适应环境，制造和获取养分来维持自身的生存”。“植物的茎”是单元第四课，仅通过简单的观察实验，学生不能很好地认识植物的茎具有运输水分的功能及内部运作，在教学中将工程设计融入探究活动中，引导学生建构植物模型，构建相关概念理解力。具体课例分析如下：首先，教师提出工程问题“能否构建一个模型，帮助我们了解营养物质、水分在植物体内的运作？”然后，以小组为单位，进行观察后利用教师提供的生活化材料，如吸管、卡纸、塑料泡沫等，进行方案设计、模型构建。接着，进行小组展示、分享模型设计，根据意见重新修改模型设计方案。最后，根据“是否清晰呈现了植物内部运作”，再加工、改造。

本案例从学生观察植物的结构到探究结构的功能再到最后构造概念的模型，模型操作简单、实践性强，在教学环节设置上分配了问题分析和实践活动，从科学到工程，以工程设计的方式呈现探究结果，实现科学探究与工程实践的融合，促进概念的形成。

（二）以科学探究为内核的融入

科学探究是科学教学的本质特征，从课标对学习内容阐释中可以发现，了解工程与技术所涉及事物的作用和意义，或通过动手实践了解事物本质、设计制作产品，都需要学生通过科学探究活动来完成，因此科学探究也是工程实践活动的重要特征。

以科学探究为内核的融入是以科学探究为切入点，引导学生在掌握科学概念的基础上开展工程实践。完成工程设计任务的同时，科学探究也获得相应的媒介或手段，进而达到利用模拟技术拓展科学探究视野的目的。

教科版五年级上册“做一个太阳能热水器”，学生需要了解太阳能热水器的结构和原理，为设计、制作太阳能热水器做好铺垫，其中帮助学生理解测试不同颜色的同种物质吸收太阳能的能力、阳光直射与斜射对吸热效果的影响，是完成太阳能热水器的制作关键。因此引导学生利用太阳能热水器的模拟装置，开展设计方案、进行对比实验，分析数据，得出结论等一系列科学探究活动，为后续制作太阳能热水器的工程实践活动奠定科学知识基础。本案例是将科学知识、科学方法在工程问题“做一个太阳能热水器”引导下进行整合统一，将科学知识运用于产品设计、制作过程中，灵活迁移解决真实世界中的问题，释放科学知识的潜在价值，建立有广泛联系的融合知识体系。

综上所述，以工程设计为框架，基于教材的融入以科学探究为内核，科学探究和工程实践都是问题解决的过程，经历“面对问题—提出方案—设计验证—评价反思”的循环环节，需要结合认知经验进行建构，反复实证检验，并进行修正结论或修改方案。它们在融合过程中也各有特色，科学探究强调筛选最合理的证据及解释，工程实践则关注问题方案的开发与优化，为科学教学中两种实践形式的融合提供了模式参考。

（三）以综合实践活动为拓展的融入

《义务教育小学科学课程标准》指出：“小学科学课程是一门活动性和实践性的课程，是一门与其他学科有密切联系的课程。”在小学科学教学中，需要实施多种多样的、与生活紧密联系的实践活动，凸显现实生活中需要解决问题的真实性，也进一步促进科学探究与工程实践的融合。

科学探究和工程实践在小学科学教学中的融合，是以具体的工程实践项目促进科学教育目标的全面落实。在科学教学中提供更真实的实践场景，发展学生综合利用科学原理创造性解决问题的实践能力，培养创造兴趣及对工程职业的向往。也充分体现科学教育从实践到理论，从理论回到实践的认识论观点，真正体现生活中的科学，科学中的生活理念。