工程实验：指向知识与实践融合的学程再造

谢小立

【摘   要】科学在于发现与创造。工程实验以学生创制产品，解决具体问题为主体活动，它成功地将技术与工程的学習方法推广到对科学知识的探究性学习中，并将两者融合，为科学教师变革物质科学、生命科学、地球与宇宙科学的学习方式和开展技术与工程的学习提供了一种思路、一个范例，具有创新性。

【关键词】工程实验;技术与工程;科学知识;学程再造

根据新颁布的《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》），科学课程由13个核心概念构成，涉及物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四个领域[1]。一般而言，前三个领域的内容被归纳为认知活动，指向自然界的存在方式，探究活动的目标是明白“自然界是怎样的”，从而获得科学知识。“技术与工程”领域的内容指向人的活动方式，通过应用包括前三个领域学习所获的知识，解决“我们应当怎样做”的问题，最终成果是制造出的产品或模型。[2]可见，科学素养的发展既侧重科学认知，又侧重探究实践，还强调科学实践与科学认知的协调发展。

一、困局：当前科学探究和技术与工程学习存在割裂与分化

将知识的获取探究和应用实践表述为两个相对平行的领域，容易导致在具体教学中出现两者独立、相互割裂的问题。

（一）科学探究的实践过程被简化

为引导学生规范操作，严格控制变量，准确获取数据，形成科学结论，教师习惯于将科学探究概括为提出问题、做出假设、制订计划、实施计划、得出结论、表达和交流等按部就班的程式。为提高知识获取的效率，教师时常外显知识特征，让学生进行高度概括和提炼，形成标准化的理想模型，但这样的探究活动就成了累积既定事实和实验技能的过程，甚至简化成了知识结论的重现和追认。

（二）技术与工程的认知功能被淡化

虽然也有观点认为，将所学科学知识在技术与工程中加以应用，可以加深学习者对知识的理解，但大部分教师还是将技术与工程学习的重心定位于“运用知识进行设计与制作”的动手操作上，未能发掘技术与工程在科学知识习得与建构方面的重要功能，这也就淡化了它的认知功能。

二、破局：工程实验再造知识与实践融合的新内涵

实际上，科学是知识与实践融合统一的学科，科学探究本身就有着较强的实践属性。技术与工程的设计制造过程，本质上是科学原理在真实情境中发生、发展、物化应用的过程，可以帮助学生在设计、制造、测试、评价和完善工程产品的经历中理解和深化科学知识，促进学生建构学科核心知识和跨学科概念。

近年来，“科学日趋技术化，技术日趋科学化”的科技一体化特征日益显著。有效吸收技术与工程的实践精髓，突出其在平衡知识习得和实践应用中的融合作用，反映科学知识、技术与工程在日常生活和真实世界中是如何产生、应用和实践的，实现学习科学知识，发展科学思维，提升实践能力，培养创新能力的综合价值，促进学生更全面领会科学知识的本质和理解科学实践的要素，逐渐成为小学科学教育探索方向。[3]

工程实验是融合了“科学实验探究自然因果机制”和“技术与工程应用科学知识建造产品”两者特征的一种学习方式。即通过产品设计与制作的物化过程，开展科学知识的探究性学习，将知识学习融合在技术创新与工程制造中。它以完成真实、具体任务的产品设计与创制为主体活动。学生须经历设计模型、知识探究、决策分析、方案验证、产品公布等过程（如图1）。

由图1可见，工程实验转变了以往先学习知识再应用知识的一般形式，而是将应用与学习融为一体。在应用中探究的学习方式改变了以住由低到高（习—用—创）的认知学习层次，它用高阶学习（创—用—习）“包裹”低阶学习，使学生在真实情境中对产品进行制作和优化，实现学科核心概念与实践的一致性、连贯性与融合性。每一环节的关键思想如表1。

“工程实验”需要用到系统性思维、批判性思维以及应用设计、制作、探究、创造、合作、沟通等能力，还会涉及科学史的学习。它的关键在于工程建造与实验探究过程要素的整合，需要发挥探究、应用及创造的功能。它的流程融合了科学探究和技术与工程的双重特征（如表2）。

三、基于工程实验的学程再造课例

（一）案例：《运动与摩擦》

《运动与摩擦》是小学科学教材中的经典内容，不同版本教材呈现的实验探究材料也几乎相同。多年来，教师总是为学生提供接触面粗糙的砂纸、接触面光滑的塑料板（玻璃）、木块、载重物、弹簧测力计等材料。学习的流程与目标是让学生在体验中感受摩擦力，学习测量摩擦力的方法，通过对比实验了解摩擦力与接触面粗糙程度及与接触面间压力大小的关系。实验是为了得出概念知识，了解实验方法，掌握程序性知识的特征，常常缺少探究发现、实践应用、挑战创造的过程。

（二）运用工程实验的学程再造

运用技术与工程的方法，展开《运动与摩擦》的工程实验学习，可以较好地融合科学探究、技术与工程的过程和功能（如表3）。

（三）工程实验再造《运动与摩擦》学程后的学习目标

《运动与摩擦》属于《课程标准》核心概念3“物质的运动与相互作用”下3.1.1“知道日常生活中常见的摩擦力、弹力、浮力等都是直接施加在物体上的力”的内容。运用工程实验再造学程后的学习目标如表4。

通过表4的分析可以看出，工程实验理念下的《运动与摩擦》的学习中，学生通过改变和控制鞋底与接触面摩擦力的过程，学习摩擦力及影响其大小的因素等概念知识。同时结合摩擦力影响因素的假设与验证，展开鞋这一产品的设计、制造、改进、验证、发布等技术与工程活动。它将学习置于更真实的情境中，帮助学生调用探究、设计、制作、评价等多种学习工具探究科学概念。关注科学概念和技术，注重工程的结构化、融合化，将会使学生更深入地理解概念知识及其应用，并经历通过技术与工程方法创造一个人工产品的过程。

四、工程实验的效果与价值

工程实验实现了学科知识、科学探究、技术与工程、跨学科概念的整合，与科学家、工程师、教育家对科学教育未来发展方向的判断有着较高的吻合度，主要表现在以下几个方面。

（一）工程实验在理论上与国内外科学教育的整合思想具有较高一致性

科学教育改革著作《下一代科学教育标准》强调通过表现期望，实现科学工程实践、跨学科概念与学科核心知识的整合。工程实验以技术与工程为依托，通过让学生研究并解决一个有吸引力的技术与工程任务，从而形成对重要知识和关键能力的理解，强化了知识学习与科学实践的融合，突出了科学模型在认知中的作用。由知識吸入取向到智能融合取向的转变，与科学教育的改革方向是一致的。

（二）工程实验在目标上实现了认知的系统化

科学核心素养的发展，要避免困囿于标准化的学习材料，执行程序化的步骤和得出确定的结论的框架。教师应为学生提供大量的动手、动脑、动嘴、试错与批判的机会。工程实验的驱动性问题更具真实性、挑战性，贯穿活动始终。学生要进行全局的、复杂的思考，融合科学、技术、工程、经济、社会、文化、环境及科学史等多种要素。这也是系统地形成科学观念、科学思维、态度责任的一种学习行为。

（三）工程实验在过程上突破了教材内容的领域边界

教材以学科核心概念为单元内容的编排方式，容易导致一线教师仅关注学科知识，拘泥于形式化的探究步骤，无法突破教材内容的领域划分，难以建立起各领域之间有意义的联系。

工程实验将产品创制和知识学习融于同一个学习任务。学生在“创制+探究”模式的活动中逐渐获取科学知识，形成解决问题的产品模型，从而深入理解科学知识和科学实验、实践。可以说，工程实验从内容领域的维度实现了“知识探究”“建构模型”“推理论证”和“创新思维”的一致性，突破了技术与工程以展示、表演、附加实践或作为例证的局限，建立起了技术与工程和隐藏其后的希望掌握的概念性知识之间的关联。[4]

总体而言，指向科学知识与科学实践融合的工程实验提示了科学认知、技术与工程协同发展的一种学程模式，能够帮助教师从知行合一、实践检验、学以致用的维度，指导学生开展以认知发展和能力发展为导向的学习，从而更好地帮助学生形成关键能力和学科核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022：16.

[2]龚凯健.科学课堂从“探究”到“实践”走向[J].教育，2017（34）：18.

[3]陈钱钱，赵国庆，王晓静.科学工程实践、跨学科概念与学科核心知识的整合：从《下一代科学教育标准》视角看WISE项目[J].远程教育杂志，2018，36（2）：29-36.

[4]孔思敏，王磊.促进中学生科学实践与科学认识协同发展的教学模型：以化学学科为例[J].课程·教材·教法，2022（3）：131-138.

（浙江省嘉兴市嘉善县吴镇教育集团泗洲小学314100）