“四阶段六环节”的“工程实验”学习方法解析

◇沈菲菲（浙江：嘉善县教育研究培训中心）

一、条件解析：“工程实验”学习方法何以实现

2022 年颁布的《义务教育科学课程标准》（以下简称《课程标准》）提出“坚持创新导向，引导育人方式变革，着力发展学生核心素养”的建议，进一步显示了从“科学探究”到“核心素养”的转变要求。由此在科学课程中如何突出核心素养的培育成为科学教育更加紧迫的任务。

（一）问题：科学核心素养培育遭遇学习转型之困

课程标准要求科学学习的逻辑起点从内容教学转向核心素养，13 个大概念是孕育科学核心素养的重要依托。素养作为预期的学习结果，它不仅要求学生掌握、学会知识，而且需要将其作为解决真实世界问题的一种工具。显然，知识是需要在实践的学习和运用中深化的，“不要把探究式学习作为唯一的科学学习方式，不同的素养要通过不同的学习活动加以培养”，这表明学科核心素养的培育需要在整体活动的学习进程中交织、渗透和凝集。

因此，培育核心素养的关键在于实现从学知识到发展素养的学法转变。但当前不少一线教师提供的学习方式，依然将“探究”作为知识学习的核心活动，而把“技术与工程”作为知识应用的“实践”活动。这种单纯把知识的获得与应用割裂为两个相对平行领域的学法，使得学生难以完成知识与素养之间的转化。这就意味着科学学科的教学亟待超越传统学习方式，探索以素养为基础的新范式。

（二）破解：“工程实验”融通学习筑素养培育之路

在将核心素养作为科学教育要点的当下，科学学习更应关注学生核心概念的学习方式与关键能力养成的融合发展。调查发现，学生在工程和技术领域的学习中，更容易领会与此工程相关的科学概念的内涵与外延，并乐于在后续的实践中应用概念解决实际问题。这是典型的由内驱力主导的学习行为，实现了在真实任务情境中知识与工程实践的深度关联。因此将严密的科学概念与工程技术实践融合学习的“工程实验”学习，是实现知识向素养转化的可行方案。

二、内涵解析：“工程实验”学习方法的内涵与基本架构

（一）什么是工程实验

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。它融合科学、技术、工程三大维度。外壳是设计与制作产品；线索是解决真实情境下的问题；方法是科学、技术、工程、数学的融合；结果是科学知识和物化产品或模型。它打破了有限课堂时空与无限科学知识间的壁垒，使得学生在真实情境、问题与产品制作的交互中，建构科学核心概念，掌握技能与技术，实现对科学和工程的理解。

（二）“工程实验”学习的基本架构

“工程实验”学习以培育核心素养为目标指引，对探究和技术与工程学习方式进行了统整与创新，吸收了探究和技术与工程的实践精髓而形成。它将整个学程分解为“认知激发—概念建构—物化解释—评价深化”四大阶段，同时细化为“情景任务—提出解决方案—制作产品—决策分析—验证方案—公布产品”六大循环环节，最终实现“科学观念、科学思维、探究实践、责任态度”四大核心素养的培育和知识与素养的转化。

三、路径解析：“工程实验”学习方法如何实施

“工程实验”是指将探究和技术与工程两种学习方式，用学法融合的方法进行统整与创新，用学程再造的方式，通过对工程建造与实验探究过程要素的重整与融合，以多维的“实践”取代单纯的“探究”，融通“科学探究”与“工程实践”，发挥探究（知识生成）与应用（能力发展）的功能，构建融合了知识与能力（核心素养）进阶发展的“工程实验”学习范式。

通过对科学核心概念和关键能力发展的脉络梳理，将学习轨迹分为六大模块，形成了“四阶段六环节”的“工程实验”学习范式。通过“认知激发阶段—概念构建阶段—物化解释阶段—评价深化阶段”四阶渐进，改变学生知识生成、运用的方式，培育核心素养。

（一）认知激发阶段：驱动·唤醒·关联

此阶段，学生在真实问题的驱动下，唤醒原有认知结构中的经验，点燃学习兴趣，开始投入工程实验的活动中。通过创设真实性的情境、关联科学本质问题、关联学生经验、关联技术要领，设计真实有挑战性的任务，使知识联系生活世界，激发学生的学习欲望，核心素养初步形成。

（二）概念构建阶段：生成·系统·渐进

此阶段，学生根据真实任务提出解决问题的方案，并初次尝试工程设计与开发产品，利用产品对过程中产生的问题进行假设、解释、实验模拟、变量操作，形成科学核心概念，并纳入自己的知识系统中。通过提供“中介工具”，例如，科学史阅读资料、电子设备、模型、实验材料等，帮助学生把科学知识发生、发展过程与产品形成过程融通，形成明确而稳定的概念，推动素养的建构和发生。

（三）物化解释阶段：审视·修正·创造

此阶段，学生能依据学到的概念，调整设计方案，并创造新产品，形成物化模型。同时，能借助产品来解释设计原理，实现概念内化和对关键能力的掌握。通过“自制、改造”等方式，重新审视问题，对比新旧产品、设计方案的优劣，反复修正物化产品，最终成功创造出产品（模型），实现知识向素养的转化。

（四）评价深化阶段：展示·迁移·凝集

此阶段，学生以公开的形式，向同伴、教师、父母等表达自己的物化成果、科学态度，并以评价的方式，判断学习成效。评价应以学生为中心，以成果为导向，以持续改进为目标，实现科学素养的落实。还可通过提供新情境，让学生用学习到的概念对新情境做出解释，重新改进产品，以实现知识重组、迁移，实现知识与素养间的转化共生。

四、案例解析：“工程实验”学习方法课例

（一）案例：《营养要均衡》

《营养要均衡》是小学科学教材中典型的资料学习型课例。多年来，教师最常采用“资料阅读”的方式，帮助学生学习。学习的流程与目标：让学生在阅读中了解“人的生命活动需要不同种类和数量的食物”，并且学会设计一份营养均衡的食谱。阅读是为了习得概念性知识，设计则作为知识的应用，却缺失了对真实世界问题的检视、实践应用、改造创新的过程。

（二）运用“工程实验”学习方法重构学习目标

运用“工程实验”学习范式来重新展开《营养要均衡》的学习，需要依据课程标准中的13 个大概念和4 个跨学科概念，并融合“工程与技术”内容。重构学习目标如表1所示。

表1《营养要均衡》工程实验学习范式下的学习目标

（三）运用“工程实验”学习方法重构学程

运用“工程实验”学习范式开展《营养要均衡》一课的学习，学生在科学工程实践活动中，能做到知行合一，在知识生成于工程实践的同时，能用新知识来改进实践的物化产品，加深对新概念的理解。下面，是“工程实验”“四环节六阶段”重构学程下的《营养要均衡》一课的活动设计，如表2所示。

表2《营养要均衡》工程实验学习范式应用介绍

通过表2 可以看出，《营养要均衡》在工程实验理念支持的学习中，翻转了传统“枯燥讲授”的教学方式，以制作一个营养均衡汉堡的工程实践活动为载体，帮助学生理解“生物体的稳态与调节、生物生存需要营养、营养要均衡”等学科核心知识，并帮助学生理解“系统和模型”“物质和能量”两个跨学科概念。整个学习源于真实情境，帮助学生用探究、设计、制作、评价等多种手段，探究科学概念，并成功制作了物化模型，实现了知识与素养的转化。

五、价值判断：“工程实验”学习方法的价值

“工程实验”以“核心素养培育”为切入点，是融入13 个大概念、4 个跨学科概念，融合科学知识学习与工程实践的创新学习范式。它注重学生对真实情境中问题的解决，提供复杂、多变的学习主题，以“学习进阶”的方式统整科学概念与实践，通过科学工程实践与核心概念的融合性学习，帮助学生重塑对工程与技术、科学知识与实践之间关系的理解，进而获得科学核心素养的全面提升。