用工程思想提升學(xué)生科學(xué)探究品質(zhì)

【摘要】在新頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，“技術(shù)與工程領(lǐng)域”被明確列為科學(xué)課程內(nèi)容，而工程思想和科學(xué)探究的整合能夠讓科學(xué)教學(xué)變得更加活潑和真實，這不僅對教師重新思考并組織科學(xué)探究活動具有革命性的意義，同時也提出了新的要求。

【關(guān)鍵詞】工程思想；科學(xué)探究；基本流程與要點(diǎn)

【中圖分類號】G623.6 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1005-6009（2017）49-0053-03

【作者簡介】許春良，江蘇省無錫市東北塘實驗小學(xué)（江蘇無錫，214191）教師，高級教師，無錫市科學(xué)學(xué)科帶頭人。

科學(xué)課要以科學(xué)探究為主要的教學(xué)方式，但如果學(xué)習(xí)者只關(guān)注科學(xué)探究的最終結(jié)論，而不去思考這些科學(xué)結(jié)論的產(chǎn)生過程，或者不去嘗試運(yùn)用這些結(jié)論來改善現(xiàn)實的生活，那都談不上是成功的科學(xué)課。因此，教師有必要讓學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識，開展一些基本的科學(xué)實踐活動。倡導(dǎo)工程思想和科學(xué)探究的整合能夠為科學(xué)教學(xué)提供全新的視野和有效的途徑。

一、融入工程思想的科學(xué)探究的基本流程

假如能夠?qū)⒐こ趟枷肭擅畹厝谌肟茖W(xué)探究之中，那么無疑可以使科學(xué)教學(xué)變得更加活潑和真實。比如在傳統(tǒng)的科學(xué)課上，教師一般會讓學(xué)生先拼搭各種形狀的多面體，然后測試它們的承重力，通過這種方式，學(xué)生了解什么樣的形狀穩(wěn)定性強(qiáng)，承重力大。這種類型的探究活動是對事物之間因果關(guān)系的探索，其目標(biāo)是認(rèn)識自然中的因果機(jī)制，并獲得具有普遍價值的科學(xué)知識。而工程設(shè)計則往往通過操作各種變量試圖得到一個預(yù)期的結(jié)果，其目標(biāo)是用工程設(shè)計的方法解決現(xiàn)實生活中的特定問題。同樣是上面的科學(xué)主題，教師可以讓學(xué)生完成一個建瞭望塔的項目，學(xué)生模仿工程師和建筑師的工作，把物理力學(xué)和技術(shù)設(shè)計方面的內(nèi)容聯(lián)系起來，如此，學(xué)習(xí)的過程會更加生動有趣。可見，對于科學(xué)教師而言，把工程思想融入科學(xué)探究活動并沒有想象中的那么困難，大體來講，它由以下幾個環(huán)節(jié)構(gòu)成：

1.明確問題。

通常而言，工程設(shè)計始于真實情境中的問題或任務(wù)，這個任務(wù)可以由教師獨(dú)立提出，也可以由學(xué)生提出。在工程與科學(xué)整合的學(xué)習(xí)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行研究，明確任務(wù)完成的限制性因素，同時調(diào)查過去使用過哪些方案。這一階段的目標(biāo)是讓問題明確化，同時增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如：在建塔項目中，教師可以事先設(shè)定一些基本技術(shù)參數(shù)方面的限制，如塔的高度不能低于20厘米，要有一個方形的底座，底座高度不少于5厘米，塔上還需要有一個平臺，能夠讓人在上面進(jìn)行觀察等。

2.制訂合理的解決方案。

與絕大多數(shù)的科學(xué)探究實驗相比，工程設(shè)計類問題沒有唯一的答案。在這個階段，教師要組織學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，讓學(xué)生把注意力集中在產(chǎn)生想法上，而不是急著評估他們的想法是否可行和合適。比如：對于建造什么樣式的塔，教師可以讓學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，搜集世界著名建筑物的照片，并帶到課堂中來，讓學(xué)生自由討論哪一種形狀或結(jié)構(gòu)可以借鑒。

3.分析解決方案。

當(dāng)學(xué)生討論出一定數(shù)量的、可能解決問題的方案后，教師就要組織他們評判每個方案是否符合初始的限制條件（技術(shù)參數(shù)），可以讓學(xué)生分組對設(shè)計方案進(jìn)行評估，研究每個方案的優(yōu)勢與缺陷，并選擇其中的某個方案完成相應(yīng)的制作。

4.優(yōu)化解決方案。

制作一旦完成，下一步就是讓學(xué)生測試他們的設(shè)計方案，學(xué)生要收集體現(xiàn)方案性能的各種數(shù)據(jù)并找出需要改進(jìn)的地方，一定要讓學(xué)生認(rèn)識到工程設(shè)計過程的反復(fù)性，不可能一下子就完成。比如，可以用多種方法來測試塔的穩(wěn)定性和強(qiáng)度：用電吹風(fēng)從不同的角度吹，測試塔的穩(wěn)定性；用噴霧瓶模擬下雨；向塔施加重量來確定其整體強(qiáng)度等等。這些測試可能需要學(xué)生用數(shù)周時間才能完成。

5.交流。

在整個學(xué)習(xí)過程中，教師應(yīng)為學(xué)生提供交流測試結(jié)果的機(jī)會（見圖1）。比如：在明確問題階段，學(xué)生就應(yīng)該和他人分享自己對任務(wù)情境、限制條件和評判標(biāo)準(zhǔn)的理解，這樣能夠及時把一些重要的信息傳遞出去，減少不必要的精力投入。

二、工程思想融入科學(xué)探究的操作要點(diǎn)

由以上分析可知，科學(xué)與工程互相聯(lián)系，互為補(bǔ)充，同時又有著各自的特點(diǎn)。融入工程思想對教師重新思考并組織科學(xué)探究具有革命性的意義，同時也對教師提出了更高的要求。在實際教學(xué)中，教師特別要注意以下幾點(diǎn)：

1.循環(huán)定義課堂問題。

工程設(shè)計過程大多從真實情境中的問題或任務(wù)開始，往往需要對問題進(jìn)行反復(fù)描述，直到確定某個更細(xì)致的問題為止，之后再進(jìn)行方案的制訂、分析和優(yōu)化，這個過程可能需要重復(fù)好幾次，即循環(huán)定義問題。而科學(xué)課上需要學(xué)生進(jìn)行探究的問題比較明確，且具有極強(qiáng)的計劃性，教師和學(xué)生都知道課堂上要研究的問題是什么，活動中自己要做什么，目標(biāo)一旦確定不輕易更改實驗方案。由此可見，在工程與科學(xué)的整合中，教師首先面臨的就是循環(huán)定義問題的挑戰(zhàn)。

比如：在開展“怎樣用紙制造一架飛機(jī)并讓它飛得更遠(yuǎn)”這一工程項目時，由于影響飛機(jī)飛行的因素很多，所以不可能只圍繞一個因素進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，但同時也不可能讓學(xué)生像飛機(jī)制造者那樣測試全部的影響因素。在這種情況下，教師可以借助限制性條件的設(shè)置，如規(guī)定制造飛機(jī)的材料和推動飛機(jī)飛行的力量等，先把一些沒有科學(xué)價值的因素排除掉。一開始學(xué)生制造出來的飛機(jī)大多帶有明顯的翅膀但沒有尾部，因為在他們的頭腦中飛機(jī)是借助一對巨大的機(jī)翼飛行的，但經(jīng)過測試，他們就會發(fā)現(xiàn)翅膀過大并不能有效增加飛機(jī)直線飛行的距離。此時，教師需要及時引導(dǎo)學(xué)生再次定義問題，“你的問題解決了嗎？”“你又有什么新的問題？”……慢慢地把研究的重心轉(zhuǎn)移到飛機(jī)的形狀結(jié)構(gòu)上來，飛機(jī)飛行的距離在反復(fù)設(shè)計改進(jìn)的過程中慢慢增加。歸根到底，工程設(shè)計是一個非線性的過程，這要求教師和學(xué)生在課堂上形成良性的互動關(guān)系，學(xué)生則不斷地接近預(yù)定的任務(wù)，同時也不斷地更新著自己的知識庫。

2.均衡選擇實驗類型。

實驗可以分為兩種基本類型：一種是涉及“科學(xué)模型”的實驗，這類實驗以探索科學(xué)知識和規(guī)律為宗旨，如：物體下落的快慢和它的質(zhì)量有關(guān)系嗎？另一種是涉及“工程模型”的實驗，這類實驗通過操作變量來得到一個預(yù)期的結(jié)果，如“怎樣讓降落傘下降得更慢？”當(dāng)然，真正的科學(xué)家和工程師在做研究時常會同時運(yùn)用科學(xué)模型和工程模型。[1]

作為科學(xué)教師，我們知道學(xué)生已有的科學(xué)知識和生活經(jīng)驗可能會讓科學(xué)學(xué)習(xí)變得更加復(fù)雜和不可預(yù)知，但很少有人知道，這些已有的知識和經(jīng)驗會進(jìn)一步影響他們選擇實驗活動的類型。比如，當(dāng)要求學(xué)生研究影響車速的因素時，他們通常會無意識地選擇工程模型來開展科學(xué)探究——把原本是尋找影響車速因素的科學(xué)模型實驗，變成設(shè)計一輛速度更快的小車的工程模型實驗，長此以往，學(xué)生會認(rèn)為科學(xué)實驗主要是為了獲得某種具體的結(jié)果而不是尋找變量之間的關(guān)系，形成對科學(xué)實驗本質(zhì)的錯誤理解。

有些教師喜歡在課堂上大量使用競賽，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，然而將競賽帶入課堂很容易進(jìn)一步強(qiáng)化工程模型。這樣的項目不應(yīng)該過度使用，而應(yīng)該謹(jǐn)慎地與應(yīng)用科學(xué)模型的活動均衡使用。[1]這意味著教師在把工程思想融入科學(xué)探究活動時，絕不是把原本的科學(xué)模型實驗全部轉(zhuǎn)化成工程模型實驗?zāi)敲春唵?，恰恰相反，正是因為學(xué)生容易傾向于使用工程模型，教師需要有意識地設(shè)計一些能更好地反映科學(xué)實驗本質(zhì)的活動，均衡地、有目的地選擇不同的實驗類型，讓學(xué)生在課堂中理解并熟練運(yùn)用科學(xué)模型實驗和工程模型實驗來解決不同的問題。

3.注重培養(yǎng)證據(jù)意識。

科學(xué)教師通常只要求學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象來回答問題，這種課堂文化迫切需要變革?？茖W(xué)教師的主要任務(wù)并不只是傳授給學(xué)生一些科學(xué)知識，更重要的是提高學(xué)生的科學(xué)思維水平。如果學(xué)生全身心地投入某個科學(xué)探究活動，為的只是尋找并展示支持某個觀點(diǎn)的證據(jù)，那么極有可能固化學(xué)生的思維。因為在這樣的科學(xué)探究中，學(xué)生極有可能對那些不利于自己假設(shè)的證據(jù)視而不見、棄而不用，事實上它們的存在恰恰能夠用來否定自己一開始的假設(shè)和想法。學(xué)生缺乏懷疑和創(chuàng)新精神，其中一個重要原因就在于他們已經(jīng)習(xí)慣于被教師引導(dǎo)著去相信科學(xué)探究只關(guān)注“證明”，而不是懷疑和有理有據(jù)的邏輯推理。

比如：在研究哪些因素會影響物體下落的快慢時，很多教師只是讓學(xué)生做“兩個鐵球同時落地”的實驗，從而得出物體質(zhì)量對下落快慢沒有影響這一結(jié)論，而事實上這一結(jié)論本身就存在著很大的科學(xué)性問題。一個比較合理的方法是讓學(xué)生在更大的范圍內(nèi)討論物體的自由下落問題。教師可以先提出相互矛盾的兩種假設(shè)：（1）物體重量決定其下落速度；（2）物體的大小和形狀決定其下落速度；然后分別讓學(xué)生分組測試這兩種假設(shè)是否正確。有些學(xué)生會在兩個大小相同的膠卷盒中裝入不同重量的東西，這樣就會得出物體重量不影響下落快慢的結(jié)論；有些學(xué)生則用乒乓球和小鋼珠來進(jìn)行比較，很明顯在這種情況下重量的確會起到作用。物體形狀大小的因素所造成的影響也是如此。兩組不同的實驗讓學(xué)生得出兩個截然不同的結(jié)論，而從正反兩個方面尋找證據(jù)的實驗，則有利于引發(fā)學(xué)生頭腦中原有知識和生活經(jīng)驗的碰撞和重組，這時學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下，結(jié)合兩組實驗的測試結(jié)果分析得出正確的結(jié)論：如果物體的形狀大小和其質(zhì)量相比起來非常小，那它的重量就不會影響下落的快慢。

由此可見，尊重證據(jù)不等同于讓學(xué)生通過科學(xué)探究單單尋找支持自己想法的證據(jù)。有時候需要教師通過均衡的實驗設(shè)計，讓學(xué)生去測試互相矛盾的假設(shè)，在這個過程中同時尋找支持和反對某種觀點(diǎn)的證據(jù)，效果反而更好。

4.合理分配探究時間。

既然工程設(shè)計是一個散亂的、非線性的過程，那么學(xué)生要想在一項任務(wù)上獲得成功，往往需要多次嘗試，直到得到符合要求的、滿意的結(jié)果為止。鑒于課堂的時間限制，教師對探究時間的分配和控制就顯得尤為重要。

第一種策略是提高時間的利用率。一般而言，課堂中要留給學(xué)生充足的動手時間，但也并非越多越好。有時，在確定并定義問題環(huán)節(jié)需要讓學(xué)生充分討論，有時為了制訂合理的方案學(xué)生需要進(jìn)行反復(fù)溝通，而后期制作測試的環(huán)節(jié)則可利用課后時間進(jìn)行。這就要求教師根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容對探究基本流程統(tǒng)籌安排，把有限的時間用在最能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提升的活動上。另一種策略是在課程安排允許的情況下，如采用兩節(jié)科學(xué)課連上的形式、增加科學(xué)課的周課時數(shù)、吸引學(xué)生利用課后時間等方法。總而言之，工程設(shè)計不可能“一擊必中”，出現(xiàn)失敗的可能性很大，教師要讓學(xué)生有足夠的時間去嘗試各種解決問題的方案。

工程思想與科學(xué)探究的整合會給科學(xué)課程帶來轉(zhuǎn)變，同時也會對教師提出前所未有的挑戰(zhàn)，教師需要具備必要的技能，設(shè)計出讓學(xué)生潛能最大化發(fā)揮的工程學(xué)習(xí)項目。當(dāng)下，科學(xué)探究的方向已經(jīng)指明，道路就在腳下，前景讓人期待！

【參考文獻(xiàn)】

[1]埃里克·布倫塞爾.在課堂中整合工程和科學(xué)[M].周雅明，等，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2015.