“科-工整合”實踐對初中生工程實踐能力影響的實證研究

曾濤 符吉霞 徐冉冉 宋國際

摘要： 工程實踐能力是工程教育的重要培養(yǎng)目標(biāo)。對科學(xué)整合工程實踐的理論進(jìn)行分析，設(shè)計和實施在初中科學(xué)課程中融入工程實踐活動的教學(xué)實驗。研究表明，科學(xué)整合工程實踐的教學(xué)活動能夠有效提升學(xué)生的工程實踐能力，為進(jìn)一步探索“科-工整合”培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力提出參考性建議。

關(guān)鍵詞： “科-工整合”實踐; 工程實踐能力; 實證研究

文章編號： 10056629（2020）05002306

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

提升學(xué)生工程實踐能力是工程教育的重要目標(biāo)。近年來，工程教育受到各國關(guān)注，從高等教育到基礎(chǔ)教育形成了各具特色的工程教育體系[1]。我國基礎(chǔ)教育長時間存在工程教育缺位的現(xiàn)象，且主要以分科教學(xué)為主，學(xué)科整合教學(xué)實踐相對缺乏。在現(xiàn)有的學(xué)科教育體系中單獨開設(shè)工程教育課程存在一定困難，于是尋求在現(xiàn)行課程中以課程整合形式進(jìn)行工程教育便成為一種可行途徑。Apedoe等[2]在課程實踐的基礎(chǔ)上明確指出，以工程為框架結(jié)合科學(xué)探究活動，學(xué)習(xí)者可以從這樣的整合中得到提升。唐小為等[3]指出，在基礎(chǔ)科學(xué)教育里整合工程實踐能夠幫助學(xué)生打通科學(xué)領(lǐng)域的“思”以及工程領(lǐng)域所強(qiáng)調(diào)的“思”。美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（2013）將工程實踐與科學(xué)實踐并提，并指出了工程設(shè)計與科學(xué)學(xué)習(xí)活動整合的基本途徑[4]?；诖?，本研究嘗試在科學(xué)課堂的探究活動中融入工程實踐（以下簡稱“科-工整合”），以此作為發(fā)展學(xué)生工程實踐能力的基本方式，并進(jìn)一步探索“科-工整合”實踐對學(xué)生工程實踐能力的影響并提出具體策略及建議。

1 科學(xué)整合工程實踐的內(nèi)涵與實施路徑

科學(xué)是解釋世界的理論，強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識和技能的發(fā)展;工程屬于改造世界的實踐，關(guān)注實踐過程的體驗和結(jié)果的形成與優(yōu)化。二者彼此交叉融合，前者的認(rèn)知構(gòu)建可以基于一定的工程情境中，工程實踐也離不開通過科學(xué)認(rèn)識過程來獲得依據(jù)。從本質(zhì)上看，科學(xué)探究與工程實踐都是一個問題解決的過程，都需要經(jīng)歷“面對問題——提出解決方案——驗證——反思結(jié)果”等循環(huán)過程。這些共性為實現(xiàn)二者的整合提供了依據(jù)。通過整合的方式進(jìn)行科學(xué)教育與工程教育，可以將科學(xué)知識構(gòu)建與技能發(fā)展置于特定工程情境中，使得科學(xué)探究教學(xué)更貼近學(xué)生生活、拓展學(xué)生對相關(guān)領(lǐng)域研究成果的了解。在工程實踐活動解決方案的構(gòu)思和執(zhí)行中，逐漸接觸、了解工程領(lǐng)域，發(fā)展學(xué)生在復(fù)雜情境中解決真實問題的能力和思維水平[5]。

科學(xué)整合工程實踐教學(xué)的實施路徑研究包含兩個階段。首先是對工程實踐活動過程模式進(jìn)行探討，其次是對整合了工程實踐的科學(xué)課堂進(jìn)行教學(xué)模式設(shè)計。近年來，課程開發(fā)者為滿足特定的課程目標(biāo)，對科學(xué)整合工程過程模式進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)適。Dankenbring等提出科學(xué)整合工程實踐的八個步驟，分別為： （1）提出問題，明確任務(wù);（2）頭腦風(fēng)暴，設(shè)計解決方案;（3）方案評價;（4）模型構(gòu)建;（5）測試設(shè)計原型，記錄數(shù)據(jù);（6）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和限制評價設(shè)計結(jié)果或方案;（7）設(shè)計成果展示與交流;（8）根據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化設(shè)計[6]。唐小為等[7]從整合目的、內(nèi)容占比和組織交聯(lián)方式三個維度出發(fā)，提出了科學(xué)與工程整合的三種具體思路，即以工程設(shè)計為主的應(yīng)用延伸型、科學(xué)和工程內(nèi)容比重相當(dāng)?shù)墓こ炭蚣苄团c以科學(xué)探究為主的設(shè)計即探究型。

綜上，目前科學(xué)整合工程實踐的教學(xué)模式研究較為成熟，為“科-工整合”實踐提供了方向指引。本研究選取與我國科學(xué)課程、與學(xué)生經(jīng)驗水平相適應(yīng)的工程知識內(nèi)容，明確“工程實踐”素材或情境的選擇來源及要求。按照以工程實踐為主、科學(xué)和工程內(nèi)容比重相當(dāng)以及以科學(xué)探究為主的三種思路，引入Dankenbring等提出的科學(xué)整合工程實踐的步驟，設(shè)計科學(xué)課堂中整合工程實踐的教學(xué)活動。

2 研究設(shè)計

2.1 研究對象

對兩所河北省某市公辦初中8個自然班進(jìn)行一個學(xué)期的科工整合實踐的實證研究，研究被試分為實驗組和對照組。實驗組被試為八年級4個普通班共計136名學(xué)生，其中女生68名，男生68名，采用統(tǒng)一的授課形式。根據(jù)學(xué)生八年級下期末科學(xué)相關(guān)科目測試成績加和進(jìn)行分類，成績處于前15%為學(xué)優(yōu)生，共20人;成績處于后15%為學(xué)困生，共20人;二者之間為學(xué)中生，共96人，并進(jìn)行分類研究。對照組被試為八年級另4個普通班共計142名學(xué)生，進(jìn)行常規(guī)授課并只進(jìn)行前、后測。

2.2 工程實踐能力的評價方案設(shè)計

通過對工程實踐過程模式和環(huán)節(jié)說明的探討，參考美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)和NAEP《技術(shù)和工程素養(yǎng)框架》中技術(shù)與工程素養(yǎng)評價框架的制定視角[8]，按照過程環(huán)節(jié)對工程實踐能力要素進(jìn)行劃分，包括： 構(gòu)思問題能力、知識認(rèn)知能力、方案設(shè)計能力、方案實施能力、數(shù)據(jù)分析與解釋能力、交流與評價能力和優(yōu)化設(shè)計能力。各能力的具體要求與內(nèi)涵見表1。

2.3 教學(xué)方案設(shè)計

對九年義務(wù)教育課本“溶液”“電力與電信”“健康的身體”和“感知與協(xié)調(diào)”四個課題的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行選擇與教學(xué)設(shè)計，在這些章節(jié)中采用三類科學(xué)整合工程的教學(xué)模式，不同類型的教學(xué)主題分布見表3。

2.4 測評方法

采用量化與質(zhì)性相結(jié)合的方式判斷學(xué)生在“科-工整合”實踐中工程實踐能力的發(fā)展。其中，紙筆測驗是本研究主要的評價工具。研究依托科學(xué)課程中工程實踐能力框架，圍繞七項能力要素進(jìn)行試卷編制和前、后測。根據(jù)學(xué)生在相應(yīng)能力中的表現(xiàn)進(jìn)行水平劃分，測驗結(jié)果錄入SPSS Statistics23.0中進(jìn)行處理與定量分析。

此外，結(jié)合課堂觀察、工作單評價等方式對學(xué)生工程實踐能力的發(fā)展進(jìn)行質(zhì)性分析。通過課堂觀察對學(xué)生的方案實施能力、交流與評價能力進(jìn)行記錄。工作單評價作為輔助評價材料，為教學(xué)實踐中學(xué)生工程實踐能力的階段性發(fā)展提供質(zhì)性評價材料。以“電磁門鈴制作”的工作單為例，見表4。

3 結(jié)果與分析

在教學(xué)實驗中，收回實驗組前后測試卷均有效的共計136份，對照組為142份。此外，收回“電磁門鈴制作”工作單1有效份數(shù)為135份，收回“電磁門鈴制作”工作單2有效份數(shù)為129份，收回“潛望鏡制作”工作單有效份數(shù)為132份。工作單評價結(jié)果不錄入量化數(shù)據(jù)處理。

3.1 總體結(jié)果與分析

統(tǒng)計實驗組、對照組總體的前測和后測結(jié)果，見表5、圖1和圖2。在為期一個學(xué)期的教學(xué)實驗后，實驗組學(xué)生總體的前、后測成績差異明顯，各項能力表現(xiàn)出較大幅度的提升。而對照組的學(xué)生進(jìn)行常規(guī)的授課，考慮教材編制中涵蓋少量工程知識、教師在教學(xué)活動中進(jìn)行知識延伸以及學(xué)生課外工程實踐活動體驗等可能因素，對照組學(xué)生總體前、后測成績有所提升。但由于融入的工程知識和工程實踐數(shù)量極少，對照組學(xué)生總體提升幅度較小。

從具體的工程實踐能力要素來看，實驗組學(xué)生工程實踐能力總體提升較大，均值的前后變化表明科學(xué)整合工程教學(xué)活動對學(xué)生工程實踐能力的提升具有促進(jìn)作用。其中構(gòu)思問題能力、方案設(shè)計能力、方案實施能力、數(shù)據(jù)分析與解釋能力和交流與評價能力五項能力要素提升尤為明顯。此外，由于學(xué)生具備一定的科學(xué)知識基礎(chǔ)，實驗組和對照組學(xué)生在教學(xué)實踐前后知識認(rèn)知能力提升幅度不大。

3.2 實驗組三類學(xué)生前測與后測的結(jié)果分析

同時，為了進(jìn)一步了解實驗組學(xué)優(yōu)生、學(xué)中生和學(xué)困生三類學(xué)生在教學(xué)實驗中工程實踐能力的發(fā)展情況，分析三類學(xué)生前、后測成績，用以考察科學(xué)整合工程的課堂教學(xué)對學(xué)生工程實踐能力的影響。結(jié)果表明，學(xué)優(yōu)生、學(xué)中生和學(xué)困生三組學(xué)生的后測成績與前測成績之間存在顯著性差異，結(jié)果見表6。

由表6可知，在“科-工整合”實踐之后，學(xué)優(yōu)生工程實踐能力以及構(gòu)思問題能力、知識認(rèn)知能力、方案設(shè)計能力、方案實施能力、數(shù)據(jù)分析與解釋能力、交流與評價能力等有明顯提升。但在優(yōu)化設(shè)計能力上，前后測不存在顯著性差異，可能是由于一段時間的“科-工整合”實踐教學(xué)活動對基礎(chǔ)較好的學(xué)優(yōu)生的優(yōu)化設(shè)計能力影響較小。

學(xué)中生工程實踐能力以及構(gòu)思問題能力、方案設(shè)計能力、方案實施能力、數(shù)據(jù)分析與解釋能力、交流與評價能力、優(yōu)化設(shè)計能力等能力要素的前測與后測成績存在顯著差異。但學(xué)中生在知識認(rèn)知上不具有顯著性差異，這也說明學(xué)中生的知識認(rèn)知與應(yīng)用方面的表現(xiàn)較弱，在強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科工程實踐的活動中對學(xué)中生的知識認(rèn)知與應(yīng)用方面影響較小。

學(xué)困生工程實踐能力以及構(gòu)思問題能力、方案設(shè)計能力、方案實施能力、數(shù)據(jù)分析與解釋能力、交流與評價能力、優(yōu)化設(shè)計能力等能力要素的前測與后測成績存在顯著性差異。但由于學(xué)困生科學(xué)知識基礎(chǔ)較為薄弱，缺乏對跨學(xué)科知識的理解，在一段時間的“科-工整合”實踐中知識認(rèn)知能力也沒有顯著差異。

可見，“科-工整合”實踐能夠在一定程度上促進(jìn)不同水平學(xué)生工程實踐能力的發(fā)展，但由于學(xué)生基礎(chǔ)不同，因而在具體的工程實踐能力要素上，學(xué)習(xí)效果亦不盡相同。

4 研究結(jié)論與啟示

4.1 研究結(jié)論

（1） 經(jīng)過系統(tǒng)的“科-工整合”實踐教學(xué)活動，不同水平學(xué)生的工程實踐能力整體都得到了明顯提升。按照原先科學(xué)教學(xué)活動安排實施教學(xué)的對照組與進(jìn)行“科-工整合”實踐教學(xué)活動的實驗組學(xué)生的工程實踐能力相比，二者的前測結(jié)果表明學(xué)生工程實踐能力相當(dāng)，但依據(jù)后測結(jié)果可知，進(jìn)行一段時間的“科-工整合”實踐教學(xué)活動后學(xué)生在工程實踐能力上得到更大提升。此外，隨著教學(xué)實踐活動的深入，結(jié)合質(zhì)性分析，學(xué)生的工程實踐能力呈現(xiàn)階段式發(fā)展。

（2） 三類學(xué)生工程實踐能力均有所提升，但七項能力要素提升的側(cè)重點不盡相同。通過對三類學(xué)生工程實踐能力的數(shù)據(jù)分析和訪談分析可知，學(xué)優(yōu)生科學(xué)基礎(chǔ)較好，通過“科-工整合”實踐教學(xué)活動的體驗，增加了對工程領(lǐng)域的了解和工程實踐過程的體驗經(jīng)歷，能夠較完滿地解決問題，工程實踐能力顯著提升;學(xué)中生雖掌握一定的科學(xué)知識與技能，但在實踐過程中難以構(gòu)建問題情境、活動與知識之間的聯(lián)系，通過科學(xué)整合工程教學(xué)活動培養(yǎng)他們從工程的角度深入思考問題，打通“思”與“做”之間的阻礙，工程實踐能力也具有顯著提升;學(xué)困生科學(xué)基礎(chǔ)明顯弱于學(xué)優(yōu)生和學(xué)中生，但在方案設(shè)計能力上與學(xué)優(yōu)生和學(xué)中生差異較小，即在思維表現(xiàn)上與這兩個群體沒有顯著差異?？赡苡捎谠冉虒W(xué)方式不當(dāng)或?qū)茖W(xué)學(xué)習(xí)興趣不足等因素，通過在科學(xué)整合工程教學(xué)活動中設(shè)計學(xué)生較為熟悉的問題情境、體驗工程實踐過程，吸引學(xué)困生這一群體參與到教學(xué)中，對他們工程實踐能力的發(fā)展及科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣產(chǎn)生促進(jìn)作用。

4.2 研究啟示

（1） 對“科-工整合”實踐的教學(xué)理論應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加強(qiáng)，進(jìn)一步完善跨學(xué)科課程建設(shè)。我國現(xiàn)階段的基礎(chǔ)教育工程實踐活動的開展還存在一定的困難，不能一味照搬國外教學(xué)經(jīng)驗，要重視本土教育的背景情況，對國外工程教育的經(jīng)驗有選擇性地吸收，通過不斷的實證研究，發(fā)現(xiàn)我國開展“科-工整合”的薄弱環(huán)節(jié)。需要強(qiáng)化理論研究，結(jié)合實證研究，逐步形成符合我國國情的“科-工整合”課程體系，將課程研究轉(zhuǎn)化為能夠指導(dǎo)教師開展教學(xué)活動的課程開發(fā)、教學(xué)方法和教學(xué)組織形式等的研究基礎(chǔ)。

（2） “科-工整合”教學(xué)研究還應(yīng)進(jìn)一步構(gòu)建教學(xué)模式，豐富教學(xué)手段，并采取多樣化的評價方式。研究中通過多樣化的教學(xué)評價方式，如紙筆測驗、課堂觀察以及工作單等綜合分析學(xué)生工程實踐能力的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生很難區(qū)分同一工程核心概念下不同工程內(nèi)容的區(qū)別與聯(lián)系，對于工程知識的理解仍較淺。教師應(yīng)加強(qiáng)對“科-工整合”理論知識的研究，并在教學(xué)實踐中逐步開展工程設(shè)計活動，形成具有實踐操作性的教學(xué)模式。同時，建構(gòu)多樣化的教學(xué)手段，有效推進(jìn)跨學(xué)科工程實踐活動的落實。要認(rèn)識不同學(xué)生在工程實踐活動中工程實踐能力提升的差異性，有針對性地補(bǔ)充相關(guān)知識，對不同水平的學(xué)生采取不同的引導(dǎo)方式。要認(rèn)識到通過多種研究工具以及全面觀測方案，才能最大限度地了解學(xué)生工程實踐能力的發(fā)展情況，為后面的教學(xué)實踐活動提供一定的教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)反饋。

（3） 注重教師隊伍建設(shè)，增進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗。工程教育是教育活動中的獨立分支，不是科學(xué)教育或技術(shù)教育中的衍生品。結(jié)合對相關(guān)教師的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分教師對于科學(xué)教育、工程教育的本質(zhì)把握不清，對于“科-工整合”理論的認(rèn)識也存在一定的偏差，這也就導(dǎo)致跨學(xué)科工程實踐活動的有效實施存在困難。要注意構(gòu)建高校、課程機(jī)構(gòu)和學(xué)校機(jī)構(gòu)三位一體的教師培養(yǎng)體系，為教師的教學(xué)發(fā)展提供一定的學(xué)習(xí)平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁劍波， 鄭健龍. 工程實踐能力： 培養(yǎng)應(yīng)用型人才的關(guān)鍵[J]. 高等工程教育研究， 2002， （3）： 35～37

[2]Apedoe X.S.， Reynolds B.， Ellefson M.R.， & Schunn C.D.. Bringing engineering design into high school science classrooms： the heating/cooling unit [J]. Journal of Science Education and Technology， 2008， 17（5）： 454～465.

[3][7]唐小為， 王唯真. 整合STEM發(fā)展我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的有效路徑分析[J]. 教育研究， 2014， （9）： 61～68.

[4]郭玉英， 姚建欣， 彭征. 美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》述評[J]. 課程·教材·教法， 2013， （8）： 118～127.

[5]占小紅. 工程實踐融入基礎(chǔ)科學(xué)教育： 內(nèi)涵、目標(biāo)與路徑[J]. 基礎(chǔ)教育， 2017， 14（3）： 45～49， 59.

[6]Younkyeong Nam， SunJu Lee， SeoungHey Paik. The Impact of Engineering Integrated Science （EIS） Curricula on FirstYear Technical High School Students Attitudes toward Science and Perceptions of Engineering [J]. Eurasia Journal of Mathematics， Science & Technology Education. 2016， 12（7）： 1881～1907.

[8]NAEP. 2014 abridged technology and engineering literacy framework. Retrieved from http：//iucat.iu.edu/iupui/13455870.