工程实践活动影响中学生跨学科实践创新能力的实证研究

占小红, 徐冉冉, 符吉霞, 宋 蕊

(1.3.4华东师范大学教师教育学院, 上海 200062；2.上海市杨浦区青少年科技站, 上海 200082 )

一、引言

跨学科实践创新能力是21世纪学习的重要能力[1]，被广泛认为是推动创新的最重要的因素。目前跨学科实践创新能力的培养有两条基本思路，一是从综合实践活动入手，利用综合实践活动课程培养学生的问题解决、创新、合作与交流等素养；二是研发和实施一些注重学科融合、有利于学生跨学科实践创新的选修课程[2]。但我国的学校教育一直以学科教学为主，由于高考的导向性作用，在中小学中，小学科学、劳技，高中通用技术以及科技活动课程发展相对薄弱，而庞大的学生基数、不均衡的师资力量也导致了依托学校特色课程发展学生跨学科实践创新能力的可行性降低。

2013年美国颁布的《新一代科学教育标准》(以下简称“新标准”)中前所未有地将“科学与工程实践”引入K-12科学教育，以跨学科思维来整合各学科的核心概念，建立起科学与工程实践相结合的、新的人才培养路径[3][4][5]。由于我国基础教育阶段跨学科课程经验的缺乏和中小学减负呼声的影响，并且在现有基础教育体系中单独设置课程开展跨学科实践创新教育存在一定困难的情况下，美国科学教育“新标准”引入工程实践活动的思路对我国培养中学生跨学科实践创新能力具有重要启示。

二、跨学科实践创新能力的内涵、构成及水平

朱智贤在《心理学大词典》中把创新能力定义为：“根据一定目的和任务，运用一切已知信息，开展能动思维活动，产生出某种新颖、独特、有社会或个人价值产品的智力品质，这里的产品是指以某种形式存在的思维成果。它既可以是一种新概念、新设想、新理论，也可以是一项新技术、新工艺、新产品。[6]”据此，所谓中学生跨学科实践创新能力是指在某些创造活动中，凭借个性品质的支持，利用已有的跨学科、跨领域的知识和经验，新颖而独特地解决问题，产生出有价值的新思想、新方法和新成果的本领。中学生的跨学科实践创新能力的培养，就是一种在多学科融合下，对创造性思维、发现及解决问题的能力等方面的培养过程。本研究通过在中学科学课程中整合工程，即在科学学习过程中融入工程实践活动来培养学生的跨学科实践创新能力。工程实践是基于一定的科学、数学知识与技术手段，通过“开发、改造、生产”等实践环节来生产迎合社会需要的人工产物的过程[7]。在科学学习中融入工程实践的意义在于：一方面，为课堂提供更加真实和有现实意义的案例，帮助学生更好地适应多学科综合的一些复杂的问题，可以贯通科学知识、基础工程知识以及数学、技术知识学习的通道，促成学生跨学科视野的形成。另一方面，帮助学生初步了解工程实践过程，发展运用相关学科知识创造性地解决问题的实践能力。

跨学科实践创新能力作为一种复杂的综合性问题解决能力，基于工程实践活动的跨学科实践创新能力培养尤为强调“开发、改造、生产”的工程实践过程体验。本研究通过对科学整合工程背景下的工程实践过程模式的探讨，以外在活动为跨学科实践创新能力要素构建的显性表征来确定能力要素。在分析美国2011年颁布的《K-12科学教育的框架：实践、交叉概念以及核心观念》中的工程实践活动过程模式基础上，结合典型科学整合工程教学案例中的工程实践过程，提出了与中学阶段相适应的工程实践环节：①构思问题；②跨学科知识理解与运用；③设计解决方案；④创建模型或原型；⑤收集、分析与解释数据；⑥交流与评价；⑦迭代循环，优化设计[8]。进一步参考“新标准”和NAEP《技术和工程素养框架》[9]中技术与工程素养评价框架的制定视角，按照上述过程环节对跨学科实践创新能力进行要素划分，包括：

(1)构思问题能力。构思是在想象中形成并通过作品的内容和形式体现的一种整体观念。“构思问题”即学生在实践活动前明确活动目的、思考可能的限制因素。

(2)跨学科知识认知能力。在构思问题的基础上，理解多学科知识与工程实践之间的关系以及如何将相关领域的知识进行迁移应用。

(3)方案设计能力。设计是在合理规划的基础上，将构想通过有创造性的造物过程实现。“方案设计”是针对一些已存在或可预见的问题和需求，通过头脑风暴权衡功能设计、技术可行性、成本、安全性、美学等一系列条件，对方案进行多种可能性思考，合理规划而完成具体方案，或在多种可行的解决方案中进行比较与最优化选择。

(4)方案实施(创建模型或原型)能力。模型或原型是工程师通过问题推理，采用图表等表征形式，对解决方案进行物化的过程。对于中学生而言，需要借助材料和仪器，根据已有设计方案完成模型或实物的制作。

(5)收集、分析与解释数据能力。通过对模型或实物进行测试，收集、整理、描述和分析数据，将数据处理结果用于比较与衡量解决方案对特定设计标准的满足程度，为方案的可实施性提供有效佐证。

(6)交流与评价能力。通过与他人交流和讨论解决方案的可行性和目标实现程度，收集他人对解决方案的评价意见及改进思路，为方案优化提供参考。

(7)优化设计能力。结合实践过程中收集的有效数据和交流环节中获得的反馈，对原有设计进行修改与调整，通过“设计-实践”的循环过程进一步满足设计需要。

以上基于工程实践环节对跨学科实践创新能力要素进行了提炼。为了使跨学科实践创新能力培养更具规范性和标准化，为了更好地评估中学生跨学科实践创新能力的发展，本研究参考的NAEP《技术与工程素养评价框架》的制定思路，对跨学科实践创新能力要素进行三水平划分，划分依据和具体表现见表1。

表1 跨学科实践创新能力要素的水平表现

三、研究设计

(一) 研究问题

本研究旨在对两所上海市公办初中8个自然班进行一个学期的科学课程整合工程实践的实证研究，主要回答以下问题：(1)科学课程中的工程实践活动能否有效培养中学生的跨学科实践创新能力？如果能，表现在哪些方面？(2)科学整合工程实践的教学活动中哪些因素影响中学生跨学科实践创新能力的发展？

(二) 研究对象

研究被试分为实验组和对照组。实验组被试为上海市市区某初级中学七年级四个普通班学生共计136名学生，其中女生68名，男生68名，采用统一的授课形式。根据学生六年级第二学期期末科学测试成绩对被试进行了分类，科学成绩处于前15%为学优生，共20人；科学成绩处于后15%为学困生，共20人；二者之间为学中生，共96人。对照组被试为上海市市区另一所初级中学七年级学生共计146名学生，只进行相应的时间段的前、后测，无教学干预。

(三) 跨学科实践创新能力测评方案设计

本研究考虑到跨学科实践创新能力测评的特殊性，采用多种评价手段并行的思路，选取了纸笔测验、课堂观察和活动单评价三种方法。纸笔测验的结果为学生跨学科实践创新能力发展的主要判断依据；课堂观察用于了解学生在实践活动中方案实施能力和交流与评价能力的发展，弥补纸笔测验在“操作”和“交流”等方面测量的不足；活动单评价作为辅助评价材料，为说明学生跨学科实践创新能力的阶段性发展提供佐证，测定结果不作定量分析。

为了说明课堂观察和活动单测评方式，表2呈现了“电铃制作”教学主题中使用的课堂观察和活动单测评方案，根据前文设计的跨学科实践创新能力要素及水平标准，形成了学生在该课例中各能力要素不同水平所对应的活动表现作为测评的直接依据，并设计相应的考察与赋分方式。

表2 “电铃制作”教学主题中跨学科实践创新能力测评方案

(四) 教学实验方案设计

1.中学科学整合工程的内容框架设计

选择怎样的“工程知识”和“工程实践任务”与科学课程进行统整是科学整合工程的重要方面。本研究参考由NCETE资助研究提出的13个“适于K-12科学课程整合的工程教育”的工程核心概念的框架[10]，并深入分析了我国义务教育科学课程标准及上海地区七年级第一学期科学教材等文本，提出了和学生知识经验水平相适应、与科学主题相关联的工程知识框架(涉及的数学、技术知识略)，具体见表3。

关于科学课程中选取怎样的“工程实践任务”，NGSS中构建了各年级“科学与工程实践”的实践水平并提供了各种具体情境，强调“工程实践”需要综合考虑学生的生活经验、任务的复杂度和陌生度等因素，尤其强调与科学教学主题的适应性[11]。本研究以上海地区七年级第一学期科学课程为基础，提出了如表3所示的“工程实践任务”，为初中科学整合工程实践的教学方案设计提供了内容来源。

2.中学科学整合工程的教学方案设计

本研究针对发展中学生跨学科实践创新能力的核心目标，进一步调整现有科学整合工程的教学模式[12]，教学中以适时穿插相关工程内容和工程实践为主；在少量的主题课堂中有针对性地开展完整的工程实践教学活动。根据七年级第一学期科学课程中的科学主题以及前文设置的相关工程知识和工程实践任务，结合教学主题的学习要求和课时要求，对“身边的溶液”、“电力与电信”、“健康的身体”和“感知与协调”四章的内容主题进行了科学整合工程的教学模式选择和具体教学方案设计(见表3)。

表3 七年级第一学期科学课程中整合的工程知识、工程实践和教学模式

四、教学实施与数据采集

2017年9月初至2018年2月中旬，课题组对所选初中学校4个实验班、共计136名学生开展了科学课程整合工程实践发展中学生跨学科实践创新能力的正式研究。课题组通过入校组织专题研讨等方式对四个班级的任教老师进行指导，确保实施方向。在研究过程中，课题组采用跨学科实践创新能力前后测、活动单评价及课堂观察等方法取得数据，进行定量和定性的分析。

在教学实验过程中，受一些非人为因素影响，部分学生的试卷或活动单缺失。实验组前、后测试卷均有效且对应收回的试卷数共计136份；电铃制作活动单1收回有效份数135份，电铃制作活动单2收回有效份数129份，潜望镜制作活动单收回有效份数132份。对照组前、后测试卷均有效且对应收回的试卷数共计142份。

五、结果与分析

(一) 前测结果与分析

表4、表5、表6、表7呈现了跨学科实践创新能力七个子能力的前测统计结果，从平均值来看，构思问题、交流与评价以及优化设计能力水平相对较低，均值低于1(表4)；七个子能力之间呈现显著性相关(表5)；前测中实验组与对照组的七个子能力水平之间不存在显著差异(表6)。

表4 前测中七个子能力水平的描述性统计结果

表5 前测中七个子能力的相关分析

表6 前测中实验组和对照组七个子能力水平的差异性分析

(二) 后测结果与分析

表7、表8、表9呈现了跨学科实践创新能力七个子能力的后测统计结果，从平均值来看，各子能力水平提升明显，交流与评价能力以及优化设计能力水平仍相对较低，均值在1左右(表7)；后测中七个子能力的相关性强于前测(表8)；后测中实验组与对照组的七个子能力水平之间存在显著差异(表9)。

表7 后测中七个子能力水平的描述性统计结果

表8 后测中七个子能力的相关分析

表9 后测中实验组和对照组七个子能力水平的差异性分析

(三) 前、后测结果的综合分析

对前、后测结果进行综合分析，由表10和图1的统计结果可以发现，前后测与组别的交互作用显著，表明科学整合工程实践的教学活动对学生跨学科实践创新能力发展具有积极作用；但前后测与学生水平，组别与学生水平，组别、学生水平与前后测的交互作用不显著，可见科学整合工程实践的教学活动对不同水平学生跨学科实践创新能力发展的影响差异不显著。

图2为实验组三类学生前、后测中跨学科实践创新能力各项子能力上的表现雷达图，可以看到，经历1个学期的科学整合工程实践教学实验组三类学生7个子能力的发展是明显而且全面的，但其中对学优生的优化设计能力，以及对学中生、学困生的跨学科知识认知能力提升相对不明显。

表10 前后测结果的综合分析

图1 不同组别、不同水平学生的各项子能力的前后测对比图

图2 实验组三类学生前、后测跨学科实践创新能力要素表现雷达图

六、研究结论

本研究针对中学科学整合工程实践教学中学生跨学科实践创新能力的发展进行实证研究，探索科学整合工程实践教学的可行性及有效性。通过对实验组、对照组以及各组三类学生测评数据的统计分析形成如下结论：

(1)学生跨学科实践创新能力要素整体提升明显。教学实验后，实验组的七项跨学科实践创新能力要素水平均有明显提升，与对照组的测试结果之间存在显著性差异，表明科学整合工程实践教学活动对学生跨学科实践创新能力的发展具有促进作用。

(2)科学整合工程实践对不同水平学生跨学科实践创新能力发展的影响不存在显著性差异。在科学整合工程实践对学生跨学科实践创新能力产生积极影响的情况下，进一步分析发现不同水平的学生跨学科实践创新能力要素的发展并不存在显著性差异，但在特定能力要素上呈现一定的差异性。具体而言，学优生在跨学科知识认知能力的提升效果较为明显，而学中生和学困生在该要素上变化并不显著，表明学优生更适于通过经历真实复杂问题解决过程，实现对知识的理解内化及综合应用；在优化设计要素上，学中生和学困生的变化相对明显，而学优生影响不突出，原因在于优化设计能力要求相对较高，需要学生多角度思考优化方向和具体方案，不断循环往复实现设计目标，学优生实现质的提升需要更长时间的活动浸润，而学困生和学中生从最初的没有头绪到逐步有了思考方向和基本思路，进步明显。

七、研究启示

目前，学界有关创新的理论研究程度相对较高，但对教学实践中的可操作性和普适性的问题的研究相对薄弱，也未能兼顾到理论研究和实践研究的同步性和适切性，从而削弱了对中学生创新能力培育的实际指导。特别是在探讨基础教育阶段具体活动方式对学生创新能力发展所产生的影响的研究比较少。本研究基于跨学科实践创新能力的内涵与核心特质，从探索培养方式的视角出发统观基础教育阶段学生在学校所接受的整体教育情况，从现有课程相互配合和有效衔接的局限性和可行性层面来设计和实施了科学课程整合工程实践的方式推动中学生跨学科实践创新能力培养的探索。实验结果表明：科学课程整合工程实践对中学生跨学科实践创新能力的培养具有积极的影响，大部分学生对此类STEM教育实践学习活动持认可态度。这些成果初步表明此种方式可以作为中学生跨学科实践创新能力培养的一种参考。

对科学课程中整合工程实践培育中学生跨学科实践创新能力还需进一步理清如下的重点和方向：

(一) 加强科学整合工程实践的课程研究

随着STEM教育理念的引入和美国新标准中“科学和工程实践”思想的深入研究，近年来，国内外有关科学整合工程实践培养创新人才的理论研究和教学实践日益丰富。然而，对国内相关文献及实践课例的学习整理可以发现，相关的理论研究和实践研究都比较薄弱。目前，国内没有科学整合工程实践的课程指导性文件，基础教育阶段科学相关的各学科课程标准内容尚未反映科学整合工程实践的理念、目标和教学设计。现阶段教师在开展科学整合工程的教学实践时仍存在普遍误解，认为只要包含动手实践的过程就是科学整合工程实践，相关教学设计存在照搬国外经验、自主开发较弱的情况。

为此，需要理清工程实践活动与跨学科实践创新能力培养的内在关系机制,进一步明确建立特定学段、特定科学课程相适应的跨学科实践创新能力发展目标，并将科学整合工程实践的课程研究转化为指导教师开展工程实践教学活动的课程开发、教学方法和内容组织等的研究基础，为教学设计与实施提供重要的引领。

(二) 建立跨学科内容选择的依据和整合思路

跨学科内容选择和整合是开展科学整合工程实践的关键。已有研究中对科学课程中引入工程、数学及技术知识的讨论不多。Rodney L等人围绕“工程和技术文件中主要的历史和哲学”、“识别工程和技术成果的调查研究”等主题形成的工程核心概念复合列表，为开展基础阶段工程实践教学的知识框架提供了重要的参考。NCETE2011年开始又有针对性地征集与工程实践相关的主题或素材，并于2013年对课程标准中各年级“科学与工程实践”的水平进行具体情境的补充。在政策文本研制和课程开发经验有所积累的情况下，研究者不断反思和探索，围绕学生的兴趣、相关经验、能力发展等角度提出科学课程整合工程实践的跨学科内容选择和整合思路。可见，随着研究的深入，跨学科内容选取和整合的视角越来越多元和强调规范及策略。然而，对现有研究成果的整理可以发现，通过资料整理和调查的方式构建内容框架，理论依据不足且缺乏实证检验；内容整合策略较为零散，尚未形成系统化的内容选择依据和整合思路。

本研究参考NCETE工程核心概念框架和七年级科学教材内容，考虑该阶段学生认知需求和经验水平构建科学整合工程的知识框架，据此设计科学整合工程实践的教学活动并付诸实施和效果检验。但通过课堂观察和测试结果发现，部分学生表示难以理解、区分同一工程核心概念下不同工程内容间的区别与联系，对工程知识、技术知识的理解较浅。针对上述情况，首先需要明确基础教育阶段科学整合工程的知识框架与任务素材的选择主要依赖于教师对现行科学课程内容以及学生经验基础的把握；其次教师需要建立工程、数学、技术等跨学科内容与科学知识主题相适应、工程实践任务陌生度和复杂性与学生经验水平相适应的内容选择原则，避免造成知识的认知冲突和负担；再次，利用教师解读、举例说明和活动体验等丰富的跨学科内容呈现方式，为学生创造跨学科知识理解和运用的契机，并可针对不同群体的认知需求，对知识呈现方式进行适应性调整。

(三) 检视与创新科学整合工程实践教学模式

将理论层面的科学整合工程实践落实到具体的教学活动中，在课堂上开展工程实践活动，需要进行整合视角下的科学课堂教学模式革新。本研究采用的三种科学整合工程的课堂教学模式，主要是从内容和实践两种元素出发加以类型化，便于实践操作和控制要求。在教学实验基础上，我们发现，不同类型的教学模式应用需要形成整体规划，尤其需要考虑有针对性地设置工程实践片段融入型和工程实践完整型，以帮助学生既能循序渐进了解工程实践各环节的要求和实施策略，又能丰富对工程实践的整体性体验和认识。还需强化探究性、启发性问题及线索的设计，尤其在方案设计、交流与评价、迭代优化等更为强调开放性和自主性的环节中给予必要的启发和指导，使得学生了解思考和分析的方向，能真实有效地经历辨析、研究和评估工程数据，不断修正实践的过程，切实提升学生的创新实践能力。与此同时，也不拘泥于上述三类模式，可以从教学实际出发，针对学生的需求和教学目标对教学模式进行细化调整和变形，也可以进行多元视角下科学整合工程实践的教学实施方式探索[13]。

(四) 提升科学教师开展工程实践教学能力

教师作为教学活动的策划者、教学过程的调控者、课程资源的开发者和学生发展的促进者，在教学活动中具有举足轻重的地位。科学课程整合工程实践不能简单地认为是工程、技术等学科领域教育或科学教育的衍生品，迫切需要提供教师主动探索和挖掘专业教育过程中的创新要素和训练学生创新意识和思维的教学能力[14]。

目前，基于工程实践的跨学科实践创新教育主要局限在大学这一相对独立的场域内，校外青少年创新教育研究或培训机构仅为少数群体提供指导和培育服务，而广大中小学校教师相关的教学经验极其匮乏。为此，可以尝试构建高校、校外机构和学校教育三位一体的教师培养体系，为学校教师提供理论指导与课例模仿的学习平台。构建高校与中小学校教学的桥梁，实现高校对相关教师进行理论培训和教学指导；现有校外创新教育研究或培训机构为学校教师提供真实案例的体验，教师在培训的过程中，实现由模仿向自主设计的转变。教师通过实际教学和反思总结不断优化经验，尽可能通过工程实践活动指导学生的过程中所使用的教学方法和话语模式对学生的认知思维和行为产生直接或间接的影响,使学生的知识转化与创造能力在内化、社会化、组合化、外化的过程中得到不断的增强[15]。