“科-工整合”实践对初中生工程实践能力影响的实证研究

曾涛 符吉霞 徐冉冉 宋国际

摘要： 工程实践能力是工程教育的重要培养目标。对科学整合工程实践的理论进行分析，设计和实施在初中科学课程中融入工程实践活动的教学实验。研究表明，科学整合工程实践的教学活动能够有效提升学生的工程实践能力，为进一步探索“科-工整合”培养学生的工程实践能力提出参考性建议。

关键词： “科-工整合”实践; 工程实践能力; 实证研究

文章编号： 10056629（2020）05002306

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

提升学生工程实践能力是工程教育的重要目标。近年来，工程教育受到各国关注，从高等教育到基础教育形成了各具特色的工程教育体系[1]。我国基础教育长时间存在工程教育缺位的现象，且主要以分科教学为主，学科整合教学实践相对缺乏。在现有的学科教育体系中单独开设工程教育课程存在一定困难，于是寻求在现行课程中以课程整合形式进行工程教育便成为一种可行途径。Apedoe等[2]在课程实践的基础上明确指出，以工程为框架结合科学探究活动，学习者可以从这样的整合中得到提升。唐小为等[3]指出，在基础科学教育里整合工程实践能够帮助学生打通科学领域的“思”以及工程领域所强调的“思”。美国新一代科学教育标准（2013）将工程实践与科学实践并提，并指出了工程设计与科学学习活动整合的基本途径[4]。基于此，本研究尝试在科学课堂的探究活动中融入工程实践（以下简称“科-工整合”），以此作为发展学生工程实践能力的基本方式，并进一步探索“科-工整合”实践对学生工程实践能力的影响并提出具体策略及建议。

1 科学整合工程实践的内涵与实施路径

科学是解释世界的理论，强调科学知识和技能的发展;工程属于改造世界的实践，关注实践过程的体验和结果的形成与优化。二者彼此交叉融合，前者的认知构建可以基于一定的工程情境中，工程实践也离不开通过科学认识过程来获得依据。从本质上看，科学探究与工程实践都是一个问题解决的过程，都需要经历“面对问题——提出解决方案——验证——反思结果”等循环过程。这些共性为实现二者的整合提供了依据。通过整合的方式进行科学教育与工程教育，可以将科学知识构建与技能发展置于特定工程情境中，使得科学探究教学更贴近学生生活、拓展学生对相关领域研究成果的了解。在工程实践活动解决方案的构思和执行中，逐渐接触、了解工程领域，发展学生在复杂情境中解决真实问题的能力和思维水平[5]。

科学整合工程实践教学的实施路径研究包含两个阶段。首先是对工程实践活动过程模式进行探讨，其次是对整合了工程实践的科学课堂进行教学模式设计。近年来，课程开发者为满足特定的课程目标，对科学整合工程过程模式进行了相应调适。Dankenbring等提出科学整合工程实践的八个步骤，分别为： （1）提出问题，明确任务;（2）头脑风暴，设计解决方案;（3）方案评价;（4）模型构建;（5）测试设计原型，记录数据;（6）根据标准和限制评价设计结果或方案;（7）设计成果展示与交流;（8）根据测试结果优化设计[6]。唐小为等[7]从整合目的、内容占比和组织交联方式三个维度出发，提出了科学与工程整合的三种具体思路，即以工程设计为主的应用延伸型、科学和工程内容比重相当的工程框架型与以科学探究为主的设计即探究型。

综上，目前科学整合工程实践的教学模式研究较为成熟，为“科-工整合”实践提供了方向指引。本研究选取与我国科学课程、与学生经验水平相适应的工程知识内容，明确“工程实践”素材或情境的选择来源及要求。按照以工程实践为主、科学和工程内容比重相当以及以科学探究为主的三种思路，引入Dankenbring等提出的科学整合工程实践的步骤，设计科学课堂中整合工程实践的教学活动。

2 研究设计

2.1 研究对象

对两所河北省某市公办初中8个自然班进行一个学期的科工整合实践的实证研究，研究被試分为实验组和对照组。实验组被试为八年级4个普通班共计136名学生，其中女生68名，男生68名，采用统一的授课形式。根据学生八年级下期末科学相关科目测试成绩加和进行分类，成绩处于前15%为学优生，共20人;成绩处于后15%为学困生，共20人;二者之间为学中生，共96人，并进行分类研究。对照组被试为八年级另4个普通班共计142名学生，进行常规授课并只进行前、后测。

2.2 工程实践能力的评价方案设计

通过对工程实践过程模式和环节说明的探讨，参考美国新一代科学教育标准和NAEP《技术和工程素养框架》中技术与工程素养评价框架的制定视角[8]，按照过程环节对工程实践能力要素进行划分，包括： 构思问题能力、知识认知能力、方案设计能力、方案实施能力、数据分析与解释能力、交流与评价能力和优化设计能力。各能力的具体要求与内涵见表1。

2.3 教学方案设计

对九年义务教育课本“溶液”“电力与电信”“健康的身体”和“感知与协调”四个课题的学习内容进行选择与教学设计，在这些章节中采用三类科学整合工程的教学模式，不同类型的教学主题分布见表3。

2.4 测评方法

采用量化与质性相结合的方式判断学生在“科-工整合”实践中工程实践能力的发展。其中，纸笔测验是本研究主要的评价工具。研究依托科学课程中工程实践能力框架，围绕七项能力要素进行试卷编制和前、后测。根据学生在相应能力中的表现进行水平划分，测验结果录入SPSS Statistics23.0中进行处理与定量分析。

此外，结合课堂观察、工作单评价等方式对学生工程实践能力的发展进行质性分析。通过课堂观察对学生的方案实施能力、交流与评价能力进行记录。工作单评价作为辅助评价材料，为教学实践中学生工程实践能力的阶段性发展提供质性评价材料。以“电磁门铃制作”的工作单为例，见表4。

3 结果与分析

在教学实验中，收回实验组前后测试卷均有效的共计136份，对照组为142份。此外，收回“电磁门铃制作”工作单1有效份数为135份，收回“电磁门铃制作”工作单2有效份数为129份，收回“潜望镜制作”工作单有效份数为132份。工作单评价结果不录入量化数据处理。

3.1 总体结果与分析

统计实验组、对照组总体的前测和后测结果，见表5、图1和图2。在为期一个学期的教学实验后，实验组学生总体的前、后测成绩差异明显，各项能力表现出较大幅度的提升。而对照组的学生进行常规的授课，考虑教材编制中涵盖少量工程知识、教师在教学活动中进行知识延伸以及学生课外工程实践活动体验等可能因素，对照组学生总体前、后测成绩有所提升。但由于融入的工程知识和工程实践数量极少，对照组学生总体提升幅度较小。

从具体的工程实践能力要素来看，实验组学生工程实践能力总体提升较大，均值的前后变化表明科学整合工程教学活动对学生工程实践能力的提升具有促进作用。其中构思问题能力、方案设计能力、方案实施能力、数据分析与解释能力和交流与评价能力五项能力要素提升尤为明显。此外，由于学生具备一定的科学知识基础，实验组和对照组学生在教学实践前后知识认知能力提升幅度不大。

3.2 实验组三类学生前测与后测的结果分析

同时，为了进一步了解实验组学优生、学中生和学困生三类学生在教学实验中工程实践能力的发展情况，分析三类学生前、后测成绩，用以考察科学整合工程的课堂教学对学生工程实践能力的影响。结果表明，学优生、学中生和学困生三组学生的后测成绩与前测成绩之间存在显著性差异，结果见表6。

由表6可知，在“科-工整合”实践之后，学优生工程实践能力以及构思问题能力、知识认知能力、方案设计能力、方案实施能力、数据分析与解释能力、交流与评价能力等有明显提升。但在优化设计能力上，前后测不存在显著性差异，可能是由于一段时间的“科-工整合”实践教学活动对基础较好的学优生的优化设计能力影响较小。

学中生工程实践能力以及构思问题能力、方案设计能力、方案实施能力、数据分析与解释能力、交流与评价能力、优化设计能力等能力要素的前测与后测成绩存在显著差异。但学中生在知识认知上不具有显著性差异，这也说明学中生的知识认知与应用方面的表现较弱，在强调跨学科工程实践的活动中对学中生的知识认知与应用方面影响较小。

学困生工程实践能力以及构思问题能力、方案设计能力、方案实施能力、数据分析与解释能力、交流与评价能力、优化设计能力等能力要素的前测与后测成绩存在显著性差异。但由于学困生科学知识基础较为薄弱，缺乏对跨学科知识的理解，在一段时间的“科-工整合”实践中知识认知能力也没有显著差异。

可见，“科-工整合”实践能够在一定程度上促进不同水平学生工程实践能力的发展，但由于学生基础不同，因而在具体的工程实践能力要素上，学习效果亦不尽相同。

4 研究结论与启示

4.1 研究结论

（1） 经过系统的“科-工整合”实践教学活动，不同水平学生的工程实践能力整体都得到了明显提升。按照原先科学教学活动安排实施教学的对照组与进行“科-工整合”实践教学活动的实验组学生的工程实践能力相比，二者的前测结果表明学生工程实践能力相当，但依据后测结果可知，进行一段时间的“科-工整合”实践教学活动后学生在工程实践能力上得到更大提升。此外，随着教学实践活动的深入，结合质性分析，学生的工程实践能力呈现阶段式发展。

（2） 三类学生工程实践能力均有所提升，但七项能力要素提升的侧重点不尽相同。通过对三类学生工程实践能力的数据分析和访谈分析可知，学优生科学基础较好，通过“科-工整合”实践教学活动的体验，增加了对工程领域的了解和工程实践过程的体验经历，能够较完满地解决问题，工程实践能力显著提升;学中生虽掌握一定的科学知识与技能，但在实践过程中难以构建问题情境、活动与知识之間的联系，通过科学整合工程教学活动培养他们从工程的角度深入思考问题，打通“思”与“做”之间的阻碍，工程实践能力也具有显著提升;学困生科学基础明显弱于学优生和学中生，但在方案设计能力上与学优生和学中生差异较小，即在思维表现上与这两个群体没有显著差异。可能由于原先教学方式不当或对科学学习兴趣不足等因素，通过在科学整合工程教学活动中设计学生较为熟悉的问题情境、体验工程实践过程，吸引学困生这一群体参与到教学中，对他们工程实践能力的发展及科学学习的兴趣产生促进作用。

4.2 研究启示

（1） 对“科-工整合”实践的教学理论应当继续加强，进一步完善跨学科课程建设。我国现阶段的基础教育工程实践活动的开展还存在一定的困难，不能一味照搬国外教学经验，要重视本土教育的背景情况，对国外工程教育的经验有选择性地吸收，通过不断的实证研究，发现我国开展“科-工整合”的薄弱环节。需要强化理论研究，结合实证研究，逐步形成符合我国国情的“科-工整合”课程体系，将课程研究转化为能够指导教师开展教学活动的课程开发、教学方法和教学组织形式等的研究基础。

（2） “科-工整合”教学研究还应进一步构建教学模式，丰富教学手段，并采取多样化的评价方式。研究中通过多样化的教学评价方式，如纸笔测验、课堂观察以及工作单等综合分析学生工程实践能力的发展情况，发现学生很难区分同一工程核心概念下不同工程内容的区别与联系，对于工程知识的理解仍较浅。教师应加强对“科-工整合”理论知识的研究，并在教学实践中逐步开展工程设计活动，形成具有实践操作性的教学模式。同时，建构多样化的教学手段，有效推进跨学科工程实践活动的落实。要认识不同学生在工程实践活动中工程实践能力提升的差异性，有针对性地补充相关知识，对不同水平的学生采取不同的引导方式。要认识到通过多种研究工具以及全面观测方案，才能最大限度地了解学生工程实践能力的发展情况，为后面的教学实践活动提供一定的教学经验和教学反馈。

（3） 注重教师队伍建设，增进教学经验。工程教育是教育活动中的独立分支，不是科学教育或技术教育中的衍生品。结合对相关教师的调查发现，部分教师对于科学教育、工程教育的本质把握不清，对于“科-工整合”理论的认识也存在一定的偏差，这也就导致跨学科工程实践活动的有效实施存在困难。要注意构建高校、课程机构和学校机构三位一体的教师培养体系，为教师的教学发展提供一定的学习平台。

参考文献：

[1]袁剑波， 郑健龙. 工程实践能力： 培养应用型人才的关键[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发展我国基础科学教育的有效路径分析[J]. 教育研究， 2014， （9）： 61～68.

[4]郭玉英， 姚建欣， 彭征. 美国《新一代科学教育标准》述评[J]. 课程·教材·教法， 2013， （8）： 118～127.

[5]占小红. 工程实践融入基础科学教育： 内涵、目标与路径[J]. 基础教育， 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.