学科项目化学习：沟通科学探究与工程实践的桥梁

周振宇

《义务教育科学课程标准（2022 年版）》明确指出，通过科学课程培养的学生核心素养包括四个方面：科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。这是首次在课程标准中将“探究”和“实践”放到并重的位置，这样的表述体现出我国科学教育界对探究与实践关系认识的变化，值得仔细品读、领悟。

一、从课标的变化看人们对探究与实践认识的发展

2001 年颁布的《全日制义务教育科学（3～6 年级）课程标准（实验稿）》，就科学课程改革提出了六条基本理念，其中第三条指出“科学学习要以探究为核心”，并进一步对探究的含义进行了阐释：“探究既是科学学习的目标，又是科学学习的方式。亲身经历以探究为主的学习活动是学生学习科学的主要途径。”该轮课程改革，面对知识讲授和验证性实验为主的科学课堂教学现状，旗帜鲜明地指出必须以探究为核心，力求彻底改变教师灌输式教学的惯习，保障学生的主体地位，具有非常重要的现实意义，也起到了非常好的效果。

2017年，重新修订的《义务教育小学科学课程标准》（以下简称“2017年版课标”）指出科学课程的性质为：基础性课程、实践性课程、综合性课程。同时在“实践性课程”部分进一步指出：“探究活动是学生学习科学的重要方式。……强调从学生熟悉的日常生活出发，通过学生亲身经历动手动脑等实践活动，了解科学探究的具体方法和技能，理解基本的科学知识，发现和提出生活实际中的简单科学问题，并尝试用科学方法和科学知识予以解决，在实践中体验和积累认知世界的经验，提高科学能力，培养科学态度，学习与同伴的交流、交往与合作。”从上述文字可以看出，探究从科学学习的核心变为重要方式，而实践则成了探究的上位概念，泛指学生亲身经历的动手动脑活动，探究只是实践的一种类型。

2022年4月，最新颁布的《义务教育科学课程标准（2022 年版）》（以下简称“新课标”）中，首次将探究与实践并列为通过科学课程培养的学生核心素养，并作出如下阐释：探究实践主要指在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题，以及技术与工程实践过程中，形成的科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力。科学探究能力体现在：理解科学探究的一般过程和方法；提出科学问题，并针对科学问题进行合理猜想与假设；制定计划并搜集证据，分析证据并得出结论；对结果进行解释与评估；准确表达观念，反思探究过程与结果。技术与工程实践能力体现在：了解技术与工程实践的一般过程和方法，针对实际需要明确问题，提出有创意的方案，并根据科学原理或限制条件进行筛选；实施计划，利用工具和材料进行加工制作；根据实际效果进行修改迭代；用自制的简单装置及实物模型验证或展示某些原理、现象和设想。自主学习能力体现在：自主确定学习目标，选择学习策略，监控学习过程，反思学习过程与结果。很显然，在新课标中，探究指科学探究，实践指技术与工程实践，科学探究和技术与工程实践在科学学习中具有同等重要的地位。

二、科学探究和技术与工程实践之间的共生关系

从三版课标的表述看，我国科学教育界对探究与实践关系的认识在不断变化，从探究为核心到探究是实践的一种方式再到科学探究和技术与工程实践并行并重，其背后反映了人们对科技认识的变化。人们逐渐认识到，科学、技术与工程是共同推动社会发展的重要力量，三者各自承担着重要的任务，缺一不可，又彼此相融，相互促进，共同发展，形成了一种和谐的共生关系。

所谓科学，是人们在认识世界和改造世界的过程中创造出来的，正确反映客观世界现象、物质内部结构和运动规律的系统理论知识。技术则是在科学的指导下，通过总结实践经验而得到，在生产过程和其他实践过程中广泛应用的，涉及设计、装备、方法、规范、管理等各个方面的系统知识。而工程是人类有组织地综合运用多种科学技术进行的大规模改造世界的活动。它除了要考虑技术的先进性和可行性外，还要考虑成本、质量及对环境的影响，做到经济、美观、实用、环保。没有科学，人们就失去了对这个世界最本质特征的认识；没有技术，即使有再多的科学发现，人类的生产和生活也难有实实在在的改变；没有工程，科学和技术就不可能融会贯通，并产生产品。科学负责发现，技术负责发明，工程负责建造，科学发展带来技术进步，科技的进步在工程实践中以集大成的方式呈现出来，三者联合，就成了完美的组合。当然，三者之间往往有着先后顺序，先有科学的发展，进而推动技术革新，然后科技共同作用于工程，并在工程实施的过程中得到验证和改良。随着社会的发展，工程项目的难度不断加大，这种不断加大的难度又会倒过来产生科学和技术领域的新问题、新挑战，从而推动科学发展和技术创新，以此形成一个螺旋上升、不断迭代的链条。

教育是为社会发展服务的。科学、技术、工程在社会生产生活中体现出来的良性互动关系必然反映到教育领域。因此，面向未来的优质教育不能只重视科学，轻视技术，无视工程，而是要让学习置身于真实的生活情境中，致力于复杂问题的解决，把科学探究与技术工程实践融为一体，让学习者基于问题解决的需要产生科学探究和技术提升的内驱力，并在学习过程中掌握技术工程实践的能力和科学探究的本领，潜移默化地发展探究实践素养。

三、学科项目化学习是融会科学探究与工程实践的最佳路径

认识到科学探究与技术工程实践之间相互依存的关系之后，我们需要在教学实践中让这种依存关系得以彰显，使学生从学习的起始阶段就把科学探究与工程实践融为一体，养成基于工程实践需要开展科学探究，科学探究进展及时用于工程实践改进的良好习惯与素养。

那么，传统的教学方式有没有可能实现上述目标呢？答案是否定的。原因有三：其一，传统课堂以讲授为主，学生被动接受知识，丧失了学习的自主性，导致学习兴趣缺失，学习动力不足，学习方向不明；其二，传统教学习惯于分科教学，容易割裂知识间复杂而深刻的联系，忽视知识生成的综合性特点，不利于学生形成综合性、批判性思维能力；其三，传统教学更多发生在教室里，远离学生的生活，远离问题情境的现场，学生学到的知识与生活脱节，难以在生产生活中加以应用。传统教学的上述三点缺陷成为打通科学探究与工程实践的障碍，也成为阻碍教育发展的拦路虎，因而，亟须一种新型的教学方式来逐步取代它。

项目化学习是取代传统教学方式，培养学生高阶思维，培养他们在实际问题情境中基于问题解决需要开展科学探究和技术工程实践的最佳选择。所谓项目化学习，就是以问题解决为目的，以自主建构式学习为方式，实现超越学科、分工合作、展示交流的周期性学习活动。［1］19美国巴克教育研究所认为，项目化学习具有八大“黄金准则”：重点知识的学习和成功素养的培养；解决一个有挑战性的问题；持续性的探究；项目要有真实性；学生对项目要有发言权及选择权；学生和教师在项目中进行反思；评论与修正；项目化学习成果的公开展示。［2］9正是因为项目化学习的这些特征，使之具备了让科学探究与工程实践融为一体的可能性。

在科学教学中引入项目化学习的理念，开展科学项目化学习，大致可以分为四个环节：第一是项目发布，师生基于真实的生活情境和发展需要，共同产生具有一定复杂性的工程项目，让学生产生团队学习的需要和突破难关的动力。第二是明确驱动问题，团队对发布的项目进行认真思考，讨论确定到底面临哪些具体问题，教师要敏锐捕捉到真实问题背后的科学问题，并加以引导。第三是探究建构，学习共同体共同面对科学问题，作出假设，设计实验，开展科学探究活动，通过多种科学方法，得出科学结论。第四是实践应用，即学即用，把团队探究建构出来的科学结论尝试应用到工程项目实践中，转化成技术手段或实施策略，以完成项目，形成成果，同时对成果进行反思，并力争在成果的基础上产生新的项目需求，形成循环。四个环节首尾相连，周而复始，为了完成项目而提出问题、解决问题，为了解决问题而进行科学探究，探究的结论自然运用于工程实践，显性提升作品的质量。在对作品进行评价的过程中产生更高阶的问题，萌发更高级别的项目，在充分科学探究的基础上提升技术水平，形成工程作品的迭代效应。

以“降落伞”这一教学内容为例。在传统教学视界中，“降落伞”的内容用一课时完成，主要分为两个部分：首先，按照教材指定的步骤制作降落伞，学生分小组将小手帕折叠好，并在手帕四角系上长度相等的线，线的另一端打上结，系上重物，这样降落伞就制成了。其次，探究降落伞下降的快慢跟什么因素有关，假设和伞面的大小、线的长短、重物的重量等因素可能存在关系，师生一起探讨，当研究某一个假设的时候，讨论确定什么可以改变，什么不可以改变，逐步理解对比实验的要领，并通过实验得出结论。这样的教学，看似第一环节学生经历了工程实践，第二环节进行了科学探究，但是，这样的实践是教材规定的，是教师强加给学生的，学生只要按照步骤机械执行就行，这样的探究主题也是教师发布的，学生不明白为什么要去探究降落伞下降的快慢跟什么因素有关系，探究的结论又有什么作用。因此，学生缺失兴趣驱动，缺少学以致用的意义赋能，更缺少学习共同体共同面对复杂问题，共同制定研究方案，共同实施项目管理，共同调整研究方向的经历。因而，学习深度不够，学生的高阶思维也难以得到培养。

2017 年版课标发布后，新编苏教版《科学》教材中有了更多项目化学习的元素。教材把降落伞的形状、结构、作用、工作原理等列为前期学习的内容，前期研究的内容之二是要设计一个对比实验，研究伞面材料、伞面大小、伞面形状、伞绳根数和长短等因素与下降速度之间的关系，并形成实验报告。课堂学习从项目的发布开始，项目任务是：投放一个50 克左右的熟鸡蛋，从三楼的高度降落到指定的地点。限制条件是只提供一个鸡蛋，且项目任务要在两课时内完成。学生组建项目研究小组，并就如何解决定点投放的问题，如何保护易碎品的问题等展开讨论，写出设计方案，画出设计图，在设计过程中需要充分考虑任务中的限制条件，比如工程造价、时间限制等。设计方案达成共识后，小组开展模型制作、性能测试、调整改进、分享交流等。以上教学围绕项目任务的完成展开，学生在团队学习的过程中沟通、交流、合作、时间管理等能力能得到锻炼，而且每一个学习团队的目标明确、兴趣浓厚。但这样的教学依然存在着将科学探究与工程实践相割裂的缺陷，两节课的学习完全聚焦于工程实践，将降落伞的原理知识与探究过程前置于课堂学习之外，使得科学探究部分依然存在学生学习主动性缺失的问题，缺少了学生在工程实践中遇到问题，从而引发科学探究动机，进而展开探究，解决问题，获得成功感的妙趣。

如何让学习更深入，让科学探究与工程实践产生更紧密的联系呢？我们不妨进行调整，将学习周期适当放宽，把科学探究也纳入项目。学习开始，教师可以发布这样的项目：请设计并完成一个鸡蛋保护装置，可以让一个熟鸡蛋从三楼抛下，落入指定地点而不摔碎。设计过程中请综合考虑成本、美观、操作的便捷性、稳定性等多种因素。这样的项目面临的问题比上述教材中的项目更具复杂性和挑战性，学生除了要考虑用降落伞来缓冲之外，还可能有对鸡蛋进行软包装以缓冲、减震，甚至可将几种措施叠加。不同小组之间的不同思路可能会导致研究方向的不同，有的小组会对影响降落伞下降速度的因素进行科学探究，有的小组会对究竟如何包装可以最大程度起到减震保护的效果产生兴趣，进而制定研究计划，开展深入探究。在项目化学习的视域中，应该鼓励思路与方案的多样性。当学习团队把上述这些科学问题探究清楚之后，会在第一时间根据项目需要，把这些科学结论转化为技术，进而去优化工程设计方案。在实际学习过程中，学习团队也的确没有让我们失望，除了对降落伞的伞面、重量等因素进行调整外，他们有给鸡蛋穿上泡沫外套的，有用比较结实的塑料袋制作水舱并将鸡蛋置于其中的，还有多种方式并用的。当负责保护鸡蛋的研究小组与负责投放准度的研究小组坐到一起的时候，他们又因为彼此意见的不同发生激烈的争辩，体积大了投不准，体积小了保护效果不好，他们学会了相互妥协，努力找到一种双方都可以接受的中间状态。就这样，多种问题汇聚到一起，经过多种意见的相互妥协，多次实验失败之后的反思与改进，科学探究的结论成为他们决策的信心与底气，通过研究琢磨出来的技术成为他们改良方案的宝贵经验，最后因为成本、能力等原因不得不放弃一些理想的追求，让他们对工程实践有了更深刻的认识。更重要的是，没有哪两个组的方案和作品完全一样，创造的魅力得到了最好的展现。

学科项目化学习的魅力在哪里？夏雪梅认为，它将项目化学习的设计要素融入学科教学，将低阶认知“包裹”入高阶认知，在不降低学科学业成绩和保证基础类知识与技能不损失的情况下，通过项目化学习的设计同时培育学生的问题解决、元认知、批判性思维、沟通与合作等重要的能力。［2］129在科学教学中，如果教师用项目化学习的理念来设计课程，科学探究与工程实践之间的联系必然畅通无阻，学生探究实践素养的培养也必然能够得到有效落实。