科学教育中的技术与工程实践探索

◎ 金莺莲 黄蕴璐

一、问题的提出

在智能时代，科技与工程创新在增强国家综合国力和国际竞争力上发挥着重要作用。2023 年5 月，教育部等十八部门联合印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》指出，要“统筹规划科学教育与工程教育，体现实践性与综合性”。《义务教育科学课程标准（2022 年版）》（以下简称《2022 版课标》），将2011 年版课标中的“科学探究”修改为“探究实践”，包括科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力［1］。由此可见，在基础教育阶段将技术与工程教育融入科学教育，培养学生包括技术与工程实践能力在内的科学核心素养已成为我国中小学科学教育的重要目标。

越来越多的研究者开始关心如何在科学课堂整合科学探究、技术与工程实践，落实探究实践能力的培育。有研究发现，目前国内对科学、技术与工程教育的关系、技术与工程融入科学教育的内涵与培养目标等已有较为清晰的认知，但对如何在科学课堂开展技术与工程实践的研究尚处于探索阶段［2］。

综上，本文以在课堂中强化技术与工程实践能力的培养为切入点，在厘清基础科学教育中纳入技术与工程教育的学理依据，综述科学教育中科学探究、技术与工程实践之间的区别与联系，同时探讨技术与实践活动在课堂中的实施流程，并以实际案例阐释实施效果，以此为我国基础科学教育中开展技术与工程教育教学提供实践路径参考。

二、技术与工程实践融入科学教育的理论依据

（一）基础教育阶段技术与工程实践和科学教育的关系

要理解技术、工程与科学教育的关系，首先要理解技术、工程与科学的关系。霍克斯（Houkes）指出，工程与科学这两门学科都与知识的生产有关。［3］班斯（Banse）和格伦瓦尔德（Grunwal），戴姆（Dym）和布朗（Brown）等进一步补充，这两个领域都需要依靠探究等方法来生产知识，传播知识也都依靠专业期刊和会议等类似手段。［4］然而，科学和工程的知识生产活动的最终目标是不同的：对于科学来说，关于自然现象的知识本身就是目的；而对于工程来说，产生的知识只是用于设计技术的手段。［5］科学旨在理解和解释自然现象，工程师则满足于生成产生有用结果的现象模型，即使这一模型并不能很好地解释现象。［3］另外，无论是科学还是工程，在研究实践的过程中都需要借助一定的技术，同时科学与工程的成果（知识产品）也可以成为技术更新或迭代的基础。［6］简单来说，科学重在探索与发现世界已经存在的事物或规律，工程则是通过设计与改造构建不存在的事物，而技术是实现科学与工程的手段与方法。［7］

可见，科学、技术与工程共享着同样的知识生产方法，在实践目标上存有差异，但实践过程往往又密不可分。正因如此，科学、技术与工程教育的互相渗透成为当前科学教育发展的新趋势［2］。同时，考虑到在技术与工程的前沿领域，科学知识是基础中的基础，技术与工程实践融入基础科学教育成为自然而然的事情。

（二）技术与工程实践融入科学教育的内涵

美国K-12 科学教育委员会对科学与工程教育的培养目标作出如下定义：鼓励学生通过循环迭代地解释、反思和讨论，理解自然现象和围绕于周围的人工制品，在这一过程中学生会经历科学与工程实践、发展学科核心概念和跨学科概念。［8］这一定义强调了科学探究、技术与工程实践在实施过程中的连贯性。例如，两者通过研究或探究进行学习，所学习的核心概念和跨学科概念有很大的重叠性，等等。但值得注意的是，这一定义忽略了科学本质与工程本质的区别，即科学家追求对知识的追寻，而工程师的目标是根据需求开发产品。［9］

（三）技术与工程实践融入科学教育的价值

研究者通过一系列的实证研究证明了在科学课程中融入技术与工程实践的价值，包括但不限于有利于学生提高科学素养、对技术与工程实践的认识及相关职业选择的兴趣，以及真实问题的解决能力等。例如，南（Nam）等的研究发现，在科学课程中融入技术与工程实践能有效提升学生的问题解决能力与科学素养。［10］英格利希（English）和哈德森（Hudson）的研究还证明，此类课程能有效促进学生对科学、技术及工程概念的深度理解。［11］还有研究发现，此类课程能提升学生对科学、技术与工程等相关领域的职业兴趣、职业抱负等。［12，13］

基于以上认识，《2022 版课标》对技术与工程实践能力做出了如下界定：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。［1］这一定义强调了科学、技术与工程实践在学习方式上的共通性，凸显了技术与工程实践强调创造满足需求的人工制品这一特性。同时，也为技术与工程实践融入科学教育提供了基本切入点——整合科学探究和技术与工程实践。

三、科学课堂开展技术与工程实践的设计原则

（一）技术与工程实践特性的凸显原则

研究者根据技术与工程实践和科学探究整合的程度以及二者之间的均衡程度，将科学教育融入技术与工程实践的教学模式分为三类，强调技术与工程实践和科学探究共通性的“设计–探究”法以及相关的衍生教学方法，强调技术与工程实践特征的过程模型，以及两者并重的模式等［2，14］。这些方法尽管侧重点有所不同，但都强调要凸显“工程设计”。所谓“工程设计”，指的是针对一个问题提出多种可能的解决方案，通过系统思考进行反复迭代的建模、测试与改进模型，以找到当下的最优解决方案。［15］正是这种“工程设计”使技术与工程实践和其他活动有了明显的区别。

综上，有研究者认为，在科学课堂上实施技术与工程实践应当包含至少三个核心要素：①定义和界定问题；②发展可能的解决方案；③测试和评价。［14，16-17］其中，核心要素①强调了对问题的定义与限制，这与科学探究侧重问题的提出显然不同；核心要素②关注解决方案的提出，而科学探究更强调解决方案背后的原理解释；核心要素③中虽然技术与工程实践以及科学探究都需要根据结果开展新一轮的改进研究，但两者的评价标准不同。技术与工程实践关注产品是否符合需求（能解决有限制条件的问题），而科学关注知识本身。同时需要强调的是，这三个要素的发生并不是按照固定顺序进行的，而是能根据问题解决的进展做灵活调整。

（二）科学探究和技术与工程实践实施共性的贯穿原则

当然，除了凸显技术与工程实践的特性之外，在科学课堂融入技术与工程实践也需要关注科学探究和技术与工程实践实施的共性原则［12］，具体如下。

（1）创设团队合作环境：无论科学、技术还是工程，在当今社会都是需要高度协作的领域，因此将学生置于合作环境有助于增进他们对科学、技术与工程实践本质的理解。

（2）包含重要的科学和工程知识的学习：学科内容知识的整合是科学教育中融入技术与工程实践的关键组成部分。

（3）促进思维的发展：科学探究、技术与工程实践都是解决问题的过程，都需要运用批判性思维、创新性思维等寻找证据、建构解释和检验假设。特别需要注意的是，技术与工程实践还特别强调对学生系统思维的培养。

（4）聚焦真实情境下的问题解决：与学生个人经验相关的真实情境不仅能激发并维持学生的学习兴趣，还能让学生认识到科学、技术与工程的价值所在。

四、技术与工程实践项目开展流程

基于上述认识，在《2022 版课标》提出的技术与工程实践流程基础上，本研究进一步构建了技术与工程实践项目实施要点，如图1 所示。

图1 技术与工程实践的一般流程与实施要点

本研究以“‘植’来直‘趣’——在火星上种植绿色植物”项目的实施为例，阐释该流程如何应用于实践中。

（一）活动形式

根据教师科学课堂教学经验，小组合作第一个要克服的难点是小组内的角色分工。如果是自动分工，学生虽然都有各自角色，但总有部分学生习惯于每件事都表达观点并且不愿意接受不同的建议，部分学生则习惯于默默跟随、不劳而获。针对这一问题，在本次项目中，教师采取了小组成员竞聘签约职位方式形成小组分工。通过竞聘签约，学生充分了解自己与团队伙伴的优势，并根据职位要求进行匹配，在此过程也发展了对即将上任职位的角色认同与责任心，大大加强了合作效率，不同观点在职责的加持下更容易融合了。

从学生“交流成果”环节来看，这种合作的效果还是很明显的。具体表现在，交流过程都由小组参与完成，而非“一言堂”。例如，有的小组会在成果展示开始概述项目实施中每个人的角色以及对成果的贡献；有的小组则会分工展示，每个成员介绍自己参与的部分内容。在这个过程中，学生真实体验了科学家与工程师合作开展工作的方式。

（二）明确问题

本项目设计的最初想法起源于教师观察到的一个现象：在我国载人飞船、空间站、火星探测器等航天器发射升空相关新闻出现的一段时间，课前课后总有学生来问相关问题。恰好两年的科学课上有不少单元涉及这些问题。因此教师思考：能否将六、七年级科学课相关内容整合在一起，形成一个复习单元？后来发现这一单元的知识内容大体属于科学课的教学范围，但其工程产品制作所需的技能与时间超出了科学课。恰逢学校开展课后服务，教师决定将科学课和课后服务进行一体化设计，将这一单元扩展为一个学年的特色课程，其中知识的相关学习放在科学课上进行，科学探究和技术与工程实践的内容放在课后服务进行。

本项目的具体背景是：学校成立的“移民火星”招募生态系统工程师，在火星基地建立生态系统，保障宇航员的“食”。项目最终要解决的科学问题是“如何在火星上种植绿色植物？”。针对这一科学问题，学生要解决的工程问题是“绿色植物种植箱的设计与制作”。

在这一总问题之下，整个项目由五个相互独立而又紧密联系的科学探究和工程与技术实践子项目构成（详见图2）。例如，“火星基地绿植选种育种”子项目就是针对“如何在火星基地保障绿色植物的成功生长？”这一真实情境下的科学问题，提出“选择适合种类的绿色植物”这一工程问题。

图2 “‘植’来直‘趣’——在火星上种植绿色植物”项目各子项目

该项目安排在学生的研拓课和课后服务时间进行。参与该项目的学生都是出于兴趣自主选择加入的。这一项目吸引了各个学习水平的学生，这显示出项目的吸引力所在。

（三）设计方案、实施计划、检验作品、改进完善的迭代循环

在每一个子项目的实施过程中，学生通常会在设计方案的第一步遇到困难。例如，对于“火星基地绿植选种育种”子项目的问题“什么样的植物适合在火星种植？”，学生刚开始的第一反应是请教师直接提供解决方案。针对这一现象，教师设计并提供了三维目标表（见表1），以“我知道什么？（所知）”“我想知道什么？（想知）”“我学到了什么？（所学）”三个角度，贯穿学习活动的前期、推进和总结，帮助学生更好地了解自己对问题的前概念和存在的问题。学生在了解活动主题后，通过分析“我知道什么？（所知）”回顾自己日常生活中所吃的绿色蔬菜，以及均衡营养的知识。再通过思考“我想知道什么？（想知）”明确完成活动需要搜集哪些信息，提高信息收集的有效性和高效性。活动完成后，根据活动过程中的所学和最终结果，学生思考总结，填写完成“我学到了什么？（所学）”表格栏，在填写过程中进行反思总结，并逐步提高用语表达的规范性。在填写后经过组内讨论，再次归纳总结后，各小组诠释者分享“我们组学到了什么？”，对活动进行分析评价和改进，同时锻炼交流表达能力。

表1 三维目标表

此外，在每个子项目的迭代循环过程中，学生的“失败”是常态：“种植箱的净水系统达不到预期效果”“连续2 次种子的发芽率都不尽如人意”……教师最开始非常担心多次“失败”会挫伤学生积极性。于是，在每个子项目开始之初，发布成功标准和成果样品，让学生成果制作过程有据可循，哪怕“失败”也能对着样品分析原因，从中获得学习。例如，在“火星基地绿植选种育种”子项目中，在白菜的无土栽培实践中遇到了多次失败，但在对失败原因的一次又一次探索过程中，发现了设计方案中的不足，逐渐完善种植方案不断尝试，比较成功组和失败组的差异性，在实践中实现了知识的应用迁移。最终，有一半的小组在经历2次失败后，第3 次成功育苗；另外一半小组在第3 次的“失败”中也找到了后续的改进方向。

（四）成果发布

根据以往的课堂经验，初中生的科学口头论证能力一直不尽如人意。为此，教师做了如下设计：①提供侧重科学论证的交流模板，以小组为单位交流自己研究的成果/制作的产品，并通过研究方案、数据分析和得出结论/产品过程的解释，论证研究结果/产品的科学性；②为学生提供充分展示机会，为每个子项目设计了2 场交流会（阶段成果和产品展示），每个子项目加上最终成果，一共10 场交流会。

交流会上学生根据教师提供的论证模板解释和论证自己小组的成果、观察他人的成果和听取教师点评，“看见”这一阶段自身的优势与不足，为之后的项目实施和交流积累经验。如此，通过多个子项目的迭代，学生的科学论证与合作交流能力都有了显著提高。

五、总结与反思

从整体来看，本文为如何系统培养包括科学探究、技术与工程实践、自主学习在内的探究实践能力提供了可行路径。学生在真实情境中，针对提出的科学问题明确工程问题，利用教师提供的学习支架运用严谨的科学方法解释论证方案的可行性和可操作性，更好地利用工具和材料进行加工制作，根据实际效果进行迭代修改。在此过程中，学生经历了科学研究、技术与工程实践的一般过程和方法，科学思维得到一定程度的发展。

从学生成长的角度来看，学生在应用技术与工程实践的实施流程解决“如何在火星种植绿色植物”这一科学问题和达成“植物种植箱的制作”这一工程目标过程中，经历“失败”，理解“失败”是科学探究、技术与工程实践必不可缺的关键部分。［14］并且，他们在探索“失败”原因过程中，体会到科学、技术与工程学习的意义；在子项目的不断改进中提升了学科自我效能感。

从教师设计角度来看，为了引导学生更好地应用技术与工程实践的实施流程，教师需要花费大量的时间在前期的项目和教学支架的设计上。例如，本项目来源于学生的真实问题，项目设计的整个过程体现了教师对科学跨学科概念教学的追求。此外，为了保证学生自主学习的有效性，教师要根据过往授课经验和必要的课前调查，预估学生会遇到的困难并提供大量的辅助工具，比如本研究案例的“三维目标表”、每一个子项目的成功标准、“火星种植箱”工程报告书、交流会展示模板等。