淺談科工整合在初中科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

隨著新課程目標(biāo)的不斷實(shí)施，初中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平得到逐步提升，然而學(xué)生自主分析和解決問(wèn)題的能力仍有待加強(qiáng)。培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力是新時(shí)代的關(guān)鍵任務(wù)。近年來(lái)在課程改革大背景下，STEM教育學(xué)科整合模式在世界各地陸續(xù)展開(kāi)。STEM教育的目標(biāo)就是要培養(yǎng)學(xué)生有邏輯性、有創(chuàng)造性地思考，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力?？茖W(xué)學(xué)科與工程教育都是以問(wèn)題為導(dǎo)向的學(xué)科，因而科學(xué)學(xué)科與工程教育的整合有其實(shí)施的可行性。通過(guò)科工整合，在工程教育中滲透、深化科學(xué)原理和技能，不僅能鍛煉學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析和解決能力，也能賦予科學(xué)知識(shí)更多應(yīng)用層面上的價(jià)值。

中小學(xué)工程教育實(shí)施的背景

STEM教育包含科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四大學(xué)科領(lǐng)域，我國(guó)在基礎(chǔ)教育階段已經(jīng)系統(tǒng)地實(shí)施科學(xué)、數(shù)學(xué)教育，并取得了一定的成果。技術(shù)教育雖主要局限在信息技術(shù)，其重視程度和課程實(shí)施的成熟度也在逐步提升，但是，工程教育主要集中在高等教育階段，在中小學(xué)基礎(chǔ)教育中幾乎沒(méi)有系統(tǒng)實(shí)施。

善于發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力是當(dāng)代中小學(xué)生需培養(yǎng)的重要能力。基礎(chǔ)工程教育的目標(biāo)不是將每個(gè)學(xué)生都培養(yǎng)成工程師，而是通過(guò)滲透工程教育，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，建立工程思維，挖掘?qū)W生的工程實(shí)施技能。同時(shí)，通過(guò)科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整合，使相關(guān)科學(xué)原理和科學(xué)技能得到更具實(shí)際價(jià)值的延伸。

初中科學(xué)課程中工程教育實(shí)施的必要性

初中科學(xué)學(xué)科特點(diǎn)及學(xué)習(xí)現(xiàn)狀。初中科學(xué)是一門綜合性的學(xué)科，其核心理念是提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，概括三個(gè)組成部分：了解科學(xué)知識(shí)；了解科學(xué)的研究過(guò)程和方法；了解科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)和個(gè)人所產(chǎn)生的影響。在實(shí)際學(xué)習(xí)中，學(xué)生存在的主要問(wèn)題有：?jiǎn)栴}意識(shí)薄弱；將科學(xué)服務(wù)運(yùn)用于生產(chǎn)生活實(shí)際的意識(shí)不強(qiáng)；學(xué)生之間有深度和實(shí)際意義的交流較少；學(xué)生獲得的評(píng)價(jià)方式比較單一。為了更好地促進(jìn)學(xué)生課堂內(nèi)外科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，提高動(dòng)力，發(fā)掘更多學(xué)生的潛力，使學(xué)生的評(píng)價(jià)更加多元化，須轉(zhuǎn)變科學(xué)教學(xué)模式和理念，讓更多學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)探究，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題、解決問(wèn)題，最終將科學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)生活中。

未來(lái)社會(huì)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的需要。越來(lái)越多的國(guó)家認(rèn)識(shí)到中小學(xué)工程教育的重要性，并采取相應(yīng)的落實(shí)措施，如美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等。通過(guò)實(shí)施相應(yīng)的教育政策激勵(lì)中小學(xué)生對(duì)工程學(xué)的興趣，在學(xué)習(xí)過(guò)程中培養(yǎng)符合時(shí)代需要的工程思維，并運(yùn)用這種思維方式解決問(wèn)題，為高等教育階段培養(yǎng)工程人才奠定基礎(chǔ)。

科學(xué)與工程教育“協(xié)同作用”。“協(xié)同作用”的解釋是各種分散的作用在聯(lián)合應(yīng)用中的總效果優(yōu)于單獨(dú)作用的效果之和?？茖W(xué)與工程教育的整合，將工程實(shí)踐融入到科學(xué)原理中，使科學(xué)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)有了應(yīng)用延伸。同時(shí)，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、討論修正等過(guò)程，能夠深化學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)理論知識(shí)。此外，將科學(xué)知識(shí)和技能運(yùn)用到工程實(shí)踐中，使工程教育有了更加完善的理論支撐和技術(shù)支持。

科學(xué)與工程教育整合的教學(xué)實(shí)踐——“制作望遠(yuǎn)鏡”教學(xué)

如何在科學(xué)教學(xué)中整合工程教育，筆者以“制作望遠(yuǎn)鏡”這一課的教學(xué)為例分享體驗(yàn)。

問(wèn)題導(dǎo)入，確定項(xiàng)目主題。教師創(chuàng)設(shè)情境：自古以來(lái)人們就對(duì)天空以及天空中的星月充滿探究欲。同學(xué)們想更清楚地觀察到月球表面的樣子嗎？用什么辦法？學(xué)生就聯(lián)想到要用望遠(yuǎn)鏡。那么自己動(dòng)手制作一架望遠(yuǎn)鏡是否可行？學(xué)生通過(guò)查閱資料認(rèn)識(shí)了相關(guān)科學(xué)史，了解到望遠(yuǎn)鏡的基本原理和構(gòu)件，初步預(yù)測(cè)了該項(xiàng)目實(shí)施的可行性，確立了本次工程項(xiàng)目的主題：制作望遠(yuǎn)鏡。折射式望遠(yuǎn)鏡主要有伽利略望遠(yuǎn)鏡和開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡兩種，通過(guò)查閱資料得知伽利略望遠(yuǎn)鏡視野比較小，不適合觀察遙遠(yuǎn)的星體，將項(xiàng)目主題精確到制作開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱“望遠(yuǎn)鏡”）。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生從問(wèn)題出發(fā)，查閱資料，將課內(nèi)所學(xué)科學(xué)知識(shí)與課外知識(shí)銜接起來(lái)，不僅豐富了知識(shí)體系，在逐步接近項(xiàng)目主題的過(guò)程中，也鍛煉了分析問(wèn)題的能力。

小組合作，設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案。在這一環(huán)節(jié)中，教師把學(xué)生劃分為幾個(gè)小組，給每個(gè)小組準(zhǔn)備了幾塊透鏡，讓學(xué)生體驗(yàn)以下活動(dòng)：1.將一塊凸透鏡置于眼前觀察遠(yuǎn)處物體，有放大效果嗎？2.用兩塊凸透鏡，適當(dāng)改變兩塊透鏡的距離，有何發(fā)現(xiàn)？3.將兩塊透鏡交換位置，有什么發(fā)現(xiàn)？4.小組成員交換透鏡再重復(fù)觀察?；顒?dòng)過(guò)程中學(xué)生體驗(yàn)到一塊凸透鏡能使遠(yuǎn)處物體成倒立縮小的像，與凸透鏡成像中物距大于兩倍焦距時(shí)成倒立縮小實(shí)像聯(lián)系起來(lái)；再加一塊凸透鏡能使原來(lái)縮小的倒像放大，有些學(xué)生能聯(lián)系到凸透鏡成像中物距小于一倍焦距成正立放大虛像。接下來(lái)教師通過(guò)在光具座上的演示實(shí)驗(yàn)視頻（考慮到可觀察性，采用提前錄制視頻的方式），使學(xué)生進(jìn)一步確定該望遠(yuǎn)鏡的原理：物鏡使遠(yuǎn)處的物體成一個(gè)倒立縮小的實(shí)像，該實(shí)像的成像位置在目鏡的一倍焦距以內(nèi)，又通過(guò)目鏡成一個(gè)正立放大的虛像（此目鏡相當(dāng)于放大鏡），因此，最后看到的像相比于原物體是倒立、放大的。

進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，開(kāi)展小組討論。根據(jù)教師提供的器材和資料，選擇合適的材料，衡量各材料的實(shí)際用途和價(jià)格，讓學(xué)生明白在工程項(xiàng)目的實(shí)施中成本是必須考慮的問(wèn)題。選好材料后，學(xué)生將望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)圖畫(huà)下來(lái)。要求標(biāo)注出主要結(jié)構(gòu)的尺寸、規(guī)格。在設(shè)計(jì)圖的繪制過(guò)程中學(xué)生可以鞏固相關(guān)光學(xué)知識(shí)并且鍛煉基本的繪圖、測(cè)量技能。同時(shí)，還運(yùn)用到拓展的新知識(shí)：望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)=物鏡焦距/目鏡焦距，增加了科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的深度和廣度，也使學(xué)生認(rèn)識(shí)到工程設(shè)計(jì)離不開(kāi)科學(xué)原理的支撐。

共同參與，實(shí)施項(xiàng)目。各小組根據(jù)所選器材和設(shè)計(jì)圖完成望遠(yuǎn)鏡的制作。物鏡選擇直徑較大焦距長(zhǎng)的凸透鏡，目鏡選擇直徑較小焦距短的凸透鏡來(lái)組合制作，并且采用大筒套小筒的方式將鏡筒設(shè)計(jì)成可伸縮（調(diào)距）形式。本環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力是極好的考驗(yàn)和鍛煉。實(shí)際制作和設(shè)計(jì)圖往往有一定的差距。比如，有個(gè)別小組對(duì)材料清單了解不夠仔細(xì)，在設(shè)計(jì)圖中沒(méi)有細(xì)化到用什么方法來(lái)固定凸透鏡，導(dǎo)致嵌入不穩(wěn)定或者無(wú)法嵌入。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手嘗試發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題，于是小組成員共同出謀劃策，展開(kāi)目的指向明確的討論交流，尋找解決辦法。最后，討論決定由兩名學(xué)生合作使用黑色膠布將物鏡和目鏡固定好。有些小組討論后又在透明飲料瓶身外粘上一圈不透光的彩紙，再將飲料瓶插入紙筒，完成望遠(yuǎn)鏡的制作。

在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生將設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了物化，這正是工程學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一，也是科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的應(yīng)用價(jià)值所在。工程學(xué)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，將科學(xué)知識(shí)和技能運(yùn)用到工程實(shí)踐的過(guò)程中往往要經(jīng)歷一系列新問(wèn)題的產(chǎn)生、分析、測(cè)試、解決，而在此過(guò)程中學(xué)生的問(wèn)題解決能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力得到了加強(qiáng)，這也是科工整合的意義所在。

分組展示，項(xiàng)目評(píng)價(jià)。學(xué)生將制作好的望遠(yuǎn)鏡分小組測(cè)試評(píng)比，考量其性能、外觀、時(shí)間成本、材料成本等。教師請(qǐng)展示者站立于同一地點(diǎn)，觀察一定距離處的字體大小不一的文字符號(hào)，能成功觀察到的文字符號(hào)越小則放大性能越好。相互交換體驗(yàn)制作成果后學(xué)生提出以下問(wèn)題：為什么有些組能看清的物體非常有限？飲料瓶外包上不透明紙有什么實(shí)際作用？有一個(gè)小組的望遠(yuǎn)鏡能看到的物像特別清晰是為何？自制的望遠(yuǎn)鏡是倒像，怎么解決這個(gè)問(wèn)題？

對(duì)于不同小組項(xiàng)目成效的不同，學(xué)生發(fā)出疑問(wèn)，并且主動(dòng)運(yùn)用所掌握的科學(xué)知識(shí)和技能加以優(yōu)化解決，得出最優(yōu)方案，這就是實(shí)際工程中必不可少的項(xiàng)目測(cè)試與評(píng)價(jià)。學(xué)生能夠深刻感受到每一個(gè)工程項(xiàng)目的背后是扎實(shí)的科學(xué)理論知識(shí)、基本技能、實(shí)踐能力以及不輕言放棄的探究精神。

總結(jié)利弊，優(yōu)化項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)總結(jié)，學(xué)生提出制作望遠(yuǎn)鏡時(shí)，所選的鏡筒組合應(yīng)具有較大的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)范圍；飲料瓶外須包上不透明紙，能夠減少其他光線，使觀察物體更清晰；從美觀角度建議給紙筒也包上彩色紙。

在這一環(huán)節(jié)中，有些問(wèn)題的解答可以由教師拓展，也可以由學(xué)生在課后尋找答案。比如，色像差導(dǎo)致的成像不清晰，需消色差等。根據(jù)交流展示評(píng)價(jià)結(jié)果，各小組再次優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)制作的望遠(yuǎn)鏡加以改進(jìn)。在課后完成項(xiàng)目?jī)?yōu)化也可以是家長(zhǎng)共同參與的過(guò)程，使工程教育聯(lián)系學(xué)校和家庭、學(xué)生和家長(zhǎng)，讓工程教育更有意義。

對(duì)科工整合實(shí)施過(guò)程的反思

科學(xué)與工程學(xué)習(xí)整合能更大程度地帶動(dòng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性，課堂中學(xué)生參與積極性明顯提高。基于項(xiàng)目式的工程教育使學(xué)生能積極地參與問(wèn)題的思考和解決，對(duì)學(xué)生掌握科學(xué)理論知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)踐能力有明顯的正向作用。

現(xiàn)階段，其存在的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面。一是教師提前預(yù)設(shè)較多，在材料的選擇方面學(xué)生選擇余地較小，學(xué)生無(wú)需花費(fèi)太多精力在選材上，給后面的制作過(guò)程降低了難度，學(xué)生需要自主面對(duì)和解決的問(wèn)題比較少，開(kāi)展工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的靈活度較小。二是受課堂教學(xué)時(shí)間限制，學(xué)生自主分析、解決問(wèn)題時(shí)間相對(duì)倉(cāng)促，對(duì)問(wèn)題的思考不夠深入，同時(shí)問(wèn)題的解決達(dá)成度有待提高。三是部分學(xué)生對(duì)于待研究解決的問(wèn)題方向不明確，實(shí)施過(guò)程中缺乏目的性，思考的方向容易偏離主題。

綜上，科工整合有其實(shí)施的可行性與積極影響。將初中科學(xué)與工程教育整合，激發(fā)了學(xué)生自主參與科學(xué)探究的興趣，有利于提升學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力?，F(xiàn)階段教師對(duì)于該模式的教學(xué)尚處于探索階段，還需不斷學(xué)習(xí)、完善，從而促進(jìn)該模式在初中科學(xué)課程中的普遍實(shí)施，提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)。

（作者：強(qiáng)偉華，單位：浙江省湖州市長(zhǎng)興縣洪橋逸夫中學(xué)）（《中國(guó)民族教育》2023年第4期）