第一资讯站
随着新课程目标的不断实施，初中学生的科学素养水平得到逐步提升，然而学生自主分析和解决问题的能力仍有待加强。培养学生的问题解决能力是新时代的关键任务。近年来在课程改革大背景下，STEM教育学科整合模式在世界各地陆续展开。STEM教育的目标就是要培养学生有逻辑性、有创造性地思考，培养学生的问题解决能力。科学学科与工程教育都是以问题为导向的学科，因而科学学科与工程教育的整合有其实施的可行性。通过科工整合，在工程教育中渗透、深化科学原理和技能，不仅能锻炼学生对实际问题的分析和解决能力，也能赋予科学知识更多应用层面上的价值。
中小学工程教育实施的背景
STEM教育包含科学、技术、工程、数学四大学科领域，我国在基础教育阶段已经系统地实施科学、数学教育，并取得了一定的成果。技术教育虽主要局限在信息技术，其重视程度和课程实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阶段，在中小学基础教育中几乎没有系统实施。
善于发现和解决问题的能力是当代中小学生需培养的重要能力。基础工程教育的目标不是将每个学生都培养成工程师，而是通过渗透工程教育，培养学生分析和解决问题的能力，建立工程思维，挖掘学生的工程实施技能。同时，通过科学探究与工程设计的整合，使相关科学原理和科学技能得到更具实际价值的延伸。
初中科学课程中工程教育实施的必要性
初中科学学科特点及学习现状。初中科学是一门综合性的学科，其核心理念是提高学生的科学素养，概括三个组成部分：了解科学知识；了解科学的研究过程和方法；了解科学技术对社会和个人所产生的影响。在实际学习中，学生存在的主要问题有：问题意识薄弱；将科学服务运用于生产生活实际的意识不强；学生之间有深度和实际意义的交流较少；学生获得的评价方式比较单一。为了更好地促进学生课堂内外科学学习的兴趣，提高动力，发掘更多学生的潜力，使学生的评价更加多元化，须转变科学教学模式和理念，让更多学生主动参与学习探究，主动发现和提出问题、解决问题，最终将科学知识运用到实际生产生活中。
未来社会发展和竞争的需要。越来越多的国家认识到中小学工程教育的重要性，并采取相应的落实措施，如美国、英国、澳大利亚等。通过实施相应的教育政策激励中小学生对工程学的兴趣，在学习过程中培养符合时代需要的工程思维，并运用这种思维方式解决问题，为高等教育阶段培养工程人才奠定基础。
科学与工程教育“协同作用”。“协同作用”的解释是各种分散的作用在联合应用中的总效果优于单独作用的效果之和。科学与工程教育的整合，将工程实践融入到科学原理中，使科学理论知识的学习有了应用延伸。同时，在工程设计过程中，学生通过分析问题、设计方案、讨论修正等过程，能够深化学习相关科学理论知识。此外，将科学知识和技能运用到工程实践中，使工程教育有了更加完善的理论支撑和技术支持。
科学与工程教育整合的教学实践——“制作望远镜”教学
如何在科学教学中整合工程教育，笔者以“制作望远镜”这一课的教学为例分享体验。
问题导入，确定项目主题。教师创设情境：自古以来人们就对天空以及天空中的星月充满探究欲。同学们想更清楚地观察到月球表面的样子吗？用什么办法？学生就联想到要用望远镜。那么自己动手制作一架望远镜是否可行？学生通过查阅资料认识了相关科学史，了解到望远镜的基本原理和构件，初步预测了该项目实施的可行性，确立了本次工程项目的主题：制作望远镜。折射式望远镜主要有伽利略望远镜和开普勒望远镜两种，通过查阅资料得知伽利略望远镜视野比较小，不适合观察遥远的星体，将项目主题精确到制作开普勒望远镜（以下简称“望远镜”）。在这个过程中，学生从问题出发，查阅资料，将课内所学科学知识与课外知识衔接起来，不仅丰富了知识体系，在逐步接近项目主题的过程中，也锻炼了分析问题的能力。
小组合作，设计项目方案。在这一环节中，教师把学生划分为几个小组，给每个小组准备了几块透镜，让学生体验以下活动：1.将一块凸透镜置于眼前观察远处物体，有放大效果吗？2.用两块凸透镜，适当改变两块透镜的距离，有何发现？3.将两块透镜交换位置，有什么发现？4.小组成员交换透镜再重复观察。活动过程中学生体验到一块凸透镜能使远处物体成倒立缩小的像，与凸透镜成像中物距大于两倍焦距时成倒立缩小实像联系起来；再加一块凸透镜能使原来缩小的倒像放大，有些学生能联系到凸透镜成像中物距小于一倍焦距成正立放大虚像。接下来教师通过在光具座上的演示实验视频（考虑到可观察性，采用提前录制视频的方式），使学生进一步确定该望远镜的原理：物镜使远处的物体成一个倒立缩小的实像，该实像的成像位置在目镜的一倍焦距以内，又通过目镜成一个正立放大的虚像（此目镜相当于放大镜），因此，最后看到的像相比于原物体是倒立、放大的。
进行头脑风暴，开展小组讨论。根据教师提供的器材和资料，选择合适的材料，衡量各材料的实际用途和价格，让学生明白在工程项目的实施中成本是必须考虑的问题。选好材料后，学生将望远镜的设计图画下来。要求标注出主要结构的尺寸、规格。在设计图的绘制过程中学生可以巩固相关光学知识并且锻炼基本的绘图、测量技能。同时，还运用到拓展的新知识：望远镜的放大倍数=物镜焦距/目镜焦距，增加了科学知识学习的深度和广度，也使学生认识到工程设计离不开科学原理的支撑。
共同参与，实施项目。各小组根据所选器材和设计图完成望远镜的制作。物镜选择直径较大焦距长的凸透镜，目镜选择直径较小焦距短的凸透镜来组合制作，并且采用大筒套小筒的方式将镜筒设计成可伸缩（调距）形式。本环节对学生的动手实践能力是极好的考验和锻炼。实际制作和设计图往往有一定的差距。比如，有个别小组对材料清单了解不够仔细，在设计图中没有细化到用什么方法来固定凸透镜，导致嵌入不稳定或者无法嵌入。学生通过动手尝试发现了新的问题，于是小组成员共同出谋划策，展开目的指向明确的讨论交流，寻找解决办法。最后，讨论决定由两名学生合作使用黑色胶布将物镜和目镜固定好。有些小组讨论后又在透明饮料瓶身外粘上一圈不透光的彩纸，再将饮料瓶插入纸筒，完成望远镜的制作。
在这一环节中，学生将设计方案进行了物化，这正是工程学习的重要内容之一，也是科学知识学习的应用价值所在。工程学是实践性很强的学科，将科学知识和技能运用到工程实践的过程中往往要经历一系列新问题的产生、分析、测试、解决，而在此过程中学生的问题解决能力以及团队合作能力得到了加强，这也是科工整合的意义所在。
分组展示，项目评价。学生将制作好的望远镜分小组测试评比，考量其性能、外观、时间成本、材料成本等。教师请展示者站立于同一地点，观察一定距离处的字体大小不一的文字符号，能成功观察到的文字符号越小则放大性能越好。相互交换体验制作成果后学生提出以下问题：为什么有些组能看清的物体非常有限？饮料瓶外包上不透明纸有什么实际作用？有一个小组的望远镜能看到的物像特别清晰是为何？自制的望远镜是倒像，怎么解决这个问题？
对于不同小组项目成效的不同，学生发出疑问，并且主动运用所掌握的科学知识和技能加以优化解决，得出最优方案，这就是实际工程中必不可少的项目测试与评价。学生能够深刻感受到每一个工程项目的背后是扎实的科学理论知识、基本技能、实践能力以及不轻言放弃的探究精神。
总结利弊，优化项目。经过总结，学生提出制作望远镜时，所选的镜筒组合应具有较大的长度调节范围；饮料瓶外须包上不透明纸，能够减少其他光线，使观察物体更清晰；从美观角度建议给纸筒也包上彩色纸。
在这一环节中，有些问题的解答可以由教师拓展，也可以由学生在课后寻找答案。比如，色像差导致的成像不清晰，需消色差等。根据交流展示评价结果，各小组再次优化设计，针对以上问题对制作的望远镜加以改进。在课后完成项目优化也可以是家长共同参与的过程，使工程教育联系学校和家庭、学生和家长，让工程教育更有意义。
对科工整合实施过程的反思
科学与工程学习整合能更大程度地带动学生参与学习的积极性，课堂中学生参与积极性明显提高。基于项目式的工程教育使学生能积极地参与问题的思考和解决，对学生掌握科学理论知识、培养实践能力有明显的正向作用。
现阶段，其存在的问题主要有以下几个方面。一是教师提前预设较多，在材料的选择方面学生选择余地较小，学生无需花费太多精力在选材上，给后面的制作过程降低了难度，学生需要自主面对和解决的问题比较少，开展工程项目设计的灵活度较小。二是受课堂教学时间限制，学生自主分析、解决问题时间相对仓促，对问题的思考不够深入，同时问题的解决达成度有待提高。三是部分学生对于待研究解决的问题方向不明确，实施过程中缺乏目的性，思考的方向容易偏离主题。
综上，科工整合有其实施的可行性与积极影响。将初中科学与工程教育整合，激发了学生自主参与科学探究的兴趣，有利于提升学生自主解决问题的能力。现阶段教师对于该模式的教学尚处于探索阶段，还需不断学习、完善，从而促进该模式在初中科学课程中的普遍实施，提高学生的综合科学素养。
（作者：强伟华，单位：浙江省湖州市长兴县洪桥逸夫中学）（《中国民族教育》2023年第4期）
