工程實踐活動影響中學生跨學科實踐創新能力的實證研究

占小紅, 徐冉冉, 符吉霞, 宋 蕊

(1.3.4華東師范大學教師教育學院, 上海 200062；2.上海市楊浦區青少年科技站, 上海 200082 )

一、引言

跨學科實踐創新能力是21世紀學習的重要能力[1]，被廣泛認為是推動創新的最重要的因素。目前跨學科實踐創新能力的培養有兩條基本思路，一是從綜合實踐活動入手，利用綜合實踐活動課程培養學生的問題解決、創新、合作與交流等素養；二是研發和實施一些注重學科融合、有利于學生跨學科實踐創新的選修課程[2]。但我國的學校教育一直以學科教學為主，由于高考的導向性作用，在中小學中，小學科學、勞技，高中通用技術以及科技活動課程發展相對薄弱，而龐大的學生基數、不均衡的師資力量也導致了依托學校特色課程發展學生跨學科實踐創新能力的可行性降低。

2013年美國頒布的《新一代科學教育標準》(以下簡稱“新標準”)中前所未有地將“科學與工程實踐”引入K-12科學教育，以跨學科思維來整合各學科的核心概念，建立起科學與工程實踐相結合的、新的人才培養路徑[3][4][5]。由于我國基礎教育階段跨學科課程經驗的缺乏和中小學減負呼聲的影響，并且在現有基礎教育體系中單獨設置課程開展跨學科實踐創新教育存在一定困難的情況下，美國科學教育“新標準”引入工程實踐活動的思路對我國培養中學生跨學科實踐創新能力具有重要啟示。

二、跨學科實踐創新能力的內涵、構成及水平

朱智賢在《心理學大詞典》中把創新能力定義為：“根據一定目的和任務，運用一切已知信息，開展能動思維活動，產生出某種新穎、獨特、有社會或個人價值產品的智力品質，這里的產品是指以某種形式存在的思維成果。它既可以是一種新概念、新設想、新理論，也可以是一項新技術、新工藝、新產品。[6]”據此，所謂中學生跨學科實踐創新能力是指在某些創造活動中，憑借個性品質的支持，利用已有的跨學科、跨領域的知識和經驗，新穎而獨特地解決問題，產生出有價值的新思想、新方法和新成果的本領。中學生的跨學科實踐創新能力的培養，就是一種在多學科融合下，對創造性思維、發現及解決問題的能力等方面的培養過程。本研究通過在中學科學課程中整合工程，即在科學學習過程中融入工程實踐活動來培養學生的跨學科實踐創新能力。工程實踐是基于一定的科學、數學知識與技術手段，通過“開發、改造、生產”等實踐環節來生產迎合社會需要的人工產物的過程[7]。在科學學習中融入工程實踐的意義在于：一方面，為課堂提供更加真實和有現實意義的案例，幫助學生更好地適應多學科綜合的一些復雜的問題，可以貫通科學知識、基礎工程知識以及數學、技術知識學習的通道，促成學生跨學科視野的形成。另一方面，幫助學生初步了解工程實踐過程，發展運用相關學科知識創造性地解決問題的實踐能力。

跨學科實踐創新能力作為一種復雜的綜合性問題解決能力，基于工程實踐活動的跨學科實踐創新能力培養尤為強調“開發、改造、生產”的工程實踐過程體驗。本研究通過對科學整合工程背景下的工程實踐過程模式的探討，以外在活動為跨學科實踐創新能力要素構建的顯性表征來確定能力要素。在分析美國2011年頒布的《K-12科學教育的框架：實踐、交叉概念以及核心觀念》中的工程實踐活動過程模式基礎上，結合典型科學整合工程教學案例中的工程實踐過程，提出了與中學階段相適應的工程實踐環節：①構思問題；②跨學科知識理解與運用；③設計解決方案；④創建模型或原型；⑤收集、分析與解釋數據；⑥交流與評價；⑦迭代循環，優化設計[8]。進一步參考“新標準”和NAEP《技術和工程素養框架》[9]中技術與工程素養評價框架的制定視角，按照上述過程環節對跨學科實踐創新能力進行要素劃分，包括：

(1)構思問題能力。構思是在想象中形成并通過作品的內容和形式體現的一種整體觀念?！皹嬎紗栴}”即學生在實踐活動前明確活動目的、思考可能的限制因素。

(2)跨學科知識認知能力。在構思問題的基礎上，理解多學科知識與工程實踐之間的關系以及如何將相關領域的知識進行遷移應用。

(3)方案設計能力。設計是在合理規劃的基礎上，將構想通過有創造性的造物過程實現?！胺桨冈O計”是針對一些已存在或可預見的問題和需求，通過頭腦風暴權衡功能設計、技術可行性、成本、安全性、美學等一系列條件，對方案進行多種可能性思考，合理規劃而完成具體方案，或在多種可行的解決方案中進行比較與最優化選擇。

(4)方案實施(創建模型或原型)能力。模型或原型是工程師通過問題推理，采用圖表等表征形式，對解決方案進行物化的過程。對于中學生而言，需要借助材料和儀器，根據已有設計方案完成模型或實物的制作。

(5)收集、分析與解釋數據能力。通過對模型或實物進行測試，收集、整理、描述和分析數據，將數據處理結果用于比較與衡量解決方案對特定設計標準的滿足程度，為方案的可實施性提供有效佐證。

(6)交流與評價能力。通過與他人交流和討論解決方案的可行性和目標實現程度，收集他人對解決方案的評價意見及改進思路，為方案優化提供參考。

(7)優化設計能力。結合實踐過程中收集的有效數據和交流環節中獲得的反饋，對原有設計進行修改與調整，通過“設計-實踐”的循環過程進一步滿足設計需要。

以上基于工程實踐環節對跨學科實踐創新能力要素進行了提煉。為了使跨學科實踐創新能力培養更具規范性和標準化，為了更好地評估中學生跨學科實踐創新能力的發展，本研究參考的NAEP《技術與工程素養評價框架》的制定思路，對跨學科實踐創新能力要素進行三水平劃分，劃分依據和具體表現見表1。

表1 跨學科實踐創新能力要素的水平表現

三、研究設計

(一) 研究問題

本研究旨在對兩所上海市公辦初中8個自然班進行一個學期的科學課程整合工程實踐的實證研究，主要回答以下問題：(1)科學課程中的工程實踐活動能否有效培養中學生的跨學科實踐創新能力？如果能，表現在哪些方面？(2)科學整合工程實踐的教學活動中哪些因素影響中學生跨學科實踐創新能力的發展？

(二) 研究對象

研究被試分為實驗組和對照組。實驗組被試為上海市市區某初級中學七年級四個普通班學生共計136名學生，其中女生68名，男生68名，采用統一的授課形式。根據學生六年級第二學期期末科學測試成績對被試進行了分類，科學成績處于前15%為學優生，共20人；科學成績處于后15%為學困生，共20人；二者之間為學中生，共96人。對照組被試為上海市市區另一所初級中學七年級學生共計146名學生，只進行相應的時間段的前、后測，無教學干預。

(三) 跨學科實踐創新能力測評方案設計

本研究考慮到跨學科實踐創新能力測評的特殊性，采用多種評價手段并行的思路，選取了紙筆測驗、課堂觀察和活動單評價三種方法。紙筆測驗的結果為學生跨學科實踐創新能力發展的主要判斷依據；課堂觀察用于了解學生在實踐活動中方案實施能力和交流與評價能力的發展，彌補紙筆測驗在“操作”和“交流”等方面測量的不足；活動單評價作為輔助評價材料，為說明學生跨學科實踐創新能力的階段性發展提供佐證，測定結果不作定量分析。

為了說明課堂觀察和活動單測評方式，表2呈現了“電鈴制作”教學主題中使用的課堂觀察和活動單測評方案，根據前文設計的跨學科實踐創新能力要素及水平標準，形成了學生在該課例中各能力要素不同水平所對應的活動表現作為測評的直接依據，并設計相應的考察與賦分方式。

表2 “電鈴制作”教學主題中跨學科實踐創新能力測評方案

(四) 教學實驗方案設計

1.中學科學整合工程的內容框架設計

選擇怎樣的“工程知識”和“工程實踐任務”與科學課程進行統整是科學整合工程的重要方面。本研究參考由NCETE資助研究提出的13個“適于K-12科學課程整合的工程教育”的工程核心概念的框架[10]，并深入分析了我國義務教育科學課程標準及上海地區七年級第一學期科學教材等文本，提出了和學生知識經驗水平相適應、與科學主題相關聯的工程知識框架(涉及的數學、技術知識略)，具體見表3。

關于科學課程中選取怎樣的“工程實踐任務”，NGSS中構建了各年級“科學與工程實踐”的實踐水平并提供了各種具體情境，強調“工程實踐”需要綜合考慮學生的生活經驗、任務的復雜度和陌生度等因素，尤其強調與科學教學主題的適應性[11]。本研究以上海地區七年級第一學期科學課程為基礎，提出了如表3所示的“工程實踐任務”，為初中科學整合工程實踐的教學方案設計提供了內容來源。

2.中學科學整合工程的教學方案設計

本研究針對發展中學生跨學科實踐創新能力的核心目標，進一步調整現有科學整合工程的教學模式[12]，教學中以適時穿插相關工程內容和工程實踐為主；在少量的主題課堂中有針對性地開展完整的工程實踐教學活動。根據七年級第一學期科學課程中的科學主題以及前文設置的相關工程知識和工程實踐任務，結合教學主題的學習要求和課時要求，對“身邊的溶液”、“電力與電信”、“健康的身體”和“感知與協調”四章的內容主題進行了科學整合工程的教學模式選擇和具體教學方案設計(見表3)。

表3 七年級第一學期科學課程中整合的工程知識、工程實踐和教學模式

四、教學實施與數據采集

2017年9月初至2018年2月中旬，課題組對所選初中學校4個實驗班、共計136名學生開展了科學課程整合工程實踐發展中學生跨學科實踐創新能力的正式研究。課題組通過入校組織專題研討等方式對四個班級的任教老師進行指導，確保實施方向。在研究過程中，課題組采用跨學科實踐創新能力前后測、活動單評價及課堂觀察等方法取得數據，進行定量和定性的分析。

在教學實驗過程中，受一些非人為因素影響，部分學生的試卷或活動單缺失。實驗組前、后測試卷均有效且對應收回的試卷數共計136份；電鈴制作活動單1收回有效份數135份，電鈴制作活動單2收回有效份數129份，潛望鏡制作活動單收回有效份數132份。對照組前、后測試卷均有效且對應收回的試卷數共計142份。

五、結果與分析

(一) 前測結果與分析

表4、表5、表6、表7呈現了跨學科實踐創新能力七個子能力的前測統計結果，從平均值來看，構思問題、交流與評價以及優化設計能力水平相對較低，均值低于1(表4)；七個子能力之間呈現顯著性相關(表5)；前測中實驗組與對照組的七個子能力水平之間不存在顯著差異(表6)。

表4 前測中七個子能力水平的描述性統計結果

表5 前測中七個子能力的相關分析

表6 前測中實驗組和對照組七個子能力水平的差異性分析

(二) 后測結果與分析

表7、表8、表9呈現了跨學科實踐創新能力七個子能力的后測統計結果，從平均值來看，各子能力水平提升明顯，交流與評價能力以及優化設計能力水平仍相對較低，均值在1左右(表7)；后測中七個子能力的相關性強于前測(表8)；后測中實驗組與對照組的七個子能力水平之間存在顯著差異(表9)。

表7 后測中七個子能力水平的描述性統計結果

表8 后測中七個子能力的相關分析

表9 后測中實驗組和對照組七個子能力水平的差異性分析

(三) 前、后測結果的綜合分析

對前、后測結果進行綜合分析，由表10和圖1的統計結果可以發現，前后測與組別的交互作用顯著，表明科學整合工程實踐的教學活動對學生跨學科實踐創新能力發展具有積極作用；但前后測與學生水平，組別與學生水平，組別、學生水平與前后測的交互作用不顯著，可見科學整合工程實踐的教學活動對不同水平學生跨學科實踐創新能力發展的影響差異不顯著。

圖2為實驗組三類學生前、后測中跨學科實踐創新能力各項子能力上的表現雷達圖，可以看到，經歷1個學期的科學整合工程實踐教學實驗組三類學生7個子能力的發展是明顯而且全面的，但其中對學優生的優化設計能力，以及對學中生、學困生的跨學科知識認知能力提升相對不明顯。

表10 前后測結果的綜合分析

圖1 不同組別、不同水平學生的各項子能力的前后測對比圖

圖2 實驗組三類學生前、后測跨學科實踐創新能力要素表現雷達圖

六、研究結論

本研究針對中學科學整合工程實踐教學中學生跨學科實踐創新能力的發展進行實證研究，探索科學整合工程實踐教學的可行性及有效性。通過對實驗組、對照組以及各組三類學生測評數據的統計分析形成如下結論：

(1)學生跨學科實踐創新能力要素整體提升明顯。教學實驗后，實驗組的七項跨學科實踐創新能力要素水平均有明顯提升，與對照組的測試結果之間存在顯著性差異，表明科學整合工程實踐教學活動對學生跨學科實踐創新能力的發展具有促進作用。

(2)科學整合工程實踐對不同水平學生跨學科實踐創新能力發展的影響不存在顯著性差異。在科學整合工程實踐對學生跨學科實踐創新能力產生積極影響的情況下，進一步分析發現不同水平的學生跨學科實踐創新能力要素的發展并不存在顯著性差異，但在特定能力要素上呈現一定的差異性。具體而言，學優生在跨學科知識認知能力的提升效果較為明顯，而學中生和學困生在該要素上變化并不顯著，表明學優生更適于通過經歷真實復雜問題解決過程，實現對知識的理解內化及綜合應用；在優化設計要素上，學中生和學困生的變化相對明顯，而學優生影響不突出，原因在于優化設計能力要求相對較高，需要學生多角度思考優化方向和具體方案，不斷循環往復實現設計目標，學優生實現質的提升需要更長時間的活動浸潤，而學困生和學中生從最初的沒有頭緒到逐步有了思考方向和基本思路，進步明顯。

七、研究啟示

目前，學界有關創新的理論研究程度相對較高，但對教學實踐中的可操作性和普適性的問題的研究相對薄弱，也未能兼顧到理論研究和實踐研究的同步性和適切性，從而削弱了對中學生創新能力培育的實際指導。特別是在探討基礎教育階段具體活動方式對學生創新能力發展所產生的影響的研究比較少。本研究基于跨學科實踐創新能力的內涵與核心特質，從探索培養方式的視角出發統觀基礎教育階段學生在學校所接受的整體教育情況，從現有課程相互配合和有效銜接的局限性和可行性層面來設計和實施了科學課程整合工程實踐的方式推動中學生跨學科實踐創新能力培養的探索。實驗結果表明：科學課程整合工程實踐對中學生跨學科實踐創新能力的培養具有積極的影響，大部分學生對此類STEM教育實踐學習活動持認可態度。這些成果初步表明此種方式可以作為中學生跨學科實踐創新能力培養的一種參考。

對科學課程中整合工程實踐培育中學生跨學科實踐創新能力還需進一步理清如下的重點和方向：

(一) 加強科學整合工程實踐的課程研究

隨著STEM教育理念的引入和美國新標準中“科學和工程實踐”思想的深入研究，近年來，國內外有關科學整合工程實踐培養創新人才的理論研究和教學實踐日益豐富。然而，對國內相關文獻及實踐課例的學習整理可以發現，相關的理論研究和實踐研究都比較薄弱。目前，國內沒有科學整合工程實踐的課程指導性文件，基礎教育階段科學相關的各學科課程標準內容尚未反映科學整合工程實踐的理念、目標和教學設計?，F階段教師在開展科學整合工程的教學實踐時仍存在普遍誤解，認為只要包含動手實踐的過程就是科學整合工程實踐，相關教學設計存在照搬國外經驗、自主開發較弱的情況。

為此，需要理清工程實踐活動與跨學科實踐創新能力培養的內在關系機制,進一步明確建立特定學段、特定科學課程相適應的跨學科實踐創新能力發展目標，并將科學整合工程實踐的課程研究轉化為指導教師開展工程實踐教學活動的課程開發、教學方法和內容組織等的研究基礎，為教學設計與實施提供重要的引領。

(二) 建立跨學科內容選擇的依據和整合思路

跨學科內容選擇和整合是開展科學整合工程實踐的關鍵。已有研究中對科學課程中引入工程、數學及技術知識的討論不多。Rodney L等人圍繞“工程和技術文件中主要的歷史和哲學”、“識別工程和技術成果的調查研究”等主題形成的工程核心概念復合列表，為開展基礎階段工程實踐教學的知識框架提供了重要的參考。NCETE2011年開始又有針對性地征集與工程實踐相關的主題或素材，并于2013年對課程標準中各年級“科學與工程實踐”的水平進行具體情境的補充。在政策文本研制和課程開發經驗有所積累的情況下，研究者不斷反思和探索，圍繞學生的興趣、相關經驗、能力發展等角度提出科學課程整合工程實踐的跨學科內容選擇和整合思路?？梢?，隨著研究的深入，跨學科內容選取和整合的視角越來越多元和強調規范及策略。然而，對現有研究成果的整理可以發現，通過資料整理和調查的方式構建內容框架，理論依據不足且缺乏實證檢驗；內容整合策略較為零散，尚未形成系統化的內容選擇依據和整合思路。

本研究參考NCETE工程核心概念框架和七年級科學教材內容，考慮該階段學生認知需求和經驗水平構建科學整合工程的知識框架，據此設計科學整合工程實踐的教學活動并付諸實施和效果檢驗。但通過課堂觀察和測試結果發現，部分學生表示難以理解、區分同一工程核心概念下不同工程內容間的區別與聯系，對工程知識、技術知識的理解較淺。針對上述情況，首先需要明確基礎教育階段科學整合工程的知識框架與任務素材的選擇主要依賴于教師對現行科學課程內容以及學生經驗基礎的把握；其次教師需要建立工程、數學、技術等跨學科內容與科學知識主題相適應、工程實踐任務陌生度和復雜性與學生經驗水平相適應的內容選擇原則，避免造成知識的認知沖突和負擔；再次，利用教師解讀、舉例說明和活動體驗等豐富的跨學科內容呈現方式，為學生創造跨學科知識理解和運用的契機，并可針對不同群體的認知需求，對知識呈現方式進行適應性調整。

(三) 檢視與創新科學整合工程實踐教學模式

將理論層面的科學整合工程實踐落實到具體的教學活動中，在課堂上開展工程實踐活動，需要進行整合視角下的科學課堂教學模式革新。本研究采用的三種科學整合工程的課堂教學模式，主要是從內容和實踐兩種元素出發加以類型化，便于實踐操作和控制要求。在教學實驗基礎上，我們發現，不同類型的教學模式應用需要形成整體規劃，尤其需要考慮有針對性地設置工程實踐片段融入型和工程實踐完整型，以幫助學生既能循序漸進了解工程實踐各環節的要求和實施策略，又能豐富對工程實踐的整體性體驗和認識。還需強化探究性、啟發性問題及線索的設計，尤其在方案設計、交流與評價、迭代優化等更為強調開放性和自主性的環節中給予必要的啟發和指導，使得學生了解思考和分析的方向，能真實有效地經歷辨析、研究和評估工程數據，不斷修正實踐的過程，切實提升學生的創新實踐能力。與此同時，也不拘泥于上述三類模式，可以從教學實際出發，針對學生的需求和教學目標對教學模式進行細化調整和變形，也可以進行多元視角下科學整合工程實踐的教學實施方式探索[13]。

(四) 提升科學教師開展工程實踐教學能力

教師作為教學活動的策劃者、教學過程的調控者、課程資源的開發者和學生發展的促進者，在教學活動中具有舉足輕重的地位?？茖W課程整合工程實踐不能簡單地認為是工程、技術等學科領域教育或科學教育的衍生品，迫切需要提供教師主動探索和挖掘專業教育過程中的創新要素和訓練學生創新意識和思維的教學能力[14]。

目前，基于工程實踐的跨學科實踐創新教育主要局限在大學這一相對獨立的場域內，校外青少年創新教育研究或培訓機構僅為少數群體提供指導和培育服務，而廣大中小學校教師相關的教學經驗極其匱乏。為此，可以嘗試構建高校、校外機構和學校教育三位一體的教師培養體系，為學校教師提供理論指導與課例模仿的學習平臺。構建高校與中小學校教學的橋梁，實現高校對相關教師進行理論培訓和教學指導；現有校外創新教育研究或培訓機構為學校教師提供真實案例的體驗，教師在培訓的過程中，實現由模仿向自主設計的轉變。教師通過實際教學和反思總結不斷優化經驗，盡可能通過工程實踐活動指導學生的過程中所使用的教學方法和話語模式對學生的認知思維和行為產生直接或間接的影響,使學生的知識轉化與創造能力在內化、社會化、組合化、外化的過程中得到不斷的增強[15]。