學科項目化學習：溝通科學探究與工程實踐的橋梁

周振宇

《義務教育科學課程標準（2022 年版）》明確指出，通過科學課程培養的學生核心素養包括四個方面：科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任。這是首次在課程標準中將“探究”和“實踐”放到并重的位置，這樣的表述體現出我國科學教育界對探究與實踐關系認識的變化，值得仔細品讀、領悟。

一、從課標的變化看人們對探究與實踐認識的發展

2001 年頒布的《全日制義務教育科學（3～6 年級）課程標準（實驗稿）》，就科學課程改革提出了六條基本理念，其中第三條指出“科學學習要以探究為核心”，并進一步對探究的含義進行了闡釋：“探究既是科學學習的目標，又是科學學習的方式。親身經歷以探究為主的學習活動是學生學習科學的主要途徑?！痹撦喺n程改革，面對知識講授和驗證性實驗為主的科學課堂教學現狀，旗幟鮮明地指出必須以探究為核心，力求徹底改變教師灌輸式教學的慣習，保障學生的主體地位，具有非常重要的現實意義，也起到了非常好的效果。

2017年，重新修訂的《義務教育小學科學課程標準》（以下簡稱“2017年版課標”）指出科學課程的性質為：基礎性課程、實踐性課程、綜合性課程。同時在“實踐性課程”部分進一步指出：“探究活動是學生學習科學的重要方式?！瓘娬{從學生熟悉的日常生活出發，通過學生親身經歷動手動腦等實踐活動，了解科學探究的具體方法和技能，理解基本的科學知識，發現和提出生活實際中的簡單科學問題，并嘗試用科學方法和科學知識予以解決，在實踐中體驗和積累認知世界的經驗，提高科學能力，培養科學態度，學習與同伴的交流、交往與合作?！睆纳鲜鑫淖挚梢钥闯?，探究從科學學習的核心變為重要方式，而實踐則成了探究的上位概念，泛指學生親身經歷的動手動腦活動，探究只是實踐的一種類型。

2022年4月，最新頒布的《義務教育科學課程標準（2022 年版）》（以下簡稱“新課標”）中，首次將探究與實踐并列為通過科學課程培養的學生核心素養，并作出如下闡釋：探究實踐主要指在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題，以及技術與工程實踐過程中，形成的科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力?？茖W探究能力體現在：理解科學探究的一般過程和方法；提出科學問題，并針對科學問題進行合理猜想與假設；制定計劃并搜集證據，分析證據并得出結論；對結果進行解釋與評估；準確表達觀念，反思探究過程與結果。技術與工程實踐能力體現在：了解技術與工程實踐的一般過程和方法，針對實際需要明確問題，提出有創意的方案，并根據科學原理或限制條件進行篩選；實施計劃，利用工具和材料進行加工制作；根據實際效果進行修改迭代；用自制的簡單裝置及實物模型驗證或展示某些原理、現象和設想。自主學習能力體現在：自主確定學習目標，選擇學習策略，監控學習過程，反思學習過程與結果。很顯然，在新課標中，探究指科學探究，實踐指技術與工程實踐，科學探究和技術與工程實踐在科學學習中具有同等重要的地位。

二、科學探究和技術與工程實踐之間的共生關系

從三版課標的表述看，我國科學教育界對探究與實踐關系的認識在不斷變化，從探究為核心到探究是實踐的一種方式再到科學探究和技術與工程實踐并行并重，其背后反映了人們對科技認識的變化。人們逐漸認識到，科學、技術與工程是共同推動社會發展的重要力量，三者各自承擔著重要的任務，缺一不可，又彼此相融，相互促進，共同發展，形成了一種和諧的共生關系。

所謂科學，是人們在認識世界和改造世界的過程中創造出來的，正確反映客觀世界現象、物質內部結構和運動規律的系統理論知識。技術則是在科學的指導下，通過總結實踐經驗而得到，在生產過程和其他實踐過程中廣泛應用的，涉及設計、裝備、方法、規范、管理等各個方面的系統知識。而工程是人類有組織地綜合運用多種科學技術進行的大規模改造世界的活動。它除了要考慮技術的先進性和可行性外，還要考慮成本、質量及對環境的影響，做到經濟、美觀、實用、環保。沒有科學，人們就失去了對這個世界最本質特征的認識；沒有技術，即使有再多的科學發現，人類的生產和生活也難有實實在在的改變；沒有工程，科學和技術就不可能融會貫通，并產生產品?？茖W負責發現，技術負責發明，工程負責建造，科學發展帶來技術進步，科技的進步在工程實踐中以集大成的方式呈現出來，三者聯合，就成了完美的組合。當然，三者之間往往有著先后順序，先有科學的發展，進而推動技術革新，然后科技共同作用于工程，并在工程實施的過程中得到驗證和改良。隨著社會的發展，工程項目的難度不斷加大，這種不斷加大的難度又會倒過來產生科學和技術領域的新問題、新挑戰，從而推動科學發展和技術創新，以此形成一個螺旋上升、不斷迭代的鏈條。

教育是為社會發展服務的?？茖W、技術、工程在社會生產生活中體現出來的良性互動關系必然反映到教育領域。因此，面向未來的優質教育不能只重視科學，輕視技術，無視工程，而是要讓學習置身于真實的生活情境中，致力于復雜問題的解決，把科學探究與技術工程實踐融為一體，讓學習者基于問題解決的需要產生科學探究和技術提升的內驅力，并在學習過程中掌握技術工程實踐的能力和科學探究的本領，潛移默化地發展探究實踐素養。

三、學科項目化學習是融會科學探究與工程實踐的最佳路徑

認識到科學探究與技術工程實踐之間相互依存的關系之后，我們需要在教學實踐中讓這種依存關系得以彰顯，使學生從學習的起始階段就把科學探究與工程實踐融為一體，養成基于工程實踐需要開展科學探究，科學探究進展及時用于工程實踐改進的良好習慣與素養。

那么，傳統的教學方式有沒有可能實現上述目標呢？答案是否定的。原因有三：其一，傳統課堂以講授為主，學生被動接受知識，喪失了學習的自主性，導致學習興趣缺失，學習動力不足，學習方向不明；其二，傳統教學習慣于分科教學，容易割裂知識間復雜而深刻的聯系，忽視知識生成的綜合性特點，不利于學生形成綜合性、批判性思維能力；其三，傳統教學更多發生在教室里，遠離學生的生活，遠離問題情境的現場，學生學到的知識與生活脫節，難以在生產生活中加以應用。傳統教學的上述三點缺陷成為打通科學探究與工程實踐的障礙，也成為阻礙教育發展的攔路虎，因而，亟須一種新型的教學方式來逐步取代它。

項目化學習是取代傳統教學方式，培養學生高階思維，培養他們在實際問題情境中基于問題解決需要開展科學探究和技術工程實踐的最佳選擇。所謂項目化學習，就是以問題解決為目的，以自主建構式學習為方式，實現超越學科、分工合作、展示交流的周期性學習活動。［1］19美國巴克教育研究所認為，項目化學習具有八大“黃金準則”：重點知識的學習和成功素養的培養；解決一個有挑戰性的問題；持續性的探究；項目要有真實性；學生對項目要有發言權及選擇權；學生和教師在項目中進行反思；評論與修正；項目化學習成果的公開展示。［2］9正是因為項目化學習的這些特征，使之具備了讓科學探究與工程實踐融為一體的可能性。

在科學教學中引入項目化學習的理念，開展科學項目化學習，大致可以分為四個環節：第一是項目發布，師生基于真實的生活情境和發展需要，共同產生具有一定復雜性的工程項目，讓學生產生團隊學習的需要和突破難關的動力。第二是明確驅動問題，團隊對發布的項目進行認真思考，討論確定到底面臨哪些具體問題，教師要敏銳捕捉到真實問題背后的科學問題，并加以引導。第三是探究建構，學習共同體共同面對科學問題，作出假設，設計實驗，開展科學探究活動，通過多種科學方法，得出科學結論。第四是實踐應用，即學即用，把團隊探究建構出來的科學結論嘗試應用到工程項目實踐中，轉化成技術手段或實施策略，以完成項目，形成成果，同時對成果進行反思，并力爭在成果的基礎上產生新的項目需求，形成循環。四個環節首尾相連，周而復始，為了完成項目而提出問題、解決問題，為了解決問題而進行科學探究，探究的結論自然運用于工程實踐，顯性提升作品的質量。在對作品進行評價的過程中產生更高階的問題，萌發更高級別的項目，在充分科學探究的基礎上提升技術水平，形成工程作品的迭代效應。

以“降落傘”這一教學內容為例。在傳統教學視界中，“降落傘”的內容用一課時完成，主要分為兩個部分：首先，按照教材指定的步驟制作降落傘，學生分小組將小手帕折疊好，并在手帕四角系上長度相等的線，線的另一端打上結，系上重物，這樣降落傘就制成了。其次，探究降落傘下降的快慢跟什么因素有關，假設和傘面的大小、線的長短、重物的重量等因素可能存在關系，師生一起探討，當研究某一個假設的時候，討論確定什么可以改變，什么不可以改變，逐步理解對比實驗的要領，并通過實驗得出結論。這樣的教學，看似第一環節學生經歷了工程實踐，第二環節進行了科學探究，但是，這樣的實踐是教材規定的，是教師強加給學生的，學生只要按照步驟機械執行就行，這樣的探究主題也是教師發布的，學生不明白為什么要去探究降落傘下降的快慢跟什么因素有關系，探究的結論又有什么作用。因此，學生缺失興趣驅動，缺少學以致用的意義賦能，更缺少學習共同體共同面對復雜問題，共同制定研究方案，共同實施項目管理，共同調整研究方向的經歷。因而，學習深度不夠，學生的高階思維也難以得到培養。

2017 年版課標發布后，新編蘇教版《科學》教材中有了更多項目化學習的元素。教材把降落傘的形狀、結構、作用、工作原理等列為前期學習的內容，前期研究的內容之二是要設計一個對比實驗，研究傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩根數和長短等因素與下降速度之間的關系，并形成實驗報告。課堂學習從項目的發布開始，項目任務是：投放一個50 克左右的熟雞蛋，從三樓的高度降落到指定的地點。限制條件是只提供一個雞蛋，且項目任務要在兩課時內完成。學生組建項目研究小組，并就如何解決定點投放的問題，如何保護易碎品的問題等展開討論，寫出設計方案，畫出設計圖，在設計過程中需要充分考慮任務中的限制條件，比如工程造價、時間限制等。設計方案達成共識后，小組開展模型制作、性能測試、調整改進、分享交流等。以上教學圍繞項目任務的完成展開，學生在團隊學習的過程中溝通、交流、合作、時間管理等能力能得到鍛煉，而且每一個學習團隊的目標明確、興趣濃厚。但這樣的教學依然存在著將科學探究與工程實踐相割裂的缺陷，兩節課的學習完全聚焦于工程實踐，將降落傘的原理知識與探究過程前置于課堂學習之外，使得科學探究部分依然存在學生學習主動性缺失的問題，缺少了學生在工程實踐中遇到問題，從而引發科學探究動機，進而展開探究，解決問題，獲得成功感的妙趣。

如何讓學習更深入，讓科學探究與工程實踐產生更緊密的聯系呢？我們不妨進行調整，將學習周期適當放寬，把科學探究也納入項目。學習開始，教師可以發布這樣的項目：請設計并完成一個雞蛋保護裝置，可以讓一個熟雞蛋從三樓拋下，落入指定地點而不摔碎。設計過程中請綜合考慮成本、美觀、操作的便捷性、穩定性等多種因素。這樣的項目面臨的問題比上述教材中的項目更具復雜性和挑戰性，學生除了要考慮用降落傘來緩沖之外，還可能有對雞蛋進行軟包裝以緩沖、減震，甚至可將幾種措施疊加。不同小組之間的不同思路可能會導致研究方向的不同，有的小組會對影響降落傘下降速度的因素進行科學探究，有的小組會對究竟如何包裝可以最大程度起到減震保護的效果產生興趣，進而制定研究計劃，開展深入探究。在項目化學習的視域中，應該鼓勵思路與方案的多樣性。當學習團隊把上述這些科學問題探究清楚之后，會在第一時間根據項目需要，把這些科學結論轉化為技術，進而去優化工程設計方案。在實際學習過程中，學習團隊也的確沒有讓我們失望，除了對降落傘的傘面、重量等因素進行調整外，他們有給雞蛋穿上泡沫外套的，有用比較結實的塑料袋制作水艙并將雞蛋置于其中的，還有多種方式并用的。當負責保護雞蛋的研究小組與負責投放準度的研究小組坐到一起的時候，他們又因為彼此意見的不同發生激烈的爭辯，體積大了投不準，體積小了保護效果不好，他們學會了相互妥協，努力找到一種雙方都可以接受的中間狀態。就這樣，多種問題匯聚到一起，經過多種意見的相互妥協，多次實驗失敗之后的反思與改進，科學探究的結論成為他們決策的信心與底氣，通過研究琢磨出來的技術成為他們改良方案的寶貴經驗，最后因為成本、能力等原因不得不放棄一些理想的追求，讓他們對工程實踐有了更深刻的認識。更重要的是，沒有哪兩個組的方案和作品完全一樣，創造的魅力得到了最好的展現。

學科項目化學習的魅力在哪里？夏雪梅認為，它將項目化學習的設計要素融入學科教學，將低階認知“包裹”入高階認知，在不降低學科學業成績和保證基礎類知識與技能不損失的情況下，通過項目化學習的設計同時培育學生的問題解決、元認知、批判性思維、溝通與合作等重要的能力。［2］129在科學教學中，如果教師用項目化學習的理念來設計課程，科學探究與工程實踐之間的聯系必然暢通無阻，學生探究實踐素養的培養也必然能夠得到有效落實。