從科學(xué)探究到工程實(shí)踐（郝京華）

從科學(xué)探究到工程實(shí)踐教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)執(zhí)委南京師范大學(xué)教科院郝京華教授講座的內(nèi)容科學(xué)教育的新趨勢(shì)科學(xué)教育新趨勢(shì)的背景科學(xué)探究與工程實(shí)踐的區(qū)別與聯(lián)系科教人如何應(yīng)對(duì)新趨勢(shì)的挑戰(zhàn)一、科學(xué)教育的新趨勢(shì)1、科學(xué)教育改革的歷史沿革科學(xué)教育的出現(xiàn)是科學(xué)發(fā)展之后的成果，當(dāng)科學(xué)發(fā)展到人們體認(rèn)其重要價(jià)值，且發(fā)現(xiàn)不能忽略其存在價(jià)值時(shí)，科學(xué)課程開(kāi)始納入學(xué)校課程范圍，科學(xué)教育正式成立。（1800——1960）斯賓塞（英國(guó)）《什么知識(shí)最有價(jià)值》——科學(xué)知識(shí)最有價(jià)值科學(xué)教育的變遷——實(shí)用性的科學(xué)知識(shí)知識(shí)概念性的科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法科學(xué)素養(yǎng)（赫德1958）——科學(xué)知識(shí)與概念、科學(xué)方法與技能、科學(xué)精神與態(tài)度、科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)的價(jià)值（與道德、社會(huì)的關(guān)系、技術(shù)）美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（1996）科學(xué)的統(tǒng)一概念和過(guò)程作為探究過(guò)程的科學(xué)物質(zhì)科學(xué)生命科學(xué)地球與空間科學(xué)科學(xué)與技術(shù)從個(gè)人和社會(huì)的角度所見(jiàn)的科學(xué)科學(xué)的歷史與本質(zhì)臺(tái)灣的《自然與生活科技》過(guò)程技能科學(xué)與技術(shù)認(rèn)知科學(xué)本質(zhì)科技的發(fā)展科學(xué)態(tài)度思考智能科學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)與制作2、近期變化—2011-20132010-20111990年代1990年代-2009NGSS階段IINGSS階段I78NGSS的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容橫向交叉實(shí)踐生命科學(xué)物理科學(xué)LS1: 從分子到有機(jī)體：結(jié)構(gòu)與過(guò)程LS2: 生態(tài)系統(tǒng)：相互作用，能量和動(dòng)力LS3: 遺傳：特質(zhì)的遺傳和變異LS4: 生物進(jìn)化：統(tǒng)一性和多樣性PS1:物質(zhì)及其相互作用PS2:運(yùn)動(dòng)和靜止：力和相互作用PS3:能量PS4:波及其在信息傳播技術(shù)中的應(yīng)用地球與空間科學(xué)工程與技術(shù)ESS1:地球在宇宙中的位置ESS2:地球系統(tǒng)ESS3:地球和人類活動(dòng)ETS1:工程設(shè)計(jì)ETS2:工程、技術(shù)、科學(xué)和社會(huì)的聯(lián)系9學(xué)科核心概念模式因果關(guān)系:機(jī)制和解釋

比例尺，比例關(guān)系，和數(shù)量系統(tǒng)和系統(tǒng)模型能量和物質(zhì)：流動(dòng)，循環(huán)與守恒

結(jié)構(gòu)和功能

穩(wěn)定性和變化

10橫向（跨學(xué)科）概念科學(xué)與工程實(shí)踐1、提出/界定(科學(xué)/工程)問(wèn)題2、開(kāi)發(fā)和使用模型3、計(jì)劃和執(zhí)行調(diào)查4、分析和解讀數(shù)據(jù)5、使用數(shù)字和計(jì)算思維6、形成科學(xué)解釋/設(shè)計(jì)工程解決方案課程材料不能僅是呈現(xiàn)和評(píng)估科學(xué)概念–它們需要讓學(xué)習(xí)者有機(jī)會(huì)親歷運(yùn)用科學(xué)實(shí)踐來(lái)形成和運(yùn)用科學(xué)概念的過(guò)程。

核心概念實(shí)踐橫向概念近距離看NGSS(2年級(jí))132.PS1物質(zhì)及其相互作用學(xué)生能夠:2-PS1-1. 計(jì)劃和執(zhí)行一個(gè)調(diào)查來(lái)描述不同的材料，并根據(jù)其可觀察的屬性分類。

[說(shuō)明:觀察可以包括顏色，質(zhì)地，硬度，伸縮性。模式可以包括不同材料所共有的屬性。]上述學(xué)習(xí)期望通過(guò)以下要素發(fā)展起來(lái)（取自NRC文件K-12科學(xué)教育的框架）:科學(xué)與工程實(shí)踐學(xué)科核心概念橫向概念計(jì)劃和執(zhí)行調(diào)查

在K-2年級(jí)，計(jì)劃和執(zhí)行調(diào)查來(lái)回答問(wèn)題或檢驗(yàn)問(wèn)題解決方案，要建立在先前的調(diào)查經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，如通過(guò)簡(jiǎn)單的公平測(cè)驗(yàn)的調(diào)查，提供支持解釋或設(shè)計(jì)解決方案的數(shù)據(jù)。合作計(jì)劃和執(zhí)行一個(gè)調(diào)查，將形成的數(shù)據(jù)作為回答問(wèn)題的證據(jù)基礎(chǔ)。(2-PS1-1)PS1.A:物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和屬性

存在不同種類的物質(zhì)，好多物質(zhì)既可以是液體也可以是固體，取決于溫度的不同。可以描述物質(zhì)的可觀察的屬性并按照這些標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分類。(2-PS1-1)

模式自然世界和人造世界中的模式是可觀察的。(2-PS1-1)

和本年段其它學(xué)科核心概念的聯(lián)系: 和其它年段學(xué)科核心概念的聯(lián)系:和共同核心標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系:英語(yǔ)語(yǔ)言藝術(shù)（ELA）/讀寫–數(shù)學(xué)– BasedonworkbyTinaChuek數(shù)學(xué)科學(xué)英語(yǔ)語(yǔ)言藝術(shù)M1.理解問(wèn)題并堅(jiān)持解決問(wèn)題。

M2.抽象地和量化地推理。M6.注意精確。M7.尋找和運(yùn)用結(jié)構(gòu)。M8.在重復(fù)的推理中尋找并表達(dá)規(guī)律性。S1:提出（科學(xué)）問(wèn)題和界定（工程）問(wèn)題S3:計(jì)劃和執(zhí)行調(diào)查S4:分析和解釋數(shù)據(jù)S6:形成（科學(xué)）解釋和設(shè)計(jì)（工程）解決方案 M4.用數(shù)學(xué)建立模型。S2:開(kāi)發(fā)和使用模型S5:使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維E1:表現(xiàn)出獨(dú)立性。E7:開(kāi)始理解其它視角和文化。

E6:策略性地和熟練地運(yùn)用技術(shù)和數(shù)字媒體。M5:策略性使用合適的工具。E2:建立牢固的內(nèi)容知識(shí)。E5:尊重證據(jù)。M3&E4:構(gòu)建可行的論證，批評(píng)別人的推理。S7:投入有證據(jù)的論證

S8:獲取，評(píng)價(jià)和交流信息

E3:獲取、綜合和清晰有效地報(bào)告結(jié)果，對(duì)任務(wù)和目標(biāo)作出反應(yīng)科學(xué)、數(shù)學(xué)和英語(yǔ)語(yǔ)言藝術(shù)中的實(shí)踐的共同之處中國(guó)小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)工程技術(shù)版塊）人們?yōu)榱耸股a(chǎn)、生活更加便利、快捷、舒適，創(chuàng)造了豐富多彩的人工世界。技術(shù)的核心是發(fā)明，是人們對(duì)自然的利用和改造。工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問(wèn)題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)。科學(xué)教育實(shí)踐層面STEM的興起

STEM教育將有助于培養(yǎng)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)所需要的能干且靈活的勞動(dòng)力、STEM將確保美國(guó)社會(huì)繼續(xù)做出基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)并提升我們對(duì)我們自身、我們星球和宇宙的理解。STEM教育將造就科學(xué)家、技術(shù)專家、工程師和數(shù)學(xué)家，他們將提出新的思想，制造新的產(chǎn)品并創(chuàng)造出21世紀(jì)的全新產(chǎn)業(yè)。STEM將為每一個(gè)個(gè)體提供技術(shù)技能和計(jì)算素養(yǎng)，為獲取足夠生活的薪水及為他們自身，他們的家庭和社區(qū)作出決定所必需的。——美國(guó)總統(tǒng)科技顧問(wèn)委員會(huì)2010創(chuàng)客熱二、科學(xué)教育新趨勢(shì)的背景競(jìng)爭(zhēng)（國(guó)家之間、企業(yè)之間）互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代（獲取信息、創(chuàng)造新信息的便捷）對(duì)真實(shí)情境中解決問(wèn)題能力的重視對(duì)高階思維能力的重視課程理論與實(shí)踐范式重心的轉(zhuǎn)移我們認(rèn)為了解科學(xué)教學(xué)的改革歷史和社會(huì)文化脈絡(luò)，以及認(rèn)清沖擊教室實(shí)踐面的外力因素，是專業(yè)訓(xùn)練中非常重要的一環(huán)?！溃┲Z瓦克

大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向大規(guī)模定制

產(chǎn)業(yè)組織網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)型員工成為核心競(jìng)爭(zhēng)資源

第三次工業(yè)革命

（新材料復(fù)合化、納米化；生產(chǎn)制造快速成型；生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化、智能化。）

即將出現(xiàn)的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國(guó)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我們實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機(jī)遇。機(jī)會(huì)稍縱即逝，抓住了就是機(jī)遇，抓不住就是挑戰(zhàn)。我們必須增強(qiáng)憂患意識(shí)，緊緊抓住和用好新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機(jī)遇，不能等待、不能觀望、不能懈怠。

——習(xí)近平

美國(guó)2013年2月13日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬發(fā)表了美國(guó)國(guó)情咨文演講演講?！艾F(xiàn)在，為了擴(kuò)大我們的中產(chǎn)階層，我們的公民必須接受教育和當(dāng)今從事工作所必備的技能培訓(xùn)。同時(shí)我們也要確保，在美國(guó)的每一個(gè)人只要辛勤肯干，就能獲得出人頭地的機(jī)會(huì)?！?/p>

美國(guó)夢(mèng)對(duì)在真實(shí)情境中解決問(wèn)題能力的重視美國(guó)教育部發(fā)起的“21世紀(jì)技能聯(lián)盟”指出的21世紀(jì)學(xué)生所需的：資訊通訊科技素養(yǎng)思考與學(xué)習(xí)力能處理與分析并評(píng)估資訊的準(zhǔn)確度、可靠度進(jìn)一步解決真實(shí)世界的問(wèn)題組織資訊成為有用的知識(shí)中國(guó)的核心素養(yǎng)核心素養(yǎng)是個(gè)體在解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的綜合性能力。核心素養(yǎng)不是簡(jiǎn)單的知識(shí)或技能。它是以學(xué)科知識(shí)技能為基礎(chǔ)，是整合了情感、態(tài)度或價(jià)值觀在內(nèi)的，能夠滿足特定現(xiàn)實(shí)需求的綜合性表現(xiàn)。(基本品格與關(guān)鍵能力）中國(guó)核心素養(yǎng)的內(nèi)涵——人文底蘊(yùn)科學(xué)精神學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)健康生活責(zé)任擔(dān)當(dāng)實(shí)踐創(chuàng)新—21世紀(jì)職場(chǎng)需要的不再是考試能手，而是能創(chuàng)造性地解決真實(shí)世界問(wèn)題的人！學(xué)科核心素養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)是核心素養(yǎng)在特定學(xué)科（或?qū)W習(xí)領(lǐng)域）的具體化，是學(xué)生學(xué)習(xí)一門學(xué)科（或特定學(xué)習(xí)領(lǐng)域）之后所形成的、具有學(xué)科特點(diǎn)的關(guān)鍵成就，是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)如：哲學(xué)(核心)素養(yǎng)、歷史(核心）素養(yǎng)、數(shù)學(xué)(核心)素養(yǎng)、科學(xué)(核心)素養(yǎng)…PISA科學(xué)素養(yǎng)評(píng)估框架四者關(guān)系：能力為核心情境為背景知識(shí)、態(tài)度為影響能力形成的基礎(chǔ)問(wèn)題：僅僅依靠40分鐘的課堂教學(xué)能否真正培養(yǎng)得出在真實(shí)情境中解決問(wèn)題的能力？紙筆測(cè)驗(yàn)是否能真正測(cè)出這些能力？（OM比賽）對(duì)（高階）思維能力的重視認(rèn)知領(lǐng)域的目標(biāo)

評(píng)

價(jià)|

綜

合|

分

析|

運(yùn)

用|

領(lǐng)

會(huì)|

知

識(shí)

|

安德森

《太陽(yáng)系拯救大行動(dòng)》情境：一個(gè)宇航器壞了，不知落到哪顆星球上去了。學(xué)習(xí)任務(wù)：根據(jù)發(fā)回的影像、溫度、高度等信息判斷它落到哪顆星球上了？電子秤探秘聲傳感器——聲控開(kāi)關(guān)光強(qiáng)傳感器——路燈自動(dòng)開(kāi)關(guān)溫度傳感器——電熨斗的溫度控制、溫度報(bào)警器壓強(qiáng)傳感器——根據(jù)車流量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)間濕度傳感器——自動(dòng)除濕裝置課程理論與實(shí)踐范式重心的轉(zhuǎn)移知識(shí)中心課程(以化學(xué)為例）社會(huì)中心課程（以生物為例）學(xué)習(xí)者中心課程（以科學(xué)為例）典型的知識(shí)中心課程例第4單元物質(zhì)構(gòu)成的奧秘原子的構(gòu)成元素離子化學(xué)式與化合價(jià)各種課程組織方式的利弊知識(shí)中心課程（知識(shí)的學(xué)術(shù)性）社會(huì)中心課程）（知識(shí)的意義性）學(xué)習(xí)者中心課程（知識(shí)的趣味性）

工程技術(shù)的加入，有利于實(shí)現(xiàn)科學(xué)課程價(jià)值取向的變化，有利于發(fā)揮不同課程組織方式的優(yōu)勢(shì)，克服三者的弊端。三、科學(xué)探究與工程實(shí)踐的區(qū)別與聯(lián)系1、科學(xué)探究?jī)?nèi)涵：科學(xué)探究就是指科學(xué)家研究自然界的各種方法和根據(jù)他們所收集的證據(jù)提出解釋的過(guò)程。目的：科學(xué)探究的目標(biāo)是探尋和認(rèn)識(shí)自然界中的因機(jī)制果探究過(guò)程：思考技能：?jiǎn)栴}類型：是什么？怎么樣？為什么？

科學(xué)探究過(guò)程

提出簡(jiǎn)單問(wèn)題

作出相關(guān)研究計(jì)劃與他人交流研究過(guò)程、觀察結(jié)果和解釋在構(gòu)建解釋中協(xié)調(diào)觀察到的證據(jù)和科學(xué)知識(shí)組織收集到的資料，并進(jìn)行解釋運(yùn)用恰當(dāng)?shù)墓ぞ吆图夹g(shù)收集資料探索流程

科學(xué)思考技能精確描述自然現(xiàn)象的技能發(fā)覺(jué)與描述自然現(xiàn)象因果問(wèn)題的技能覺(jué)察、產(chǎn)生和敘述另有假說(shuō)和理論的技能產(chǎn)生邏輯預(yù)測(cè)的技能計(jì)劃和實(shí)施控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試假說(shuō)的技能收集、組織和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)資料的技能作出和運(yùn)用合理結(jié)論的技能2、工程實(shí)踐內(nèi)涵：工程就是應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的概念來(lái)系統(tǒng)地解決復(fù)雜問(wèn)題。且往往要有創(chuàng)造性。目的：不斷滿足人們的需要和解決人類生活中的各種實(shí)際問(wèn)題。工程設(shè)計(jì)的過(guò)程：工程思維（設(shè)計(jì)思維）的技能：?jiǎn)栴}類型：做什么、怎么做更好確定問(wèn)題制定合理的解決方案分析解決方案優(yōu)化解決方案交流工程設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)思維洞察、創(chuàng)造、實(shí)施系統(tǒng)思維人性化思維相似性思維……科學(xué)探究和工程實(shí)踐的聯(lián)系接續(xù)關(guān)系——例如：科學(xué)家研究的問(wèn)題是：空氣是如何流動(dòng)的，空氣流動(dòng)又是如何影響氣候的，等等。工程師研究的問(wèn)題是：如何實(shí)現(xiàn)人工降雨、如何利用風(fēng)能發(fā)電。包含關(guān)系——例如：對(duì)物質(zhì)性能的研究與材料的選用四、科學(xué)教育新趨勢(shì)對(duì)科教人的挑戰(zhàn)1、對(duì)科學(xué)探究和工程實(shí)踐本體及價(jià)值的認(rèn)知2、如何處理科學(xué)概念、科學(xué)探究、工程實(shí)踐三者的關(guān)系3、如何將工程實(shí)踐向課外拓展、延伸科學(xué)探究和工程實(shí)踐的價(jià)值學(xué)習(xí)科學(xué)探究是為了掌握一種認(rèn)識(shí)自然界事物的方法和求實(shí)的科學(xué)精神；學(xué)習(xí)工程實(shí)踐是為了掌握如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)地、創(chuàng)造性地解決問(wèn)題的方法。工程技術(shù)是高階思維能力培養(yǎng)的載體引入工程可以縮短學(xué)習(xí)與職場(chǎng)的“距離”STEM是最自然的課程整合方式S+MS+T+MSTEMSTEAMSTEAM+如何處理三者的關(guān)系讓科學(xué)探究真正帶有“探究味”給非良構(gòu)問(wèn)題的探究以“一席之地”用工程實(shí)踐的思路改造知識(shí)的運(yùn)用環(huán)節(jié)案例１非良構(gòu)問(wèn)題案例：太平洋的銀鮭魚(yú)會(huì)洄游到他們的出生地產(chǎn)卵。問(wèn)題：

它們是怎么找到出生地的？用工程實(shí)踐的思路改造知識(shí)的運(yùn)用環(huán)節(jié)例：土壤的研究沙土、黏土的比較之后，能否增加造一堵檔豬墻的活動(dòng)。認(rèn)識(shí)了空氣的性質(zhì)以后，能否增加用壓縮空氣設(shè)計(jì)一個(gè)椅子的活動(dòng)…如何將工程實(shí)踐向課外延伸對(duì)于個(gè)體來(lái)說(shuō)，能力是一種以內(nèi)化的方式調(diào)動(dòng)一整套整合了的資源，以解決某一類問(wèn)題情境的可能性?，F(xiàn)代能力觀能力=（素能x內(nèi)容）x情境=（具體目標(biāo)）x情境臺(tái)灣課程標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于（思考）能力的提法思考智能資訊統(tǒng)整、對(duì)事物能夠做推論和批判、解決問(wèn)題等整合性的科學(xué)思維能力挑戰(zhàn)：整合性的科學(xué)能力該如何培養(yǎng)？與能力形成息息相關(guān)的在真實(shí)情境中解決復(fù)雜問(wèn)題的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)如何安排？知識(shí)結(jié)構(gòu)的演化完整科學(xué)正確離散片面錯(cuò)誤情境創(chuàng)設(shè)任務(wù)，提出素養(yǎng)要求；簡(jiǎn)化意味著剝離、結(jié)構(gòu)化、學(xué)科化初步的知識(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的知識(shí)系統(tǒng)整合的知識(shí)系統(tǒng)真實(shí)現(xiàn)實(shí)情境原始的探究方法原則性的探究方法適應(yīng)性的探究方法樸素的情感和價(jià)值系統(tǒng)發(fā)展的情感和價(jià)值系統(tǒng)成熟的情感和價(jià)值系統(tǒng)極為簡(jiǎn)化的現(xiàn)實(shí)情境簡(jiǎn)化的現(xiàn)實(shí)情境BPL項(xiàng)目課程（學(xué)習(xí)）模式1學(xué)習(xí)以“問(wèn)題”為起點(diǎn)。2問(wèn)題對(duì)學(xué)習(xí)者有意義，及學(xué)習(xí)者現(xiàn)在或未來(lái)常常會(huì)遇到這些問(wèn)題3在解決問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)習(xí)者希望獲得的知識(shí)并非來(lái)自學(xué)科，而是圍繞問(wèn)題產(chǎn)生。4無(wú)論是個(gè)體學(xué)習(xí)者還是團(tuán)體學(xué)習(xí)者，都應(yīng)該對(duì)他們的學(xué)習(xí)活動(dòng)負(fù)主要責(zé)任。5學(xué)習(xí)活動(dòng)大多是小組互動(dòng)，而不是聽(tīng)講座。ＰＢＬ學(xué)習(xí)模式案例：霧霾天教室的空氣是否安全？課堂教學(xué)因時(shí)空的局限在提供解決問(wèn)題能力鍛煉機(jī)會(huì)方面有一定的局限性，科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成還需要另辟蹊徑——需要向課外、拓展、延伸。校園科技場(chǎng)館（課程基地）問(wèn)題——“走馬觀花”式的參觀，學(xué)生只能獲得一些現(xiàn)象的知識(shí)；沒(méi)有課程（任務(wù)單）支撐，