美國《Science Dimensions》科學教材工程技術教育特色分析

房曉彤 劉曄

摘要：隨著2017年我國《義務教育小學科學課程標準》的頒布，小學三至六年級科學教材也進行了全面修訂，新教科版科學教材從2019年9月開始投入使用。其中一大變化是新增設技術與工程領域。同期，基于美國《新一代科學教育標準》（NGSS）編寫的科學和工程教科書《Science Dimensions》（《科學的維度》，以下簡稱SD教材）也開始發售。SD教材的課程內容與《框架》和NGSS中的“科學與工程實踐”“學科核心概念”“跨學科概念”三個維度內容一致，并創造性地將基于這三個維度構成的課程體系巧妙地融合到每節課中，以達到學生的“表現預期”，從而更好地幫助學生獲得基礎的科學素養。

關鍵詞：科學教材;工程設計;開發

本文的教學案例選用一節典型的工程技術課進行介紹，以“怎么做工程設計？”為主題并分析其對我國中小學科學工程技術課的啟示。

一、“怎么做工程設計？”教學設計

第1步：通過指定標準和約束條件來定義問題。

問題背景：因為山道受到嚴重侵蝕導致徒步路線存在安全隱患，你如何解決這個問題？

了解需要解決的問題后，為學生準備一個問題解決的支架——需修建道路的公園的地形圖。通過地形圖了解此地區的地理情況再結合此地區的天氣條件，以確定將使用什么標準和面臨什么約束條件。此時，既提供了獲取信息來源的工具——地圖，又點明了工具的使用方法和目的。

接下來引導學生分析山道修復這個工程項目的指定標準和約束條件分別是什么。

我們預期的目標是什么？比如，這個山道侵蝕問題想得到合理解決需要達到這3項要求：通行安全、減緩降水對山地的侵蝕、修復過程中盡量少用建筑材料。

我們面臨的限制有哪些？比如，實施這項工程所耗費的資金、材料、空間、時間……

第2步：開發和比較多個解決方案。

在這個環節，根據教材以插圖搭配文字的方式引導學生一步一步進行頭腦風暴。

在5～10分鐘內獨立想出盡可能多的解決方案，然后不加評判地傾聽每個人的想法。選一個小組成員做記錄員，使用每個人都能看到的白板記錄大家的方案。

小組進行觀點討論，給每個人一個機會來解釋自己的方案。

盡量將方案清單減少到2～3個想法。使用決策矩陣來選擇實施可行性最大的方案。

最終小組的方案是有理性判斷的工具。

第3步：進行控制實驗來測試可選擇的方案。

首先是動手項目。學生需要制作一個按比例縮小的山地立體模型來測試方案的可行性。如通過模擬降水的方法測試。學生按照科學探究的步驟進行測試，分析實驗結果，得出結論。此處，還會向學生滲透一個觀點即“‘失敗是設計過程中必不可少的部分，因為它指出了提高設計方案的途徑”。

然后與學生一起總結什么是工程設計。工程師們遵循“發現問題或需求一調查一定義問題一共同討論解決方案一評估解決方案并做出最佳選擇一開發和測試模型一評價測試結果一交流”的步驟來開發解決方案，而這些步驟可以分為三部分，即定義問題、形成可能的方案、改進設計。

二、案例的啟示

（一）“工程技術”單元與其他單元的聯動設計

在整套SD教材的課程內容設計中工程和STEAM是重要組成部分。從橫向來看，教材將K-5年級的每冊課程內容都分成了4個板塊：工程與技術、物質科學、生命科學、地球和空間科學。其中，工程與技術作為每冊的第1單元，統領其后的物質科學、生命科學、地球和空間科學各單元。學生先學習工程設計的必備知識和掌握關鍵能力后再應用到一般科學探究活動中。SD教材G5第1單元《工程與技術》共有3節課，其中第1課是了解科學和數學如何應用于工程，第2課是怎么做工程設計？而在第3課則學習技術如何影響社會，還包括單元表現性任務和單元回顧。這樣的課時安排是符合學生的認知能力的，先介紹工程設計中用到的數學和科學知識，然后再遵循工程設計步驟解決問題，問題解決后也就更能夠深入理解技術是如何影響社會的。從縱向來看，首先學生已經有了K-2的工程技術基礎，在G3、G4兩個學段學生主要學習如何定義問題、如何設計解決方案、測試和改進原型，作為三～五年級段的最高段，G5學段則要求學生掌握的是怎么做工程設計。學生將展示在小學階段所掌握的全部工程技術能力。

我國2017年新教科版小學科學教材中也對工程技術部分進行了重新布局。在一至二年級段安排了如1年級上冊“比較與測量”單元來進行工程技術的滲透，在三至四年級段的工程與技術訓練則是以對應主題單元課時的方式安排，如四年級上冊“運動和力”單元的第7、第8課時“設計制作小車”。在四至六年級段設計了4個“技術與工程”專題單元，分別為五年級上冊“計量時間”、五年級下冊“船的研究”、六年級上冊“工具與技術”、六年級下冊“小小工程師”。從分布來看，尊重學生認知成熟度的安排較為明顯。隨著學生知識量的積累，操作水平提高，在小學高段年級著重進行技術與工程能力的實踐訓練。但是學生只是了解了工程設計一般有什么步驟，缺乏對分解步驟的強化訓練。從縱向來看，4個專題單元的切入點是按照從認識人工世界到技術再到工程的編排邏輯，由具體問題到宏觀的視角，符合學習進階的設計原則，但是僅六年級下冊“小小工程師”這一專題內容是明確用工程技術解決問題，其他的專題單元仍然是知識主題下的動手實踐項目，訓練機會少。從橫向來看，還需要加強與其他類主題單元之間的聯動。

（二）情境創設：真實的重要性

SD教材的“工程技術”單元所選內容力求貼近學生的真實生活，凸顯美國基礎教育階段“‘工程技術不僅僅是對科學的應用，而且是人類改造世界的一項系統化實踐”的教育理念。該教材在每一課的最后安排了部分與本課內容背景一致、有關科學和工程方面的職業或者科學家、工程師的職業內容介紹。與真實世界的聯系菲常有利于讓學生感受到所學內容的價值。而我國的教材是以單元學習主題來作為工程設計的背景，偏重知識，而不是偏重解決實際生活問題。如四年級上冊“運動和力”單元的工程技術訓練內容“設計制作小車”的設計中，首先要求學生明確問題：“人們根據需要會設計各種動力的車輛來執行不同的任務。我們也設計一輛具有動力的小車來完成任務吧！”接著給出任務要求“請利用生活中的材料設計制作一輛具有動力的小車，使它能在5秒內把2塊橡皮運輸1米遠”。這樣的任務對于學生工程設計思維能力的訓練幫助是有限的。

中美教材總目標是基本一致的，都將目標定位為培養學生的科學素養，并為他們繼續學習、成為合格公民和終身發展奠定良好的基礎。從學習方法來看，兩套教材的提倡均基于活動探究的學習方式，注重培養學生的動手操作能力以及直接經驗的獲取。我國的工程技術領域育人目標的達成還在探索過程中，絕不能讓工程實踐內容的教學停留在單純的技能或知識學習層面，要不斷探索，使學生找到綜合應用知識解決實際問題的路徑。