“科-工整合”實踐對初中生工程實踐能力影響的實證研究

曾濤 符吉霞 徐冉冉 宋國際

摘要： 工程實踐能力是工程教育的重要培養目標。對科學整合工程實踐的理論進行分析，設計和實施在初中科學課程中融入工程實踐活動的教學實驗。研究表明，科學整合工程實踐的教學活動能夠有效提升學生的工程實踐能力，為進一步探索“科-工整合”培養學生的工程實踐能力提出參考性建議。

關鍵詞： “科-工整合”實踐; 工程實踐能力; 實證研究

文章編號： 10056629（2020）05002306

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

提升學生工程實踐能力是工程教育的重要目標。近年來，工程教育受到各國關注，從高等教育到基礎教育形成了各具特色的工程教育體系[1]。我國基礎教育長時間存在工程教育缺位的現象，且主要以分科教學為主，學科整合教學實踐相對缺乏。在現有的學科教育體系中單獨開設工程教育課程存在一定困難，于是尋求在現行課程中以課程整合形式進行工程教育便成為一種可行途徑。Apedoe等[2]在課程實踐的基礎上明確指出，以工程為框架結合科學探究活動，學習者可以從這樣的整合中得到提升。唐小為等[3]指出，在基礎科學教育里整合工程實踐能夠幫助學生打通科學領域的“思”以及工程領域所強調的“思”。美國新一代科學教育標準（2013）將工程實踐與科學實踐并提，并指出了工程設計與科學學習活動整合的基本途徑[4]。基于此，本研究嘗試在科學課堂的探究活動中融入工程實踐（以下簡稱“科-工整合”），以此作為發展學生工程實踐能力的基本方式，并進一步探索“科-工整合”實踐對學生工程實踐能力的影響并提出具體策略及建議。

1 科學整合工程實踐的內涵與實施路徑

科學是解釋世界的理論，強調科學知識和技能的發展;工程屬于改造世界的實踐，關注實踐過程的體驗和結果的形成與優化。二者彼此交叉融合，前者的認知構建可以基于一定的工程情境中，工程實踐也離不開通過科學認識過程來獲得依據。從本質上看，科學探究與工程實踐都是一個問題解決的過程，都需要經歷“面對問題——提出解決方案——驗證——反思結果”等循環過程。這些共性為實現二者的整合提供了依據。通過整合的方式進行科學教育與工程教育，可以將科學知識構建與技能發展置于特定工程情境中，使得科學探究教學更貼近學生生活、拓展學生對相關領域研究成果的了解。在工程實踐活動解決方案的構思和執行中，逐漸接觸、了解工程領域，發展學生在復雜情境中解決真實問題的能力和思維水平[5]。

科學整合工程實踐教學的實施路徑研究包含兩個階段。首先是對工程實踐活動過程模式進行探討，其次是對整合了工程實踐的科學課堂進行教學模式設計。近年來，課程開發者為滿足特定的課程目標，對科學整合工程過程模式進行了相應調適。Dankenbring等提出科學整合工程實踐的八個步驟，分別為： （1）提出問題，明確任務;（2）頭腦風暴，設計解決方案;（3）方案評價;（4）模型構建;（5）測試設計原型，記錄數據;（6）根據標準和限制評價設計結果或方案;（7）設計成果展示與交流;（8）根據測試結果優化設計[6]。唐小為等[7]從整合目的、內容占比和組織交聯方式三個維度出發，提出了科學與工程整合的三種具體思路，即以工程設計為主的應用延伸型、科學和工程內容比重相當的工程框架型與以科學探究為主的設計即探究型。

綜上，目前科學整合工程實踐的教學模式研究較為成熟，為“科-工整合”實踐提供了方向指引。本研究選取與我國科學課程、與學生經驗水平相適應的工程知識內容，明確“工程實踐”素材或情境的選擇來源及要求。按照以工程實踐為主、科學和工程內容比重相當以及以科學探究為主的三種思路，引入Dankenbring等提出的科學整合工程實踐的步驟，設計科學課堂中整合工程實踐的教學活動。

2 研究設計

2.1 研究對象

對兩所河北省某市公辦初中8個自然班進行一個學期的科工整合實踐的實證研究，研究被試分為實驗組和對照組。實驗組被試為八年級4個普通班共計136名學生，其中女生68名，男生68名，采用統一的授課形式。根據學生八年級下期末科學相關科目測試成績加和進行分類，成績處于前15%為學優生，共20人;成績處于后15%為學困生，共20人;二者之間為學中生，共96人，并進行分類研究。對照組被試為八年級另4個普通班共計142名學生，進行常規授課并只進行前、后測。

2.2 工程實踐能力的評價方案設計

通過對工程實踐過程模式和環節說明的探討，參考美國新一代科學教育標準和NAEP《技術和工程素養框架》中技術與工程素養評價框架的制定視角[8]，按照過程環節對工程實踐能力要素進行劃分，包括： 構思問題能力、知識認知能力、方案設計能力、方案實施能力、數據分析與解釋能力、交流與評價能力和優化設計能力。各能力的具體要求與內涵見表1。

2.3 教學方案設計

對九年義務教育課本“溶液”“電力與電信”“健康的身體”和“感知與協調”四個課題的學習內容進行選擇與教學設計，在這些章節中采用三類科學整合工程的教學模式，不同類型的教學主題分布見表3。

2.4 測評方法

采用量化與質性相結合的方式判斷學生在“科-工整合”實踐中工程實踐能力的發展。其中，紙筆測驗是本研究主要的評價工具。研究依托科學課程中工程實踐能力框架，圍繞七項能力要素進行試卷編制和前、后測。根據學生在相應能力中的表現進行水平劃分，測驗結果錄入SPSS Statistics23.0中進行處理與定量分析。

此外，結合課堂觀察、工作單評價等方式對學生工程實踐能力的發展進行質性分析。通過課堂觀察對學生的方案實施能力、交流與評價能力進行記錄。工作單評價作為輔助評價材料，為教學實踐中學生工程實踐能力的階段性發展提供質性評價材料。以“電磁門鈴制作”的工作單為例，見表4。

3 結果與分析

在教學實驗中，收回實驗組前后測試卷均有效的共計136份，對照組為142份。此外，收回“電磁門鈴制作”工作單1有效份數為135份，收回“電磁門鈴制作”工作單2有效份數為129份，收回“潛望鏡制作”工作單有效份數為132份。工作單評價結果不錄入量化數據處理。

3.1 總體結果與分析

統計實驗組、對照組總體的前測和后測結果，見表5、圖1和圖2。在為期一個學期的教學實驗后，實驗組學生總體的前、后測成績差異明顯，各項能力表現出較大幅度的提升。而對照組的學生進行常規的授課，考慮教材編制中涵蓋少量工程知識、教師在教學活動中進行知識延伸以及學生課外工程實踐活動體驗等可能因素，對照組學生總體前、后測成績有所提升。但由于融入的工程知識和工程實踐數量極少，對照組學生總體提升幅度較小。

從具體的工程實踐能力要素來看，實驗組學生工程實踐能力總體提升較大，均值的前后變化表明科學整合工程教學活動對學生工程實踐能力的提升具有促進作用。其中構思問題能力、方案設計能力、方案實施能力、數據分析與解釋能力和交流與評價能力五項能力要素提升尤為明顯。此外，由于學生具備一定的科學知識基礎，實驗組和對照組學生在教學實踐前后知識認知能力提升幅度不大。

3.2 實驗組三類學生前測與后測的結果分析

同時，為了進一步了解實驗組學優生、學中生和學困生三類學生在教學實驗中工程實踐能力的發展情況，分析三類學生前、后測成績，用以考察科學整合工程的課堂教學對學生工程實踐能力的影響。結果表明，學優生、學中生和學困生三組學生的后測成績與前測成績之間存在顯著性差異，結果見表6。

由表6可知，在“科-工整合”實踐之后，學優生工程實踐能力以及構思問題能力、知識認知能力、方案設計能力、方案實施能力、數據分析與解釋能力、交流與評價能力等有明顯提升。但在優化設計能力上，前后測不存在顯著性差異，可能是由于一段時間的“科-工整合”實踐教學活動對基礎較好的學優生的優化設計能力影響較小。

學中生工程實踐能力以及構思問題能力、方案設計能力、方案實施能力、數據分析與解釋能力、交流與評價能力、優化設計能力等能力要素的前測與后測成績存在顯著差異。但學中生在知識認知上不具有顯著性差異，這也說明學中生的知識認知與應用方面的表現較弱，在強調跨學科工程實踐的活動中對學中生的知識認知與應用方面影響較小。

學困生工程實踐能力以及構思問題能力、方案設計能力、方案實施能力、數據分析與解釋能力、交流與評價能力、優化設計能力等能力要素的前測與后測成績存在顯著性差異。但由于學困生科學知識基礎較為薄弱，缺乏對跨學科知識的理解，在一段時間的“科-工整合”實踐中知識認知能力也沒有顯著差異。

可見，“科-工整合”實踐能夠在一定程度上促進不同水平學生工程實踐能力的發展，但由于學生基礎不同，因而在具體的工程實踐能力要素上，學習效果亦不盡相同。

4 研究結論與啟示

4.1 研究結論

（1） 經過系統的“科-工整合”實踐教學活動，不同水平學生的工程實踐能力整體都得到了明顯提升。按照原先科學教學活動安排實施教學的對照組與進行“科-工整合”實踐教學活動的實驗組學生的工程實踐能力相比，二者的前測結果表明學生工程實踐能力相當，但依據后測結果可知，進行一段時間的“科-工整合”實踐教學活動后學生在工程實踐能力上得到更大提升。此外，隨著教學實踐活動的深入，結合質性分析，學生的工程實踐能力呈現階段式發展。

（2） 三類學生工程實踐能力均有所提升，但七項能力要素提升的側重點不盡相同。通過對三類學生工程實踐能力的數據分析和訪談分析可知，學優生科學基礎較好，通過“科-工整合”實踐教學活動的體驗，增加了對工程領域的了解和工程實踐過程的體驗經歷，能夠較完滿地解決問題，工程實踐能力顯著提升;學中生雖掌握一定的科學知識與技能，但在實踐過程中難以構建問題情境、活動與知識之間的聯系，通過科學整合工程教學活動培養他們從工程的角度深入思考問題，打通“思”與“做”之間的阻礙，工程實踐能力也具有顯著提升;學困生科學基礎明顯弱于學優生和學中生，但在方案設計能力上與學優生和學中生差異較小，即在思維表現上與這兩個群體沒有顯著差異?？赡苡捎谠冉虒W方式不當或對科學學習興趣不足等因素，通過在科學整合工程教學活動中設計學生較為熟悉的問題情境、體驗工程實踐過程，吸引學困生這一群體參與到教學中，對他們工程實踐能力的發展及科學學習的興趣產生促進作用。

4.2 研究啟示

（1） 對“科-工整合”實踐的教學理論應當繼續加強，進一步完善跨學科課程建設。我國現階段的基礎教育工程實踐活動的開展還存在一定的困難，不能一味照搬國外教學經驗，要重視本土教育的背景情況，對國外工程教育的經驗有選擇性地吸收，通過不斷的實證研究，發現我國開展“科-工整合”的薄弱環節。需要強化理論研究，結合實證研究，逐步形成符合我國國情的“科-工整合”課程體系，將課程研究轉化為能夠指導教師開展教學活動的課程開發、教學方法和教學組織形式等的研究基礎。

（2） “科-工整合”教學研究還應進一步構建教學模式，豐富教學手段，并采取多樣化的評價方式。研究中通過多樣化的教學評價方式，如紙筆測驗、課堂觀察以及工作單等綜合分析學生工程實踐能力的發展情況，發現學生很難區分同一工程核心概念下不同工程內容的區別與聯系，對于工程知識的理解仍較淺。教師應加強對“科-工整合”理論知識的研究，并在教學實踐中逐步開展工程設計活動，形成具有實踐操作性的教學模式。同時，建構多樣化的教學手段，有效推進跨學科工程實踐活動的落實。要認識不同學生在工程實踐活動中工程實踐能力提升的差異性，有針對性地補充相關知識，對不同水平的學生采取不同的引導方式。要認識到通過多種研究工具以及全面觀測方案，才能最大限度地了解學生工程實踐能力的發展情況，為后面的教學實踐活動提供一定的教學經驗和教學反饋。

（3） 注重教師隊伍建設，增進教學經驗。工程教育是教育活動中的獨立分支，不是科學教育或技術教育中的衍生品。結合對相關教師的調查發現，部分教師對于科學教育、工程教育的本質把握不清，對于“科-工整合”理論的認識也存在一定的偏差，這也就導致跨學科工程實踐活動的有效實施存在困難。要注意構建高校、課程機構和學校機構三位一體的教師培養體系，為教師的教學發展提供一定的學習平臺。

參考文獻：

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[2]Apedoe X.S.， Reynolds B.， Ellefson M.R.， & Schunn C.D.. Bringing engineering design into high school science classrooms： the heating/cooling unit [J]. Journal of Science Education and Technology， 2008， 17（5）： 454～465.

[3][7]唐小為， 王唯真. 整合STEM發展我國基礎科學教育的有效路徑分析[J]. 教育研究， 2014， （9）： 61～68.

[4]郭玉英， 姚建欣， 彭征. 美國《新一代科學教育標準》述評[J]. 課程·教材·教法， 2013， （8）： 118～127.

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[8]NAEP. 2014 abridged technology and engineering literacy framework. Retrieved from http：//iucat.iu.edu/iupui/13455870.