“四階段六環節”的“工程實驗”學習方法解析

◇沈菲菲（浙江：嘉善縣教育研究培訓中心）

一、條件解析：“工程實驗”學習方法何以實現

2022 年頒布的《義務教育科學課程標準》（以下簡稱《課程標準》）提出“堅持創新導向，引導育人方式變革，著力發展學生核心素養”的建議，進一步顯示了從“科學探究”到“核心素養”的轉變要求。由此在科學課程中如何突出核心素養的培育成為科學教育更加緊迫的任務。

（一）問題：科學核心素養培育遭遇學習轉型之困

課程標準要求科學學習的邏輯起點從內容教學轉向核心素養，13 個大概念是孕育科學核心素養的重要依托。素養作為預期的學習結果，它不僅要求學生掌握、學會知識，而且需要將其作為解決真實世界問題的一種工具。顯然，知識是需要在實踐的學習和運用中深化的，“不要把探究式學習作為唯一的科學學習方式，不同的素養要通過不同的學習活動加以培養”，這表明學科核心素養的培育需要在整體活動的學習進程中交織、滲透和凝集。

因此，培育核心素養的關鍵在于實現從學知識到發展素養的學法轉變。但當前不少一線教師提供的學習方式，依然將“探究”作為知識學習的核心活動，而把“技術與工程”作為知識應用的“實踐”活動。這種單純把知識的獲得與應用割裂為兩個相對平行領域的學法，使得學生難以完成知識與素養之間的轉化。這就意味著科學學科的教學亟待超越傳統學習方式，探索以素養為基礎的新范式。

（二）破解：“工程實驗”融通學習筑素養培育之路

在將核心素養作為科學教育要點的當下，科學學習更應關注學生核心概念的學習方式與關鍵能力養成的融合發展。調查發現，學生在工程和技術領域的學習中，更容易領會與此工程相關的科學概念的內涵與外延，并樂于在后續的實踐中應用概念解決實際問題。這是典型的由內驅力主導的學習行為，實現了在真實任務情境中知識與工程實踐的深度關聯。因此將嚴密的科學概念與工程技術實踐融合學習的“工程實驗”學習，是實現知識向素養轉化的可行方案。

二、內涵解析：“工程實驗”學習方法的內涵與基本架構

（一）什么是工程實驗

工程實驗是融合了“科學實驗探究自然因果機制”和“技術與工程應用科學知識建造產品”兩者特征的一種學習方式。它融合科學、技術、工程三大維度。外殼是設計與制作產品；線索是解決真實情境下的問題；方法是科學、技術、工程、數學的融合；結果是科學知識和物化產品或模型。它打破了有限課堂時空與無限科學知識間的壁壘，使得學生在真實情境、問題與產品制作的交互中，建構科學核心概念，掌握技能與技術，實現對科學和工程的理解。

（二）“工程實驗”學習的基本架構

“工程實驗”學習以培育核心素養為目標指引，對探究和技術與工程學習方式進行了統整與創新，吸收了探究和技術與工程的實踐精髓而形成。它將整個學程分解為“認知激發—概念建構—物化解釋—評價深化”四大階段，同時細化為“情景任務—提出解決方案—制作產品—決策分析—驗證方案—公布產品”六大循環環節，最終實現“科學觀念、科學思維、探究實踐、責任態度”四大核心素養的培育和知識與素養的轉化。

三、路徑解析：“工程實驗”學習方法如何實施

“工程實驗”是指將探究和技術與工程兩種學習方式，用學法融合的方法進行統整與創新，用學程再造的方式，通過對工程建造與實驗探究過程要素的重整與融合，以多維的“實踐”取代單純的“探究”，融通“科學探究”與“工程實踐”，發揮探究（知識生成）與應用（能力發展）的功能，構建融合了知識與能力（核心素養）進階發展的“工程實驗”學習范式。

通過對科學核心概念和關鍵能力發展的脈絡梳理，將學習軌跡分為六大模塊，形成了“四階段六環節”的“工程實驗”學習范式。通過“認知激發階段—概念構建階段—物化解釋階段—評價深化階段”四階漸進，改變學生知識生成、運用的方式，培育核心素養。

（一）認知激發階段：驅動·喚醒·關聯

此階段，學生在真實問題的驅動下，喚醒原有認知結構中的經驗，點燃學習興趣，開始投入工程實驗的活動中。通過創設真實性的情境、關聯科學本質問題、關聯學生經驗、關聯技術要領，設計真實有挑戰性的任務，使知識聯系生活世界，激發學生的學習欲望，核心素養初步形成。

（二）概念構建階段：生成·系統·漸進

此階段，學生根據真實任務提出解決問題的方案，并初次嘗試工程設計與開發產品，利用產品對過程中產生的問題進行假設、解釋、實驗模擬、變量操作，形成科學核心概念，并納入自己的知識系統中。通過提供“中介工具”，例如，科學史閱讀資料、電子設備、模型、實驗材料等，幫助學生把科學知識發生、發展過程與產品形成過程融通，形成明確而穩定的概念，推動素養的建構和發生。

（三）物化解釋階段：審視·修正·創造

此階段，學生能依據學到的概念，調整設計方案，并創造新產品，形成物化模型。同時，能借助產品來解釋設計原理，實現概念內化和對關鍵能力的掌握。通過“自制、改造”等方式，重新審視問題，對比新舊產品、設計方案的優劣，反復修正物化產品，最終成功創造出產品（模型），實現知識向素養的轉化。

（四）評價深化階段：展示·遷移·凝集

此階段，學生以公開的形式，向同伴、教師、父母等表達自己的物化成果、科學態度，并以評價的方式，判斷學習成效。評價應以學生為中心，以成果為導向，以持續改進為目標，實現科學素養的落實。還可通過提供新情境，讓學生用學習到的概念對新情境做出解釋，重新改進產品，以實現知識重組、遷移，實現知識與素養間的轉化共生。

四、案例解析：“工程實驗”學習方法課例

（一）案例：《營養要均衡》

《營養要均衡》是小學科學教材中典型的資料學習型課例。多年來，教師最常采用“資料閱讀”的方式，幫助學生學習。學習的流程與目標：讓學生在閱讀中了解“人的生命活動需要不同種類和數量的食物”，并且學會設計一份營養均衡的食譜。閱讀是為了習得概念性知識，設計則作為知識的應用，卻缺失了對真實世界問題的檢視、實踐應用、改造創新的過程。

（二）運用“工程實驗”學習方法重構學習目標

運用“工程實驗”學習范式來重新展開《營養要均衡》的學習，需要依據課程標準中的13 個大概念和4 個跨學科概念，并融合“工程與技術”內容。重構學習目標如表1所示。

表1《營養要均衡》工程實驗學習范式下的學習目標

（三）運用“工程實驗”學習方法重構學程

運用“工程實驗”學習范式開展《營養要均衡》一課的學習，學生在科學工程實踐活動中，能做到知行合一，在知識生成于工程實踐的同時，能用新知識來改進實踐的物化產品，加深對新概念的理解。下面，是“工程實驗”“四環節六階段”重構學程下的《營養要均衡》一課的活動設計，如表2所示。

表2《營養要均衡》工程實驗學習范式應用介紹

通過表2 可以看出，《營養要均衡》在工程實驗理念支持的學習中，翻轉了傳統“枯燥講授”的教學方式，以制作一個營養均衡漢堡的工程實踐活動為載體，幫助學生理解“生物體的穩態與調節、生物生存需要營養、營養要均衡”等學科核心知識，并幫助學生理解“系統和模型”“物質和能量”兩個跨學科概念。整個學習源于真實情境，幫助學生用探究、設計、制作、評價等多種手段，探究科學概念，并成功制作了物化模型，實現了知識與素養的轉化。

五、價值判斷：“工程實驗”學習方法的價值

“工程實驗”以“核心素養培育”為切入點，是融入13 個大概念、4 個跨學科概念，融合科學知識學習與工程實踐的創新學習范式。它注重學生對真實情境中問題的解決，提供復雜、多變的學習主題，以“學習進階”的方式統整科學概念與實踐，通過科學工程實踐與核心概念的融合性學習，幫助學生重塑對工程與技術、科學知識與實踐之間關系的理解，進而獲得科學核心素養的全面提升。