從科學(xué)探究到工程實踐（郝京華）

從科學(xué)探究到工程實踐教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會執(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)教育的新趨勢科學(xué)教育新趨勢的背景科學(xué)探究與工程實踐的區(qū)別與聯(lián)系科教人如何應(yīng)對新趨勢的挑戰(zhàn)一、科學(xué)教育的新趨勢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)其重要價值，且發(fā)現(xiàn)不能忽略其存在價值時，科學(xué)課程開始納入學(xué)校課程范圍，科學(xué)教育正式成立。（1800——1960）斯賓塞（英國）《什么知識最有價值》——科學(xué)知識最有價值科學(xué)教育的變遷——實用性的科學(xué)知識知識概念性的科學(xué)知識和科學(xué)方法科學(xué)素養(yǎng)（赫德1958）——科學(xué)知識與概念、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)的價值（與道德、社會的關(guān)系、技術(shù)）美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（1996）科學(xué)的統(tǒng)一概念和過程作為探究過程的科學(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)從個人和社會的角度所見的科學(xué)科學(xué)的歷史與本質(zhì)臺灣的《自然與生活科技》過程技能科學(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)容橫向交叉實踐生命科學(xué)物理科學(xué)LS1: 從分子到有機體：結(jié)構(gòu)與過程LS2: 生態(tài)系統(tǒng)：相互作用，能量和動力LS3: 遺傳：特質(zhì)的遺傳和變異LS4: 生物進化：統(tǒng)一性和多樣性PS1:物質(zhì)及其相互作用PS2:運動和靜止：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ETS1:工程設(shè)計ETS2:工程、技術(shù)、科學(xué)和社會的聯(lián)系9學(xué)科核心概念模式因果關(guān)系:機制和解釋

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，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)與工程實踐1、提出/界定(科學(xué)/工程)問題2、開發(fā)和使用模型3、計劃和執(zhí)行調(diào)查4、分析和解讀數(shù)據(jù)5、使用數(shù)字和計算思維6、形成科學(xué)解釋/設(shè)計工程解決方案課程材料不能僅是呈現(xiàn)和評估科學(xué)概念–它們需要讓學(xué)習(xí)者有機會親歷運用科學(xué)實踐來形成和運用科學(xué)概念的過程。

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

[說明: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)期望通過以下要素發(fā)展起來（取自NRC文件K-12科學(xué)教育的框架）:科學(xué)與工程實踐學(xué)科核心概念橫向概念計劃和執(zhí)行調(diào)查

在K-2年級，計劃和執(zhí)行調(diào)查來回答問題或檢驗問題解決方案，要建立在先前的調(diào)查經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，如通過簡單的公平測驗的調(diào)查，提供支持解釋或設(shè)計解決方案的數(shù)據(jù)。合作計劃和執(zhí)行一個調(diào)查，將形成的數(shù)據(jù)作為回答問題的證據(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?？梢悦枋鑫镔|(zhì)的可觀察的屬性并按照這些標(biāo)準(zhǔn)來分類。(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:英語語言藝術(shù)（ELA）/讀寫–數(shù)學(xué)– BasedonworkbyTinaChuek數(shù)學(xué)科學(xué)英語語言藝術(shù)M1.理解問題并堅持解決問題。

M2.抽象地和量化地推理。M6.注意精確。M7.尋找和運用結(jié)構(gòu)。M8.在重復(fù)的推理中尋找并表達規(guī)律性。S1:提出（科學(xué)）問題和界定（工程）問題S3:計劃和執(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（工程）解決方案 M4.用數(shù)學(xué)建立模型。S2:開發(fā)和使用模型S5:使用數(shù)學(xué)和計算思維E1:表現(xiàn)出獨立性。E7:開始理解其它視角和文化。

E6:策略性地和熟練地運用技術(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。E5:尊重證據(jù)。M3&E4:構(gòu)建可行的論證，批評別人的推理。S7:投入有證據(jù)的論證

S8:獲取，評價和交流信息

E3:獲取、綜合和清晰有效地報告結(jié)果，對任務(wù)和目標(biāo)作出反應(yīng)科學(xué)、數(shù)學(xué)和英語語言藝術(shù)中的實踐的共同之處中國小學(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，是人們對自然的利用和改造。工程是運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動?？茖W(xué)教育實踐層面STEM的興起

STEM教育將有助于培養(yǎng)國際市場競爭所需要的能干且靈活的勞動力、STEM將確保美國社會繼續(xù)做出基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)并提升我們對我們自身、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將為每一個個體提供技術(shù)技能和計算素養(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?！绹偨y(tǒng)科技顧問委員會2010創(chuàng)客熱二、科學(xué)教育新趨勢的背景競爭（國家之間、企業(yè)之間）互聯(lián)網(wǎng)時代（獲取信息、創(chuàng)造新信息的便捷）對真實情境中解決問題能力的重視對高階思維能力的重視課程理論與實踐范式重心的轉(zhuǎn)移我們認(rèn)為了解科學(xué)教學(xué)的改革歷史和社會文化脈絡(luò)，以及認(rèn)清沖擊教室實踐面的外力因素，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)化知識型員工成為核心競爭資源

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)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我們實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機遇。機會稍縱即逝，抓住了就是機遇，抓不住就是挑戰(zhàn)。我們必須增強憂患意識，緊緊抓住和用好新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機遇，不能等待、不能觀望、不能懈怠。

——習(xí)近平

美國2013年2月13日，美國總統(tǒng)奧巴馬發(fā)表了美國國情咨文演講演講?！艾F(xiàn)在，為了擴大我們的中產(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)。同時我們也要確保，在美國的每一個人只要辛勤肯干，就能獲得出人頭地的機會?！?/p>

美國夢對在真實情境中解決問題能力的重視美國教育部發(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估資訊的準(zhǔn)確度、可靠度進一步解決真實世界的問題組織資訊成為有用的知識中國的核心素養(yǎng)核心素養(yǎng)是個體在解決復(fù)雜的現(xiàn)實問題過程中表現(xiàn)出來的綜合性能力。核心素養(yǎng)不是簡單的知識或技能。它是以學(xué)科知識技能為基礎(chǔ)，是整合了情感、態(tài)度或價值觀在內(nèi)的，能夠滿足特定現(xiàn)實需求的綜合性表現(xiàn)。(基本品格與關(guān)鍵能力）中國核心素養(yǎng)的內(nèi)涵——人文底蘊科學(xué)精神學(xué)會學(xué)習(xí)健康生活責(zé)任擔(dān)當(dāng)實踐創(chuàng)新—21世紀(jì)職場需要的不再是考試能手，而是能創(chuàng)造性地解決真實世界問題的人！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)科特點的關(guān)鍵成就，是學(xué)科育人價值的集中體現(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)評估框架四者關(guān)系：能力為核心情境為背景知識、態(tài)度為影響能力形成的基礎(chǔ)問題：僅僅依靠40分鐘的課堂教學(xué)能否真正培養(yǎng)得出在真實情境中解決問題的能力？紙筆測驗是否能真正測出這些能力？（OM比賽）對（高階）思維能力的重視認(rèn)知領(lǐng)域的目標(biāo)

評

價|

綜

合|

分

析|

運

用|

領(lǐng)

會|

知

識

|

安德森

《太陽系拯救大行動》情境：一個宇航器壞了，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——聲控開關(guān)光強傳感器——路燈自動開關(guān)溫度傳感器——電熨斗的溫度控制、溫度報警器壓強傳感器——根據(jù)車流量大小自動調(diào)節(jié)紅綠燈時間濕度傳感器——自動除濕裝置課程理論與實踐范式重心的轉(zhuǎn)移知識中心課程(以化學(xué)為例）社會中心課程（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)式與化合價各種課程組織方式的利弊知識中心課程（知識的學(xué)術(shù)性）社會中心課程）（知識的意義性）學(xué)習(xí)者中心課程（知識的趣味性）

工程技術(shù)的加入，有利于實現(xiàn)科學(xué)課程價值取向的變化，有利于發(fā)揮不同課程組織方式的優(yōu)勢，克服三者的弊端。三、科學(xué)探究與工程實踐的區(qū)別與聯(lián)系1、科學(xué)探究內(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)提出解釋的過程。目的：科學(xué)探究的目標(biāo)是探尋和認(rèn)識自然界中的因機制果探究過程：思考技能：問題類型：是什么？怎么樣？為什么？

科學(xué)探究過程

提出簡單問題

作出相關(guān)研究計劃與他人交流研究過程、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)知識組織收集到的資料，并進行解釋運用恰當(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)覺與描述自然現(xiàn)象因果問題的技能覺察、產(chǎn)生和敘述另有假說和理論的技能產(chǎn)生邏輯預(yù)測的技能計劃和實施控制實驗測試假說的技能收集、組織和分析實驗數(shù)據(jù)與相關(guān)資料的技能作出和運用合理結(jié)論的技能2、工程實踐內(nèi)涵：工程就是應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的概念來系統(tǒng)地解決復(fù)雜問題。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際問題。工程設(shè)計的過程：工程思維（設(shè)計思維）的技能：問題類型：做什么、怎么做更好確定問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)計流程設(shè)計思維洞察、創(chuàng)造、實施系統(tǒng)思維人性化思維相似性思維……科學(xué)探究和工程實踐的聯(lián)系接續(xù)關(guān)系——例如：科學(xué)家研究的問題是：空氣是如何流動的，空氣流動又是如何影響氣候的，等等。工程師研究的問題是：如何實現(xiàn)人工降雨、如何利用風(fēng)能發(fā)電。包含關(guān)系——例如：對物質(zhì)性能的研究與材料的選用四、科學(xué)教育新趨勢對科教人的挑戰(zhàn)1、對科學(xué)探究和工程實踐本體及價值的認(rèn)知2、如何處理科學(xué)概念、科學(xué)探究、工程實踐三者的關(guān)系3、如何將工程實踐向課外拓展、延伸科學(xué)探究和工程實踐的價值學(xué)習(xí)科學(xué)探究是為了掌握一種認(rèn)識自然界事物的方法和求實的科學(xué)精神；學(xué)習(xí)工程實踐是為了掌握如何運用所學(xué)知識系統(tǒng)地、創(chuàng)造性地解決問題的方法。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)問題的探究以“一席之地”用工程實踐的思路改造知識的運用環(huán)節(jié)案例１非良構(gòu)問題案例：太平洋的銀鮭魚會洄游到他們的出生地產(chǎn)卵。問題：

它們是怎么找到出生地的？用工程實踐的思路改造知識的運用環(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。認(rèn)識了空氣的性質(zhì)以后，能否增加用壓縮空氣設(shè)計一個椅子的活動…如何將工程實踐向課外延伸對于個體來說，能力是一種以內(nèi)化的方式調(diào)動一整套整合了的資源，以解決某一類問題情境的可能性。現(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、對事物能夠做推論和批判、解決問題等整合性的科學(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)的在真實情境中解決復(fù)雜問題的學(xué)習(xí)機會如何安排？知識結(jié)構(gòu)的演化完整科學(xué)正確離散片面錯誤情境創(chuàng)設(shè)任務(wù)，提出素養(yǎng)要求；簡化意味著剝離、結(jié)構(gòu)化、學(xué)科化初步的知識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的知識系統(tǒng)整合的知識系統(tǒng)真實現(xiàn)實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值系統(tǒng)發(fā)展的情感和價值系統(tǒng)成熟的情感和價值系統(tǒng)極為簡化的現(xiàn)實情境簡化的現(xiàn)實情境BPL項目課程（學(xué)習(xí)）模式1學(xué)習(xí)以“問題”為起點。2問題對學(xué)習(xí)者有意義，及學(xué)習(xí)者現(xiàn)在或未來常常會遇到這些問題3在解決問題的過程中學(xué)習(xí)者希望獲得的知識并非來自學(xué)科，而是圍繞問題產(chǎn)生。4無論是個體學(xué)習(xí)者還是團體學(xué)習(xí)者，都應(yīng)該對他們的學(xué)習(xí)活動負主要責(zé)任。5學(xué)習(xí)活動大多是小組互動，而不是聽講座。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)因時空的局限在提供解決問題能力鍛煉機會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。校園科技場館（課程基地）問題——“走馬觀花”式的參觀，學(xué)生只能獲得一些現(xiàn)象的知識；沒有課程（任務(wù)單）支撐，