淺談科工整合在初中科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

隨著新課程目標(biāo)的不斷實施，初中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平得到逐步提升，然而學(xué)生自主分析和解決問題的能力仍有待加強。培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力是新時代的關(guān)鍵任務(wù)。近年來在課程改革大背景下，STEM教育學(xué)科整合模式在世界各地陸續(xù)展開。STEM教育的目標(biāo)就是要培養(yǎng)學(xué)生有邏輯性、有創(chuàng)造性地思考，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力。科學(xué)學(xué)科與工程教育都是以問題為導(dǎo)向的學(xué)科，因而科學(xué)學(xué)科與工程教育的整合有其實施的可行性。通過科工整合，在工程教育中滲透、深化科學(xué)原理和技能，不僅能鍛煉學(xué)生對實際問題的分析和解決能力，也能賦予科學(xué)知識更多應(yīng)用層面上的價值。

中小學(xué)工程教育實施的背景

STEM教育包含科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四大學(xué)科領(lǐng)域，我國在基礎(chǔ)教育階段已經(jīng)系統(tǒng)地實施科學(xué)、數(shù)學(xué)教育，并取得了一定的成果。技術(shù)教育雖主要局限在信息技術(shù)，其重視程度和課程實施的成熟度也在逐步提升，但是，工程教育主要集中在高等教育階段，在中小學(xué)基礎(chǔ)教育中幾乎沒有系統(tǒng)實施。

善于發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力是當(dāng)代中小學(xué)生需培養(yǎng)的重要能力?；A(chǔ)工程教育的目標(biāo)不是將每個學(xué)生都培養(yǎng)成工程師，而是通過滲透工程教育，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，建立工程思維，挖掘?qū)W生的工程實施技能。同時，通過科學(xué)探究與工程設(shè)計的整合，使相關(guān)科學(xué)原理和科學(xué)技能得到更具實際價值的延伸。

初中科學(xué)課程中工程教育實施的必要性

初中科學(xué)學(xué)科特點及學(xué)習(xí)現(xiàn)狀。初中科學(xué)是一門綜合性的學(xué)科，其核心理念是提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，概括三個組成部分：了解科學(xué)知識；了解科學(xué)的研究過程和方法；了解科學(xué)技術(shù)對社會和個人所產(chǎn)生的影響。在實際學(xué)習(xí)中，學(xué)生存在的主要問題有：問題意識薄弱；將科學(xué)服務(wù)運用于生產(chǎn)生活實際的意識不強；學(xué)生之間有深度和實際意義的交流較少；學(xué)生獲得的評價方式比較單一。為了更好地促進(jìn)學(xué)生課堂內(nèi)外科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，提高動力，發(fā)掘更多學(xué)生的潛力，使學(xué)生的評價更加多元化，須轉(zhuǎn)變科學(xué)教學(xué)模式和理念，讓更多學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)探究，主動發(fā)現(xiàn)和提出問題、解決問題，最終將科學(xué)知識運用到實際生產(chǎn)生活中。

未來社會發(fā)展和競爭的需要。越來越多的國家認(rèn)識到中小學(xué)工程教育的重要性，并采取相應(yīng)的落實措施，如美國、英國、澳大利亞等。通過實施相應(yīng)的教育政策激勵中小學(xué)生對工程學(xué)的興趣，在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)符合時代需要的工程思維，并運用這種思維方式解決問題，為高等教育階段培養(yǎng)工程人才奠定基礎(chǔ)。

科學(xué)與工程教育“協(xié)同作用”。“協(xié)同作用”的解釋是各種分散的作用在聯(lián)合應(yīng)用中的總效果優(yōu)于單獨作用的效果之和?？茖W(xué)與工程教育的整合，將工程實踐融入到科學(xué)原理中，使科學(xué)理論知識的學(xué)習(xí)有了應(yīng)用延伸。同時，在工程設(shè)計過程中，學(xué)生通過分析問題、設(shè)計方案、討論修正等過程，能夠深化學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)理論知識。此外，將科學(xué)知識和技能運用到工程實踐中，使工程教育有了更加完善的理論支撐和技術(shù)支持。

科學(xué)與工程教育整合的教學(xué)實踐——“制作望遠(yuǎn)鏡”教學(xué)

如何在科學(xué)教學(xué)中整合工程教育，筆者以“制作望遠(yuǎn)鏡”這一課的教學(xué)為例分享體驗。

問題導(dǎo)入，確定項目主題。教師創(chuàng)設(shè)情境：自古以來人們就對天空以及天空中的星月充滿探究欲。同學(xué)們想更清楚地觀察到月球表面的樣子嗎？用什么辦法？學(xué)生就聯(lián)想到要用望遠(yuǎn)鏡。那么自己動手制作一架望遠(yuǎn)鏡是否可行？學(xué)生通過查閱資料認(rèn)識了相關(guān)科學(xué)史，了解到望遠(yuǎn)鏡的基本原理和構(gòu)件，初步預(yù)測了該項目實施的可行性，確立了本次工程項目的主題：制作望遠(yuǎn)鏡。折射式望遠(yuǎn)鏡主要有伽利略望遠(yuǎn)鏡和開普勒望遠(yuǎn)鏡兩種，通過查閱資料得知伽利略望遠(yuǎn)鏡視野比較小，不適合觀察遙遠(yuǎn)的星體，將項目主題精確到制作開普勒望遠(yuǎn)鏡（以下簡稱“望遠(yuǎn)鏡”）。在這個過程中，學(xué)生從問題出發(fā)，查閱資料，將課內(nèi)所學(xué)科學(xué)知識與課外知識銜接起來，不僅豐富了知識體系，在逐步接近項目主題的過程中，也鍛煉了分析問題的能力。

小組合作，設(shè)計項目方案。在這一環(huán)節(jié)中，教師把學(xué)生劃分為幾個小組，給每個小組準(zhǔn)備了幾塊透鏡，讓學(xué)生體驗以下活動：1.將一塊凸透鏡置于眼前觀察遠(yuǎn)處物體，有放大效果嗎？2.用兩塊凸透鏡，適當(dāng)改變兩塊透鏡的距離，有何發(fā)現(xiàn)？3.將兩塊透鏡交換位置，有什么發(fā)現(xiàn)？4.小組成員交換透鏡再重復(fù)觀察?；顒舆^程中學(xué)生體驗到一塊凸透鏡能使遠(yuǎn)處物體成倒立縮小的像，與凸透鏡成像中物距大于兩倍焦距時成倒立縮小實像聯(lián)系起來；再加一塊凸透鏡能使原來縮小的倒像放大，有些學(xué)生能聯(lián)系到凸透鏡成像中物距小于一倍焦距成正立放大虛像。接下來教師通過在光具座上的演示實驗視頻（考慮到可觀察性，采用提前錄制視頻的方式），使學(xué)生進(jìn)一步確定該望遠(yuǎn)鏡的原理：物鏡使遠(yuǎn)處的物體成一個倒立縮小的實像，該實像的成像位置在目鏡的一倍焦距以內(nèi)，又通過目鏡成一個正立放大的虛像（此目鏡相當(dāng)于放大鏡），因此，最后看到的像相比于原物體是倒立、放大的。

進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，開展小組討論。根據(jù)教師提供的器材和資料，選擇合適的材料，衡量各材料的實際用途和價格，讓學(xué)生明白在工程項目的實施中成本是必須考慮的問題。選好材料后，學(xué)生將望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計圖畫下來。要求標(biāo)注出主要結(jié)構(gòu)的尺寸、規(guī)格。在設(shè)計圖的繪制過程中學(xué)生可以鞏固相關(guān)光學(xué)知識并且鍛煉基本的繪圖、測量技能。同時，還運用到拓展的新知識：望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)=物鏡焦距/目鏡焦距，增加了科學(xué)知識學(xué)習(xí)的深度和廣度，也使學(xué)生認(rèn)識到工程設(shè)計離不開科學(xué)原理的支撐。

共同參與，實施項目。各小組根據(jù)所選器材和設(shè)計圖完成望遠(yuǎn)鏡的制作。物鏡選擇直徑較大焦距長的凸透鏡，目鏡選擇直徑較小焦距短的凸透鏡來組合制作，并且采用大筒套小筒的方式將鏡筒設(shè)計成可伸縮（調(diào)距）形式。本環(huán)節(jié)對學(xué)生的動手實踐能力是極好的考驗和鍛煉。實際制作和設(shè)計圖往往有一定的差距。比如，有個別小組對材料清單了解不夠仔細(xì)，在設(shè)計圖中沒有細(xì)化到用什么方法來固定凸透鏡，導(dǎo)致嵌入不穩(wěn)定或者無法嵌入。學(xué)生通過動手嘗試發(fā)現(xiàn)了新的問題，于是小組成員共同出謀劃策，展開目的指向明確的討論交流，尋找解決辦法。最后，討論決定由兩名學(xué)生合作使用黑色膠布將物鏡和目鏡固定好。有些小組討論后又在透明飲料瓶身外粘上一圈不透光的彩紙，再將飲料瓶插入紙筒，完成望遠(yuǎn)鏡的制作。

在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生將設(shè)計方案進(jìn)行了物化，這正是工程學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一，也是科學(xué)知識學(xué)習(xí)的應(yīng)用價值所在。工程學(xué)是實踐性很強的學(xué)科，將科學(xué)知識和技能運用到工程實踐的過程中往往要經(jīng)歷一系列新問題的產(chǎn)生、分析、測試、解決，而在此過程中學(xué)生的問題解決能力以及團(tuán)隊合作能力得到了加強，這也是科工整合的意義所在。

分組展示，項目評價。學(xué)生將制作好的望遠(yuǎn)鏡分小組測試評比，考量其性能、外觀、時間成本、材料成本等。教師請展示者站立于同一地點，觀察一定距離處的字體大小不一的文字符號，能成功觀察到的文字符號越小則放大性能越好。相互交換體驗制作成果后學(xué)生提出以下問題：為什么有些組能看清的物體非常有限？飲料瓶外包上不透明紙有什么實際作用？有一個小組的望遠(yuǎn)鏡能看到的物像特別清晰是為何？自制的望遠(yuǎn)鏡是倒像，怎么解決這個問題？

對于不同小組項目成效的不同，學(xué)生發(fā)出疑問，并且主動運用所掌握的科學(xué)知識和技能加以優(yōu)化解決，得出最優(yōu)方案，這就是實際工程中必不可少的項目測試與評價。學(xué)生能夠深刻感受到每一個工程項目的背后是扎實的科學(xué)理論知識、基本技能、實踐能力以及不輕言放棄的探究精神。

總結(jié)利弊，優(yōu)化項目。經(jīng)過總結(jié)，學(xué)生提出制作望遠(yuǎn)鏡時，所選的鏡筒組合應(yīng)具有較大的長度調(diào)節(jié)范圍；飲料瓶外須包上不透明紙，能夠減少其他光線，使觀察物體更清晰；從美觀角度建議給紙筒也包上彩色紙。

在這一環(huán)節(jié)中，有些問題的解答可以由教師拓展，也可以由學(xué)生在課后尋找答案。比如，色像差導(dǎo)致的成像不清晰，需消色差等。根據(jù)交流展示評價結(jié)果，各小組再次優(yōu)化設(shè)計，針對以上問題對制作的望遠(yuǎn)鏡加以改進(jìn)。在課后完成項目優(yōu)化也可以是家長共同參與的過程，使工程教育聯(lián)系學(xué)校和家庭、學(xué)生和家長，讓工程教育更有意義。

對科工整合實施過程的反思

科學(xué)與工程學(xué)習(xí)整合能更大程度地帶動學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性，課堂中學(xué)生參與積極性明顯提高?；陧椖渴降墓こ探逃箤W(xué)生能積極地參與問題的思考和解決，對學(xué)生掌握科學(xué)理論知識、培養(yǎng)實踐能力有明顯的正向作用。

現(xiàn)階段，其存在的問題主要有以下幾個方面。一是教師提前預(yù)設(shè)較多，在材料的選擇方面學(xué)生選擇余地較小，學(xué)生無需花費太多精力在選材上，給后面的制作過程降低了難度，學(xué)生需要自主面對和解決的問題比較少，開展工程項目設(shè)計的靈活度較小。二是受課堂教學(xué)時間限制，學(xué)生自主分析、解決問題時間相對倉促，對問題的思考不夠深入，同時問題的解決達(dá)成度有待提高。三是部分學(xué)生對于待研究解決的問題方向不明確，實施過程中缺乏目的性，思考的方向容易偏離主題。

綜上，科工整合有其實施的可行性與積極影響。將初中科學(xué)與工程教育整合，激發(fā)了學(xué)生自主參與科學(xué)探究的興趣，有利于提升學(xué)生自主解決問題的能力?，F(xiàn)階段教師對于該模式的教學(xué)尚處于探索階段，還需不斷學(xué)習(xí)、完善，從而促進(jìn)該模式在初中科學(xué)課程中的普遍實施，提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)。

（作者：強偉華，單位：浙江省湖州市長興縣洪橋逸夫中學(xué)）（《中國民族教育》2023年第4期）