美国《Science Dimensions》科学教材工程技术教育特色分析

房晓彤 刘晔

摘要：随着2017年我国《义务教育小学科学课程标准》的颁布，小学三至六年级科学教材也进行了全面修订，新教科版科学教材从2019年9月开始投入使用。其中一大变化是新增设技术与工程领域。同期，基于美国《新一代科学教育标准》（NGSS）编写的科学和工程教科书《Science Dimensions》（《科学的维度》，以下简称SD教材）也开始发售。SD教材的课程内容与《框架》和NGSS中的“科学与工程实践”“学科核心概念”“跨学科概念”三个维度内容一致，并创造性地将基于这三个维度构成的课程体系巧妙地融合到每节课中，以达到学生的“表现预期”，从而更好地帮助学生获得基础的科学素养。

关键词：科学教材;工程设计;开发

本文的教学案例选用一节典型的工程技术课进行介绍，以“怎么做工程设计？”为主题并分析其对我国中小学科学工程技术课的启示。

一、“怎么做工程设计？”教学设计

第1步：通过指定标准和约束条件来定义问题。

问题背景：因为山道受到严重侵蚀导致徒步路线存在安全隐患，你如何解决这个问题？

了解需要解决的问题后，为学生准备一个问题解决的支架——需修建道路的公园的地形图。通过地形图了解此地区的地理情况再结合此地区的天气条件，以确定将使用什么标准和面临什么约束条件。此时，既提供了获取信息来源的工具——地图，又点明了工具的使用方法和目的。

接下来引导学生分析山道修复这个工程项目的指定标准和约束条件分别是什么。

我们预期的目标是什么？比如，这个山道侵蚀问题想得到合理解决需要达到这3项要求：通行安全、减缓降水对山地的侵蚀、修复过程中尽量少用建筑材料。

我們面临的限制有哪些？比如，实施这项工程所耗费的资金、材料、空间、时间……

第2步：开发和比较多个解决方案。

在这个环节，根据教材以插图搭配文字的方式引导学生一步一步进行头脑风暴。

在5～10分钟内独立想出尽可能多的解决方案，然后不加评判地倾听每个人的想法。选一个小组成员做记录员，使用每个人都能看到的白板记录大家的方案。

小组进行观点讨论，给每个人一个机会来解释自己的方案。

尽量将方案清单减少到2～3个想法。使用决策矩阵来选择实施可行性最大的方案。

最终小组的方案是有理性判断的工具。

第3步：进行控制实验来测试可选择的方案。

首先是动手项目。学生需要制作一个按比例缩小的山地立体模型来测试方案的可行性。如通过模拟降水的方法测试。学生按照科学探究的步骤进行测试，分析实验结果，得出结论。此处，还会向学生渗透一个观点即“‘失败是设计过程中必不可少的部分，因为它指出了提高设计方案的途径”。

然后与学生一起总结什么是工程设计。工程师们遵循“发现问题或需求一调查一定义问题一共同讨论解决方案一评估解决方案并做出最佳选择一开发和测试模型一评价测试结果一交流”的步骤来开发解决方案，而这些步骤可以分为三部分，即定义问题、形成可能的方案、改进设计。

二、案例的启示

（一）“工程技术”单元与其他单元的联动设计

在整套SD教材的课程内容设计中工程和STEAM是重要组成部分。从横向来看，教材将K-5年级的每册课程内容都分成了4个板块：工程与技术、物质科学、生命科学、地球和空间科学。其中，工程与技术作为每册的第1单元，统领其后的物质科学、生命科学、地球和空间科学各单元。学生先学习工程设计的必备知识和掌握关键能力后再应用到一般科学探究活动中。SD教材G5第1单元《工程与技术》共有3节课，其中第1课是了解科学和数学如何应用于工程，第2课是怎么做工程设计？而在第3课则学习技术如何影响社会，还包括单元表现性任务和单元回顾。这样的课时安排是符合学生的认知能力的，先介绍工程设计中用到的数学和科学知识，然后再遵循工程设计步骤解决问题，问题解决后也就更能够深入理解技术是如何影响社会的。从纵向来看，首先学生已经有了K-2的工程技术基础，在G3、G4两个学段学生主要学习如何定义问题、如何设计解决方案、测试和改进原型，作为三～五年级段的最高段，G5学段则要求学生掌握的是怎么做工程设计。学生将展示在小学阶段所掌握的全部工程技术能力。

我国2017年新教科版小学科学教材中也对工程技术部分进行了重新布局。在一至二年级段安排了如1年级上册“比较与测量”单元来进行工程技术的渗透，在三至四年级段的工程与技术训练则是以对应主题单元课时的方式安排，如四年级上册“运动和力”单元的第7、第8课时“设计制作小车”。在四至六年级段设计了4个“技术与工程”专题单元，分别为五年级上册“计量时间”、五年级下册“船的研究”、六年级上册“工具与技术”、六年级下册“小小工程师”。从分布来看，尊重学生认知成熟度的安排较为明显。随着学生知识量的积累，操作水平提高，在小学高段年级着重进行技术与工程能力的实践训练。但是学生只是了解了工程设计一般有什么步骤，缺乏对分解步骤的强化训练。从纵向来看，4个专题单元的切入点是按照从认识人工世界到技术再到工程的编排逻辑，由具体问题到宏观的视角，符合学习进阶的设计原则，但是仅六年级下册“小小工程师”这一专题内容是明确用工程技术解决问题，其他的专题单元仍然是知识主题下的动手实践项目，训练机会少。从横向来看，还需要加强与其他类主题单元之间的联动。

（二）情境创设：真实的重要性

SD教材的“工程技术”单元所选内容力求贴近学生的真实生活，凸显美国基础教育阶段“‘工程技术不仅仅是对科学的应用，而且是人类改造世界的一项系统化实践”的教育理念。该教材在每一课的最后安排了部分与本课内容背景一致、有关科学和工程方面的职业或者科学家、工程师的职业内容介绍。与真实世界的联系菲常有利于让学生感受到所学内容的价值。而我国的教材是以单元学习主题来作为工程设计的背景，偏重知识，而不是偏重解决实际生活问题。如四年级上册“运动和力”单元的工程技术训练内容“设计制作小车”的设计中，首先要求学生明确问题：“人们根据需要会设计各种动力的车辆来执行不同的任务。我们也设计一辆具有动力的小车来完成任务吧！”接着给出任务要求“请利用生活中的材料设计制作一辆具有动力的小车，使它能在5秒内把2块橡皮运输1米远”。这样的任务对于学生工程设计思维能力的训练帮助是有限的。

中美教材总目标是基本一致的，都将目标定位为培养学生的科学素养，并为他们继续学习、成为合格公民和终身发展奠定良好的基础。从学习方法来看，两套教材的提倡均基于活动探究的学习方式，注重培养学生的动手操作能力以及直接经验的获取。我国的工程技术领域育人目标的达成还在探索过程中，绝不能让工程实践内容的教学停留在单纯的技能或知识学习层面，要不断探索，使学生找到综合应用知识解决实际问题的路径。