从科学探究到工程实践（郝京华）VIP

从科学探究到工程实践教育部基础教育课程教材专家工作委员会执委南京师范大学教科院郝京华教授讲座的内容科学教育的新趋势科学教育新趋势的背景科学探究与工程实践的区别与联系科教人如何应对新趋势的挑战一、科学教育的新趋势1、科学教育改革的历史沿革科学教育的出现是科学发展之后的成果，当科学发展到人们体认其重要价值，且发现不能忽略其存在价值时，科学课程开始纳入学校课程范围，科学教育正式成立。（1800——1960）斯宾塞（英国）《什么知识最有价值》——科学知识最有价值科学教育的变迁——实用性的科学知识知识概念性的科学知识和科学方法科学素养（赫德1958）——科学知识与概念、科学方法与技能、科学精神与态度、科学本质、科学的价值（与道德、社会的关系、技术）美国国家科学教育标准（1996）科学的统一概念和过程作为探究过程的科学物质科学生命科学地球与空间科学科学与技术从个人和社会的角度所见的科学科学的历史与本质台湾的《自然与生活科技》过程技能科学与技术认知科学本质科技的发展科学态度思考智能科学应用设计与制作2、近期变化—2011-20132010-20111990年代1990年代-2009NGSS阶段IINGSS阶段I78NGSS的标准内容横向交叉实践生命科学物理科学LS1: 从分子到有机体：结构与过程LS2: 生态系统：相互作用，能量和动力LS3: 遗传：特质的遗传和变异LS4: 生物进化：统一性和多样性PS1:物质及其相互作用PS2:运动和静止：力和相互作用PS3:能量PS4:波及其在信息传播技术中的应用地球与空间科学工程与技术ESS1:地球在宇宙中的位置ESS2:地球系统ESS3:地球和人类活动ETS1:工程设计ETS2:工程、技术、科学和社会的联系9学科核心概念模式因果关系:机制和解释

比例尺，比例关系，和数量系统和系统模型能量和物质：流动，循环与守恒

结构和功能

稳定性和变化

10横向（跨学科）概念科学与工程实践1、提出/界定(科学/工程)问题2、开发和使用模型3、计划和执行调查4、分析和解读数据5、使用数字和计算思维6、形成科学解释/设计工程解决方案课程材料不能仅是呈现和评估科学概念–它们需要让学习者有机会亲历运用科学实践来形成和运用科学概念的过程。

核心概念实践横向概念近距离看NGSS(2年级)132.PS1物质及其相互作用学生能够:2-PS1-1. 计划和执行一个调查来描述不同的材料，并根据其可观察的属性分类。

[说明:观察可以包括颜色，质地，硬度，伸缩性。模式可以包括不同材料所共有的属性。]上述学习期望通过以下要素发展起来（取自NRC文件K-12科学教育的框架）:科学与工程实践学科核心概念横向概念计划和执行调查

在K-2年级，计划和执行调查来回答问题或检验问题解决方案，要建立在先前的调查经验基础之上，如通过简单的公平测验的调查，提供支持解释或设计解决方案的数据。合作计划和执行一个调查，将形成的数据作为回答问题的证据基础。(2-PS1-1)PS1.A:物质的结构和属性

存在不同种类的物质，好多物质既可以是液体也可以是固体，取决于温度的不同。可以描述物质的可观察的属性并按照这些标准来分类。(2-PS1-1)

模式自然世界和人造世界中的模式是可观察的。(2-PS1-1)

和本年段其它学科核心概念的联系: 和其它年段学科核心概念的联系:和共同核心标准的联系:英语语言艺术（ELA）/读写–数学– BasedonworkbyTinaChuek数学科学英语语言艺术M1.理解问题并坚持解决问题。

M2.抽象地和量化地推理。M6.注意精确。M7.寻找和运用结构。M8.在重复的推理中寻找并表达规律性。S1:提出（科学）问题和界定（工程）问题S3:计划和执行调查S4:分析和解释数据S6:形成（科学）解释和设计（工程）解决方案 M4.用数学建立模型。S2:开发和使用模型S5:使用数学和计算思维E1:表现出独立性。E7:开始理解其它视角和文化。

E6:策略性地和熟练地运用技术和数字媒体。M5:策略性使用合适的工具。E2:建立牢固的内容知识。E5:尊重证据。M3&E4:构建可行的论证，批评别人的推理。S7:投入有证据的论证

S8:获取，评价和交流信息

E3:获取、综合和清晰有效地报告结果，对任务和目标作出反应科学、数学和英语语言艺术中的实践的共同之处中国小学科学课程标准（内容标准工程技术版块）人们为了使生产、生活更加便利、快捷、舒适，创造了丰富多彩的人工世界。技术的核心是发明，是人们对自然的利用和改造。工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。科学教育实践层面STEM的兴起

STEM教育将有助于培养国际市场竞争所需要的能干且灵活的劳动力、STEM将确保美国社会继续做出基础性发现并提升我们对我们自身、我们星球和宇宙的理解。STEM教育将造就科学家、技术专家、工程师和数学家，他们将提出新的思想，制造新的产品并创造出21世纪的全新产业。STEM将为每一个个体提供技术技能和计算素养，为获取足够生活的薪水及为他们自身，他们的家庭和社区作出决定所必需的。——美国总统科技顾问委员会2010创客热二、科学教育新趋势的背景竞争（国家之间、企业之间）互联网时代（获取信息、创造新信息的便捷）对真实情境中解决问题能力的重视对高阶思维能力的重视课程理论与实践范式重心的转移我们认为了解科学教学的改革历史和社会文化脉络，以及认清冲击教室实践面的外力因素，是专业训练中非常重要的一环。——（美）诺瓦克

大规模生产转向大规模定制

产业组织网络化知识型员工成为核心竞争资源

第三次工业革命

（新材料复合化、纳米化；生产制造快速成型；生产系统数字化、智能化。）

即将出现的新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，为我们实施创新驱动发展战略提供了难得的重大机遇。机会稍纵即逝，抓住了就是机遇，抓不住就是挑战。我们必须增强忧患意识，紧紧抓住和用好新一轮科技革命和产业变革的机遇，不能等待、不能观望、不能懈怠。

——习近平

美国2013年2月13日，美国总统奥巴马发表了美国国情咨文演讲演讲。“现在，为了扩大我们的中产阶层，我们的公民必须接受教育和当今从事工作所必备的技能培训。同时我们也要确保，在美国的每一个人只要辛勤肯干，就能获得出人头地的机会。”

美国梦对在真实情境中解决问题能力的重视美国教育部发起的“21世纪技能联盟”指出的21世纪学生所需的：资讯通讯科技素养思考与学习力能处理与分析并评估资讯的准确度、可靠度进一步解决真实世界的问题组织资讯成为有用的知识中国的核心素养核心素养是个体在解决复杂的现实问题过程中表现出来的综合性能力。核心素养不是简单的知识或技能。它是以学科知识技能为基础，是整合了情感、态度或价值观在内的，能够满足特定现实需求的综合性表现。(基本品格与关键能力）中国核心素养的内涵——人文底蕴科学精神学会学习健康生活责任担当实践创新—21世纪职场需要的不再是考试能手，而是能创造性地解决真实世界问题的人！学科核心素养学科核心素养是核心素养在特定学科（或学习领域）的具体化，是学生学习一门学科（或特定学习领域）之后所形成的、具有学科特点的关键成就，是学科育人价值的集中体现如：哲学(核心)素养、历史(核心）素养、数学(核心)素养、科学(核心)素养…PISA科学素养评估框架四者关系：能力为核心情境为背景知识、态度为影响能力形成的基础问题：仅仅依靠40分钟的课堂教学能否真正培养得出在真实情境中解决问题的能力？纸笔测验是否能真正测出这些能力？（OM比赛）对（高阶）思维能力的重视认知领域的目标

评

价|

综

合|

分

析|

运

用|

领

会|

知

识

|

安德森

《太阳系拯救大行动》情境：一个宇航器坏了，不知落到哪颗星球上去了。学习任务：根据发回的影像、温度、高度等信息判断它落到哪颗星球上了？电子秤探秘声传感器——声控开关光强传感器——路灯自动开关温度传感器——电熨斗的温度控制、温度报警器压强传感器——根据车流量大小自动调节红绿灯时间湿度传感器——自动除湿装置课程理论与实践范式重心的转移知识中心课程(以化学为例）社会中心课程（以生物为例）学习者中心课程（以科学为例）典型的知识中心课程例第4单元物质构成的奥秘原子的构成元素离子化学式与化合价各种课程组织方式的利弊知识中心课程（知识的学术性）社会中心课程）（知识的意义性）学习者中心课程（知识的趣味性）

工程技术的加入，有利于实现科学课程价值取向的变化，有利于发挥不同课程组织方式的优势，克服三者的弊端。三、科学探究与工程实践的区别与联系1、科学探究内涵：科学探究就是指科学家研究自然界的各种方法和根据他们所收集的证据提出解释的过程。目的：科学探究的目标是探寻和认识自然界中的因机制果探究过程：思考技能：问题类型：是什么？怎么样？为什么？

科学探究过程

提出简单问题

作出相关研究计划与他人交流研究过程、观察结果和解释在构建解释中协调观察到的证据和科学知识组织收集到的资料，并进行解释运用恰当的工具和技术收集资料探索流程

科学思考技能精确描述自然现象的技能发觉与描述自然现象因果问题的技能觉察、产生和叙述另有假说和理论的技能产生逻辑预测的技能计划和实施控制实验测试假说的技能收集、组织和分析实验数据与相关资料的技能作出和运用合理结论的技能2、工程实践内涵：工程就是应用数学、科学和技术领域的概念来系统地解决复杂问题。且往往要有创造性。目的：不断满足人们的需要和解决人类生活中的各种实际问题。工程设计的过程：工程思维（设计思维）的技能：问题类型：做什么、怎么做更好确定问题制定合理的解决方案分析解决方案优化解决方案交流工程设计流程设计思维洞察、创造、实施系统思维人性化思维相似性思维……科学探究和工程实践的联系接续关系——例如：科学家研究的问题是：空气是如何流动的，空气流动又是如何影响气候的，等等。工程师研究的问题是：如何实现人工降雨、如何利用风能发电。包含关系——例如：对物质性能的研究与材料的选用四、科学教育新趋势对科教人的挑战1、对科学探究和工程实践本体及价值的认知2、如何处理科学概念、科学探究、工程实践三者的关系3、如何将工程实践向课外拓展、延伸科学探究和工程实践的价值学习科学探究是为了掌握一种认识自然界事物的方法和求实的科学精神；学习工程实践是为了掌握如何运用所学知识系统地、创造性地解决问题的方法。工程技术是高阶思维能力培养的载体引入工程可以缩短学习与职场的“距离”STEM是最自然的课程整合方式S+MS+T+MSTEMSTEAMSTEAM+如何处理三者的关系让科学探究真正带有“探究味”给非良构问题的探究以“一席之地”用工程实践的思路改造知识的运用环节案例１非良构问题案例：太平洋的银鲑鱼会洄游到他们的出生地产卵。问题：

它们是怎么找到出生地的？用工程实践的思路改造知识的运用环节例：土壤的研究沙土、黏土的比较之后，能否增加造一堵档猪墙的活动。认识了空气的性质以后，能否增加用压缩空气设计一个椅子的活动…如何将工程实践向课外延伸对于个体来说，能力是一种以内化的方式调动一整套整合了的资源，以解决某一类问题情境的可能性。现代能力观能力=（素能x内容）x情境=（具体目标）x情境台湾课程标准关于（思考）能力的提法思考智能资讯统整、对事物能够做推论和批判、解决问题等整合性的科学思维能力挑战：整合性的科学能力该如何培养？与能力形成息息相关的在真实情境中解决复杂问题的学习机会如何安排？知识结构的演化完整科学正确离散片面错误情境创设任务，提出素养要求；简化意味着剥离、结构化、学科化初步的知识系统结构化的知识系统整合的知识系统真实现实情境原始的探究方法原则性的探究方法适应性的探究方法朴素的情感和价值系统发展的情感和价值系统成熟的情感和价值系统极为简化的现实情境简化的现实情境BPL项目课程（学习）模式1学习以“问题”为起点。2问题对学习者有意义，及学习者现在或未来常常会遇到这些问题3在解决问题的过程中学习者希望获得的知识并非来自学科，而是围绕问题产生。4无论是个体学习者还是团体学习者，都应该对他们的学习活动负主要责任。5学习活动大多是小组互动，而不是听讲座。ＰＢＬ学习模式案例：雾霾天教室的空气是否安全？课堂教学因时空的局限在提供解决问题能力锻炼机会方面有一定的局限性，科学素养的养成还需要另辟蹊径——需要向课外、拓展、延伸。校园科技场馆（课程基地）问题——“走马观花”式的参观，学生只能获得一些现象的知识；没有课程（任务单）支撑，