基于信息技术的“科工融合”教学策略思考与实践

【摘要】“科工融合”的小学科学课堂可以让学生经历完整的科学探究与工程设计过程，培养学生的科学思维与工程思维，而信息技术的应用又能为科学课堂注入新的活力。基于此，本文从信息技术应用视角提出了小学科学中的“科工融合”教学策略，包括技术型脚手架支持工程理解；建立“科工融合”的学习环境；借助计算机辅助形成伴随式评价等。【关键词】信息技术；科工融合；教学策略引言《义务教育科学课程标准（2022年版）》中倡导以探究和实践为主的多样化学习方式，让学生主动参与、动手动脑、积极体验，经历科学探究以及技术与工程实践的过程[1]。科学和工程的融合，为理科类教师进行跨学科教学提供了一个“超学科”研究范畴。“科工融合”既能为学生创设更加真实合理的问题情境，又能够激发学生的科学学习兴趣，加深学生对学习内容的理解。随着信息技术的发展，也为课堂实施提供了多方位赋能。因此，本研究将从信息技术视角进一步探索如何在科学课堂中有效渗透“科工融合”。“科工融合”的逻辑起点分析基于学生的认识特点分析“科工融合”的逻辑起点。学生的科学认识过程有其独特之处，叶宝生指出：学生学习科学时既有重演律特征，又有现象学特征[2]。重演律特征指个体科学学习过程重演人类科学认识过程，而现象学特征则指儿童科学认识会倾向于关注科学现象，但难以接受规律性的学习。因此，学生的科学实践与科学认识相辅相成：在科学实践之中接收不同的现象，理解科学知识的规律性；同时在不断试错中修正单一的认识，全面认识科学现象，形成良好的“认识—实践”循环。学生的工程学习聚焦于现实生活中会遇到的具有现实意义的、开放性的问题，为学生的科学学习提供了充分的实践平台。科学探究与工程设计二者互相融合能够促进学生高阶思维的发展。一方面，工程设计可以被看作是一种应用性的科学实践，作为一种科学教学方法；另一方面，科学知识在工程设计的过程中又能作为子系统被调用。“科工融合”就是希望培养“像科学家一样思考，像工程师一样解决问题”的学生。“科工融合”的科学教学能够在贴近生活情境的工程问题中引导学生经历完整的科学探究与工程设计过程，学生在充分理解问题以及限制条件的基础上对必要的科学概念与科学规律展开探究，掌握一定的基础知识。并以基础知识为依托，借助工程思维设计问题解决方案、进行测试与改进，使方案最优化。基于“科工融合”的科学教学策略1.技术型脚手架支持工程理解工程设计具有一定的挑战性，需要教师提供脚手架为学生降低准入门槛。教育技术中的脚手架倾向于用来描述工具提供的支持，工具和资源不仅能够使学习的知识、学生的思维甚至学习的过程可视化，并且能够促进同伴互动。“科工融合”所面临的一大问题就是工程设计过程被“手工化”，被等同于动手拼搭等基本操作。因此，需基于思維可视化建立学生的工程意识。首先，需要让学生理解“工程是什么”“怎么做工程”两大问题。同时，工程设计过程具有复杂性和不确定性，它并不是一个线性的、一成不变的静态框架，而是一个非线性的、循环的过程。学生需要在反复的设计、测试、再设计循环中反思自己的失败原因，澄清并矫正原有的错误认知，形成自己的学习和实践方式。借助思维可视化的技术型脚手架能够更好地帮助学生完成工程设计过程，既能起到厘清思路、活化思维的显性作用，也有探查思维缺陷、发展思维的隐性作用。2.建立“科工融合”的学习环境建立“科工融合”的学习环境有助于学生的连贯性理解以及自主学习能力的形成，主要呈现形式是基于网络的整合性学习环境。不同的功能被嵌入到该学习环境中，包括但不限于交流讨论、制作概念图、档案评价等功能。如科学探究环境WISE基于知识整合的理论原则将科学学习的关键步骤凝炼成科学探究程序和对应任务，同时利用模拟、可视化工具、建模工具突破抽象概念学习的阻力[3]。其中，在“科工融合”的科学课程中设置计算建模环境可以帮助学生更清晰地表征复杂现象和数学关系，帮助学生更好地进行作品迭代，培养学生的计算思维。科学可视化则是能够通过直观的表征助力学生的工程设计，帮助他们了解潜在的科学概念以及每项工程决策的后果。然而，在“科工融合”的学习环境中，学生可能无法自主寻找脚手架支持自己学习的意识，因此，教师的适度引导也是必不可少的。教师引导需要具有适时性、适度性与引导性。适度性指的是教师需要充分诊断学生的学情，确定学生现有水平与教学目标之间的差距，以此为依据提供强度适宜的脚手架。适时性指的是把握不同脚手架的呈现时机，也就是不同的教学环节需要针对学生的需求提供不同的脚手架。引导性指的是教师需要引导学生有意识地借助脚手架达成自己的目的，而非放任不管。3.借助信息技术平台辅助形成伴随式评价在科学课中融入工程教育核心目标是培养学生的工程思维与科学思维，使其在遇到真实问题时能够自主地运用这两种思维进行思考。因此，若一味地给学生提供脚手架而不去考虑脚手架的撤除，则难以培养学生的独立性。教师需要在监测学生发展的基础上逐渐将学习责任转移给学生，使学生跨越不同阶段的最近发展区，真正地提升自己的能力。逐步让渡责任模式认为，在教学过程中，教师可以随着学生能力的发展转变角色，从主要推动者转变成为参与较少的指导者与帮助者，使学生在学习活动中承担更多、更重要的责任。皮尔逊和加拉格尔提出，认知负荷应该缓慢而有目的地从教师开始转移，以示范、共同负责、独立实践和应用作为路径最终转移至学生身上。在这个模型中，教师在一段时间内通过调整教学支架逐渐将执行任务的责任转移给学生，这段时间可能是一个小时、一个星期、一个月或更长，取决于所教授技能的复杂性。逐步释放责任学习理论与传统的显性教学理论不同，它认为“学习是通过与他人的互动发生的”。这些交互是有意的，能够推动具体学习的发生。目前，最为公认的逐步让渡责任模式主要是递进式三个阶段，即从示范到指导下的实践，再到独立实践[4]，为“科工融合”的小学科学教学提供了一定的思路。而逐步让渡责任的基础是学生的个性化评价与监测，研究发现运用信息技术辅助设计环境能够较准确地