科学教育是培养科技创新人才的主阵地，是建设教育强国、实现高水平科技自立自强的应然之需。教育部等十八部门发布的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》指出，要完善中小学科学教育体系，统筹规划科学教育与工程教育。近年来，美国、英国等国家均强调以综合性和实践性为基础的科学课程改革导向，并探索以工程实践为着力点落实科学课程内容的跨学科整合路径。我国《义务教育科学课程标准（2022年版）》也将工程实践能力作为课程目标的组成部分。由此可见，培养学生工程实践能力、充实工程领域创新人才的工程实践成为科学教育改革的重要趋势。
科学教学中的工程实践不仅能为学生理解与应用科学知识提供情境，还能为发展思维与实践能力提供系统的问题解决支架，增强学生对科学的情感认同，发挥落实课程目标与驱动学习方式变革的双重效应。然而，当前科学教学中开展工程实践仍存在认识固化、经验匮乏等问题，因此，剖析工程实践的关键特征，澄清教师对科学教学中工程实践的误解，对于提升科学教学与工程实践的质量具有重要价值。
一、科学教学中工程实践的关键特征
理解工程实践的关键特征是开展工程实践的前提。从工程活动的本质来看，工程实践是在一定约束条件下，利用技能、思维习惯和工程知识解决问题以满足人类需求的过程。这个过程具有目的性、系统性和迭代性，它允许失败的发生，强烈依赖于团队合作和创新，并高度重视社会和伦理问题。在科学课堂的场域中，工程实践既要体现工程师从事工程实践的基本特征，又要契合学生学习的规律以及科学课程的目标与内容要求。我们认为，可以从如下几个方面理解科学教学中工程实践的基本特征。
（一）指向明确的工程问题
工程实践首先具有明确的问题性特征。它由现实需要驱动并包含了指向解决问题所需要考虑的初始条件、现实约束和预期的完成指标。因而，科学教学中的工程实践应聚焦有实际意义的工程问题，并以此为出发点和落脚点，通过清晰界定活动背景和目的，激活学生参与实践、解决问题的动机。
由现实问题驱动产生的工程问题，反映的应是学生可以体验到的，或迫切需要解决的需求和愿望。它既可以涵盖有一定复杂性的全球性议题，如怎么治理水土流失，也涉及学生在日常生活中面临的实际问题，如如何设计一套家庭饮用水净化系统。只有激发真实的需求才能让学生体会到解决工程问题的迫切性和重要性，理解工程实践在改造世界、造福社会中发挥的作用，唤起学生开发、测试和优化工程问题解决方案的欲望和决心。
科学教学中的工程问题要避免宽泛笼统，因而需要经过精确界定与细致定义。精确定义工程问题意味着要涵盖当前面临的初始条件、现实约束和完成指标等要素。初始条件是工程实践开始时所遇到的现实状态，包括与解决方案相关的历史经验和典型案例。搜集和辨识初始信息有助于作出正确决策并规避可能的失败。完成指标是指解决方案要实现的目标，而约束是解决方案必须应对的限制。工程实践中不可避免地面临安全性、成本、时间、材料或者尺寸等约束条件，当工程问题被精确界定，它就会在工程实践中发挥着推动和导引作用，成为贯穿整个计划与实施过程的中心。无论是设计方案、测试方案，还是权衡方案乃至最终决策，团队成员始终都要围绕工程问题的标准和约束展开行动，这样的工程实践对学生而言才是有意义的工程实践。
（二）关照工程知识的有机整合
工程实践作为改造世界的活动，其基石在于对世界的深刻理解，如同沃尔特·文森蒂所言“工程师做什么取决于他们知道什么”。因此，工程实践的另一显著特征是它能够有机链接跨领域的知识。工程实践所涵盖的知识体系不仅包括科学和数学知识，还囊括特定于某工程领域的概念以及大多数工程领域的共通概念，如结构—行为—功能、权衡与约束、优化、系统与子系统、控制等，它们共同构成了工程实践的理论支撑。工程知识的整合性特征，不仅是对大工程知识观的反映，更强调工程实践应超越对零散事实的简单堆砌，聚焦核心概念与共通概念的理解与应用。
科学和数学是进行数据分析、设计构思与验证的必要工具，工程实践中会自然渗透科学和数学知识。科学和数学知识不但有助于学生进行分析与决策，也促使他们在实践中反思与深化对科学知识的理解。同时，工程实践产品的诞生，也是科学知识应用的生动体现，有助于评估学生对科学知识的理解程度与迁移应用能力。
为了驱动学生从事有意义的工程实践，必须关注那些具有较高统摄性、解释性和迁移性的工程领域特定的重要概念及共通概念，摒弃将工程知识视为科学知识简单应用的狭隘知识观。在真实的工程实践中，面对建筑、土木、水利等特定领域的复杂挑战，工程师需要熟练运用领域特定概念，并深刻把握系统、优化、权衡、决策等共通概念，以系统视角和优化策略评估各解决方案。同样，学生在参与工程设计任务时，若缺乏对这些概念的理解和应用的机会，获得的可能只是程式性的内容，难以实现对相关整合性知识的深度理解。
（三）强调以工程思维驱动设计
工程思维是工程实践的精髓，也是其得以持续的动力源泉。工程思维作为在工程实践中形成的思维方式和习惯，以系统性、逻辑性、创造性、迭代性为显著特征，其本质在于考虑如何通过合理的程序或路径从初始状态到达目标状态，而工程设计则是将这一过程外显化的基本方法。因此，工程思维与工程设计过程紧密相依，工程实践的每一步都离不开思维的引领，脱离工程思维的设计无异于无根之木。科学教学必须强调思维活动对设计操作的驱动作用，鼓励学生发展系统性思维、逻辑性思维、创造性思维。
系统性思维要求学生识别工程系统内部各个要素，理解它们如何通过相互作用形成复杂组织结构，并适应外部环境以实现特定功能。系统性思维在需求分析、建模、优化和决策各阶段都发挥着关键作用。另外，工程思维也展现了逻辑性与创造性之间的紧密联系。一方面，学生需借助比较、分类、分析、综合等逻辑方法，揭示和把握实践对象。另一方面，直觉、想象、灵感、顿悟、洞察等创造性元素同样不可或缺。在真实的工程实践中，工程师常先以直觉和想象构想产品结构和外观，然后依托逻辑推理、建立模型、数学计算和实验验证等方法，将构想转化为方案。因此，在工程实践中，思维的促进作用始终不可忽视，无论是提出创意方案、迭代设计细节还是作出关键决策，都依赖于逻辑与非逻辑思维的双重驱动。
（四）重视团队合作与自主实践
工程实践是一项高度依赖团队合作与自主实践的活动。在此过程中，工程师及其团队成员、利益相关方往往对设计目的持有多元化的诉求和建议，这要求他们不仅要积极履行个人职责，更要深化彼此间的沟通合作。在教学中，教师不仅要重视学生与团队成员的紧密合作，鼓励他们在协商中实现知识的共享共建，还应赋予学生自主权，促使他们在实践中勇于担当、自主决策。
团队合作与交流渗透在工程实践的每一个环节，从建构与交换想法、调查已有信息到选择和使用工具，无一不闪耀着集体智慧的火花。为此，教师应鼓励学生借助数据、模型、原型、图表等进行高效沟通，通过口头和书面交流，综合分析、评价同伴观点，提出并筛选最佳解决方案。此外，工程实践强调超越个人理解的局限，倡导通过谈判与协商汇集团队合力，共同应对设计挑战。
此外，工程实践的开放性为学生提供了自主探究的契机。面对开放性的任务，学生可以在头脑风暴中大胆提出并尝试自己的想法。相比于被要求完成某项任务来说，自主决定做什么和怎么做更能够激发学生学习的内部动机。尽管面对复杂的开放性任务时，学生可能会遭遇挫败感，但正是在这一过程中不断试错与探索，激发他们运用自我调节等高级元认知策略，促使他们积极主动地寻找并充分利用各种资源来克服难关。通过对自我努力的管理，学生能够在解决问题的过程中持续保持浓厚的兴趣与不懈的毅力，一旦工程任务顺利完成，成功的设计则会让学生备受鼓舞。
二、当前科学教学中工程实践的误区
随着中小学科学课程教学改革的深化，在科学教学中开展工程实践已是大势所趋，但工程实践在“落地”过程中仍然存在一些误区和问题，这集中表现为实践中对工程实践与科学探究、工程实践目的与制造产品、教学过程与设计流程以及操作活动与思维活动等几对关系的误解。
（一）混淆工程实践与科学探究
在科学教学中开展工程实践，首先需要正确看待工程实践与科学探究的关系。科学探究和工程实践都是以创造性、沟通性、协作性等为特征，统合认知、思维和技能的实践。它们具有相似的工作模式，即都需要进行实证调查，在已有理论和模型的基础上扩展理论或建构新的模型，同时离不开基于证据的推理、论证和批判。尽管两者存在相似之处，但其动因、目的和规范并不完全相同。一方面，科学探究可能由直接的实际应用驱动，也可能仅出于好奇而对现象进行解释和描述，而工程研究则以人类需求是否得到满足为衡量标准。另一方面，工程实践中建模、调查、分析数据、论证的目的是选择最优的解决方案，而科学探究的目的是寻找统一和全面的理论来解释现象。此外，科学探究遵循普遍性、公有性、无私性和有条理的怀疑主义，但工程实践具有突出的唯一性、系统性、迭代性、社会性。
科学探究与工程实践如同科学教学的左右双翼，既各自独立又紧密相依。然而，受限于对工程实践的认知深度，部分教师往往将两者等同视之，忽视了工程实践在培养学生科学素养方面的独特价值。在理念上，他们倾向于将工程实践简化为展示知识、应用知识及激发学生兴趣的手段，而无视其对培养学生认知与实践能力的价值。在教学实践中，表现为难以找到科学探究与工程实践之间的平衡点，往往将后者视为附加项，而非贯穿始终的要素。更有甚者，将工程实践局限于观察、实验与获取唯一结论，忽视了通过设计解决实际问题、测试评估以及权衡解决方案的重要性。因此，在教师的科学探究观尚未得到有效澄清之前，工程实践的加入可能会加剧工程实践与科学探究的混淆，影响科学教学的整体效果。
（二）以制造产品为目的与实践目的功利性
工程实践的目的在于生成满足标准和约束的解决方案，这.些解决方案远不止于模型、原型等有形物质产品，更可涵盖系统规划、服务方案或其他无形的人工产品。相较于单纯制造物质产品，工程实践更强调为“如何制造物质产品”制订计划和方向、设计流程和程序。如果将工程实践的目的狭隘地理解为创造并交付物质产品，并将物质产品作为唯一成果形式，或强调产品的应用价值而忽视其教育价值，不但会限制工程实践的目标和活动范围，还会割裂工程实践与学生实际生活的联系，削弱人工产品在学习与评估中的作用。
一旦工程实践陷入产品导向的误区，教师可能会忽视生活中真实的工程问题，而专注于直接布置制造物质产品的任务。这导致学生难以亲身体验问题解决的全过程，从而无法真正认同工程实践的实际价值。而由于缺乏对工程问题的清晰界定，学生也难以明确成功的标准、制订切实可行的计划，并运用系统方法论解决问题，往往只能依靠模仿和经验进行盲目操作。此外，工程实践涉及写作、绘图、计算、论证等多种实践活动，而以物质产品为导向的实践目的弱化了它们的价值，限制了学生的全面参与。最后，人工产品的生成诚然反映了学生的知识理解程度与工程思维习惯，并为学生的交流与决策提供了中介工具，但仅凭物质产品来表征工程实践质量，往往容易忽视学生解决问题过程中内在的、隐性的观念与思维发展。这种对产品的单一追求，使学生难以建构对工程实践本质的全面认识，从而使他们对工程实践过程是什么、工程师如何展开工作等依然存在刻板印象。因此，工程实践的目的不停留于制造产品，避免学生对工程的功利化认知，才能促进学生理解工程在增进人类福祉、推动社会进步中的关键作用。
（三）刻板遵循设计流程与实践过程程式化
作为一种系统的问题解决策略，工程实践往往需要历经定义工程问题、设计解决方案、重复测试和分析、优化解决方案的过程。这一过程并非遵循刻板的线性步骤，而是要根据具体情境灵活组合或迭代。在实践中，为了教学线索的清晰性，工程实践常被简化为拥有固定设计流程的活动。事实上，如果缺乏明确的问题线索和知识线索，将设计流程视为科学教学的唯一线索，可能会使整个实践活动与科学教学脱离，使工程实践走向形式主义。
此外，在科学教学中，教师通常着力构建吸引眼球的工程实践情境，容易忽视工程实践过程的复杂性。在现实世界中，工程师在确定解决方案之前会经历多次失败、迭代设计与测试循环。然而，教师常以消极的态度评估学生解决复杂问题的能力，低估其创造力、专注力以及自主学习能力，不敢放手让学生直面失败和挣扎，或者对学生的学习路径时刻保持警觉，要求学生严格遵循预设的步骤完成活动，这容易使学生形成“一次就好”和“寻找唯一正确答案”的问题解决心态。其次，教师还可能忽略工程实践所需的知识与能力基础，认为只要提供设计流程和材料，学生就能自然而然地从上一流程过渡到下一流程并完成整个循环；或者认为只要学生按照流程进行设计和建造，那么这种设计实践就是成功的。这就导致学生轻视定义问题的严谨性、决策的科学性，倾向于通过盲目试错达成目标，而非深入思考设计与相关科学原则之间的联系。
（四）片面强调动手操作与实践方式机械化
解决工程实际问题，不仅要有扎实的知识基础与敏锐的思维能力，还需要熟练地使用工具和材料，有效收集和分析资料，并具备良好的书面表达与交流能力。显然，动手操作并非工程实践的唯一方式。但鉴于操作材料、工具、仪器能够提供直观的感性经验，显著提高学生课堂参与度与兴趣，因此教师将工程实践引入课堂时常优先考虑动手操作活动，这可能导致对重要工程知识、工程思维和其他技能的忽视。
工程师的工作涉及开发并使用模型、设计并展开调查、分析并解读数据、运用数学和计算思维、通过证据并进行论证以及获取、评估和交流信息等实践。因此，动手操作只是建构模型或原型的手段之一，却不是全部实践的代名词。在课堂中参与工程实践时，学生除具备操作技能外，还必须拥有调查、测试、建模、推理、论证、定性与定量计算等思维能力。过度聚焦单一动手操作活动，实则简化了工程问题解决的过程，限制了学生发展复杂能力的机会。一方面，将动手操作活动等同于工程实践，可能会误导学生对工程师形象的理解，如同已有研究发现，很多学生认为工程师是从事建造、制造或维护的群体，且多为男性。另一方面，工程中的“做”离不开“学”与“思”，复杂技能通常需要个体有意识地使用策略并应用知识来习得和保持。若仅强调工具的使用、技术的应用和仪器的操作，势必要耗费大量的时间进行重复锻炼。但在实际课堂教学中，教师经常因为顾虑时间限制便直接给出操作步骤，要求学生遵循预设的固定步骤和材料去操作。最终，这种唯动手操作至上的机械化教学方式忽视了身心一体的实践本质，导致工程实践沦为简单的肢体动作，掩盖了其背后的思维活动。
三、在科学教学中开展工程实践的策略
在科学教学中开展工程实践是一个相对崭新且缺乏借鉴的领域，可以从以下几个方面入手，积极探索并构建有利于工程实践开展的教学环境。
（一）体现工程实践的三重价值取向
在科学教学中开展工程实践，首要任务是澄清对工程实践的片面理解，全面审视其多维度属性及相应的教学观。工程实践首先是以知识和思维为基础的认知实践，也是以人为核心的交往与社会实践，又是以技术为中介的实践。这三重取向凸显了工程实践的不同属性，并各自导向特定的教学目标，忽视其中任何一维，都可能导致工程实践价值的偏颇与教学目标混乱。因此，必须区分并融合认知价值、社会价值和技术价值三重取向，并在教学目标中有所体现。
首先，从认知实践的角度来看，工程实践强调工程师在解决问题时必须掌握基本的科学、数学与工程知识以及工程思维方式。在此取向下，教学旨在增进学生对抽象概念的理解、促进学生科学思维与实践能力的发展。这就要求教师提供利于知识建构的环境，以便让学生了解、使用和阐明关于自然界的科学解释，支持他们生成并评估科学证据和科学解释、理解科学知识的本质并积极参与科学实践。其次，在交际与社会实践层面，工程实践被视为一种团队合作与社会服务的行为。工程师作为专业社群中的一员，需掌握沟通技巧、承认和理解多元观点、具备团队合作能力。该取向下，教学旨在增进学生对工程职业的向往和渴望，帮助学生了解工程相关职业及具体工作方式。教师要为学生提供社会性实践契机，让学生在构建解决方案时关注人类公共福祉并运用同理心进行推理，使之成为具有良好道德意识和社会责任感的公民。再次，技术取向强调工程实践中的技术创新与应用，它强调通过技术手段、技术创新解决问题，并关注分析数据和资料、建构模型和解释、利用证据来支持观点等技能的培养。然而，过度强调技术价值而忽视社会与认知维度，易陷入经验主义与技术主义的误区。
（二）创设真实的工程问题解决情境
工程实践根植于生产生活的实际需求之中，源自对现实问题的深切关怀。为彰显工程实践的社会本质，超越单纯生产物质产品的局限，需要创设真实的工程问题解决情境，让学生认同工程实践的价值并敏锐洞察待解决的难题。这些情境应贴近学生熟悉的环境，展现工程在增进人类福祉方面的潜力，揭示知识在工程实践中的存在和应用方式，为清晰界定问题奠定基础。
在创设情境时，应重视工程在解决当今人类生存生活挑战中的作用。通过为工程问题解决匹配现实世界中的任务，激发学生持续参与工程实践的欲望。在个人或全社会范围内，与资源、环境、科技等相关的议题无处不在，它们构成了学生日常生活的一部分。随着生活经验和活动范围的扩展，学生可理解的情境还会逐渐从个人生活扩展到地区、国家乃至全球视角。然而，目前许多工程实践仍局限于那些脱离现实世界的主题，难以吸引大多数学生特别是女生的兴趣。因此，应将工程问题解决与问题产生的实际背景紧密关联，展现人类解决实际工程问题的需求。教师创设的工程问题解决情境还应揭示工程问题的初始条件、现实约束和预期的完成指标，以此激励学生有目的地投入解决工程问题的实践中。例如，相较于简单要求学生建造一栋房屋，如果教师通过情境模拟让学生意识到地震对人类生存家园的威胁，他们将更深刻地认识到建造抗震房屋的重要性，激活学生头脑中与此相关的已有知识经验。另外，学生还可进一步分析地球内部的圈层结构、地球表面岩石特征以及气候特征等多种因素对建筑物稳定性的影响，从而在符合特定约束条件和完成指标的前提下，参与建造房屋的工程实践。
（三）支持开展有挑战性的工程实践
工程师在应对现实世界的问题时，通常需要借助跨学科的知识和技能，并通过与其他专业人员协同工作来开发解决方案。为了培养学生的工程师思维与解决挑战性问题的能力，不但应确保实践任务具有足够的开放性，允许学生充分发挥创新与创造力，还需营造共建共享的学习环境，促进学生开展组内协作和组间交流。
工程问题通常有不同的解决路径和多个解决方案，即使面对相同的初始条件，也可能产生差异较大的设计方案。教师应该重视每一种声音，鼓励学生冒险尝试、突破常规，也要让学生摆脱唯一答案的束缚，进行发散性思考和个性化设计，从而激发学生的兴趣和参与。其次，解决工程问题并不是一蹴而就的，失败是这一过程中的常态，也是其挑战性的突出体现。教师应积极引导学生从失败中学习，深入探究问题解决方案的不足与原因，基于理论与事实评估其优劣，从而为重新优化设计提供证据。此外，挑战性的工程实践更需要学生与其他团队成员互动。教师可以带领学生分析工程实践共同体如何解决挑战性设计任务，工程师如何与同伴合作，从而确立促进群体协作的课堂规范，淡化竞争关系与紧张氛围并强调团队合作，激励他们共享成败。值得注意的是，挑战性并不等同于不确定性，工程设计挑战应当设定清晰的标准和约束，学生需根据这些标准和约束条件来评估自己和他人的解决方案，反思各自作品的异同。
（四）为学生提供解决工程问题的脚手架
作为初涉工程实践的学生，当面临超出自身当下能力范围的任务时，应积极寻求具备相应能力的专业工作者的指导。因此，教师在工程实践教学中扮演的重要角色之一，便是根据学生的需要，在适当的时机为它们搭建学习的脚手架。
这些支持学生在复杂任务中学习的脚手架有结构化和问题化两类。结构化脚手架通过引入额外的条件或约束，旨在降低任务的复杂性、开放性，适度限制学生问题解决的自由度，从而引导他们聚焦于核心任务。在工程实践中，教师可采用将开放式问题分解为若干子任务的方式，通过预设可选材料和方案等手段限制问题空间，引导学生围绕特定目标展开探索。例如，在设计室内浇花器的工程挑战中，教师可启发学生思考农业生产中水源的获取与控制方式，进而引导学生围绕水的来源与控制方案展开讨论和持续探究。整个过程中，教师可以通过不断提问，促进学生有理有据地开展实践并持续反思。问题化脚手架则侧重于提升问题解决的挑战性以丰富学生问题解决的经验。教师利用此类脚手架，能够引导学生关注那些可能被忽视的维度，如鼓励他们采用多样化的方式搜集证据、开发模型、分析数据和交流表达，或利用比较、计算、作图、公式、实物模拟等工具辅助模型开发、数据分析和表达数据。在通过实验获取证据之前，教师应协助学生制订详细的测试计划，包括选择并确认变量、创设测试条件、控制变量、评估并改进测试方案、思考什么样的证据才证明解决方案是有效的，以及通过计算成本、效应等定量分析解决方案的差异。
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