工程设计与科学探究

工程设计和科学探究有许多相似的特点。两者都是用于解决问题的推理过程。两者都使用类似的认知工具,如头脑风暴、类比推理、心理模型和视觉表征。两者都需要对产品——工程设计或科学假设——进行测试和评估。

这两个过程也有很大的不同。分歧的一点是约束的作用。例如,预算限制会限制科学探究,甚至会让科学家无法回答特定的问题。但它们并不影响答案本身。然而,对于工程师来说,预算限制可以决定设计方案的实际特征——例如,所使用的材料,或者为防止可能的故障而包含的冗余数量。

在2012年,K-12科学教育框架描述了一种新的科学教学愿景,积极地让学生参与科学和工程实践,以发展对这些领域的核心思想的深入理解。通过在学习经验中更加强调这些实践,教学可以为学生提供更丰富、更准确的科学、工程和技术观。

该框架确定了对K-12科学和工程教育至关重要的8个实践。这些都是工程师和科学家工作的一部分。然而,如下表所述,在这两个领域中,每一种做法的使用方式略有不同。下表是根据框架改编的。

工程与科学基本实践之比较

工程

科学

1.问问题和定义问题

工程学始于一个问题、需求或愿望。

科学始于一个关于自然现象的问题。

2.开发和使用模型

工程学使用模型和模拟来分析现有系统,以识别可能的缺陷或测试可能的解决方案。

科学使用各种各样的模型和模拟来帮助开发对自然现象的解释。

3.策划和执行调查

工程师利用调查来获得数据,以确定设计标准,并测试他们的设计。他们必须识别相关的变量,决定如何测量它们,并收集数据进行分析。

计划和开展系统调查是科学家的一项重要实践。它们必须确定哪些是要记录的,如果适用,哪些是要作为因变量和自变量处理的。

4.分析和解释数据

工程师分析从测试设计和调查中收集的数据来比较解决方案。

科学家分析由科学调查产生的数据,以获得意义。

5.运用数学和计算思维

在工程学中,数学是设计不可分割的一部分。计算表示在模拟和原型开发中是必不可少的。基于数学的分析允许工程师计算一个给定的解决方案是否满足标准,并且仍然在预算范围内完成。

在科学中,数学被用来以各种方式表示物理变量及其关系。计算表示允许科学家做出和测试预测。统计数据使他们能够评估模式或相关性的重要性。

6.构建解释和设计解决方案

工程学的目标是解决问题或满足需求。

科学的目标是构建解释世界特征的理论。

7.从证据中进行辩论

在工程中,为了找到问题的最佳可能解决方案,推理和论证是必不可少的。

在科学中,推理和论证对于确定一种解释的优缺点至关重要。

8.获取、评估和交流信息

如果工程师不能准确地收集需求,或者不能清楚而有说服力地传达其设计的优点,就不会产生新的或改进过的技术

如果科学家不能清楚、有说服力地交流他们的发现,或者不能了解别人的发现,科学就不能进步。

一篇优秀的文章理顺科学探究与工程设计提供了一些例子,说明如何组织学习活动,让学生在使用工程或科学版本的相同实践的同时,掌握不同的NGSS表现预期。