科學整合工程實踐的教學設計

宋蕊 占小紅

摘要： 通過以科學為核心的跨學科學習方式，尤其是科學課程與工程設計實踐的整合，發展學生的科學能力和工程素養是近年來基礎科學課程改革及實踐的重要趨向。以“模擬酒精測試器”為主題，以工程設計任務為教學框架，設計了確定目標、收集相關知識；開發、形成初步解決方案；建立并測試模型；交流與評價；科學探究；迭代循環、優化設計等活動環節，使學生熟悉工程設計過程，提高動手能力，激發對工程的興趣與對工程職業的向往。

關鍵詞： 科工整合； 工程設計實踐； 初中科學； 教學設計

文章編號： 10056629（2018）2002905中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1科學課程整合工程實踐的背景

近年來科學、數學、技術與工程整合教育（STEM）成為了科學教育的新趨勢。STEM整合教育不是將科學、數學、技術與工程簡單的疊加，而是將四者形成一個有機結合體，從而培養學生的創新意識與實踐能力[1]。STEM整合教育的類型眾多，可同時包含兩個或兩個以上STEM學科內容的教學活動，較為常見的有科—數整合、科—技整合、科—工整合。其中科—數整合在我國的理科教學中已是常態，而科—技整合在我國多以制作為標志的課內或課外活動形式存在，有將科學教育帶上培養“能工巧匠”歧途的風險[2]。

美國2013年頒布的《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards）[3]中，將工程實踐與科學探究整合稱為“科學和工程實踐”，作為科學教育的三個維度之一，成為基礎教育階段科學與工程教育整合的基本方式，并很快為其他國家的基礎教育階段科學教育改革所借鑒。在我國對工程類人才需求巨大，而我國基礎教育階段工程教育長期缺失的背景下，科—工整合教育為工程教育融入我國基礎教育階段提供了良好的契機，體現出巨大的潛在價值。

科學教育與工程實踐整合是在共同的利益和價值認同基礎上，對工程與科學教育各自獨立又有一定內在聯系的要素按照某種規則或規范進行耦合、結構協調、相互配合的過程或結果[4]。其中“規則或規范”是整合的具體行動方法和微觀教育實踐方式；而“要素”包含了教育活動的目標、內容、形式等多方面。

在基礎教育階段實施科工整合教育的目的有兩個主要方面。第一個方面是讓工程實踐起到支持科學教育的作用，即在工程實踐的過程中應用科學知識，幫助學生更好地掌握科學知識并獲得應用知識解決復雜問題的能力，培養學生的創造性思維與批判性思維。第二個方面是在基礎教育階段，通過科工整合教育，使學生獲得工程實踐的初體驗，獲取與階段相適應的工程基本原理，培養學生的工程實踐能力、對工程職業的興趣與工程意識，其中工程實踐能力是學生在工程實踐活動中體現出的操作能力與思維能力。

2科學探究整合工程設計實踐的課堂教學模式構建

工程實踐與科學探究有著相似之處，兩者都涉及創造性地解決問題的過程，需要結合現有的知識進行建構，反復檢驗，最終根據結果建立理論或問題解決方案。工程實踐與科學探究過程并不是割裂的，科學探究結果支持工程實踐的施行，工程實踐過程也推動著科學探究的發展。正因為工程實踐與科學探究各自獨立，同時又存在著一定的聯系，才可以將工程實踐與科學探究在內容與過程兩個方面按照某種規則進行整合。故科學探究與工程實踐的整合成為科工整合實踐的基本形式之一。

科學探究是揭示自然現象，并得出合理的解釋和理論的過程。而在科學教育領域中，科學探究的作用是幫助學生通過對問題或任務的探索，體現科學研究的一般過程，使得學生在知識、技能、情感等方面獲得提高。科學探究過程有四個主要階段，觀察和提出問題——形成假設——檢驗求證——得出解釋或結論。

工程實踐以解決實際問題為最終目的，關注問題解決方案的開發與優化。工程設計是工程實踐過程的核心要素，工程設計實踐也是工程教育領域的核心。在工程設計實踐的最初階段，學習者面對復雜的真實情景與非良構的問題時，確定問題與目標，進行信息收集與初步的解決方案設計；在方案實施的過程中，根據檢驗結果進行優化迭代并調整問題解決方案，形成一個循環往復的過程，即確定問題與目標——初步設計解決方案——測試方案——迭代優化。

我國學者唐小為[5]通過對1993年以來國外文獻中30個科工整合教育案例進行編碼分析，根據整合思路分為三類： 應用延伸型，工程框架型，設計即探究型。我國學者占小紅[6]在唐小為的研究基礎上，以科學探究與工程實踐的整合過程模式角度，建立了以工程設計為主、科學探究為主、科—工并重的三種科學探究與工程設計整合的主要模式（見表1）。

2.1以工程設計為主的整合模式

以工程設計為主的整合是以工程設計任務為教學框架，主要目的是培養學生的工程實踐能力。在工程設計的過程中，根據設計的需求，穿插科學探究的過程，作為工程設計的有機組成部分，為工程設計與優化提供依據或支撐。過程模式為在工程設計過程中穿插科學探究內容，從工程實踐的需求出發提出科學探究的問題與目的，科學探究的結果進一步為工程設計的優化提供理論支撐，即“設計—探究—設計”，體現了工程設計的優化迭代的思想。

2.2以科學探究為主的整合模式

以科學探究為主的整合是以科學探究過程為主，在科學探究的活動中，以工程設計為手段，讓學習者通過設計尋找科學規律，從而構建科學理論。

2.3科學探究與工程設計并重的整合模式

此類整合采用“先科學探究后工程設計”的過程，即科學探究的成果應用于工程設計中，兩個模塊基本獨立。該模式旨在培養學習者在真實情景中解決問題、應用所學知識的能力，同時深化科學探究所獲得的科學規律。

3“模擬酒精測試器”教學案例設計與分析

本文選取七年級科學（牛津上海版）第一學期“酒精對判斷與反應的影響”這一內容，教學案例是針對該部分設計的拓展課活動。經查閱文獻，書中描述“酒精測試器中有一種橘黃色的化學藥品，能與司機呼出氣體中的酒精產生化學反應，變成綠色。綠色越深，表示酒精含量越高”，是指在酸性介質中，橙紅色的重鉻酸鉀中的六價鉻（Cr6+）被乙醇還原為三價鉻（Cr3+）的過程[7]，化學方程式為：

3C2H5OH+2K2Cr2O7+8H2SO43CH3COOH+2K2SO4+2Cr2（SO4）3+11H2O

本文以“以工程設計為主”的科工整合模式進行教學設計，結合適應基礎階段教育的工程設計實踐環節[8]（包括①構思問題；②學習相關科學知識并收集信息；③開發、形成與優化解決方案；④創建模型或原型；⑤測試模型或原型，記錄并處理數據；⑥交流與評價；⑦迭代循環，優化設計），針對“模擬酒精測試器”的活動內容，設計了如圖1所示的教學過程。

科工整合實踐活動以小組合作的形式進行，組內成員共同協商完成教師安排的任務。教師通過引導性的“工作單”幫助學生完成活動，該“工作單”來源于名為“培養有效批判性思維的環境”（Environments for Fostering Effective Critical Thinking， EFFECT）的教學框架[9]。在這種教學框架下，學生以工作單的形式收到實際的工程問題，實踐活動初期的工作單要求學生回答一系列的引導性問題，并提供初始的解決方案；在后期的工作單中，要求學生思考對原有設計方案進行優化，并寫出相應的原因。

3.1確定目標、收集相關知識： 閱讀課本資料引發工程問題

[教師]司機飲酒后會使反應遲鈍，很難判斷速度和距離，從而引發交通事故，造成不可彌補的傷亡。為了避免悲劇的發生，2003年10月通過的《中華人民共和國道路交通安全法》規定飲酒后不準駕駛車輛，如果駕駛員每100mL血液中酒精含量高于20mg、低于80mg的話，就判定其為酒后駕車；如果高于80mg，就為醉酒駕車。警察為了測試駕駛員是否屬于酒后駕車，需要工程師做什么？

[學生]設計一種酒精測試器，來測試司機血液中的酒精含量。

[教師]直接測試司機血液中的酒精濃度是不是不方便呢？研究發現當人飲酒后，酒精被吸收，但是不會被消化，有一部分酒精會揮發出來，經過肺泡，重新被人呼出體外。這時呼出氣體中的酒精濃度和血液中的酒精濃度呈現出一定比例關系，所以我們可以通過什么來間接地檢測駕駛員血液中的酒精濃度呢？

[學生]可以通過呼出的氣體檢測駕駛員血液中的酒精濃度。

[教師]酒精測試器中有一種橘黃色的化學藥品，能與司機呼出氣體中的酒精產生化學反應，變成綠色。綠色越深，表示酒精含量越高。在同學們手中的工作單1（見圖2）中，老師提供了橘黃色化學藥品的相關信息與可用的材料清單，請同學們結合教材內容與工作單提供的信息，確定任務目標，思考制約因素有哪些（問題1、 2）？

[學生]分組討論并匯報。

評價標準： 要求得出明確的目標，即制作可以分辨不同酒精濃度的酒精測試器。

設計意圖： 工程活動是有明確目標的，工程活動的目標是生產出符合社會需要的人工產物，學生通過討論明確任務目標，為下一步做準備。該環節讓學生了解工程活動需要有明確的目標，滲透目標指導過程的思想。

3.2開發、形成初步解決方案

教師繼續組織學生分組討論，回答工作單1的剩余問題，并繪制酒精測試器的草圖，如學生遇到困難，給予一定的幫助。

評價標準： 設計可以檢驗不同濃度酒精氣體的“簡易酒精測試器”，繪制可實施的“簡易酒精測試器”草圖。

設計意圖： 引入工作單中的問題3，給予初次接觸工程設計的學生一定的提示，幫助小組同學盡快達成設計共識；引入工作單的問題4與5，激勵學生思考，自己的設計產品的有效標準是什么，該如何檢驗。這些問題的回答可以反映出學生設計成功與失敗的原因。

3.3建立并測試模型

學生完成工作單1的問題后，繼續以小組為單元，根據各組繪制的草圖搭建模型；完成對模型的有效性測試，判斷自己的模型是否達到預期的效果。

評價標準： 可以檢測酒精的存在，并且能分辨不同濃度的酒精。

設計意圖： 親自制作簡易酒精測試器，增強學生動手能力；通過對模型的有效性測試，發現模型存在的問題，深化工程活動迭代優化的思想，培養學生的批判性思維。

3.4交流與評價

學生小組討論“酒精測試器”的測試效果，評價模型的優缺點，并完成工作單2（見圖3）。教師組織學生分享各組的成果、優缺點與改進方法，總結同學的觀點，進一步引發問題——如何判斷酸性重鉻酸鉀的變色程度（提供的三瓶不同濃度酒精溶液中，有兩瓶濃度較為相近，重鉻酸鉀的變色深淺用肉眼較難判斷）。

[教師]大家都是通過什么樣的方式來判斷綠色的深淺程度呢？

[學生]用肉眼直接觀察。

[教師]剛剛有多組反映，其中兩瓶酒精溶液與酸性重鉻酸鉀反應后的變色深淺難以判斷，并不能用肉眼完全確定哪只顏色深、哪只顏色淺。直接通過人的感覺器官所進行的觀察我們稱之為直接觀察，由于人的感覺器官能夠感知的范圍有限，為了擴大感知的范圍，必須借助各種儀器或工具進行觀察。接下來，我們能否設計一個探究活動，探究借助哪種工具或儀器來分辨酸性重鉻酸鉀變色的深淺。

評價標準： 指出測試器的優缺點，針對不足之處思考改進方法。

設計意圖： 通過小組間的交流與分享，讓學生在自己與他人的經驗中學習；通過對模型的反思，引出問題——如何判斷重鉻酸鉀的變色程度，創設問題情境，從工程實踐的需求出發提出科學探究的問題與目的。

3.5科學探究

[教師]老師為大家提供了幾種利用工具或儀器對比顏色方法（見表2）。同學們針對自身的情況選擇合適的方法進行實驗探究，并且根據探究的結果，對酒精測試器進行優化設計。

評價標準： 準確地分辨兩種不同的酒精溶液濃度高低。

設計意圖： 通過確定與比較不同的檢驗方法，發現人類感覺器官的局限性；體驗在工程設計活動中，從工程實踐的需求出發進行科學探究的過程。

表2比較重鉻酸鉀變色程度的方法

方法主要方式資源要求

肉眼觀察通過肉眼對比顏色的深淺。無

目視比色法類比pH試紙的比色卡，通過肉眼利用顏色卡進行對比，比較顏色的深淺。顏色卡（來源于網絡）

圖像比色法使用手機等拍照設備采集圖像，將顏色深淺轉化為RGB分量值，通過RGB分量值判斷顏色的深淺。通過公式： g=R*0.299+G*0.587+B*0.114，求出g，g越小顏色越深。手機或相機等；

電腦；

計算器

3.6迭代循環、優化設計

[學生討論]小組討論完成工作單3（見圖4）。

[教師]酒精測試器的發明經歷了漫長的年代，在1927年，芝加哥化學家威廉·鄧肯麥克納利發明了一種呼吸分析儀，通過呼出的氣體可以改變化學物質的顏色來測試她的丈夫是否在喝酒；1931年，印第安納大學醫學院的Rolla Neil Harger發明了第一個實用的醉酒儀，將醉酒駕駛員呼出的氣體收集在氣球中，然后將樣品通入酸性的高錳酸鉀溶液中，溶液會變色，顏色變化越大，呼吸中存在的酒精越多，這個醉酒儀與我們今天設計的“酒精測試器”是類似的；1954年印第安納州的警察Robert Frank Borkenstein利用化學氧化和光度法測量酒精的濃度，進一步改進了“酒精測試器”，就是將顏色增加的程度利用光度法，轉化為酒精濃度。而我們現在使用的酒精測試器，已經可以高精度測試呼出酒精含量，最多可以顯示四位有效數字，可以輸入被測者信息，可與電腦通信，具有藍牙打印功能等。檢測原理也不同于最初的化學氧化，更加便捷與準確，如酒精氣體傳感器等。工程設計過程如同酒精測試器的發展史，根據人們的需求進行設計、制作產品，同時科學探究活動與科學技術的發展，也推動著工程設計的優化與工程產品的更新。

[教師]總結各小組在活動中的表現，鞏固工程設計的過程： 構思問題；學習相關科學知識并收集信息；開發、形成與優化解決方案；創建模型；測試模型；交流與評價；迭代循環，優化設計。

設計意圖： 通過工作單引發學生思考，在回顧活動過程的同時，總結學到的知識；深化工程設計中循環迭代、優化設計的過程與理念；通過回顧酒精測試器的發展歷史，激發學生對工程的興趣與對工程職業的向往。

4結語

以“模擬酒精測試器”為主題的科工整合實踐活動，采用工程設計為主的科學探究與工程設計整合的模式，學生進行工程設計活動為主線，以工程設計的需求為動力穿插科學探究實驗，為工程設計的優化提供依據，體現了工程設計的優化迭代的特色。

在教學設計中滲透工程設計的一般過程，初步培養學生工程設計活動中的思維模式與實踐能力，讓學生體驗與模仿工程設計活動，內化工程設計活動的范式。

科工整合實踐的課堂教學以學生為中心的小組活動方式進行，教師提供適當的指導。教學設計考慮到學生初次接觸工程設計活動，通過“工作單”的設計，利用引導性的問題降低實踐活動的難度，例如問題“重鉻酸鉀和酒精溶液的位置應該如何擺放”，為工程活動目標與設計草圖之間搭建橋梁；設置開放性的問題，引發學生積極思考，例如反思回顧工程設計活動，引導學生回顧活動過程并積累經驗。在活動結束部分，通過回顧酒精測試器的發展歷史，激發學生對工程領域的興趣與對工程職業的向往。

參考文獻：

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究， 2015，（4）： 13～22.

[2][5]唐小為，王唯真.整合STEM發展我國基礎科學教育的有效路徑分析[J].教育研究， 2014，（9）： 61～68.

[3]Achieve. The Next Generation Science Standards[EB/OL]. http：//www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Executive Summary. pdf. 20130416.

[4][6]占小紅.工程實踐融入基礎科學教育： 內涵、目標與路徑[J].基礎教育， 2017，（3）： 45～49.

[7]段霞霞.重鉻酸鉀酸性溶液與乙醇反應的實驗探究[J].化學教學， 2014，（2）： 47～48.

[8]徐冉冉，占小紅.科學課程中的工程實踐目標和過程[J].化學教學， 2017，（2）： 16～20.

[9]Nicole Berge， Dee DeeTompson. Engineering design and EFFECTs[J]. Science Scope， 2014，（11）： 16～27.