在綜合實踐活動課堂中整合工程與科學(xué)

北京師范大學(xué)天津附屬中學(xué) 于旭珩

2017年10月，教育部印發(fā)了《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》，首次提出了“創(chuàng)意物化”，這一目標(biāo)將“設(shè)計制作”作為綜合實踐活動的重要活動形式。在設(shè)計制作類的綜合實踐活動課程中，學(xué)生要在一項任務(wù)上獲得成功的體驗，需要的不僅僅是教師為學(xué)生提供實踐的機(jī)會，更是要讓他們學(xué)會思考“下一次我們應(yīng)該如何去做”，而工程設(shè)計過程給學(xué)生提供了下一次的機(jī)會。科學(xué)探索的目的是利用證據(jù)來解釋自然界和人類世界，將工程設(shè)計和科學(xué)探索整合在課堂中，不僅可以增加學(xué)生與自然環(huán)境、學(xué)生與社會環(huán)境之間的相關(guān)性，而且可以給學(xué)生創(chuàng)造更多的機(jī)會去測試自己的想法，并學(xué)會如何完善自己的想法。

下面，筆者結(jié)合一個基于STEM教學(xué)模式的綜合實踐活動案例“太陽能小車設(shè)計與制作”，談一談如何在課堂中整合工程與科學(xué)。

一、以工程設(shè)計流程設(shè)計項目活動

工程學(xué)主要是解決現(xiàn)實世界中的問題，它可以為學(xué)生提供一個解釋、應(yīng)用概念的良好背景，但是在現(xiàn)實中，學(xué)生自己很難將工程設(shè)計與科學(xué)知識進(jìn)行鏈接。基于項目的STEM學(xué)習(xí)可以為學(xué)生提供更多的解決真實問題的機(jī)會，教師運用工程設(shè)計流程整合教學(xué)活動，讓學(xué)生通過設(shè)計制作具體的項目，理解其中所包含的科學(xué)知識，并逐步建構(gòu)到自己的知識體系之中。

“太陽能小車設(shè)計與制作”項目從節(jié)能環(huán)保線索入手，整合考查探究活動（太陽能汽車發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查及推廣）、信息技術(shù)活動（開源硬件、程序設(shè)計）、勞動技術(shù)活動（智能大腦、電子電路、創(chuàng)意設(shè)計與制作）等多個領(lǐng)域，并融合物理力學(xué)、電學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識，嘗試將STEM教育中的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)融入到設(shè)計制作一輛具有充放電功能的太陽能小車活動中。在項目開始之初，學(xué)生需要考慮“太陽能汽車目前存在哪些實際問題？為什么要做太陽能小車？太陽能小車的功能是什么？選擇什么樣外形結(jié)構(gòu)？”在提出一系列實際問題之后，學(xué)生會明確太陽能小車需要實現(xiàn)哪些功能，需要準(zhǔn)備哪些材料，需要做成一個什么樣子；接下來就是怎樣制作這個太陽能小車？在完成了模型搭建與初步測試之后，開始考慮還有哪些部件可以進(jìn)一步提高太陽能小車的供電能力？如何實現(xiàn)控制？通過在不同光照環(huán)境下測試驗證太陽能小車的實際工作效果，不斷修改完善最初的設(shè)計方案。

在每個教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師都會讓學(xué)生在明確結(jié)果相伴的情況下，將注意集中于方案的設(shè)計、內(nèi)容的探究、問題解決和結(jié)果溝通。盡可能地讓學(xué)生自主參與決策和問題解決的全部過程，而非按照教師既定的實驗步驟完成。整個項目活動，學(xué)生以小組形式開展，包括自我學(xué)習(xí)、師生討論、組間合作等形式。每個成員從始至終都要掌握項目所包含的學(xué)習(xí)目標(biāo)以及小組希望自己達(dá)成的目標(biāo)。學(xué)生在探究完成任務(wù)所需知識與技能的過程中，不斷與同伴溝通自己的觀點、思考的問題和觀察的結(jié)果，尋找最佳方案，最終通過動手實踐、分工合作完成太陽能小車的研制。

二、理解工程中實際問題的重要性

在“太陽能小車設(shè)計與制作”項目活動中，學(xué)生要盡可能利用廉價的材料設(shè)計太陽能小車，選擇材料，計算小車成本，并識別電路中的安全隱患。

在活動初期，教師會提供給學(xué)生不同工作電流的直流電機(jī)、不同類型的齒輪、不同長短的車軸、不同尺寸的廢舊光盤、不同尺寸的太陽能板、不同類型的孔條等材料，學(xué)生也可以使用自己收集的材料作為太陽能小車的配件。

在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生拿到幾種不同的材料，從中選擇可以完成搭建太陽能小車車體結(jié)構(gòu)任務(wù)的材料。如，一組學(xué)生需要利用卡紙、扁平的孔條、細(xì)軸、齒輪等材料，他們需要描述選擇這些材料的原因及如何恰當(dāng)?shù)厥褂眠@些材料。這個環(huán)節(jié)的活動可以幫助學(xué)生識別技術(shù)中使用的材料，并了解其加工的簡單方法，這是工程設(shè)計中一個重要的方面。

這個階段課堂是相對比較開放的，教師要時刻關(guān)注各小組的進(jìn)展情況，確保所有的學(xué)生都投入到這個學(xué)習(xí)任務(wù)中，并提醒他們在選擇材料時需要注意的一些問題，同時也可以為學(xué)生提供一些具有引導(dǎo)性思考的問題。例如：太陽能轉(zhuǎn)換的效率？小車速度與齒輪減速比的關(guān)系？常用的太陽能小車電機(jī)？摩擦力對小車行進(jìn)的影響？如何確保電路中不出現(xiàn)短路問題？這些問題可以幫助學(xué)生進(jìn)一步明確自己所選材料的性質(zhì)和特點，還有各種部件之間的相互關(guān)系，理解在技術(shù)中恰當(dāng)使用材料的重要性。在設(shè)計制作類的綜合實踐活動課程中，動手制作是解決問題必經(jīng)的途徑，實際原型的建模形成了設(shè)計思想與現(xiàn)實世界之間切實可行的聯(lián)系，將學(xué)生的學(xué)習(xí)與抽象的科學(xué)概念連接起來。

三、運用實驗活動開展探究

實驗活動在設(shè)計制作類的綜合實踐活動課堂中占據(jù)著重要的地位，特別是在基于STEM的項目學(xué)習(xí)中，它們可以引領(lǐng)學(xué)生去了解、應(yīng)用科學(xué)概念。課程的初期階段，教師可以設(shè)計一些科學(xué)實驗活動，讓學(xué)生通過研究某幾個變量之間的因果關(guān)系去探索一個概念的知識，一旦學(xué)生能夠正確地理解變量對實驗環(huán)境的重要影響，教師就可以開始安排學(xué)生進(jìn)行工程實驗活動，讓學(xué)生可以在工程實驗活動中應(yīng)用自己前一階段了解到的科學(xué)知識。

例如：在設(shè)計太陽能小車能源與驅(qū)動方式時，教師會提供給學(xué)生不同尺寸的太陽能板、不同容量的超級電容、不同電壓的充電鋰電池。有的學(xué)生選擇擴(kuò)展太陽能板，有的學(xué)生選擇添加超級電容，還有的學(xué)生會選擇擴(kuò)展一塊太陽能板，同時再添加一塊充電電池。通過測試來驗證先前提出的假設(shè)是否正確，當(dāng)學(xué)生確定了直接將超級電容或充電電池并聯(lián)電路中，不能提高太陽能小車的供電能力這一結(jié)論后。教師安排學(xué)生進(jìn)行更大范圍的討論，在不斷的溝通交流中，發(fā)現(xiàn)電容或是充電電池需要進(jìn)行充放電控制才能實現(xiàn)提高電路工作電流的作用。學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下運用開關(guān)模塊完成充放電電路的搭建，并驗證效果。在結(jié)束這一環(huán)節(jié)活動之前，教師還必須引導(dǎo)學(xué)生討論探究過程中的一些重要問題，包括太陽能板的尺寸、電容的容量、電池的電壓對充放電時間的影響等內(nèi)容。

理解科學(xué)實驗的本質(zhì)對當(dāng)今的教育是非常重要的，但在實際中學(xué)生往往容易傾向使用工程實驗活動，太陽能小車項目活動中涉及高中物理力學(xué)、電學(xué)等知識，教師需要按“最近發(fā)展區(qū)”的要求，為學(xué)生建立起最基本的概念框架，并有意識設(shè)計一些可以反映科學(xué)本質(zhì)的實驗活動，幫助學(xué)生從對實驗結(jié)果的感性認(rèn)識上升到對科學(xué)知識的理性理解，并將理解的科學(xué)知識再應(yīng)用到實際的工程項目中，真正做到教學(xué)走在發(fā)展前面。

四、利用循環(huán)模型尋找最佳設(shè)計方案

在基于真實問題解決的STEM項目中，教師可以利用一種循環(huán)模型幫助學(xué)生去解決一些復(fù)雜的問題。首先引導(dǎo)學(xué)生定義一個問題，并描述問題的具體要求，然后確定其解決問題的方案，隨后再重新定義問題。通過反復(fù)研究，不斷將研究的范圍縮小，直至接近最佳的解決方案。

例如：在太陽能小車智能充放電控制的活動中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)通過手動控制太陽能小車的充放電過程，很難實現(xiàn)最佳的充電時間及行進(jìn)距離，需要一種新的方式來精確控制充放電的時間。學(xué)生嘗試將智能模塊接入電路，通過測試后發(fā)現(xiàn)，不同的太陽能小車電機(jī)啟動的工作電流都不相同，需要通過編寫程序設(shè)定開關(guān)閾值才能有效地解決問題。

在第一次循環(huán)中，學(xué)生通過不斷地計算、修改、測試，確定出哪個閾值更適合于驅(qū)動太陽能小車電機(jī)工作，每一次測試都會讓驅(qū)動的數(shù)值更進(jìn)一步地逼近最佳結(jié)果。這一過程就需要學(xué)生將自己對物理電量公式的理解運用到實際的問題解決當(dāng)中，會引起很多學(xué)生學(xué)習(xí)觀念的轉(zhuǎn)變，激發(fā)出他們學(xué)習(xí)物理的興趣，但是這個循環(huán)并未在此終止。

為了找到最佳的問題解決方案，每組學(xué)生在結(jié)束第一次循環(huán)時要對自己提出這樣的疑問：“我們的解決方案是最佳嗎？是否還可以串聯(lián)兩個超級電容，再節(jié)省一些充電時間？這個方案又會帶來什么新的問題？原有的并聯(lián)電路如何調(diào)整？”學(xué)生可以選擇一個新的問題再一次開始尋找答案，而第二次循環(huán)可能還會引出第三次探究，“何種型號的太陽能板充電效率最高？”經(jīng)過多次反復(fù)之后，學(xué)生極可能會研發(fā)出具有獨創(chuàng)性的解決方案。

太陽能小車設(shè)計與制作活動以工程設(shè)計為基石，融合物理、電子、信息技術(shù)等學(xué)科知識，整個學(xué)習(xí)過程不僅是制作過程，而且包含了許多的科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)。在設(shè)計制作類的綜合實踐活動課堂中整合工程與科學(xué)，能夠讓學(xué)生體驗到更廣泛的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)技能，強(qiáng)化學(xué)生對科學(xué)概念的理解，提高應(yīng)用科學(xué)概念解決實際問題的能力。