在綜合實踐活動課堂中整合工程與科學

于旭珩

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

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

一、以工程設計流程設計項目活動

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

“太陽能小車設計與制作”項目從節能環保線索入手，整合考查探究活動（太陽能汽車發展現狀調查及推廣）、信息技術活動（開源硬件、程序設計）、勞動技術活動（智能大腦、電子電路、創意設計與制作）等多個領域，并融合物理力學、電學等相關學科知識，嘗試將STEM教育中的科學、技術、工程、數學融入到設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？選擇什么樣外形結構？”在提出一系列實際問題之后，學生會明確太陽能小車需要實現哪些功能，需要準備哪些材料，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一步提高太陽能小車的供電能力？如何實現控制？通過在不同光照環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計方案。

在每個教學環節中，教師都會讓學生在明確結果相伴的情況下，將注意集中于方案的設計、內容的探究、問題解決和結果溝通。盡可能地讓學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，學生以小組形式開展，包括自我學習、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習目標以及小組希望自己達成的目標。學生在探究完成任務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“太陽能小車設計與制作”項目活動中，學生要盡可能利用廉價的材料設計太陽能小車，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，教師會提供給學生不同工作電流的直流電機、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。

在這一環節中，學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構任務的材料。如，一組學生需要利用卡紙、扁平的孔條、細軸、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地使用這些材料。這個環節的活動可以幫助學生識別技術中使用的材料，并了解其加工的簡單方法，這是工程設計中一個重要的方面。

這個階段課堂是相對比較開放的，教師要時刻關注各小組的進展情況，確保所有的學生都投入到這個學習任務中，并提醒他們在選擇材料時需要注意的一些問題，同時也可以為學生提供一些具有引導性思考的問題。例如：太陽能轉換的效率？小車速度與齒輪減速比的關系？常用的太陽能小車電機？摩擦力對小車行進的影響？如何確保電路中不出現短路問題？這些問題可以幫助學生進一步明確自己所選材料的性質和特點，還有各種部件之間的相互關系，理解在技術中恰當使用材料的重要性。在設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的途徑，實際原型的建模形成了設計思想與現實世界之間切實可行的聯系，將學生的學習與抽象的科學概念連接起來。

三、運用實驗活動開展探究

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

例如：在設計太陽能小車能源與驅動方式時，教師會提供給學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。有的學生選擇擴展太陽能板，有的學生選擇添加超級電容，還有的學生會選擇擴展一塊太陽能板，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是否正確，當學生確定了直接將超級電容或充電電池并聯電路中，不能提高太陽能小車的供電能力這一結論后。教師安排學生進行更大范圍的討論，在不斷的溝通交流中，發現電容或是充電電池需要進行充放電控制才能實現提高電路工作電流的作用。學生可以在教師的指導下運用開關模塊完成充放電電路的搭建，并驗證效果。在結束這一環節活動之前，教師還必須引導學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容。

理解科學實驗的本質對當今的教育是非常重要的，但在實際中學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、電學等知識，教師需要按“最近發展區”的要求，為學生建立起最基本的概念框架，并有意識設計一些可以反映科學本質的實驗活動，幫助學生從對實驗結果的感性認識上升到對科學知識的理性理解，并將理解的科學知識再應用到實際的工程項目中，真正做到教學走在發展前面。

四、利用循環模型尋找最佳設計方案

在基于真實問題解決的STEM項目中，教師可以利用一種循環模型幫助學生去解決一些復雜的問題。首先引導學生定義一個問題，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，學生發現通過手動控制太陽能小車的充放電過程，很難實現最佳的充電時間及行進距離，需要一種新的方式來精確控制充放電的時間。學生嘗試將智能模塊接入電路，通過測試后發現，不同的太陽能小車電機啟動的工作電流都不相同，需要通過編寫程序設定開關閾值才能有效地解決問題。

在第一次循環中，學生通過不斷地計算、修改、測試，確定出哪個閾值更適合于驅動太陽能小車電機工作，每一次測試都會讓驅動的數值更進一步地逼近最佳結果。這一過程就需要學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中，會引起很多學生學習觀念的轉變，激發出他們學習物理的興趣，但是這個循環并未在此終止。

為了找到最佳的問題解決方案，每組學生在結束第一次循環時要對自己提出這樣的疑問：“我們的解決方案是最佳嗎？是否還可以串聯兩個超級電容，再節省一些充電時間？這個方案又會帶來什么新的問題？原有的并聯電路如何調整？”學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？”經過多次反復之后，學生極可能會研發出具有獨創性的解決方案。

太陽能小車設計與制作活動以工程設計為基石，融合物理、電子、信息技術等學科知識，整個學習過程不僅是制作過程，而且包含了許多的科學技術素養。在設計制作類的綜合實踐活動課堂中整合工程與科學，能夠讓學生體驗到更廣泛的科學、技術、工程、數學技能，強化學生對科學概念的理解，提高應用科學概念解決實際問題的能力。

（責任編輯? 徐德明）