科學與工程整合視角下的項目式學習

一、背景

在STEAM教育視野下，將工程實踐融入現有的科學課程中，目前已成為很多國家的科學教育政策主導和研究熱點^[1]。在基礎科學教學中整合科學探究和工程設計，能讓學生從小有機會嘗試打通“是何”“為何”與“如何”問題的思考，不單關注作為產物的科學知識或技術，更看重人類基于理性認識和改造世界的過程與方法^[2]。物理作為一門基礎科學課程，其內容與工程實踐存在著天然的關聯，但目前傳統教學多重視科學原理與規律的探究及其在生活現象中的解釋，而對于其在工程實踐中的應用則關注不夠，導致學生能解決“是何”“為何”類問題，而面對“如何”類問題其表現往往不盡如人意。筆者以STEAM項目式學習“‘天問一號’火星降落傘工程設計”為例，探討在科學與工程整合視角下以物理課程為載體的STEAM項目式學習實踐探索。

二、BSCS 5E模式下科學與工程的整合路徑

科學與工程在物理課程中的整合并非簡單以情境任務驅動物理學習，而是將工程設計思維與科學思維有機結合，建構兩種思維的互反饋機制，形成開放式的“探究→解決問題→優化問題→再探究”的良性循環，促使學生在非線性的、邊界模糊的學習過程中逐漸趨向學習目標。教師可采用科學課程中廣泛使用的教學模式BSCS 5E模型，該模式包括引入（engagement）、探索（exploration）、解釋（explanation）、遷移（extension）、評估（evaluation）五個階段，與工程設計過程有較高的契合度，是形成工程思維-科學思維互反饋循環的有效模式，對于工程設計與科學課程的融合具有較大的借鑒意義。

筆者以教學“‘天問一號’火星降落傘工程設計”為例說明。此項目是基于“簡單運動”單元拓展而來，其基于5E模式的教學流程如圖1所示。各環節的科學問題與工程問題相互迭代，學生所經歷的思考過程并非單線過程。例如，在工程問題“火星降落傘的設計應考慮哪些重要性能”的驅動下，學生將進行工程需求分析，并提出科學問題“降落傘的控速性能、穩定性與哪些因素有關”;在“探索”與“解釋”環節，學生解決的科學問題是“遷移”與“評估”環節中工程問題的重要依據，同時學生在工程實踐中也要不斷審視前面的科學問題，甚至會觸發新的科學問題并回到前一個環節進行科學求證;最終的“評估”環節將是工程與科學問題反復循環迭代的過程。總之，學生在工程與科學問題的迭代過程中逐層經歷“關聯整合、遷移應用、建構新知、實踐新知、檢驗新知”的深度學習，培養“不僅要學會學習，更要會用知識解決問題”的終身學習意識。

（一）引入——分析工程需求，明確評價標準

引入環節，教師不僅要創設真實情境，引發學生對問題的關注，激發探究興趣，而且要引導學生通過視頻資源、媒體資源、科普文獻等多種信息渠道，對已有信息進行關聯整合并提煉出待解決的實際問題。最終，師生共同明確預期成果。

1. 項目背景

“天問一號”是我國研制的第一套火星探測器，目前已成功升空并完成兩次軌道修正及深空機動，預計2021年登陸火星。筆者播放視頻，介紹“天問一號”探測器研制背景及飛行現狀，激發學生的民族自豪感和使命感，并講述接下來面臨的挑戰：“天問一號”將一次性完成火星環繞、著陸和巡視探測“三步走”任務，其中著陸技術是火星探測的關鍵技術之一，著陸過程中的關鍵環節就是降落傘降速。火星降落傘的性能是影響著陸效果的重要因素。在此背景之下提出核心任務：為“天問一號”設計一款火星降落傘，讓其安全順利地著陸。

2. 工程需求

學生閱讀相關的科普文獻，了解火星地理環境及登陸技術的發展現狀，結合實際問題分析可能風險及限制因素，經過頭腦風暴后得出降落傘性能的兩個關鍵要素，即控速性能與穩定性能，為后續科學探究與工程設計明確方向。

3. 預期結果與評價標準

師生針對工程需求，共同明確任務的預期結果，并簽訂工程協議書。讓學生扮演工程師，接受挑戰性任務有助于激發他們的學習動機。以本項目為例，由于火星上大氣密度要比地球上小兩個數量級左右，地球上的模擬測試將增大難度系數，采用灌有水的氣球來模擬火星探測器。評價量規可依據工程需求劃分4個評價維度并細化：（1）水球質量不低于200克;（2）下落高度不低于10米;（3）水球無破損;（4）落到指定區域。教師事先向學生展示質量為200克的水球由2米高處自由下落，水球輕易爆裂，讓學生體會到任務的挑戰性，激發學習熱情。

（二）探索——科學探究，為工程設計探路

1.舊知新解，遷移應用

探索環節是學生關聯舊知、遷移應用的關鍵環節，教師應注重探究活動與物理單元知識學習的關聯與進階，讓學生利用已有學習經驗，實現陌生情境中的遷移應用。以本項目為例，學生要科學地進行工程設計，需要通過實驗探究得出相應的理論依據，而實驗探究應采用何種測量方案，是學生需要解決的第一個問題。學生在小學科學課程中已探究過降落傘下降快慢的影響因素，但對實驗原理并未做過深入探討。在八年級物理“物體簡單運動”單元的基礎上，教師可引導學生利用已學知識以批判性的眼光對實驗探究方案再審視。

【教學片段】

教師：在小學科學教學中，我們通過比較物體全程下落的時間來比較下降快慢，由此評估降落傘性能。此測量方案一定可靠嗎？為什么？

學生：不一定可靠。這個方案比較的是探測器全程運動中的平均速度，萬一物體在后面的階段又加速了，平均速度就不可靠了。

教師：沒錯！那么在降落傘整個下落過程中，應比較哪一階段的速度才合理？

學生：應該比較它落地之前那一段的速度。

學生以小組為單位進行實驗方案的設計，將物體下落全路程分為4段，測量最后一段的平均速度。學生在活動中經歷如下三個階段。

（1）平行遷移，深化理解。學生觀看視頻重溫物理單元學習中測量小車在斜面上運動中的前半段、后半段速度的實驗，嘗試將已學實驗方案在本任務中遷移應用。這一過程促進了學生對所學實驗原理的深度理解。

（2）發現問題，批判質疑。學生通過實際測量和系統模擬均發現實驗誤差很大，已有實驗方案不能滿足需求。這讓學生深刻意識到，教材中的實驗方法也不是萬能的，需結合實際遷移應用。這有利于培養學生質疑與創新的精神。

（3）方案升級，遷移創新。師生經討論交流后，決定利用智能手機的慢鏡頭功能對實驗方案加以改良：以電子屏幕上的坐標軸和計時器為背景，將物體自由釋放，利用手機慢鏡頭功能每隔0.1秒記錄物體下落過程中所處坐標位置及計時器顯示的時間，最終將數據輸入Excel表格計算每0.1秒的平均速度并繪制圖像（如圖2）。基于現有信息技術，學生不僅大大提高了測量精度，而且能直觀地觀察到降落傘對物體全程下落運動的影響，為后續的工程設計奠定理論基礎。

同理，對于降落傘穩定性測試的方案也可利用物理知識進行改進，采用風洞裝置測試穩定性，有助于學生深化對“運動相對性原理”的理解。

2. 開放式自主探究

學生基于測量方案對降落傘控速性能、穩定性的影響因素進行深入探究。工程問題比較復雜，需處理的變量很多，實驗方案與結論沒有唯一的標準，具有較強的開放性。教師可鼓勵學生組建小組，以協作學習的方式共同面對挑戰。小組成員共同觀測模型試降并通過平臺充分交流各自的文獻閱讀信息后，再進行猜想與提問，從眾多變量中提取有價值的研究變量，最終聚焦一個研究問題。例如，有的小組探究傘體結構對穩定性的影響，有的小組探究傘繩長度對控速性能的影響，有的探究傘面形狀對控速性能的影響，各小組研究方向不盡相同。教師的主要任務一是指導學生選題，二是線上線下跟進學生的探究過程并即時反饋，為學生建立過程性評估證據集，引導學生在方向明確、邊界模糊的探究過程中發現規律。

（三）解釋——建構模型，為工程設計指路

學習應有“放”有“收”。完成開放式的科學探究活動后，教師隨即組織學生在線交流分享實驗方案、數據及結論，基于已有經驗建構新知。各小組學生關注維度不同，有助于學生獲取更全面的信息。教師鼓勵學生發現其他組的亮點與自身的不足，對各組實驗方案及結論進行客觀評價，引導學生從多個角度進行關聯整合，建構完整的理論模型，為工程設計與優化提供理論支持。

（四）遷移——工程設計，為科學探究賦能

遷移是學生遷移與實踐新知的環節。基于理論模型，學生在解決問題過程中會發現很多因素是相互制約的。例如，傘頂設計孔洞會增強穩定性，但同時會降低其控速性能;再如，傘繩的長度越長，穩定性越好，但是傘體張開所需時間就會變長，影響最終效果。如何實現火星降落傘的整體效果最佳化？這就需要學生依據前期的實驗數據、結論反復權衡、預測、研討、決策，再進行藍圖的定量設計。學生從中逐漸體會科學探究在工程實踐中的重要指導意義。學生的組內研討過程將充分展現學生對理論模型的理解程度及處理復雜問題的能力。教師需要全程觀察、跟進評估反饋，并要求學生在制作成品前進行方案論證，闡述方案設計的理念及科學依據。

（五） 評估——測試優化，工程與科學互反饋

工程測試是檢驗新知的評估環節。學生依次用200克、400克水球模擬火星探測器進行落體實驗，測試地點選為教學樓4樓。用下落通道兩側的墻體模擬火星的高山地勢，若降落傘落速過快或穩定性不佳，則容易由于高速墜地或橫向撞擊“山體”導致水球破裂。測試失敗的小組回看視頻，回顧理論模型并分析失敗原因，調整設計方案并重復測試，直至測試成功。

需注意的是，學生在制作與測試過程中可能會偏離原有的科學思維，陷入技術性操作即反復試錯的慣性循環。教師需向學生強調，工程測試與優化是工程設計中需反復經歷的迭代過程，而非不經思考的“返工重制”，要不斷引導學生思考“工程測試中待解決的新問題是什么”“應如何對方案進行改進”“改進的依據是什么”“參數改變的預期結果是什么”等問題，從而在迭代優化的過程中不斷強化科學思維與工程思維的互反饋，讓他們學會思考并解決問題。

三、總結

以物理課程為載體融入工程設計，是STEAM教育高質量落地的一種可行路徑。此法教學優勢明顯：其真實性推動有意義的知識建構，其開放性創生邊界模糊的學習任務，其復雜性創設關聯整合、遷移創新的進階情境，逐步引導學生由淺層符號學習走向基于真實問題的深度學習。立足于學生學科素養發展，筆者認為工程設計與科學課程的整合有以下幾個特點。

（一）跨學科

STEAM學習是自然生成的過程，學生在工程問題的驅動下中能夠跨越學科邊界，將不同領域的知識技能融會貫通。例如，本案教學就高度融合了STEAM理念（見表1）。

（二）問題真實

教師設計工程任務要與真實世界密切聯系，為學生提供在真實問題中實踐理論知識的機會，促進學生對知識的深入理解與有效遷移。

（三）探究有深度

學習任務的設計不僅要真實，而且要注重深度。科學探究應與已有知識發生關聯。教師進行適當的進階設計，可促使學生在陌生情境中基于已有經驗進行關聯整合、建構新知，培養他們批判質疑與遷移創新的能力。

（四）課程縱向貫通

工程設計的融入應立足于整個課程體系，讓工程真正地融入科學課程，幫助學生達成長期持久的深度學習。例如，本案例并非孤立的項目，它既是運動單元學習的綜合延伸，又用于引導學生在實踐探索中初步建立相互作用與運動的物理觀念，為后面的力學模塊學習作鋪墊。本項目與前后單元學習均指向同一個大概念，即“運動與相互作用”，用于引導學生圍繞大概念不斷地進行螺旋上升式的建構。

注：本文系北京市教育科學“十三五”規劃2018年度一般課題 “STEM教育視野下初中物理教學與工程設計的融合模式實踐研究”（項目編號：CDDB18224）的研究成果。

參考文獻

[1] 張寶輝.全球化背景下的科學教育發展與變革——2012國際科學教育研討會綜述[J].全球教育展望，2013（4）：120-128.

[2] 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，2014，35（9）：61-68.

（作者系北京市十一學校龍樾實驗中學高級教師）

責任編輯：祝元志