指向工程實踐的初中科學項目化學習設計實踐

摘 要：聚焦于初中科學項目化學習設計，強調將工程實踐融入學習過程中，旨在培養學生的科學思維、工程素養和實踐能力。闡述科學探究、工程實踐和項目式學習之間的內在聯系，提出構建“設計—探究—物化”型工程實踐項目式學習范式。通過實例分析，如天平的設計制作項目，展示如何圍繞核心概念和學科本質問題，開展工程實踐項目化學習，促進學生深入理解科學原理，提升解決實際問題的能力。探討工程實踐在初中科學項目化學習中的意義，并指出未來研究的方向。

關鍵詞：初中科學；科學探究；項目學習；工程設計

作者簡介：徐建忠（1981—），男，浙江省杭州市余杭區良渚第一中學。

《義務教育課程方案（2022年版）》強調，教學改革的深化應從堅持素養導向、強化學科實踐、推進綜合學習、落實因材施教四個層面著手。同時，《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確了學生核心素養的培養框架，涵蓋科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任四大維度。在新課標的指引下，如何進一步強化學生的探究實踐能力成為重要議題。新課標指出，“探究實踐”包括科學探究能力、技術與工程實踐能力以及自主學習能力。鑒于此，本文嘗試將工程實踐融入初中科學課堂的項目化學習中，構建以素養發展為導向、科學思維為基石、探究實踐為承載的學習設計模式，旨在為融合工程實踐的初中科學項目化學習提供一定的實踐經驗與參考。

一、工程實踐在科學探究和項目式學習中的意義

（一）工程實踐為科學探究提供更真實的學習情境

科學探究教學在近些年促進了教與學的變革，改變了以傳遞知識為中心的教學方式，實現了以學生為中心的，讓學生經歷發現、實現自主探究的教學［1］。但當前科學探究教學也存在一些問題，比如往往從知識視角提出問題，而非學生視角；科學探究情境過于簡單化、模型化，往往經過簡化或提煉，而非真實生產、生活、社會中的情境，學生較少接觸復雜的、結構不良的、綜合的真實問題。

新課標提出13個學科核心概念，涉及工程實踐的學科核心概念有“技術、工程與社會”“工程設計與物化”。技術與工程教育培養學生解決實際問題涉及的多種能力，包括創意能力，面向真實情境的創造能力，設計能力，知識的整合、應用及物化的能力，基于可靠性、性價比的方案權衡和優化能力，把有形創造物與無形的智慧進行轉化的能力。對于工程實踐，不同學者提出了不同的內涵。克里斯汀（Christine）［2］從工程的認知實踐出發，提出工程的16個內容維度；雅各布（Jacob）［3］借鑒科學本質的提法，認為工程包括工程中的設計、制約和目標，以及工程知識的形成等9個維度。

（二）工程實踐為項目式學習提供更有效的范式建構

項目式學習基于學科中的關鍵概念和能力。學生在一段時間內通過研究關于一個學科關鍵概念和能力的真實、有吸引力和復雜的問題、課題或挑戰，從而掌握重要的知識和技能，包含發現真實的驅動性問題、對問題展開探究、小組合作學習、解決問題、公布成果等環節。由此可知，工程實踐突出真實情境、工程本質、設計探究和物化產品，設計與物化是工程實踐的重要環節。以工程實踐學科核心概念為中心開展項目式學習，是契合工程實踐教學目標的有效路徑。科學探究是工程實踐項目化學習中的研究方式之一。因此，以“工程設計與物化”為學科核心概念，以項目化學習為學習載體，綜合科學探究的學習方式，建立有效的學習結構范式，可以為滲透核心素養、促進思維發展、強化學科實踐提供有效路徑。綜合而言，工程設計與科學探究密不可分，模型產品物化必然存在迭代再設計、再探究，進而優化的過程。工程實踐、科學探究和項目式學習相輔相成，工程實踐能提供：1.聚焦核心概念的驅動性問題；2.基于問題解決的方案設計；3.指向證據的項目實踐；4.導向工程的結論或產品。

二、基于工程實踐的“設計—探究—物化”型項目化學習范式構建

（一）構建“設計—探究—物化”型工程實踐項目式學習范式

基于上述分析，以項目化學習為載體，聚焦核心概念和學科本質問題，構建“設計—探究—物化”型工程實踐項目式學習范式，如圖1所示。

1.確定驅動性問題與約束條件

深度挖掘核心概念內涵，關聯學科本質問題，匹配適合工程實踐的教學內容，逐漸形成適合開展工程實踐的驅動性問題與約束條件。

2.拆解驅動性問題，形成實施任務

聚焦驅動性問題與約束條件，以“項目→任務→問題”為主線，進行系統設計，拆解工程項目。

3.工程項目實踐

針對拆解的項目任務，引導學生按照任務進行項目實踐，根據不同的任務，可以全部或部分開展流程為“形成方案→實施方案→模型物化→迭代更新”的實踐活動，實現“設計—探究—物化”的循環學習。

4.產品物化與成果發布

形成物化產品，進行成果發布，通過班級不同組別間的互評互學，進一步優化產品。

（二）以天平為例，開展指向工程實踐的初中科學項目式學習設計與實踐

天平是初中科學實驗教學中重要的儀器，但是在關于天平的科學教學中，存在以下問題：第一，教材包含質量概念、天平結構、天平使用和實驗操作等內容，課時（教參建議兩課時）限制了對教學內容的深度挖掘；第二，教師的教學重點往往在于講授天平的結構和使用方法，沒有深究為什么天平這樣設計，不能促進學生深度學習。學生停留在機械的被動學習中，大部分時間用于聽教師講解或看視頻，沒有親身體驗，也沒有深度思考。因此，構建“設計制作天平”項目化學習，讓學生在設計天平的過程中主動探究天平測量的原理，體會工程產品設計的理念，形成解決問題的思維，實現實踐能力的發展。

1.聚焦核心概念，確定驅動性問題

“設計制作天平”項目化學習必須轉機械學習為主動建構，將天平的結構及其使用方法有機結合，讓學生經歷天平的設計、制作、測試、使用和修正的過程，真正理解天平測量的原理。分析新課標，融合工程實踐的“設計制作天平”項目化學習涉及以下內容。

核心概念：物質的結構與性質、能量的轉化與守恒、工程的設計和物化。

學習目標：1.以天平的設計和制作為主線，學習天平的結構及其使用方法，指向結構與性質的科學觀念培養；2.通過對游碼的定標設計，提升學生推理論證、創新能力的科學思維；3.通過天平的設計、制作、使用和更新的過程，培養學生的技術和工程思維，提升學生的工程實踐能力，從而鍛煉學生的實際探究能力。

驅動性問題：如何設計并制作一臺可以稱量4 g食鹽的天平？

2.剖析約束條件，拆解項目任務

基于驅動性問題得出約束條件：稱量4 g食鹽。

項目構建過程要借鑒工程教育理念，實現從測試、構思到運作的螺旋式漸進過程。在任務拆解和問題設計時，有兩種序列：一是真實問題解決序列，教師提供必要的知識支架：二是學科概念學習序列。項目構建應按照真實問題解決序列開展，促進學生真實地解決問題。因此，上述“設計制作天平”項目可以拆解為三個任務：設計制作簡易天平、迭代改進天平設計、制作天平使用說明書。依據工程思維，項目過程應涵蓋檢驗作品、改進完善和發布成果等環節。

3.小組合作探究，設計解決方案

在小組合作探究中，問題解決貫穿全程，以問題挑戰學生思維，引導學生思考，使學生不斷探求解決方案，從而掌握儀器的本質原理［4］。學生開展工程項目化方案設計，有別于實際生產、生活中的項目化任務，教師需要通過多種方式，提供多樣的教學支架，推動學生項目進行。

任務一：設計制作簡易天平

（1）真實情境，激發類比遷移。在明確驅動性問題“如何設計并制作一臺可以稱量4 g食鹽的天平”后，教師給學生提供解決問題的學習支架。學生已經初步具備關于質量、測量、天平的知識，教師通過提供真實的情境，可以引發學生思考，使其經歷直覺經驗、感覺記憶，整合工作記憶、長時記憶，構建新知。采用“情境支架”，如學生生活中接觸過的蹺蹺板就是一種特殊的天平；小學時，學生接觸過“辨別殘次品”的題目。可通過這兩個情境，喚醒學生認知，激活學生對平衡的直覺模型，構建天平的簡易結構和天平平衡時的姿態。

（2）架構天平，引發原理探究。任務拆解和問題設計時，應沿著真實問題解決序列，促進學生真實地解決問題。在學生初步設計天平模型時，應讓學生試著物化產品，在物化過程中發現設計的不足并加以改進。提出真實問題，如如何判斷天平已處于水平平衡？如何調節天平以適應更廣泛的測量環境？實驗室的天平為什么有2個20 g的砝碼？讓學生在“判斷平衡的設計—完善平衡調節的設計—對比反思”環節中實際體驗并解決這些問題。

4.物化模型產品，測試迭代優化

設計過程是迭代的、反思性的，學生在實踐中要根據測試反饋，不斷迭代改進設計，培養工程思維。

任務二：迭代改進天平設計

（1）指針優化。在指針的迭代優化設計中，學生從現有的工業產品“水平泡精度儀”轉向“指針式調節結構”，放棄現有成熟的產品，改用更為簡易的指針。這樣的選擇取決于項目設計的實際需求，能培養學生的創新意識、決策能力。

（2）平衡螺母優化。平衡螺母是天平調節的關鍵結構，在項目設計中，學生經歷了“直接在橫梁上放置螺母—在兩端安裝簡易螺母—改進為可調節的螺母”的迭代改進過程。學生在迭代改進過程中，聚焦問題解決，尋找最優方案，與他人碰撞思維，不斷優化工程設計。

（3）游碼優化。5 g的游碼設計，凸顯了設計的巧妙，充分滲透杠桿平衡的原理，通過實際校準1 g質量的游碼位置，學生逐漸形成杠桿平衡的概念，為往后學習杠桿平衡原理奠定經驗基礎。

5.設計使用說明，學會使用天平

任務三：制作天平使用說明書

總結歸納，設計天平的使用說明書。天平的使用分為兩種稱量方式，學生通過天平產品的設計制作，特別是游碼的設計，明白了天平中蘊含的杠桿平衡原理。在設計天平的使用說明書時，學生能自然地能歸納出兩類使用方法。

6.評價工程項目，深化實踐認知

學科項目化學習強調對實際問題的解決、決策和探究，因此，在評價時需關注學生的決策過程是否基于證據、學習過程是否規范、問題解決思路是否清晰，最終作品的呈現也需要有相應的評價依據，這樣才能真正呼應驅動性問題。不同類別項目評價時著重的要點不同，本節課的項目主要從產品設計、產品展示兩個方向進行項目學習評價，量表設計基于證據、梯度呈現，力求從不同維度開展過程性與總結性相結合的評價方式。

三、總結

綜上所述，指向工程實踐的初中科學項目式學習融合工程核心概念和學科核心概念，突出工程實踐，使得跨學科整合變成可能。“設計—探究—物化”型工程實踐項目式學習范式，以“設計—探究—物化”為主線，融合科學探究、工程設計和物化產品，有助于培養學生科學思維、工程思維、實踐能力和探究能力，促進學生核心素養發展。

［參考文獻］

[1]羅瑩，蔡天嬌.從科學探究到跨學科實踐：初中物理教學的新變革：基于新舊課標的比較分析［J］.物理教師，2023，44（2）：38-43.

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[3]Pleasants J， Olson J K. What is Engineering？ Elaborating the Nature of Engineering for K-12 Education［J］.Science Education，2019（1）：145-166.

[4]林雪敏.將項目化學習融入物理學科教學的設計路徑［J］.物理教師，2022，43（3）：16-18.