基于工程的初中科學教學設計與實踐

摘 "要：通過借鑒工程實踐的設計模型，形成以工程實踐為核心、以問題解決為線索、以物化成果為形式的初中科學教學范式，并以“設計自動沖水裝置”項目為例，闡述了教學設計與實踐流程。整個課堂教學流程是一個循環系統，包含需求、設計、物化、迭代、深化５個環節。此外，對開展基于工程的科學教學提出了以“學為中心”的三點思考：教師是項目設計者和課堂組織者；教師在設計項目時應關注學生的經驗水平；教師在組織課堂時應關注學生的參與情況。

關鍵詞：工程實踐；工程思維；初中科學；課堂教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）3-0043-5科學學科具有很強的綜合性、實踐性和開放性。近年來，隨著ＳＴＥＭ課程和項目式學習等學習方式的興起，科學教育已成為與技術、工程、社會相互滲透的“科學＋”教育。在《義務教育科學課程標準（２０２２年版）》中，“工程設計與物化”被確定為科學課程內容的１３個學科核心概念之一［１］。

盡管工程思維培養的重要性已成為大部分教育工作者的共識，并且各類展示課上也時常閃現工程實踐的影子。然而，鑒于初中階段的應試壓力與課時緊張問題，工程思維的培養很難落地于常態課中，面臨著被表演化、邊緣化、活動化的現實。因此，尋找一條將工程實踐融入初中科學教學的實踐路徑，已然成為了一項重要的課題。

１基于工程的科學教學設計

工程實踐偏向于人造物的設計，而科學學習更注重于自然問題的探究，二者在核心流程上存在諸多區別。事實上，許多教師并不了解工程實踐，也不知道如何設計工程實踐項目。因此，若要做好工程實踐與科學教育的融合，教師就必須了解工程實踐的流程。

美國ＳＴＥＭ教育研究者Ａｎｎｅ Ｊｏｌｌｙ將工程實踐過程描述為８個環節（圖1）［２］。其中，定義問題是指從真實情境中抽象出需要解決的問題；背景研究是指收集解決問題需要的相關背景信息；想象是指進行頭腦風暴，從不同角度提出具有創造性的解決方案；計劃是指選出最優方案，并制訂具體的計劃或設計；創造是指根據方案制作實物原型；測試與評估是指測試原型，評估原型的效果；重新設計是指根據測試與評估的結果，對原型進行優化迭代；交流是指組內和組間交流遇到的問題、解決問題的方案和問題解決的效果。在解決問題的過程中，需要不斷重復整個過程或部分環節，直至迭代出最優的方案。

雖然經過眾多學者的理論研究和實踐檢驗，工程實踐的流程已經十分成熟。但在將其融合到科學教學的過程中，仍然遇到了脫離課標（缺少學科特質，忽視課標要求）、課時不足（項目耗時過長，問題過于復雜）、思維封閉（課堂由教師主導，設計引導過強）等問題。本研究結合科學學科特點和課標要求，融合工程實踐流程，形成了基于工程的科學教學范式（圖２）。該教學范式以工程實踐為核心，以問題解決為線索，以物化成果為形式。建構出了一個包含需求、設計、物化、迭代、深化５個環節的教學流程循環系統。

２基于工程的科學教學實踐

以“設計自動沖水裝置”為例，具體闡釋基于工程實踐的課堂教學流程。

２．１需求：創設情境，聚焦問題

工程的基礎是真實情境中的需求。在此環節，教師結合教學內容和學生學情，創設具體的生活情境，呈現需要解決的工程挑戰。工程挑戰中的“需求”往往是亟待解決的劣構問題，目的是激發學生的學習興趣，引導學生明確問題、條件和規則。該環節重在培養學生信息獲取、綜合分析和問題提煉能力。

【創設情境】 水上游樂園中有個大水桶，每隔幾分鐘，待其裝滿水后就會自動傾倒實現沖水。基于此，請你應用重心相關知識設計一個自動沖水裝置。

設計思路：準備一個可以轉動的容器來承接從水龍頭中細細流出的水，當容器中的水積聚到一定體積時，受重心位置變化的影響，容器失去平衡而翻倒，容器中的水被全部倒出，而倒完水的容器又能自動恢復到初始位置重新接水，如此循環往復。

在實際授課中，教師可以讓觀察過該裝置的學生結合視頻描述該裝置的工作場景。這樣操作既可以使情境更加真實有趣，還能讓學生更快地理解工程需求，更好地融入到課堂項目中。

２．２設計：搭建支架，設計方案

工程的關鍵是設計，而設計離不開對工程問題的深入了解和充足的知識儲備。在此環節，教師為學生的設計和探究活動提供必要的拓展資料和學習支架。拓展資料包括學科知識、演示實驗、調查數據等；學習支架包括導學案、記錄表等。在教師所搭建支架的幫助下，學生自主建構并進行頭腦風暴，形成多樣化的解決方案，并挑選出最優方案。該環節重在培養學生作出解釋、開發模型和設計方案的能力。

【搭建支架】教師引導學生學習重心的相關知識，如重心的概念、重心與物體穩定性的關系。教師可以結合生活情境引出科學知識和規律，如賽車底盤為什么設計得很低，風扇底座為什么做得很大、很重等。

隨后，教師播放“荷葉運輸雨水”的視頻，畫面中荷葉接一會兒水就倒掉，并恢復到初始位置繼續接水（圖３）。教師引導學生運用重心的知識解釋視頻中的現象：初始，荷葉中沒有積水，重心偏低，整體狀態較為穩定。隨著荷葉接住的水越來越多，水位持續上升，重心逐漸升高，整體狀態變得不穩定。與此同時，荷葉變重，導致莖彎曲傾倒，荷葉便順勢將水倒掉。最后，荷葉又回到了最初的直立狀態繼續接水，周而復始。

【設計方案】 在學生理解重心的相關知識后，教師引導學生回到工程項目中。各小組用紙杯代替大水桶，設計自動沖水裝置的創新方案，并繪制相關草圖。待學生討論交流后，根據設計需求和制作可行性，挑選了圖４所示的三種方案。Ａ方案用一根鐵絲穿過紙杯的中部作為轉軸，當紙杯裝滿水后便會自動翻轉將水倒出。Ｂ方案模擬了“荷葉運水”的情境，用紙杯的下半部分模擬荷葉，用彈簧模擬莖，當水裝滿紙杯時，彈簧因承受壓力而彎曲使得紙杯傾倒將水倒出。Ｃ方案用繩子連接紙杯杯口的兩側，將紙杯懸掛起來，當水裝滿時紙杯便會翻轉將水倒出。

２．３物化：制作原型，測試評估

工程的核心是物化，而檢驗和測試是物化環節的重要部分，通過測試評估可以發現產品的不足，進而改進工程設計，優化學生表現。在此環節，學生通過組內合作、討論，形成具體的方案，并通過實踐、制作等過程，打造出實物原型。然后，對作品或方案進行檢驗和測試，根據評價量規分析哪些方面符合需求，哪些地方需要優化。該環節重在培養學生權衡利弊、動手制作、測試評估的能力。

【制作原型】 教師提供所需的器材，如紙杯、鐵絲、繩子、彈簧等。學生選擇器材，并根據設計方案制作實物原型。

【測試評估】學生用水瓶向各實物原型的紙杯中勻速倒水，測試其性能是否符合要求。圖４中Ａ方案的裝置接水時會出現紙杯持續繞軸旋轉而無法儲水的情況，不能滿足間隔沖水的需求。圖４中Ｂ方案的裝置由于彈簧粗細難以適配，往往出現還沒裝夠水彈簧就已經彎曲導致杯子傾倒的情況，且杯子傾倒的方向也難以控制。圖４中Ｃ方案的裝置接水后十分穩定，直到接滿水也不會傾倒，無法滿足沖水的基本需求。

２．４迭代：優化設計，升級產品

工程物化的成果需要不斷迭代。在此環節，學生通過交流、討論，針對原型中不滿足需求的部分進行優化設計，并動手升級實物原型，讓產品盡善盡美。教師要有意識地給予學生主動交流、評價、研究的機會，激發和培養學生的開放性思維、批判性思維和創新性思維。

【優化設計】學生根據測試結果和間隔沖水的設計需求，開展組內和組間討論。大多數學生認為，圖４中Ａ方案的裝置效果更接近實際需求，因此選擇該裝置展開進一步優化。在改進過程中，不同小組也會提出不同的方案：有的認為轉軸太低，有的則認為轉軸太高，也有的認為轉軸在水平方向上應偏離紙杯中部。該環節是課堂的主要分化點，是鍛煉學生工程思維、動手能力、問題解決能力的關鍵環節，因此要給足學生探索和實踐的時間。

學生根據本組的迭代方案重新制作實物產品，并測試產品效果。然而，很多小組的產品依然不能滿足需求，歸納起來有以下幾種情況：杯子依舊持續旋轉裝不了水，杯子裝滿水時也不傾倒，杯子未裝水時已傾倒。經過長時間的探索，部分學生可能會因為找不到解決方案而感到些許挫敗，但總有部分學生的方案可以奏效。此時，教師就需要組織成功小組分享他們的方案和經驗，并引導其他學生比較、分析，尋找成功與失敗的規律。

一番觀察下來，不難發現成功小組所設計的轉軸在豎直方向上位于中間稍偏上的位置，在水平方向上位于中間稍偏后的位置（為了形成不對稱的結構，使得杯子能向前傾倒），該裝置三視圖如圖５所示。當轉軸太靠下時，就容易出現杯子未裝水就已傾倒的情況；當轉軸位于中間稍偏下位置時，就容易出現接水時杯子一直旋轉的情況；當轉軸太靠上時，就容易出現杯子裝滿水后也不傾倒的情況。

２．５深化：交流方案，反思升華

深化是學生對所學知識和技能的拓展和延伸。在此環節，學生展示成果，依據評價量規開展自評和互評。最后，學生根據評價結果反思設計過程，進一步優化方案，深化對問題的理解，并尋找新的挑戰。新的挑戰可以是對該問題更加深入的研究，可以是對產品不足的繼續優化，也可以從更廣闊的角度對產品進行反思和升華。該環節重在培養學生的高階思維、態度責任和跨學科視野。

【反思升華】 在本節課的最后，教師可以帶領學生從學科理論和傳統文化的角度，進一步深入學習和探究，尋找該項目背后蘊含的深層規律和文化內涵。

２．５．１理論深入，發展問題解決的高階思維

此前的交流只尋找到了成功的設計，卻沒有分析出成功的規律。古話說，知其然，更要知其所以然。雖然受限于學生的知識儲備，不能通過理論定量分析大桶周期性傾覆的原因，但是可以引導學生從定性的角度解釋其原因。教師可以引導學生思考紙杯從全空到裝滿水的過程中，整個裝置重心的變化過程。其中，可以著重分析全空、半滿、全滿時的重心位置。如圖６所示，轉軸位置為Ｏ，當紙杯全空時重心近似位于紙杯的中間，即Ａ位置。當加水到半滿時，由于底部水的質量大而紙杯很輕，重心明顯降低，近似位于Ｂ位置，紙杯變得更加穩定。當加水到全滿時，由于水位升高，重心也隨之升高，近似位于Ｃ位置，此時重心高于轉軸，紙杯傾覆。

對于學有余力且有興趣的學生，教師可以在課后為他們展示定量的推導過程。將紙杯近似看作圓柱形容器，令紙杯的質量為ｍ，紙杯底面積為Ｓ，紙杯高度為Ｌ，水的密度為ρ，水龍頭單位時間的水流質量為Ｑ。

因此，紙杯的重心高度為。在時間ｔ時，紙杯中水的質量為Ｑｔ，水位高度為，則杯內水的重心高度為。由于紙杯很輕，可以認為mlt;lt;Qt。

根據重心的計算公式，重心高度ｈ與時間ｔ的關系式為

代入對應的數據，在ＧｅｏＧｅｂｒａ中繪制出重心高度ｈ與時間t的函數關系圖像（圖７）。可以看出，重心高度確實隨著時間（即杯內水量）周期性變化。

２．５．２內涵升華，傳承博大精深的傳統文化

實際上，該裝置與中國古代的一種名為“欹器”的容器十分類似，欹器也具有“虛而欹，中而正，滿而覆”的特點，即空的時候傾斜，加一半水正立，加滿水后傾覆。令人惋惜的是，這種裝置已然失傳，我們如今只能看到文獻中的記載，如《荀子·宥坐》中提到，孔子觀于魯桓公之廟，有欹器焉，孔子問于守廟者曰：“此為何器”，守廟者曰：“此蓋為宥坐之器”，孔子曰：“吾聞宥坐之器者，虛則欹，中則正，滿則覆”，孔子顧謂弟子曰：“注水焉”，弟子挹水而注之，中而正，滿而覆，虛而欹，孔子喟然而嘆曰：“吁！惡有滿而不覆者哉”。

教師引導學生將欹器的這種特點與我國傳統文化里的“中庸”和“謙受益，滿招損”等處世哲學相聯系。遙想往昔，三皇五帝都把它作為警誡之器，孔子也曾用它來教育學生［３］。將中華優秀傳統文化融入課堂，既能樹立學生正確的價值觀，也能讓學生產生強烈的文化認同感和自豪感。

３基于工程的科學教學策略

基于工程實踐的科學教學以促進學生核心素養的發展為目標。這意味著教學不能只為了知識而學習，而應該以知識為基礎，在運用和創新中發展學生的關鍵能力。要實現這一目標，就必須摒棄以教為中心的傳統理念，轉而以學為中心，讓學生在解決實際的工程問題中“做中學、用中學、創中學”，創設工程教育落地的有效途徑［４］。

３．１教師是項目的設計者和課堂組織者

教師雖然是項目的設計者，但在進入課堂之后教師就不再是主角了，而是課堂里的ＮＰＣ（即非玩家角色，在游戲中為玩家提供信息和指引）。從積極心理學的角度來說，教師在課堂中應表現出對項目的興趣和熱情，從而調動學生探索和創新的欲望，創設良好的課堂氛圍。同時，教師應為學生提供適切的支持。適切指的是教師可以為學生提供必要的信息、工具來輔助學生設計或改正學生錯誤的操作，但不能直接告知學生所謂“正確”的設計（有時符合需求的方案并不唯一）。

３．２教師在設計項目時應關注學生的經驗水平

學生的生活經驗、認知水平、知識儲備、操作能力會直接決定他們在工程設計中的參與度、獲得感和學習成效。因此，在選定主題和設計挖掘深度時，要考慮到以下幾個方面：（1）問題情境應貼近學生的生活，選擇學生熟悉且感興趣的內容。比如，探尋吹風機多擋位控制原理就比探尋電動汽車多擋位控制原理更加合適。（2）內容挖掘應符合學生的最近發展區，不宜設計過于艱深晦澀的問題。（3）產品制作或方案實施應符合學生的動手能力，在課堂上的制作環節不能占據過多時間而喧賓奪主，應給學生的思考、討論、設計、優化環節留足時間。

３．３教師在組織課堂時應關注學生的參與情況

課堂中無論學生的設計方向是否正確，教師都應該及時給予鼓勵，尤其是對那些在設計過程遇到困難的學生，幫助他們積極投入到小組合作中。教師在關注每一位學生的參與情況時，應注意以下幾個方面：（1）獨立思考。在設計階段關注學生是否參與到了頭腦風暴中，提出有創意的解決方案。在優化階段關注學生是否能積極發現問題，提出優化意見。（2）動手操作。在物化階段關注學生能否認真、規范地動手實踐。（3）交流分享。在深化階段，關注學生能否在組內分享自己的觀點，能否在組間展示本組的成果或評價他組的成果。

４結 "語

本文以“設計自動沖水裝置”為例，探討了基于工程實踐的初中科學教學范式。該范式的核心是基于工程實踐的微項目，學生經歷需求、設計、物化、迭代、深化５個環節，逐步培養信息獲取和分析、問題提煉和解決、模型開發和運用、產品設計和物化等能力，以及開放性思維、批判性思維和創新性思維等高階思維。教師可參照范式進行課堂教學或實踐作業等教學探索，拓寬工程實踐與科學教學融合的路徑，找到讓學生工程實踐能力落地的教學策略。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．義務教育科學課程標準（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京師范大學出版社，２０２２．

［２］Jolly A．ＳＴＥＭ ｂｙ Ｄｅｓｉｇｎ：Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ａｎｄ Ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｆｏｒ Ｇｒａｄｅｓ ４－８［Ｍ］．New York：Routledge，2016．

［３］顧健，李剛．基于工程的跨學科實踐——來自ＳＴＥＭ的啟示［Ｊ］．物理教師，２０２２，４３（１０）：４６－４８，５３．

［４］朱紅，成子瑩．指向工程思維發展的初中科學實踐項目的設計與實施——以“設計與制作揚聲器”為例［Ｊ］．物理教師，２０２４，４５（５）：３１－３４，３８．

（欄目編輯鄧磊）

收稿日期：2024-10-30

基金項目：2024年浙江省規劃課題“‘開放性’實踐：初中科學課程綜合化育人學習新樣態研究”（2024SC106）。

作者簡介：盛將（1997-），男，中學一級教師，主要從事初中科學教學研究。

*通信作者：朱文平（1978-），男，中學高級教師，主要從事初中科學教學研究。