基于工程的初中科學(xué)教學(xué)設(shè)計與實踐

摘 "要：通過借鑒工程實踐的設(shè)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(xué)教學(xué)范式，并以“設(shè)計自動沖水裝置”項目為例，闡述了教學(xué)設(shè)計與實踐流程。整個課堂教學(xué)流程是一個循環(huán)系統(tǒng)，包含需求、設(shè)計、物化、迭代、深化５個環(huán)節(jié)。此外，對開展基于工程的科學(xué)教學(xué)提出了以“學(xué)為中心”的三點思考：教師是項目設(shè)計者和課堂組織者；教師在設(shè)計項目時應(yīng)關(guān)注學(xué)生的經(jīng)驗水平；教師在組織課堂時應(yīng)關(guān)注學(xué)生的參與情況。

關(guān)鍵詞：工程實踐；工程思維；初中科學(xué)；課堂教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）3-0043-5科學(xué)學(xué)科具有很強(qiáng)的綜合性、實踐性和開放性。近年來，隨著ＳＴＥＭ課程和項目式學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式的興起，科學(xué)教育已成為與技術(shù)、工程、社會相互滲透的“科學(xué)＋”教育。在《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）》中，“工程設(shè)計與物化”被確定為科學(xué)課程內(nèi)容的１３個學(xué)科核心概念之一［１］。

盡管工程思維培養(yǎng)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(xiàn)工程實踐的影子。然而，鑒于初中階段的應(yīng)試壓力與課時緊張問題，工程思維的培養(yǎng)很難落地于常態(tài)課中，面臨著被表演化、邊緣化、活動化的現(xiàn)實。因此，尋找一條將工程實踐融入初中科學(xué)教學(xué)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(xué)教學(xué)設(shè)計

工程實踐偏向于人造物的設(shè)計，而科學(xué)學(xué)習(xí)更注重于自然問題的探究，二者在核心流程上存在諸多區(qū)別。事實上，許多教師并不了解工程實踐，也不知道如何設(shè)計工程實踐項目。因此，若要做好工程實踐與科學(xué)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(huán)節(jié)（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(guān)背景信息；想象是指進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，從不同角度提出具有創(chuàng)造性的解決方案；計劃是指選出最優(yōu)方案，并制訂具體的計劃或設(shè)計；創(chuàng)造是指根據(jù)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(shè)計是指根據(jù)測試與評估的結(jié)果，對原型進(jìn)行優(yōu)化迭代；交流是指組內(nèi)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(fù)整個過程或部分環(huán)節(jié)，直至迭代出最優(yōu)的方案。

雖然經(jīng)過眾多學(xué)者的理論研究和實踐檢驗，工程實踐的流程已經(jīng)十分成熟。但在將其融合到科學(xué)教學(xué)的過程中，仍然遇到了脫離課標(biāo)（缺少學(xué)科特質(zhì)，忽視課標(biāo)要求）、課時不足（項目耗時過長，問題過于復(fù)雜）、思維封閉（課堂由教師主導(dǎo)，設(shè)計引導(dǎo)過強(qiáng)）等問題。本研究結(jié)合科學(xué)學(xué)科特點和課標(biāo)要求，融合工程實踐流程，形成了基于工程的科學(xué)教學(xué)范式（圖２）。該教學(xué)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(gòu)出了一個包含需求、設(shè)計、物化、迭代、深化５個環(huán)節(jié)的教學(xué)流程循環(huán)系統(tǒng)。

２基于工程的科學(xué)教學(xué)實踐

以“設(shè)計自動沖水裝置”為例，具體闡釋基于工程實踐的課堂教學(xué)流程。

２．１需求：創(chuàng)設(shè)情境，聚焦問題

工程的基礎(chǔ)是真實情境中的需求。在此環(huán)節(jié)，教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生學(xué)情，創(chuàng)設(shè)具體的生活情境，呈現(xiàn)需要解決的工程挑戰(zhàn)。工程挑戰(zhàn)中的“需求”往往是亟待解決的劣構(gòu)問題，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生明確問題、條件和規(guī)則。該環(huán)節(jié)重在培養(yǎng)學(xué)生信息獲取、綜合分析和問題提煉能力。

【創(chuàng)設(shè)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(xiàn)沖水。基于此，請你應(yīng)用重心相關(guān)知識設(shè)計一個自動沖水裝置。

設(shè)計思路：準(zhǔn)備一個可以轉(zhuǎn)動的容器來承接從水龍頭中細(xì)細(xì)流出的水，當(dāng)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(fù)到初始位置重新接水，如此循環(huán)往復(fù)。

在實際授課中，教師可以讓觀察過該裝置的學(xué)生結(jié)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(xué)生更快地理解工程需求，更好地融入到課堂項目中。

２．２設(shè)計：搭建支架，設(shè)計方案

工程的關(guān)鍵是設(shè)計，而設(shè)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(huán)節(jié)，教師為學(xué)生的設(shè)計和探究活動提供必要的拓展資料和學(xué)習(xí)支架。拓展資料包括學(xué)科知識、演示實驗、調(diào)查數(shù)據(jù)等；學(xué)習(xí)支架包括導(dǎo)學(xué)案、記錄表等。在教師所搭建支架的幫助下，學(xué)生自主建構(gòu)并進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，形成多樣化的解決方案，并挑選出最優(yōu)方案。該環(huán)節(jié)重在培養(yǎng)學(xué)生作出解釋、開發(fā)模型和設(shè)計方案的能力。

【搭建支架】教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)重心的相關(guān)知識，如重心的概念、重心與物體穩(wěn)定性的關(guān)系。教師可以結(jié)合生活情境引出科學(xué)知識和規(guī)律，如賽車底盤為什么設(shè)計得很低，風(fēng)扇底座為什么做得很大、很重等。

隨后，教師播放“荷葉運(yùn)輸雨水”的視頻，畫面中荷葉接一會兒水就倒掉，并恢復(fù)到初始位置繼續(xù)接水（圖３）。教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用重心的知識解釋視頻中的現(xiàn)象：初始，荷葉中沒有積水，重心偏低，整體狀態(tài)較為穩(wěn)定。隨著荷葉接住的水越來越多，水位持續(xù)上升，重心逐漸升高，整體狀態(tài)變得不穩(wěn)定。與此同時，荷葉變重，導(dǎo)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(tài)繼續(xù)接水，周而復(fù)始。

【設(shè)計方案】 在學(xué)生理解重心的相關(guān)知識后，教師引導(dǎo)學(xué)生回到工程項目中。各小組用紙杯代替大水桶，設(shè)計自動沖水裝置的創(chuàng)新方案，并繪制相關(guān)草圖。待學(xué)生討論交流后，根據(jù)設(shè)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(zhuǎn)軸，當(dāng)紙杯裝滿水后便會自動翻轉(zhuǎn)將水倒出。Ｂ方案模擬了“荷葉運(yùn)水”的情境，用紙杯的下半部分模擬荷葉，用彈簧模擬莖，當(dāng)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(cè)，將紙杯懸掛起來，當(dāng)水裝滿時紙杯便會翻轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)的重要部分，通過測試評估可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的不足，進(jìn)而改進(jìn)工程設(shè)計，優(yōu)化學(xué)生表現(xiàn)。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生通過組內(nèi)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(jìn)行檢驗和測試，根據(jù)評價量規(guī)分析哪些方面符合需求，哪些地方需要優(yōu)化。該環(huán)節(jié)重在培養(yǎng)學(xué)生權(quán)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(xué)生選擇器材，并根據(jù)設(shè)計方案制作實物原型。

【測試評估】學(xué)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(xiàn)紙杯持續(xù)繞軸旋轉(zhuǎn)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(xì)難以適配，往往出現(xiàn)還沒裝夠水彈簧就已經(jīng)彎曲導(dǎo)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(wěn)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(yōu)化設(shè)計，升級產(chǎn)品

工程物化的成果需要不斷迭代。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生通過交流、討論，針對原型中不滿足需求的部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并動手升級實物原型，讓產(chǎn)品盡善盡美。教師要有意識地給予學(xué)生主動交流、評價、研究的機(jī)會，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的開放性思維、批判性思維和創(chuàng)新性思維。

【優(yōu)化設(shè)計】學(xué)生根據(jù)測試結(jié)果和間隔沖水的設(shè)計需求，開展組內(nèi)和組間討論。大多數(shù)學(xué)生認(rèn)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(jìn)一步優(yōu)化。在改進(jìn)過程中，不同小組也會提出不同的方案：有的認(rèn)為轉(zhuǎn)軸太低，有的則認(rèn)為轉(zhuǎn)軸太高，也有的認(rèn)為轉(zhuǎn)軸在水平方向上應(yīng)偏離紙杯中部。該環(huán)節(jié)是課堂的主要分化點，是鍛煉學(xué)生工程思維、動手能力、問題解決能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此要給足學(xué)生探索和實踐的時間。

學(xué)生根據(jù)本組的迭代方案重新制作實物產(chǎn)品，并測試產(chǎn)品效果。然而，很多小組的產(chǎn)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(xù)旋轉(zhuǎn)裝不了水，杯子裝滿水時也不傾倒，杯子未裝水時已傾倒。經(jīng)過長時間的探索，部分學(xué)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(xué)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(jīng)驗，并引導(dǎo)其他學(xué)生比較、分析，尋找成功與失敗的規(guī)律。

一番觀察下來，不難發(fā)現(xiàn)成功小組所設(shè)計的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，使得杯子能向前傾倒），該裝置三視圖如圖５所示。當(dāng)轉(zhuǎn)軸太靠下時，就容易出現(xiàn)杯子未裝水就已傾倒的情況；當(dāng)轉(zhuǎn)軸位于中間稍偏下位置時，就容易出現(xiàn)接水時杯子一直旋轉(zhuǎn)的情況；當(dāng)轉(zhuǎn)軸太靠上時，就容易出現(xiàn)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(xué)生對所學(xué)知識和技能的拓展和延伸。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生展示成果，依據(jù)評價量規(guī)開展自評和互評。最后，學(xué)生根據(jù)評價結(jié)果反思設(shè)計過程，進(jìn)一步優(yōu)化方案，深化對問題的理解，并尋找新的挑戰(zhàn)。新的挑戰(zhàn)可以是對該問題更加深入的研究，可以是對產(chǎn)品不足的繼續(xù)優(yōu)化，也可以從更廣闊的角度對產(chǎn)品進(jìn)行反思和升華。該環(huán)節(jié)重在培養(yǎng)學(xué)生的高階思維、態(tài)度責(zé)任和跨學(xué)科視野。

【反思升華】 在本節(jié)課的最后，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生從學(xué)科理論和傳統(tǒng)文化的角度，進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和探究，尋找該項目背后蘊(yùn)含的深層規(guī)律和文化內(nèi)涵。

２．５．１理論深入，發(fā)展問題解決的高階思維

此前的交流只尋找到了成功的設(shè)計，卻沒有分析出成功的規(guī)律。古話說，知其然，更要知其所以然。雖然受限于學(xué)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(dǎo)學(xué)生從定性的角度解釋其原因。教師可以引導(dǎo)學(xué)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(zhuǎn)軸位置為Ｏ，當(dāng)紙杯全空時重心近似位于紙杯的中間，即Ａ位置。當(dāng)加水到半滿時，由于底部水的質(zhì)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(wěn)定。當(dāng)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(zhuǎn)軸，紙杯傾覆。

對于學(xué)有余力且有興趣的學(xué)生，教師可以在課后為他們展示定量的推導(dǎo)過程。將紙杯近似看作圓柱形容器，令紙杯的質(zhì)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(zhì)量為Ｑ。

因此，紙杯的重心高度為。在時間ｔ時，紙杯中水的質(zhì)量為Ｑｔ，水位高度為，則杯內(nèi)水的重心高度為。由于紙杯很輕，可以認(rèn)為mlt;lt;Qt。

根據(jù)重心的計算公式，重心高度ｈ與時間ｔ的關(guān)系式為

代入對應(yīng)的數(shù)據(jù)，在ＧｅｏＧｅｂｒａ中繪制出重心高度ｈ與時間t的函數(shù)關(guān)系圖像（圖７）。可以看出，重心高度確實隨著時間（即杯內(nèi)水量）周期性變化。

２．５．２內(nèi)涵升華，傳承博大精深的傳統(tǒng)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?nèi)缃裰荒芸吹轿墨I(xiàn)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(dǎo)學(xué)生將欹器的這種特點與我國傳統(tǒng)文化里的“中庸”和“謙受益，滿招損”等處世哲學(xué)相聯(lián)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(xué)生［３］。將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化融入課堂，既能樹立學(xué)生正確的價值觀，也能讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的文化認(rèn)同感和自豪感。

３基于工程的科學(xué)教學(xué)策略

基于工程實踐的科學(xué)教學(xué)以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展為目標(biāo)。這意味著教學(xué)不能只為了知識而學(xué)習(xí)，而應(yīng)該以知識為基礎(chǔ)，在運(yùn)用和創(chuàng)新中發(fā)展學(xué)生的關(guān)鍵能力。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須摒棄以教為中心的傳統(tǒng)理念，轉(zhuǎn)而以學(xué)為中心，讓學(xué)生在解決實際的工程問題中“做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)”，創(chuàng)設(shè)工程教育落地的有效途徑［４］。

３．１教師是項目的設(shè)計者和課堂組織者

教師雖然是項目的設(shè)計者，但在進(jìn)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(xué)的角度來說，教師在課堂中應(yīng)表現(xiàn)出對項目的興趣和熱情，從而調(diào)動學(xué)生探索和創(chuàng)新的欲望，創(chuàng)設(shè)良好的課堂氛圍。同時，教師應(yīng)為學(xué)生提供適切的支持。適切指的是教師可以為學(xué)生提供必要的信息、工具來輔助學(xué)生設(shè)計或改正學(xué)生錯誤的操作，但不能直接告知學(xué)生所謂“正確”的設(shè)計（有時符合需求的方案并不唯一）。

３．２教師在設(shè)計項目時應(yīng)關(guān)注學(xué)生的經(jīng)驗水平

學(xué)生的生活經(jīng)驗、認(rèn)知水平、知識儲備、操作能力會直接決定他們在工程設(shè)計中的參與度、獲得感和學(xué)習(xí)成效。因此，在選定主題和設(shè)計挖掘深度時，要考慮到以下幾個方面：（1）問題情境應(yīng)貼近學(xué)生的生活，選擇學(xué)生熟悉且感興趣的內(nèi)容。比如，探尋吹風(fēng)機(jī)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(nèi)容挖掘應(yīng)符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，不宜設(shè)計過于艱深晦澀的問題。（3）產(chǎn)品制作或方案實施應(yīng)符合學(xué)生的動手能力，在課堂上的制作環(huán)節(jié)不能占據(jù)過多時間而喧賓奪主，應(yīng)給學(xué)生的思考、討論、設(shè)計、優(yōu)化環(huán)節(jié)留足時間。

３．３教師在組織課堂時應(yīng)關(guān)注學(xué)生的參與情況

課堂中無論學(xué)生的設(shè)計方向是否正確，教師都應(yīng)該及時給予鼓勵，尤其是對那些在設(shè)計過程遇到困難的學(xué)生，幫助他們積極投入到小組合作中。教師在關(guān)注每一位學(xué)生的參與情況時，應(yīng)注意以下幾個方面：（1）獨(dú)立思考。在設(shè)計階段關(guān)注學(xué)生是否參與到了頭腦風(fēng)暴中，提出有創(chuàng)意的解決方案。在優(yōu)化階段關(guān)注學(xué)生是否能積極發(fā)現(xiàn)問題，提出優(yōu)化意見。（2）動手操作。在物化階段關(guān)注學(xué)生能否認(rèn)真、規(guī)范地動手實踐。（3）交流分享。在深化階段，關(guān)注學(xué)生能否在組內(nèi)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(jié) "語

本文以“設(shè)計自動沖水裝置”為例，探討了基于工程實踐的初中科學(xué)教學(xué)范式。該范式的核心是基于工程實踐的微項目，學(xué)生經(jīng)歷需求、設(shè)計、物化、迭代、深化５個環(huán)節(jié)，逐步培養(yǎng)信息獲取和分析、問題提煉和解決、模型開發(fā)和運(yùn)用、產(chǎn)品設(shè)計和物化等能力，以及開放性思維、批判性思維和創(chuàng)新性思維等高階思維。教師可參照范式進(jìn)行課堂教學(xué)或?qū)嵺`作業(yè)等教學(xué)探索，拓寬工程實踐與科學(xué)教學(xué)融合的路徑，找到讓學(xué)生工程實踐能力落地的教學(xué)策略。

參考文獻(xiàn)：

［１］中華人民共和國教育部．義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京師范大學(xué)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(xué)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(fā)展的初中科學(xué)實踐項目的設(shè)計與實施——以“設(shè)計與制作揚(yáng)聲器”為例［Ｊ］．物理教師，２０２４，４５（５）：３１－３４，３８．

（欄目編輯鄧?yán)冢?/p>

收稿日期：2024-10-30

基金項目：2024年浙江省規(guī)劃課題“‘開放性’實踐：初中科學(xué)課程綜合化育人學(xué)習(xí)新樣態(tài)研究”（2024SC106）。

作者簡介：盛將（1997-），男，中學(xué)一級教師，主要從事初中科學(xué)教學(xué)研究。

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