基于CPS模型開展初中科學工程教育的實踐探索

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“《義教科學課標》”將“技術、工程與社會\"和“工程設計與物化\"列為學科核心概念?！督逃康仁瞬块T關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》明確提出要“統籌規劃科學教育與工程教育，體現實踐性、綜合性”。將工程教育融入基礎科學教育，可貫通科學知識與基礎工程知識學習的通道：一方面，可幫助學生初步了解科學研究和工程實踐，發展運用相關科學知識與工程基本原理創造性地解決問題的實踐能力；另一方面，可為課堂提供更加真實和有現實意義的案例，幫助學生更好地適應多學科間一些復雜的問題，促成學生跨學科視野與工程思維方式的形成[2]。但當前初中科學教育與工程教育的融合仍處于起步階段，面臨諸多挑戰。為破解這一難題，筆者將CPS（CreativeProblemSolving，即創造性問題解決）模型引入教學，下面試對其進行分析，并結合教學實踐，闡述如何基于其開展初中科學工程教育。

一、CPS模型及其在工程教育中應用的可行性分析

要運用CPS模型開展初中科學工程教育，教師必須對CPS模型有足夠了解，能結合工程學習流程與初中科學學科的特點，建構初中科學工程教育的實施框架。

（一）理論分析

CPS模型最早由帕恩斯提出，強調在選擇或執行解決問題方案之前，要盡可能多運用發散思維，提出各種問題解決方案，以培養創造力和實際問題解決的能力[3]。后來，特芬格等人在傳統CPS模型基礎上進行優化，提出包含探索挑戰（識別計劃、數據收集）生成創意（發散思維、聚合思維）及準備行動（方案評價、行動計劃）三個階段的模型，強調非線性流程和動態迭代，即可根據實際情況調整步驟順序甚至循環迭代，或跳過某些步驟，或返回重新探索[4]。CPS模型中的三個階段與關鍵任務的對應關系具體如表1所示。

（二）CPS模型在工程教育中應用的可行性分析

《義教科學課標》建議教師在教學中創設真實問題情境，通過學生的體驗、操作和制作，引導學生在解決問題的過程中感受技術與工程的基本特點。由上面的分析可知，CPS模型中的創造性問題解決路徑與工程教學中的問題解決主線能夠深度耦合。其一，強調創造性和多樣性，運用發散思維可產生多種可能的解決方案；強調邏輯性和決策能力，運用聚合思維可篩選和優化方案。這兩種思維方式的結合能夠幫助學生全面解決問題，培養創新和批判性思維。其二，CPS模型的非線性和動態迭代特點能夠幫助學生靈活應對設計過程中的變化，從而體現實際工程項目中經歷的迭代和調整。故將CPS模型與初中科學課程中的工程教育有機結合，能夠有效培養學生的創新思維、實踐能力和系統化問題解決能力。

二、基于CPS模型建構初中科學工程教育實施框架

工程實踐具有明確的問題性特征。因而，科學教學中的工程實踐應聚焦有實際意義的工程問題，并以此為出發點和落腳點，通過清晰界定活動背景和目的，激活學生參與實踐、解決問題的動機[5]。適恰的項目主題是工程實踐學習活動的主線，而真實的驅動性問題則是有效開展實踐學習活動的核心。在工程教育實施過程中，教學評價可反映教育目標的達成情況，為學習活動提供反饋和改進的依據，指導學生有效學習。《義教科學課標》指出，將評價標準前置，可讓學生在設計和制作之前確定目標，明確衡量的標準，并參照評價標準進行自我監控和自我評價。因此，以學生為主體的工程學習的有效開展，需源于真實問題的驅動，基于多維評價的指導。

結合CPS模型特點、工程學習流程與科學學科特點，筆者將初中科學工程教育實施過程分為立項、展項、評項三個階段：立項階段以教師為主體，目的是基于真實問題情境驅動工程學習展開；展項階段以學生為主體，教師要引導學生主動基于工程學習流程開展實踐活動；評項階段實施師生多維評價，旨在基于全程評價指導工程學習方向。由此，筆者建構了基于CPS模型的初中科學工程教育實施框架（如圖1所示）。

在立項、展項、評項三個階段中，展項階段是核心。在圖1中：“析\"對應“探索挑戰”環節，包含“引出需求”“明確任務\"“編制量表\"三個步驟；“設\"對應“生成創意\"環節，涵蓋“設計方案”\"建立模型\"“模型物化\"三個步驟；“驗”對應“準備行動\"環節，體現從“測試優化\"到“成果展示”的閉環過程。這三個環節是工程學習中的三個流程，但它們之間不是線性的排列，而是可以動態調整，即根據實際情況調整步驟順序或循環迭代。每一環節均注重引導學生交替運用發散思維與聚合思維進行問題解決，以實現思維層面的提升。

三、基于CPS模型的初中科學工程教育實施路徑

工程項目與科學知識教學的結合路徑，既可用于新課教學階段，如通過項目進程激發學生的學習興趣和推動科學概念的建構，也可用于復習教學階段，如引導學生實現知識整合。下面，筆者以浙教版義務教育教科書《科學》九年級上冊第三章第四節《簡單機械》的復習教學為例，展示如何基于CPS模型開展初中科學工程教育，幫助學生學習鞏固簡單機械相關知識、體驗工程物化完整流程、提升工程思維。

（一）立項·驅動：設立學習目標，創設真實 問題情境

工程項目應以核心素養為導向、以工程要求為框架、以核心概念為基礎、以跨學科概念落實為核心展開設計。因此，在立項階段，教師應分析教材內容、研判學情、建構知識體系，從而凝練學習自標，再創設真實情境，提出驅動性問題，建構項目任務。

1.立足課標與學情，設立學習目標

學生經過新課學習后，對杠桿、滑輪等簡單機械已有總體了解，初步學會用相關公式進行簡單計算，但是仍存在模型提取困難、綜合應用薄弱等問題?；凇澳艿霓D化與能量守恒\"\"技術、工程與社會\"\"工程設計與物化\"等核心概念，落實“結構與功能”“系統與模型”等跨學科概念培養目標，結合《義教科學課標》中對\"工程設計與物化\"的實踐要求，筆者設立如下工程教育學習目標。

工程觀念：掌握杠桿、滑輪等簡單機械的工作原理；知道工程的關鍵是設計，工程是設計方案物化的結果。

工程設計能力：經歷“高空修枝剪”的設計與制作，提升需求分析、方案設計、結構優化、原型測試及迭代改進等能力。

工程思維習慣：從真實情境出發思考“高空修枝剪”的設計目標、設計方案、材料選擇，提升創造性設計思維；通過方案對比、性能驗證，培養批判性決策思維與系統化分析思維；在產品迭代優化過程中，提升工程思維。

2.創設真實問題情境，驅動工程學習開展

設計驅動性問題時要注意兩點：一是保證情境的真實性，即植根于學生可觀察、可體驗的現實情境；二是考慮實施路徑的可行性，預設的解決方案需符合學生的最近發展區，有利于學生利用發散性思維提出各種解決方案，且需考慮到學生的操作能力與技術水平，以便最終能順利物化產品。因此，筆者基于上述學習目標分析，結合學生校園生活體驗，以“校園高空修枝作業安全隱患”為真實情境，設計驅動性問題“如何設計一款無需攀爬即可修剪高枝的安全工具”，設立“高空修枝剪改造”工程項目，以此激發學生的認知沖突，驅動工程學習開展。

（二）展項·實踐：經歷“析—設一驗”環節，推進思維進階

學生是工程學習的思維主體，因此，在展項階段，教師應合理設置發散節點和聚合節點，引領學生經歷“析一設一驗\"環節，在“發散探索可能性一聚合驗證可行性”的思維切換中，體驗科學原理指導工程設計的過程，形成基于實證的創新與面向真實需求的問題解決雙重能力，最終實現科學素養與工程能力的協同發展。

1.析：基于情境引出需求，明確任務

此環節具體包含以下三個步驟

（1）引出需求。需求是工程設計的動因，是思維活動的起點。教師只有明確了學生的需求，才能找到合理的設計方向。筆者創設情境“校園監控攝像頭被樹枝遮擋，園林工人需頻繁使用高梯上下攀爬修剪高枝”，引導學生通過觀察工人的操作過程，討論發現操作過程中的痛點，如攀爬危險、工具笨重、移動不便等，自然引發出設計需求——“設計一款無需攀爬即可修剪高枝的安全工具”。

（2）明確任務。學生梳理知識儲備，明確可以用簡單機械相關知識進行設計。結合設計需求及限制條件，筆者引導學生明確工程項目任務一：“運用簡單機械的相關知識，利用簡單工具將普通的園藝剪改造為可剪高枝的修枝剪?！?/p>

（3）編制量表。為確保項目的順利開展，學生需明確評價方向，即產品可從哪些維度的哪些標準進行對照評價。筆者引導學生通過討論、匯總，編制產品量化PTA量表，以指導項目實施。

設計意圖：通過對園林工人真實作業場景的觀察，引導學生將抽象的科學原理與具象的工程需求建立聯結，培養學生“從現象到本質”的分析能力，引導學生樹立工程問題意識。利用“監控被遮擋需修剪樹枝一現有工具有缺陷一工具需改進”的思維鏈，建構“需求一動機一行動\"認知路徑，激發學生的內在學習動機。通過評價量表的自主設計，學生能更深入地理解項目需求和約束條件，并將抽象的需求轉化為具體的評價指標，發展自我評價和反思能力。同時，這也能使項自始終圍繞核心目標展開。

2.設：基于學科知識，設計方案，完成模型制作

此環節具體包含以下三個步驟

（1）設計方案。學生通過小組討論，初步商定了設計方案，即通過在普通園林剪的手柄處固定竹竿以增加力臂。

（2）建立模型。筆者提問：“是否可以通過杠桿模型將其提煉，以幫助分析其可行性？\"待學生畫出杠桿模型后，筆者再引導學生討論：“需要得到哪些數據進行初步理論驗證？\"學生分析所需參數，有攝像頭離地高度、刀口長度、剪切阻力等，并通過實地測量獲取數據。

學生通過模型及相關數據代入，對照計算結果，發現存在不同。筆者引導學生尋找原因后發現，部分學生在計算中出現以下錯誤：未將離地高度減去人的身高，導致動力臂數據出錯；誤將刀口長度作為阻力臂。最后全班匯總數據，確定統一結論及可行性方案。

（3）模型物化。學生分組討論將竹竿與園藝剪固定連接的方法。從備選材料中挑選繩子、塑料扎帶、電工膠帶、透明膠等，將園林剪與竹竿進行固定，完成實物制作。

設計意圖：此環節以需求為內驅，引導學生主動調取核心知識用于問題解決。學生運用建模思維，建立簡單的杠桿模型并設計草圖，然后運用杠桿平衡條件相關知識，主動獲取并分析限制性條件。學生通過互助討論，突破杠桿學習中動力臂或阻力臂確定的易錯點。這樣可使學生在工程學習過程中進一步鞏固核心知識學習內容，并在模型物化環節中將理論設計轉化為實際產品，提升實踐能力。

3.驗：依據評價標準，檢驗成品，明確優化方向

筆者將產品編號，讓學生以小組為單位實際使用產品，并依據產品量化PTA量表進行自評與他評。匯總意見后，學生評選出得分最高組，由其介紹將園林剪與竹竿固定的經驗，其他組據此改進優化，最終統一組裝固定的技術操作標準。筆者引導學生進一步討論“產品存在哪些待改進的問題”。學生發現手柄開合距離過大，在改變不同剪枝方向時使用不便，由此自然生成了工程項自任務二：“如何在原模型基礎上改進，使其能自如改變力的方向？”

設計意圖：引導學生通過評價量表對照評比，發展批判性思維，并通過不同組別間的比較和討論推動產品的迭代優化。經歷“材料選擇一結構搭建一功能檢驗\"的物化流程，可提升學生的工程意識。在“生成多種固定方案一篩選最佳方案一尋找改進問題\"等環節中，經歷“發散一聚合一發散\"的思維交替使用，可促進學生思維的發展。

4.析一設一驗：熟練使用模型，循環遞進，推動產品迭代

在工程項目的實施中，析、設、驗三個環節并不是經歷一次就可以的，往往還需要經歷多次循環。此環節將三者融合，旨在引導學生深入探索，具體包含以下四個步驟

（1）析：對癥分析。學生分析工程項目任務二，討論解決方案，并將目標聚焦于“怎樣可以靈活改變施力方向”上，尋找解決方向。學生最終討論得到兩種思路。思路一：基于定滑輪可以改變力的方向而不改變力的大小的特性，生成任務二a“如何在產品一的基礎上加裝滑輪使其能靈活改變施力方向”。思路二：基于生活經驗，雨傘支架可以自由伸縮彎折，以此思路來改造，生成任務二b“如何在產品一的基礎上用雨傘骨架改造，使其能靈活改變施力方向”。

（2）設一驗：迭代設計，再驗成效。學生依據兩條不同的思路，分別開展討論，進行方案設計，畫出草圖，并且嘗試將草圖物化，形成產品二a和產品二b。然后，學生實地使用，結合量表進行評價。匯總后，學生發現產品分別存在無法卡位與無法自動復位的缺陷

（3）設：進階改造。學生從帳篷支架卡扣的設計中找到靈感，用帳篷支架代替雨傘骨架，從而解決了角度固定和支架強度問題。而另一產品則通過加裝彈簧解決了復位問題，最終完成此項目的兩個成品。

（4）驗：發布成品。此次產品的發布過程，順應工程的“問題解決”本質，回應項自驅動問題，將產品交給學校園林工人使用后收集反饋意見，讓學生體驗真實產品設計中的“用戶思維”。

設計意圖：引導學生體驗“高空修枝剪”的多次迭代改進，親歷產品從構思到成型的全過程，讓學生認識到產品開發是一個持續優化的過程，并在實踐過程中掌握產品迭代的兩大路徑一—材料升級和設計優化。產品發布過程則回歸產品真實用途，回應驅動問題，將產品交由園林工人使用，讓學生真正體驗工程實踐滿足人類需求的本質。

5.設：對照市售成品，拓展思維，暢想未來產品

由于知識儲備與材料限制，學生的產品迭代空間有限。筆者展示市售的高空園藝剪，引導學生通過使用比較，分析市售產品如何解決設計痛點及其有哪些設計優勢

筆者布置課后任務：（1）查找其他類型的高空修枝剪，找出設計優勢；（2）如果技術條件允許，你覺得還可以在哪些方面對這些產品進行改進？如何改進？

設計意圖：通過與市售成品的比較，讓學生清晰認識到市場需求與自身能力的差距，明確學習方向，同時也培養學生的批判性思維。對未來產品的暢想，則為學生的創新思維提供了廣闊空間，培養學生的未來視野和前瞻性思維。這樣可使學生的思維從發散設計到聚合統一再到發散暢想，從而不斷提升創造性思維與設計能力。

（三）評項·指導：前置多維評價，發展批判性思維

在學習過程中，通過前置評價量表，可讓學生明晰學習目標，從個體、同伴、教師多角度共同促進學生隨時修正學習行為。產品量化PTA量表設計可作為學生創造性思維提升的環節，由傳統的教師展示改為由教師引導學生討論得出。學生綜合考慮產品維度，商定產品量化前置PTA量表，以明確產品設計方向，指引項目實施方向。隨著項目的推進，學生思維遞進，量表也隨之進行迭代，修正成為產品量化后置PTA量表，指引產品的進一步迭代方向，提升學生工程思維的系統性、批判性、迭代性。

1.多維度評價，前置引領，指導項目方向

在項目實施的起始環節，筆者引導學生通過發散討論、聚合統一意見，設定了“省力\"“牢固”“靈活”“安全\"等評價維度，并制訂不同水平的評價標準，然后師生共同制訂出“高空修枝剪\"產品量化前置PTA量表（如表2所示），指導項目進程。

2.生成式評價，迭代遞進，促進思維發展

隨著設計不斷改進，以及對產品需求的理解不斷深入，學生發現產品量化前置PTA量表已不能滿足產品評價所需。由此需求驅動，學生對產品量化前置PTA量表進一步細化迭代，增加生成性評價指標，如“自動復位\"等維度，并給出相關水平描述（如對“自動復位\"的水平描述：“水平一：連續剪切無卡頓”“水平二：可連續剪切，偶然出現復位延遲，需手動調節”“水平三：剪切后無法復位”），形成產品量化后置PTA量表，從而以評促學，利用評價標準的迭代，進一步推進工程產品的優化，促進工程思維的進階培養。

綜上，在基于CPS模型開展初中科學工程教育中，通過真實情境驅動及多元評價引導，可幫助學生建立“需求—設計一產品\"的工程轉化邏輯，實現核心概念的意義建構與工程思維的本質提升，進而達成發展學生核心素養的育人目標。

參考文獻：

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