指向技術與工程的初中物理教學設計與實踐

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

《義務教育科學課程標準（2022年版）》首次將“技術、工程和社會”“工程設計與物化\"作為核心概念，并將技術與工程實踐能力列入課程核心素養，作為科學課程重要的培養目標。技術與工程教育進人中小學，在創意設計、動手實踐等方面豐富了科學課程的內涵與價值。它以現實世界或真實問題作為學習背景，為學生學習STEM內容提供了動力和目的，讓學生參與到能夠激發個人積極性的現實問題中，并將STEM內容與學生的生活經歷聯系起來，使學習更有意義，從而增強學生對科學的參與度[1]。

在我國的基礎教育階段，技術與工程教育一直未受到重視，相關的課程實踐也相對欠缺，造成學生對技術與工程領域缺乏足夠的認識，從業意愿不強，進而影響技術與工程人才的培養。因此，如何在科學教育中開展技術與工程教育，培養學生的科學素養和技術與工程素養，是當下值得深入研究的重要議題。本文結合浙教版《科學》八年級下冊第一章“電與磁\"的內容，以“自制手文章編號：1003-6148（2025）7-0039-6機無線充電器”為例，探索了指向技術與工程教育的初中科學教學設計與實踐。

1 教學思路

STEM教育是一種典型的建構主義教學實踐[。建構主義理論認為，在整個教學過程中，教師承擔組織者、指導者、幫助者和促進者的角色，并利用情境、協作、會話等學習環境要素，充分調動學生的主動性、積極性和首創精神，最終達到學生能有效實現對當前所學知識意義建構的目的[3?；谶@一觀點，在本課的教學中，以學生已學的通電螺線管周圍磁場強弱的影響因素、感應電流產生的條件等科學知識開展技術與工程實踐活動；同時，學生利用自制手機無線充電器，復現無線充電現象，探究提高無線充電效率的科學原理，引導學生主動建構相關的科學知識體系，實現科學探究實踐與技術工程實踐的有機結合，使科學、技術與工程成為一個密切相關的整體，具體教學思路如圖1所示。

2 學習目標

1.科學觀念：基于電磁感應、通電螺線管磁場強弱的影響因素等科學原理，定義一個簡單的工程問題，提出不同的設計方案和評價標準，篩選并優化設計方案；利用模型解釋手機無線充電原理，探究提高無線充電效率等較復雜的科學現象；簡述現代技術與工程具有系統性和復雜性。

2.科學思維：分析感應電流產生的條件和通電螺線管磁場強弱的影響因素，解釋說明手機無線充電的科學原理；初步掌握籌劃性思維、創造性思維、權衡性思維等工程思維方法；基于證據，對手機無線充電所涉及的爭議問題進行批判性思考。

3.探究實踐：經歷明確工程問題、設計方案、實施制作等過程，合作完成手機無線充電器的制作；能從可行性、實際需求等角度，選擇合適的器材、元件進行優化制作；依據評價的反饋結果，對無線充電器進行改進和完善，并交流制作和探究過程，討論爭議性問題。

4.態度責任：樂于探索手機無線充電器制作過程和改進優化方案，善于合作解決技術與工程問題；能較全面地看待科學技術對人類生活的影響，知道技術的開發和應用需要考慮環境、健康等因素，并作出理性判斷和決策。

3 教學實踐

3.1 創設情境

【情境引入】隨著科技的發展，無線充電技術已經普遍運用于智能手表、手機，甚至電動汽車領域。各國紛紛投入無線充電汽車、無線充電公路的研發工作，讓電動汽車實現邊跑邊充電。我國首條智慧高速公路—杭紹甬高速也計劃在部分路段實現無線充電。

【明確問題】關于無線充電技術，我們可以探究的問題有哪些？經過頭腦風暴，師生交流后明確了所探究的科學問題和需解決的工程問題：

1.無線充電技術的科學原理是什么？

2.如何制作手機無線充電器？

3.制作無線充電器需要哪些材料和工具？

4.為什么手機無線充電比有線充電慢？

5.無線充電時的電磁輻射是否對人體有害？

設計意圖教師依據課程標準、教材和學生的生活實際，創設無線充電的教學情境。學生沉浸在視頻展示的各種情境中，通過頭腦風暴不斷提出問題，教師順勢引導學生提出富有挑戰性的各種工程問題。這種教學過程能明顯提升學生的參與度、自我效能感以及科學探究的能力，激發學生對技術產品背后科學原理的探究興趣。此環節著眼于學生的“最近發展區”，為下一“發展區”做好鋪墊。

3.2 技術解密

【功能體驗】教師展示手機無線充電器（圖2），組織學生體驗使用。當手機靠近無線充電器時，無需插入數據線即可實現手機充電。

圖2手機無線充電器

【原理推測】學生觀察手機無線充電器的使用方法，推測其工作原理可能是電磁感應原理。但該觀點招致其他學生反對，理由是手機在充電時并沒有做切割磁感線運動，不符合感應電流產生的條件，此時學生產生強烈的認知沖突。

【結構拆解】教師拆解并展示無線充電器內部的線圈（圖3）和手機內部的線圈（圖4），部分學生再次認為是電磁感應的原理，但仍有學生質疑。隨后，教師提供文獻資料，學生閱讀后得知，無線充電器的線圈接通電源后，線圈加上交流電產生一個不斷變化的磁場，支持無線充電的手機靠近無線充電器時，手機內部的線圈會感應到磁場的變化，發生電磁感應，產生感應電流給手機電池充電。

圖3無線充電器內部的金屬線圈

圖4手機內部的金屬線圈

設計意圖當學生提出驅動性問題后，教師通過產品使用、拆解等方法，引導學生結合所學科學知識解釋手機無線充電器的工作原理，并通過觀察無線充電器和手機的內部結構、文獻閱讀等方式，確認其工作原理，讓學生體會實物拆解、文獻閱讀在科學探究和工程實踐中的重要性。教師循序漸進地滲透證據意識、結構和功能相適應的觀念，引導學生理解科學對技術與工程的指導意義，進而體會現代技術與工程問題的系統性和復雜性。

3.3 設計物化

【設計】教師提供器材元件（圖5），組織學生以合作的方式設計一個能實現無線充電的簡單電路。

圖5實驗器材元件

學生通過對無線充電器內部結構的觀察和文獻資料的閱讀，設計了電路圖（圖6。該電路主要分兩部分：上部分是手機的內部電路，下部分是無線充電器的內部電路。針對該設計，有的學生質疑：文獻資料中提到，當無線充電器的線圈接通交流電后會產生一個不斷變化的磁場，才能給手機無線充電。而這個電路中使用的是直流電，不能產生不斷變化的磁場，故無法實現無線充電。

圖6學生畫出的電路圖

教師充分肯定學生間相互質疑及問題分析時的證據意識，隨后展示三極管（圖7），說明它可以在直流電路中形成不斷變化的磁場，同時還提供保護電阻（圖8），指導學生對其所設計的電路進行修改完善。經多次討論修改后，逐步得到較為完善的電路圖（圖9）。

圖7三極管

圖8保護電阻

圖9學生改進的電路圖

【物化】根據優化后的電路圖，小組合作制作手機無線充電器。在制作過程中，為使二極管發光（模擬手機充電），應選擇合適的電源和漆包線等。小組成員需對以下問題作出籌劃、權衡和決策：

1.送電線圈兩端的電壓應設定為多大？

2.選擇粗的還是細的漆包線來制作線圈？

3.制作直徑為多大的線圈？

4.繞制多少匝數的線圈？

5.如何確定送電線圈和受電線圈的位置？

教師引導學生意識到，若要使二極管發光，就應獲得較大的感應電流，需增大送電線圈周圍的磁感應強度。若欲增大送電線圈磁場，則需增加送電線圈匝數，但線圈匝數越多，電路總電阻會變大，使得通過送電線圈的電流減小，從而減弱了送電線圈周圍的磁場強度。同時，線圈直徑、線圈位置等也會影響感應電流的大小。因此，送電線圈兩端電壓大小、漆包線的粗細、線圈匝數、線圈直徑、送電線圈和受電線圈的位置距離等都需要學生進行權衡。

師生共同討論，分析效果、材料、時間、成本等限制性條件，提出驗收標準（表1）。

表1手機無線充電器的驗收標準

【優化】學生選擇合適的材料和工具，依據電路圖以小組合作的形式完成無線充電器的制作（圖10、圖11）。學生對制作好的無線充電器進行測試，對比作品與設計方案的差距，并基于科學原理，對作品進行有依據的迭代，必要時應再次修改設計方案。在作品檢測和優化環節，學生需要圍繞以下問題進一步思考：如何才能獲得更大的感應電流？如何使產品更簡潔美觀？

學生在批判質疑的基礎上提出改進建議。在討論產品的功能效果時，學生提出增大送電線圈兩端電壓、適當增加送電線圈和受電線圈的匝數、選擇合適直徑的漆包線、使受電線圈和送電線圈中心重合、線圈距離更近，甚至有學生提出在線圈中心加一個磁性較強的永磁體等想法。在討論產品的工藝時，有學生提出可以將線圈纏繞在梭芯上，并把裸露的送電線圈電路放入透明塑料盒中，便于確定送電線圈的中心位置，以獲得更大的感應電流。學生改進后的無線電充電作品如圖12所示。

圖10學生制作的無線充電作品

設計意圖工程設計與物化是《義務教育科學課程標準（2022年版）》提出的13個核心概念之一，工程的關鍵是設計，核心是建造[4]。科學、技術與工程相互影響，學生利用所學科學原理開展技術與工程實踐活動。同時，學生利用自己完成的技術與工程實踐作品或模型，復現某些科學現象、驗證或探究某些科學原理，使得科學、技術與工程成為一個密切相關的整體[5。在工程設計環節，學生采用草圖、簡圖或示意圖等方式，以清晰明了的設計圖作為內心設計理念的表征以及與組員溝通的工具，綜合考慮時間、成本、材料等限制條件，在批判質疑的基礎上，對設計方案進行論證和優化。部分資優的學生還對電路圖的效果進行了簡單預測，以避免低級錯誤，減少迭代修改的次數。在工程物化環節，學生開展小組合作，在組長的有序安排下，群策群力，選擇合適的器材元件制成初步的無線充電器。在工程優化環節，學生對產品進行展示和優、缺點分析，并從科學原理、限制條件等角度評估無線充電器的性能，以便加以改進和完善，最后制成比較符合工程需求的手機無線充電器。通過以上三個環節的學習，學生將科學、技術和工程等相關知識與技能運用于實踐，將“動腦思考、動手實踐與設計優化\"融合為一體，提高了創新與實踐能力。

3.4 評價交流

【作品評價】根據驗收標準對技術與工程實踐產品開展自評和互評，并以產品發布會的形式開展交流，闡述自己在產品設計、物化和優化過程中的失敗和成功體驗，讓學生有機會從他人的設計和作品中互相借鑒，懂得經歷過程比得到結果更加重要，進而學會正確對待挫折和失敗。

圖11學生制作無線充電作品的工作圖

圖12學生改進后的無線充電作品

【拓展研究】學生在經歷制作手機無線充電器的工程實踐后，產生了更多的疑問。部分學生想探究三極管讓直流電形成不斷變化磁場的原理；部分學生發現手機無線充電時會發燙、充電時間更長的問題，于是試圖探索提高無線充電效率的辦法。教師可以充分肯定學生的探究意愿，并利用拓展課或課后服務課開展深入研究，從而推動科學、技術與工程成為一個協同發展的整體。

【議題討論】隨著無線充電技術的普及，在“是否應該大力發展無線充電技術”的討論中，學生通過查閱網絡資料分別從科學、經濟、環境、政策等方面提出不同看法。部分學生認為，無線充電擺脫了傳統有線充電的束縛和數據線的適配問題，更靈活方便，應該大力發展。部分學生認為，無線充電價格貴、充電慢，沒必要發展。還有的學生則擔憂無線充電產生的電磁輻射會對人體健康產生不良影響，應禁止發展?？傊夹g是一把雙刃劍，應引導學生從可持續發展的角度認識科學、技術和社會的關系，從而在生活中作出合理決策。

設計意圖在評價交流環節，教師可以借助展示櫥窗、產品發布會等形式公開展示學生作品，引導學生對自制的無線充電器進行自評和互評。同時，引導學生回顧整個工程實踐過程，總結經驗和體會，分享遇到的困難和解決的方法，獲得成就感和職業認同感。此外，還可以進一步利用自制的無線充電裝置，開展拓展研究或社會性科學議題討論。教師引導學生從探究時的疑問和教學意外出發，提出新的科學問題，或者從批判、質疑的角度，討論涉及倫理、環境的技術與工程問題，以此來培養學生的樂于探究、理性判斷和社會責任感。

4教學建議

4.1 應采用多元化的教學方法

在科學教育中同時開展技術與工程實踐教學，要秉持著靈活、統籌的原則。在實施方式上，可遵照浙教版《科學》教材，整章內容開展專題式教學，也可以在教學過程中篩選合適的內容，滲透技術與工程的相關知識。在教學流程上，無需刻板地遵循固化的工程步驟，而是要根據具體情境靈活選擇工程要素進行教學，避免工程實踐教學步入形式化的桎梏。例如，本案例則未嚴格按照“明確問題一設計方案—實施計劃—檢驗作品—改進完善—發布成果\"的流程組織教學[4]，而是充分挖掘無線充電技術的利弊，加入議題討論等環節，旨在培養學生的可持續發展觀和社會責任感。在課時安排上，可以統籌科學課、綜合實踐活動課、勞動課、課后服務等課時，系統安排教學時間。例如，本案例在科學課中完成“創設情境”“技術解密\"和“設計物化\"中的“設計\"環節，其他環節可在課后服務等時間完成。

4.2 應注重工程思維的滲透和培養

技術與工程實踐的本質是運用工程思維在非良構情境下解決復雜問題，而不是簡單地動手操作。工程思維是以系統分析和比較權衡為核心的一種籌劃性思維6，主要過程包括決策思維、設計思維、實施思維和評價思維等。在工程設計環節中，學生要綜合考慮漆包線的粗細、線圈匝數、線圈直徑、線圈位置和間距等因素，進行有依據的論證和決策，并開展產品制作和迭代優化，以此培養學生的設計思維、決策思維和實施思維。在評價交流環節，學生對無線充電技術開展利弊討論，逐漸認識到該技術依然需要解決傳輸效率低、電磁輻射等技術問題，從而理解技術的兩面性，培養全面看待問題的評價思維。

4.3 應避免片面追求完美的評價標準

義務教育階段進行技術與工程教學的目的不是讓每個學生都成為技術專家或工程師，而是提升公眾的技術與工程素養，使其能夠作出明智的技術決策，更好地設計、開發和使用技術。在技術與工程導向的教學實踐中，學生制作的作品并非實際的產品，其實質是一種簡化的模型。教師自身要摒棄應試教育下“以成果論成敗”的觀念，在教學過程中要強調不存在完美的標準答案，所有的學生作品都應得到認可。教師應根據實際情況，選擇多樣化的交流評價方式，讓制作成功的學生感受到成功的喜悅，也要讓制作失敗的學生進行總結反思和體會。

參考文獻：

[1]Kelley TR，KnowlesJG.A conceptual framework forintegrated STEM education[J].International JournalofSTEM Education，2016（3）：1-11.

[2]Akerson V L，Burgess A，Gerber A，et al. Disentanglingthemeaning of STEM：Implications for science educationandscience teacher education[J].Journal of Science Teach-erEducation，2018，29（1）：1-8.

[3]嚴云芬.建構主義學習理論綜述[J].當代教育論壇，2005（8）：35-36.

[4]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.

[5]胡衛平，劉守印.義務教育科學課程標準（2022年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2022.

[6]中華人民共和國教育部.普通高中通用技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[7]美國國際技術與工程教育協會.技術與工程素養標準：技術與工程在STEM教育中的作用[M].顧建軍，等，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2024.

（欄目編輯 鄧磊）