在綜合實(shí)踐活動(dòng)課堂中整合工程與科學(xué)

北京師范大學(xué)天津附屬中學(xué) 于旭珩

2017年10月，教育部印發(fā)了《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》，首次提出了“創(chuàng)意物化”，這一目標(biāo)將“設(shè)計(jì)制作”作為綜合實(shí)踐活動(dòng)的重要活動(dòng)形式。在設(shè)計(jì)制作類(lèi)的綜合實(shí)踐活動(dòng)課程中，學(xué)生要在一項(xiàng)任務(wù)上獲得成功的體驗(yàn)，需要的不僅僅是教師為學(xué)生提供實(shí)踐的機(jī)會(huì)，更是要讓他們學(xué)會(huì)思考“下一次我們應(yīng)該如何去做”，而工程設(shè)計(jì)過(guò)程給學(xué)生提供了下一次的機(jī)會(huì)。科學(xué)探索的目的是利用證據(jù)來(lái)解釋自然界和人類(lèi)世界，將工程設(shè)計(jì)和科學(xué)探索整合在課堂中，不僅可以增加學(xué)生與自然環(huán)境、學(xué)生與社會(huì)環(huán)境之間的相關(guān)性，而且可以給學(xué)生創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)去測(cè)試自己的想法，并學(xué)會(huì)如何完善自己的想法。

下面，筆者結(jié)合一個(gè)基于STEM教學(xué)模式的綜合實(shí)踐活動(dòng)案例“太陽(yáng)能小車(chē)設(shè)計(jì)與制作”，談一談如何在課堂中整合工程與科學(xué)。

一、以工程設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)項(xiàng)目活動(dòng)

工程學(xué)主要是解決現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題，它可以為學(xué)生提供一個(gè)解釋、應(yīng)用概念的良好背景，但是在現(xiàn)實(shí)中，學(xué)生自己很難將工程設(shè)計(jì)與科學(xué)知識(shí)進(jìn)行鏈接?；陧?xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)可以為學(xué)生提供更多的解決真實(shí)問(wèn)題的機(jī)會(huì)，教師運(yùn)用工程設(shè)計(jì)流程整合教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)制作具體的項(xiàng)目，理解其中所包含的科學(xué)知識(shí)，并逐步建構(gòu)到自己的知識(shí)體系之中。

“太陽(yáng)能小車(chē)設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目從節(jié)能環(huán)保線索入手，整合考查探究活動(dòng)（太陽(yáng)能汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查及推廣）、信息技術(shù)活動(dòng)（開(kāi)源硬件、程序設(shè)計(jì)）、勞動(dòng)技術(shù)活動(dòng)（智能大腦、電子電路、創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作）等多個(gè)領(lǐng)域，并融合物理力學(xué)、電學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識(shí)，嘗試將STEM教育中的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)融入到設(shè)計(jì)制作一輛具有充放電功能的太陽(yáng)能小車(chē)活動(dòng)中。在項(xiàng)目開(kāi)始之初，學(xué)生需要考慮“太陽(yáng)能汽車(chē)目前存在哪些實(shí)際問(wèn)題？為什么要做太陽(yáng)能小車(chē)？太陽(yáng)能小車(chē)的功能是什么？選擇什么樣外形結(jié)構(gòu)？”在提出一系列實(shí)際問(wèn)題之后，學(xué)生會(huì)明確太陽(yáng)能小車(chē)需要實(shí)現(xiàn)哪些功能，需要準(zhǔn)備哪些材料，需要做成一個(gè)什么樣子；接下來(lái)就是怎樣制作這個(gè)太陽(yáng)能小車(chē)？在完成了模型搭建與初步測(cè)試之后，開(kāi)始考慮還有哪些部件可以進(jìn)一步提高太陽(yáng)能小車(chē)的供電能力？如何實(shí)現(xiàn)控制？通過(guò)在不同光照環(huán)境下測(cè)試驗(yàn)證太陽(yáng)能小車(chē)的實(shí)際工作效果，不斷修改完善最初的設(shè)計(jì)方案。

在每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師都會(huì)讓學(xué)生在明確結(jié)果相伴的情況下，將注意集中于方案的設(shè)計(jì)、內(nèi)容的探究、問(wèn)題解決和結(jié)果溝通。盡可能地讓學(xué)生自主參與決策和問(wèn)題解決的全部過(guò)程，而非按照教師既定的實(shí)驗(yàn)步驟完成。整個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)，學(xué)生以小組形式開(kāi)展，包括自我學(xué)習(xí)、師生討論、組間合作等形式。每個(gè)成員從始至終都要掌握項(xiàng)目所包含的學(xué)習(xí)目標(biāo)以及小組希望自己達(dá)成的目標(biāo)。學(xué)生在探究完成任務(wù)所需知識(shí)與技能的過(guò)程中，不斷與同伴溝通自己的觀點(diǎn)、思考的問(wèn)題和觀察的結(jié)果，尋找最佳方案，最終通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐、分工合作完成太陽(yáng)能小車(chē)的研制。

二、理解工程中實(shí)際問(wèn)題的重要性

在“太陽(yáng)能小車(chē)設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目活動(dòng)中，學(xué)生要盡可能利用廉價(jià)的材料設(shè)計(jì)太陽(yáng)能小車(chē)，選擇材料，計(jì)算小車(chē)成本，并識(shí)別電路中的安全隱患。

在活動(dòng)初期，教師會(huì)提供給學(xué)生不同工作電流的直流電機(jī)、不同類(lèi)型的齒輪、不同長(zhǎng)短的車(chē)軸、不同尺寸的廢舊光盤(pán)、不同尺寸的太陽(yáng)能板、不同類(lèi)型的孔條等材料，學(xué)生也可以使用自己收集的材料作為太陽(yáng)能小車(chē)的配件。

在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生拿到幾種不同的材料，從中選擇可以完成搭建太陽(yáng)能小車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)任務(wù)的材料。如，一組學(xué)生需要利用卡紙、扁平的孔條、細(xì)軸、齒輪等材料，他們需要描述選擇這些材料的原因及如何恰當(dāng)?shù)厥褂眠@些材料。這個(gè)環(huán)節(jié)的活動(dòng)可以幫助學(xué)生識(shí)別技術(shù)中使用的材料，并了解其加工的簡(jiǎn)單方法，這是工程設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的方面。

這個(gè)階段課堂是相對(duì)比較開(kāi)放的，教師要時(shí)刻關(guān)注各小組的進(jìn)展情況，確保所有的學(xué)生都投入到這個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)中，并提醒他們?cè)谶x擇材料時(shí)需要注意的一些問(wèn)題，同時(shí)也可以為學(xué)生提供一些具有引導(dǎo)性思考的問(wèn)題。例如：太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的效率？小車(chē)速度與齒輪減速比的關(guān)系？常用的太陽(yáng)能小車(chē)電機(jī)？摩擦力對(duì)小車(chē)行進(jìn)的影響？如何確保電路中不出現(xiàn)短路問(wèn)題？這些問(wèn)題可以幫助學(xué)生進(jìn)一步明確自己所選材料的性質(zhì)和特點(diǎn)，還有各種部件之間的相互關(guān)系，理解在技術(shù)中恰當(dāng)使用材料的重要性。在設(shè)計(jì)制作類(lèi)的綜合實(shí)踐活動(dòng)課程中，動(dòng)手制作是解決問(wèn)題必經(jīng)的途徑，實(shí)際原型的建模形成了設(shè)計(jì)思想與現(xiàn)實(shí)世界之間切實(shí)可行的聯(lián)系，將學(xué)生的學(xué)習(xí)與抽象的科學(xué)概念連接起來(lái)。

三、運(yùn)用實(shí)驗(yàn)活動(dòng)開(kāi)展探究

實(shí)驗(yàn)活動(dòng)在設(shè)計(jì)制作類(lèi)的綜合實(shí)踐活動(dòng)課堂中占據(jù)著重要的地位，特別是在基于STEM的項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，它們可以引領(lǐng)學(xué)生去了解、應(yīng)用科學(xué)概念。課程的初期階段，教師可以設(shè)計(jì)一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)研究某幾個(gè)變量之間的因果關(guān)系去探索一個(gè)概念的知識(shí)，一旦學(xué)生能夠正確地理解變量對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的重要影響，教師就可以開(kāi)始安排學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，讓學(xué)生可以在工程實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中應(yīng)用自己前一階段了解到的科學(xué)知識(shí)。

例如：在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能小車(chē)能源與驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，教師會(huì)提供給學(xué)生不同尺寸的太陽(yáng)能板、不同容量的超級(jí)電容、不同電壓的充電鋰電池。有的學(xué)生選擇擴(kuò)展太陽(yáng)能板，有的學(xué)生選擇添加超級(jí)電容，還有的學(xué)生會(huì)選擇擴(kuò)展一塊太陽(yáng)能板，同時(shí)再添加一塊充電電池。通過(guò)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證先前提出的假設(shè)是否正確，當(dāng)學(xué)生確定了直接將超級(jí)電容或充電電池并聯(lián)電路中，不能提高太陽(yáng)能小車(chē)的供電能力這一結(jié)論后。教師安排學(xué)生進(jìn)行更大范圍的討論，在不斷的溝通交流中，發(fā)現(xiàn)電容或是充電電池需要進(jìn)行充放電控制才能實(shí)現(xiàn)提高電路工作電流的作用。學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下運(yùn)用開(kāi)關(guān)模塊完成充放電電路的搭建，并驗(yàn)證效果。在結(jié)束這一環(huán)節(jié)活動(dòng)之前，教師還必須引導(dǎo)學(xué)生討論探究過(guò)程中的一些重要問(wèn)題，包括太陽(yáng)能板的尺寸、電容的容量、電池的電壓對(duì)充放電時(shí)間的影響等內(nèi)容。

理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)對(duì)當(dāng)今的教育是非常重要的，但在實(shí)際中學(xué)生往往容易傾向使用工程實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，太陽(yáng)能小車(chē)項(xiàng)目活動(dòng)中涉及高中物理力學(xué)、電學(xué)等知識(shí)，教師需要按“最近發(fā)展區(qū)”的要求，為學(xué)生建立起最基本的概念框架，并有意識(shí)設(shè)計(jì)一些可以反映科學(xué)本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，幫助學(xué)生從對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的感性認(rèn)識(shí)上升到對(duì)科學(xué)知識(shí)的理性理解，并將理解的科學(xué)知識(shí)再應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中，真正做到教學(xué)走在發(fā)展前面。

四、利用循環(huán)模型尋找最佳設(shè)計(jì)方案

在基于真實(shí)問(wèn)題解決的STEM項(xiàng)目中，教師可以利用一種循環(huán)模型幫助學(xué)生去解決一些復(fù)雜的問(wèn)題。首先引導(dǎo)學(xué)生定義一個(gè)問(wèn)題，并描述問(wèn)題的具體要求，然后確定其解決問(wèn)題的方案，隨后再重新定義問(wèn)題。通過(guò)反復(fù)研究，不斷將研究的范圍縮小，直至接近最佳的解決方案。

例如：在太陽(yáng)能小車(chē)智能充放電控制的活動(dòng)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)通過(guò)手動(dòng)控制太陽(yáng)能小車(chē)的充放電過(guò)程，很難實(shí)現(xiàn)最佳的充電時(shí)間及行進(jìn)距離，需要一種新的方式來(lái)精確控制充放電的時(shí)間。學(xué)生嘗試將智能模塊接入電路，通過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，不同的太陽(yáng)能小車(chē)電機(jī)啟動(dòng)的工作電流都不相同，需要通過(guò)編寫(xiě)程序設(shè)定開(kāi)關(guān)閾值才能有效地解決問(wèn)題。

在第一次循環(huán)中，學(xué)生通過(guò)不斷地計(jì)算、修改、測(cè)試，確定出哪個(gè)閾值更適合于驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能小車(chē)電機(jī)工作，每一次測(cè)試都會(huì)讓驅(qū)動(dòng)的數(shù)值更進(jìn)一步地逼近最佳結(jié)果。這一過(guò)程就需要學(xué)生將自己對(duì)物理電量公式的理解運(yùn)用到實(shí)際的問(wèn)題解決當(dāng)中，會(huì)引起很多學(xué)生學(xué)習(xí)觀念的轉(zhuǎn)變，激發(fā)出他們學(xué)習(xí)物理的興趣，但是這個(gè)循環(huán)并未在此終止。

為了找到最佳的問(wèn)題解決方案，每組學(xué)生在結(jié)束第一次循環(huán)時(shí)要對(duì)自己提出這樣的疑問(wèn)：“我們的解決方案是最佳嗎？是否還可以串聯(lián)兩個(gè)超級(jí)電容，再節(jié)省一些充電時(shí)間？這個(gè)方案又會(huì)帶來(lái)什么新的問(wèn)題？原有的并聯(lián)電路如何調(diào)整？”學(xué)生可以選擇一個(gè)新的問(wèn)題再一次開(kāi)始尋找答案，而第二次循環(huán)可能還會(huì)引出第三次探究，“何種型號(hào)的太陽(yáng)能板充電效率最高？”經(jīng)過(guò)多次反復(fù)之后，學(xué)生極可能會(huì)研發(fā)出具有獨(dú)創(chuàng)性的解決方案。

太陽(yáng)能小車(chē)設(shè)計(jì)與制作活動(dòng)以工程設(shè)計(jì)為基石，融合物理、電子、信息技術(shù)等學(xué)科知識(shí)，整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程不僅是制作過(guò)程，而且包含了許多的科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)。在設(shè)計(jì)制作類(lèi)的綜合實(shí)踐活動(dòng)課堂中整合工程與科學(xué)，能夠讓學(xué)生體驗(yàn)到更廣泛的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)技能，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解，提高應(yīng)用科學(xué)概念解決實(shí)際問(wèn)題的能力。