工程實踐導(dǎo)向的初中科學(xué)教學(xué)設(shè)計研究

楊封友 周華松 劉振東

摘 要：科學(xué)與工程實踐是科學(xué)學(xué)習(xí)的新趨勢，STEM教育是科學(xué)教學(xué)的新抓手.為使STEM教育能進(jìn)入所有學(xué)校的常態(tài)課堂，本文基于對工程實踐的認(rèn)識，依據(jù)制作偽全息3D投影裝置的教學(xué)經(jīng)歷，總結(jié)了以工程實踐為導(dǎo)向的初中科學(xué)教學(xué)模式，認(rèn)為選擇真實且有趣的情景，以簡易而不簡單的造物為載體，以設(shè)計與論證為手段，能有效地提升學(xué)生科學(xué)與工程實踐的能力，豐富STEM課程案例開發(fā)的視角.

關(guān)鍵詞：工程實踐;初中科學(xué);教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-4134（2020）06-0010 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

工程是人類為滿足生存和發(fā)展需求而進(jìn)行的改變自然狀態(tài)的活動，核心是建造，成果是產(chǎn)品或設(shè)施，途徑是工程實踐.在義務(wù)教育階段，如何將科學(xué)課程融入工程教育，進(jìn)行STEM教育，為學(xué)生提供工程實踐的機(jī)會，是當(dāng)前備受關(guān)注和亟待解決的問題.

1 對工程實踐的基本認(rèn)識

從探究走向?qū)嵺`是人們對科學(xué)教育認(rèn)識的發(fā)展.“科學(xué)和工程實踐”是美國科學(xué)教育的三個維度之一，“實踐創(chuàng)新”也是中國學(xué)生發(fā)展六大核心素養(yǎng)之一.美國新《K-12科學(xué)教育框架》還確定了如下8個科學(xué)與工程領(lǐng)域的實踐：提出與確定問題，建立和使用模型，設(shè)計和實施調(diào)查，分析和解釋數(shù)據(jù)，使用數(shù)學(xué)與計算的思維，構(gòu)建（科學(xué)）解釋和設(shè)計（工程）解決方案，從事基于證據(jù)的辯論，獲取、評價和交流信息[1].

工程實踐是指工程師所從事的工程構(gòu)想、設(shè)計、實現(xiàn)和運行工作.其中，設(shè)計是工程實踐的本質(zhì)與核心[2].因此，教學(xué)的重心要落在設(shè)計上，讓學(xué)生了解設(shè)計的一般過程及通用技能，感受實際條件對設(shè)計的制約，努力孵化創(chuàng)意、熟悉方法以及培育思維.

工程設(shè)計是為滿足目標(biāo)需求而創(chuàng)造某種系統(tǒng)、部件或方法的過程.這是一個決策過程（通常是反復(fù)的），在這個過程中，需要使用基礎(chǔ)科學(xué)、數(shù)學(xué)及工程科學(xué)來優(yōu)化轉(zhuǎn)換組合資源以實現(xiàn)特定目標(biāo)[3].讓學(xué)生運用科學(xué)原理或數(shù)學(xué)知識來進(jìn)行解釋或論證，并創(chuàng)造性地解決實際問題，利于增強(qiáng)運用各學(xué)科知識解決問題的意識與能力.

2 工程實踐導(dǎo)向的初中科學(xué)教學(xué)設(shè)計

工程實踐導(dǎo)向的初中科學(xué)教學(xué)是指通過建造實物或案例剖析等活動，寓科學(xué)探究于工程實踐，讓學(xué)生經(jīng)歷問題、設(shè)計、論證、建模、解釋、制造、測試以及評估等階段，以增強(qiáng)科學(xué)和工程領(lǐng)域的實踐能力、學(xué)科知識的綜合運用能力為主要目的的教學(xué).其中建造實物型的教學(xué)流程如下：

現(xiàn)以浙江省特級教師周華松在浙江省初中科學(xué)課程改革30周年紀(jì)念暨科學(xué)教育國際研討會執(zhí)教的“真假與虛實——制造超炫的視覺效果”（即偽全息3D投影制作）為例，探討此類教學(xué)的具體操作.

2.1 需求：創(chuàng)設(shè)情境，界定問題

需求是工程實踐的動因，也是課堂教學(xué)的開端.教師需要篩選或創(chuàng)設(shè)真實的工程情境，情境力求真實，蘊含科學(xué)、數(shù)學(xué)等元素，能吸引學(xué)生參與其中.同時，還需幫助學(xué)生從情境中發(fā)現(xiàn)問題，并對問題進(jìn)行界定.

本課教學(xué)先播放2015春節(jié)晚會舞臺上李宇春表演的節(jié)目《蜀繡》片段，定格于如圖2所示時刻，在學(xué)生心生疑惑時教師問道：“舞臺上怎么會有四個‘李宇春？”學(xué)生展開討論，有同學(xué)猜測有是“替身”，也有同學(xué)猜測是“投影”，最后教師告知：是李宇春的“真人”與“投影”同時出現(xiàn)，圖2中沒有加框的是李宇春本人，加框的是李宇春的“投影”.在學(xué)生頗感神奇之時，教師揭示任務(wù)：設(shè)計制作一個類似的裝置，實現(xiàn)“投影”與“真人”同臺表演的視覺效果.

讓學(xué)生對春晚節(jié)目的制作進(jìn)行猜測，現(xiàn)象真實而有趣，易激起學(xué)生探索原理、驗證猜測的欲望;因此，當(dāng)揭示工程任務(wù)時，學(xué)生充滿期待與疑惑.

2.2 設(shè)計：分解引導(dǎo)，形成方案

設(shè)計是工程實踐的龍頭，也是科學(xué)教學(xué)的核心.設(shè)計旨在形成方案，通常可依據(jù)需求，將終設(shè)計分解為小設(shè)計，小設(shè)計逐步推進(jìn)或綜合，便形成所需要的解決方案.在這一環(huán)節(jié)，教師要先對任務(wù)進(jìn)行分解編排，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴、科學(xué)論證、方案優(yōu)化以及模型建構(gòu).本課將“偽全息3D投影的制作”分解為三個小設(shè)計，具體實施過程如下：

【設(shè)計1】讓平放的影像豎立起來

教師設(shè)問：如何實現(xiàn)李宇春的“投影”與“真人”同時登臺呢？并提醒：舞臺地面上有LED地幕，出示一圖片平放在桌面，表示地幕上的影像，然后讓學(xué)生討論：有什么辦法可以使“影像”立起來，讓大家能看到圖片上的內(nèi)容.學(xué)生討論后得出：根據(jù)平面鏡成像原理，可以讓地幕中的影像立起來.教師追問：如果要讓像直立起來，平面鏡放置有什么要求？此時，讓學(xué)生用平面鏡進(jìn)行實驗，驗證自己的猜測，并通過實驗與作圖論證鏡面與水平面之間的夾角應(yīng)為45°，學(xué)生實驗如圖3所示，作圖并論證過程如圖4所示.

在這一過程，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出使影像由平放變?yōu)樨Q立的方法，再通過作圖和數(shù)學(xué)知識論證鏡面與水平面間的夾角度數(shù)，鍛煉了學(xué)生運用平面鏡成像特點解決實際問題、運用數(shù)學(xué)知識論證工程設(shè)計科學(xué)性的能力.

【設(shè)計2】讓“真人”與“投影”同臺表演

當(dāng)完成設(shè)計1后，教師問：要產(chǎn)生如圖2所示的觀察效果，真人李宇春站在鏡子的前面還是后面？學(xué)生猜測后，教師進(jìn)行演示實驗，發(fā)現(xiàn)若站在鏡后，則看不見真人，若站在鏡前，則不會出現(xiàn)圖2效果.于是，讓學(xué)生再進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，有的學(xué)生針對鏡子不透明，想到了將普通平面鏡改為透明材質(zhì)，即用薄玻璃板進(jìn)行平面鏡成像實驗，既能看見蠟燭A所成的像A′，也能看見鏡后的蠟燭B.此時，教師進(jìn)行演示實驗：將平面鏡改為玻璃板，結(jié)果如圖5所示，學(xué)生便觀察到了“真人”與“投影”同臺演出的效果.最后，教師揭示春晚節(jié)目《蜀繡》“多個李宇春同臺演出”的奧秘，展示圖6并介紹：舞臺上巨大的透明全息膜可以使LED地幕形成豎立的“空中幻象”，真人李宇春在透明全息膜的后面表演，而觀眾便看到“真人”與“幻象”同臺演出的震撼效果，卻感覺不到透明全息膜的存在.

在這一過程中，將平面鏡改為透明玻璃，運用佩珀爾幻象技術(shù)，即當(dāng)光線經(jīng)傾斜45°的透光平面鏡反射后進(jìn)入人眼，在反射面的背景相對昏暗的情況下，會形成一種光源和背景疊加的錯覺[4]，實現(xiàn)了“真人”與“投影”同臺可見的效果;揭示春晚節(jié)目《蜀繡》的奧秘，易使學(xué)生感受到科學(xué)知識的價值與工程技術(shù)的魅力.

【設(shè)計3】讓前后、左右的觀眾都能看到

當(dāng)完成設(shè)計2后，教師問：若舞臺在中央、觀眾在四周，想要前后和左右的觀眾都能觀看到類似效果，怎么辦呢？靜思后，有學(xué)生提出：在左右、前后都放置與水平面成45°的透明膜、地幕投影.教師追問：“四塊透明膜要構(gòu)成怎樣的形狀？”學(xué)生想象后提出這像一個倒置的金字塔.此時，教師先后展示圖7-（1）、（2），問：“若金字塔由倒置變?yōu)檎ⅲ瑒tLED地幕應(yīng)安放哪兒呢？”學(xué)生回答后，教師展示圖7-（3），并進(jìn)行小結(jié)：“金字塔由倒置翻轉(zhuǎn)為正立，LED地幕則應(yīng)翻轉(zhuǎn)為頂幕，這樣，前后、左右的觀眾都能看到了”.

本設(shè)計是之前設(shè)計的拓展，側(cè)重幫助學(xué)生初步建構(gòu)模型，以直觀表達(dá)設(shè)計的問題解決方案.同時，還可依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平及學(xué)習(xí)進(jìn)程，讓學(xué)生討論后認(rèn)識到：拍攝同一演員不同方位的像，通過錐形屏幕進(jìn)行投影可合成一個“立體的人像”，也可通過教師演示、學(xué)生課后討論得出“投影”與視頻源的關(guān)系.

總之，學(xué)生完成上述三個設(shè)計任務(wù)，經(jīng)歷了工程設(shè)計的“迭代”過程，以及原理的的科學(xué)理解與數(shù)學(xué)論證、方案的模型化表達(dá)，提升了學(xué)生科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)等素養(yǎng).值得注意的是，教師要先對設(shè)計任務(wù)進(jìn)行分解，辨析不同任務(wù)的難度，編排好教學(xué)的次序;學(xué)生設(shè)計時，教師是組織引導(dǎo)者，要給學(xué)生足夠的時間進(jìn)行思考與交流，方案應(yīng)源自學(xué)生間的質(zhì)疑與設(shè)想.

2.3 建造：巡視提醒，放樣制作

建造是設(shè)計的物化過程，也是產(chǎn)品的誕生過程.通常包含放樣與制作兩步，放樣旨在把圖紙上的方案“搬”到實際現(xiàn)場，制作是按試樣進(jìn)行剪裁、組裝等操作，進(jìn)而形成產(chǎn)品.本課學(xué)生需依據(jù)金字塔模型推算出其三角形斜面的尺寸，再盡可能少地利用給定透明塑料膠片裁剪出所需的組件，然后將組件進(jìn)行組裝，教學(xué)過程如下：

教師出示透明塑料膠片，問：“用透明塑料膠片制作金字塔， 如何裁剪側(cè)面的等腰三角形呢？”學(xué)生認(rèn)為需要知道△PBC的底邊BC和高PM的長，教師追問：“若已知底邊BC=10cm，則其高PM應(yīng)為多少？”此時，學(xué)生先獨立思考再進(jìn)行交流，教師適時展示如圖8-A所示的3D打印實心模型（可沿兩對應(yīng)斜面高分開），幫助學(xué)生將求斜面三角形的高轉(zhuǎn)換為求經(jīng)兩對應(yīng)高切面三角形的腰，如圖8-B所示，學(xué)生便能求出PM，求解過程如圖9所示.

接著，讓學(xué)生先在A4紙（恰與透明膠片等大）上畫四個等腰三角形，規(guī)格為底邊10cm、高7cm，并組織學(xué)生進(jìn)行交流，力求用材最節(jié)約.然后，學(xué)生分組進(jìn)行裁剪、組裝，教師適當(dāng)提示操作的技巧與注意事項.完成后，學(xué)生對所制成的產(chǎn)品進(jìn)行驗證與優(yōu)化.

在這一環(huán)節(jié)中，裁剪的尺寸不是教師直接告知學(xué)生，而是學(xué)生根據(jù)模型運用數(shù)學(xué)知識推導(dǎo)求解而出，有效地鍛煉了學(xué)生問題轉(zhuǎn)換與數(shù)學(xué)推導(dǎo)的能力.

2.4 展評：組織交流，展示評價

展評是指學(xué)生展示所制造的產(chǎn)品，并進(jìn)行相互評價，目的是對產(chǎn)品進(jìn)行說明、推廣，從他人的評價中獲取改進(jìn)優(yōu)化的方向.在展評前，教師需組織學(xué)生對產(chǎn)品說明、評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論，形成基礎(chǔ)要求與評價維度，為學(xué)生展評提供思維支持.

學(xué)生完成產(chǎn)品制作后，教師提問：“為使他人了解產(chǎn)品、交流制作經(jīng)驗、實現(xiàn)優(yōu)化改進(jìn)，我們進(jìn)行展示評價活動，你認(rèn)為可從哪些方面來說明、評價產(chǎn)品？”學(xué)生個別發(fā)言，教師歸納形成如圖10所示板書.然后，讓學(xué)生分組設(shè)計自己的產(chǎn)品說明書，力求更具創(chuàng)意.最后，分組展示產(chǎn)品如圖11所示，并進(jìn)行自評與互評，評價見表1.

值得注意的是，小組評價表也可以在提出需求后即告知學(xué)生，讓學(xué)生明確每一環(huán)節(jié)的努力方向;另外，若課堂時間緊迫，展評也可采用海報等形式于課后再實施.

3 體會與思考

3.1 任務(wù)獨特，促使學(xué)教方式轉(zhuǎn)變

本設(shè)計源于真實而有趣的情境，任務(wù)是以科學(xué)和工程實踐為導(dǎo)向，STEM各領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容見表2，面對情境與任務(wù)，充滿好奇與挑戰(zhàn)是學(xué)生的自然反應(yīng).縱觀設(shè)計、建造以及展評等實踐環(huán)節(jié)，都是學(xué)生快樂的智慧分享推動了實踐活動的發(fā)展，學(xué)生始終是學(xué)習(xí)的主體，教師則是積極的組織者、引導(dǎo)者、旁觀者以及協(xié)助者.可見，設(shè)計真實有趣、易于實踐、內(nèi)涵豐厚的學(xué)習(xí)任務(wù)，可促使學(xué)教方式的自然轉(zhuǎn)變.

3.2 科學(xué)論證，實現(xiàn)跨科知能整合

科學(xué)論證是一種高水平的思維活動.本課進(jìn)行了兩次論證：一是為了讓平放的影像豎立起來，對平面鏡與水平面的夾角度數(shù)進(jìn)行論證，利用三角形全等的相關(guān)知識;二是為了確定側(cè)面三角形的高，對金字塔模型進(jìn)行問題轉(zhuǎn)換，利用勾股定理由底邊求出了高.在論證過程中，利用科學(xué)與數(shù)學(xué)的已有知識，證實了原理的正確性，推證出了組件的尺寸，體現(xiàn)了學(xué)科知識的應(yīng)用價值，并且這是一個基于問題解決的知識檢索、邏輯編碼過程，即科學(xué)論證的過程.可見，以問題解決為目的、科學(xué)論證為手段，能有效實現(xiàn)跨科知識與能力的整合.

3.3 器材簡易，利于案例推廣實施

STEM教育要走向常態(tài)、進(jìn)入基礎(chǔ)課、實現(xiàn)普及，開發(fā)蘊含各科核心知識、只需簡易硬件條件的課例是一項前提保障.本設(shè)計所需的手機(jī)（或iPad）、透明塑料片、剪刀、刻度尺等器材簡單易得，從硬件上看，可以在每一所學(xué)校復(fù)制推廣，能夠讓每一位學(xué)生都參與其中.但是，利用簡易器材制作裝置所涉及的各科知識、各種能力，則是一個巨大的隱藏的寶庫，需要我們不斷地去研發(fā)，這可能也是STEM教育研究的重要視角.

總之，開展工程實踐導(dǎo)向的初中科學(xué)教學(xué)，以真實而有趣的情景為起點，以簡易而不簡單的造物為目標(biāo)，以設(shè)計與論證為手段，能有效提升學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題、進(jìn)行科學(xué)探究與創(chuàng)新實踐的能力，也是各類學(xué)校開展STEM課程、讓每一學(xué)生有機(jī)會參與的重要途徑之一.

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（收稿日期：2019-12-21）