基于CPS模型開展初中科學(xué)工程教育的實(shí)踐探索

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“《義教科學(xué)課標(biāo)》”將“技術(shù)、工程與社會(huì)\"和“工程設(shè)計(jì)與物化\"列為學(xué)科核心概念?！督逃康仁瞬块T關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》明確提出要“統(tǒng)籌規(guī)劃科學(xué)教育與工程教育，體現(xiàn)實(shí)踐性、綜合性”。將工程教育融入基礎(chǔ)科學(xué)教育，可貫通科學(xué)知識(shí)與基礎(chǔ)工程知識(shí)學(xué)習(xí)的通道：一方面，可幫助學(xué)生初步了解科學(xué)研究和工程實(shí)踐，發(fā)展運(yùn)用相關(guān)科學(xué)知識(shí)與工程基本原理創(chuàng)造性地解決問題的實(shí)踐能力；另一方面，可為課堂提供更加真實(shí)和有現(xiàn)實(shí)意義的案例，幫助學(xué)生更好地適應(yīng)多學(xué)科間一些復(fù)雜的問題，促成學(xué)生跨學(xué)科視野與工程思維方式的形成[2]。但當(dāng)前初中科學(xué)教育與工程教育的融合仍處于起步階段，面臨諸多挑戰(zhàn)。為破解這一難題，筆者將CPS（CreativeProblemSolving，即創(chuàng)造性問題解決）模型引入教學(xué)，下面試對(duì)其進(jìn)行分析，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，闡述如何基于其開展初中科學(xué)工程教育。

一、CPS模型及其在工程教育中應(yīng)用的可行性分析

要運(yùn)用CPS模型開展初中科學(xué)工程教育，教師必須對(duì)CPS模型有足夠了解，能結(jié)合工程學(xué)習(xí)流程與初中科學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，建構(gòu)初中科學(xué)工程教育的實(shí)施框架。

（一）理論分析

CPS模型最早由帕恩斯提出，強(qiáng)調(diào)在選擇或執(zhí)行解決問題方案之前，要盡可能多運(yùn)用發(fā)散思維，提出各種問題解決方案，以培養(yǎng)創(chuàng)造力和實(shí)際問題解決的能力[3]。后來，特芬格等人在傳統(tǒng)CPS模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提出包含探索挑戰(zhàn)（識(shí)別計(jì)劃、數(shù)據(jù)收集）生成創(chuàng)意（發(fā)散思維、聚合思維）及準(zhǔn)備行動(dòng)（方案評(píng)價(jià)、行動(dòng)計(jì)劃）三個(gè)階段的模型，強(qiáng)調(diào)非線性流程和動(dòng)態(tài)迭代，即可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整步驟順序甚至循環(huán)迭代，或跳過某些步驟，或返回重新探索[4]。CPS模型中的三個(gè)階段與關(guān)鍵任務(wù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系具體如表1所示。

（二）CPS模型在工程教育中應(yīng)用的可行性分析

《義教科學(xué)課標(biāo)》建議教師在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，通過學(xué)生的體驗(yàn)、操作和制作，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中感受技術(shù)與工程的基本特點(diǎn)。由上面的分析可知，CPS模型中的創(chuàng)造性問題解決路徑與工程教學(xué)中的問題解決主線能夠深度耦合。其一，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造性和多樣性，運(yùn)用發(fā)散思維可產(chǎn)生多種可能的解決方案；強(qiáng)調(diào)邏輯性和決策能力，運(yùn)用聚合思維可篩選和優(yōu)化方案。這兩種思維方式的結(jié)合能夠幫助學(xué)生全面解決問題，培養(yǎng)創(chuàng)新和批判性思維。其二，CPS模型的非線性和動(dòng)態(tài)迭代特點(diǎn)能夠幫助學(xué)生靈活應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)過程中的變化，從而體現(xiàn)實(shí)際工程項(xiàng)目中經(jīng)歷的迭代和調(diào)整。故將CPS模型與初中科學(xué)課程中的工程教育有機(jī)結(jié)合，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力和系統(tǒng)化問題解決能力。

二、基于CPS模型建構(gòu)初中科學(xué)工程教育實(shí)施框架

工程實(shí)踐具有明確的問題性特征。因而，科學(xué)教學(xué)中的工程實(shí)踐應(yīng)聚焦有實(shí)際意義的工程問題，并以此為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，通過清晰界定活動(dòng)背景和目的，激活學(xué)生參與實(shí)踐、解決問題的動(dòng)機(jī)[5]。適恰的項(xiàng)目主題是工程實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)的主線，而真實(shí)的驅(qū)動(dòng)性問題則是有效開展實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)的核心。在工程教育實(shí)施過程中，教學(xué)評(píng)價(jià)可反映教育目標(biāo)的達(dá)成情況，為學(xué)習(xí)活動(dòng)提供反饋和改進(jìn)的依據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生有效學(xué)習(xí)?！读x教科學(xué)課標(biāo)》指出，將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)前置，可讓學(xué)生在設(shè)計(jì)和制作之前確定目標(biāo)，明確衡量的標(biāo)準(zhǔn)，并參照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自我監(jiān)控和自我評(píng)價(jià)。因此，以學(xué)生為主體的工程學(xué)習(xí)的有效開展，需源于真實(shí)問題的驅(qū)動(dòng)，基于多維評(píng)價(jià)的指導(dǎo)。

結(jié)合CPS模型特點(diǎn)、工程學(xué)習(xí)流程與科學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，筆者將初中科學(xué)工程教育實(shí)施過程分為立項(xiàng)、展項(xiàng)、評(píng)項(xiàng)三個(gè)階段：立項(xiàng)階段以教師為主體，目的是基于真實(shí)問題情境驅(qū)動(dòng)工程學(xué)習(xí)展開；展項(xiàng)階段以學(xué)生為主體，教師要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)基于工程學(xué)習(xí)流程開展實(shí)踐活動(dòng)；評(píng)項(xiàng)階段實(shí)施師生多維評(píng)價(jià)，旨在基于全程評(píng)價(jià)指導(dǎo)工程學(xué)習(xí)方向。由此，筆者建構(gòu)了基于CPS模型的初中科學(xué)工程教育實(shí)施框架（如圖1所示）。

在立項(xiàng)、展項(xiàng)、評(píng)項(xiàng)三個(gè)階段中，展項(xiàng)階段是核心。在圖1中：“析\"對(duì)應(yīng)“探索挑戰(zhàn)”環(huán)節(jié)，包含“引出需求”“明確任務(wù)\"“編制量表\"三個(gè)步驟；“設(shè)\"對(duì)應(yīng)“生成創(chuàng)意\"環(huán)節(jié)，涵蓋“設(shè)計(jì)方案”\"建立模型\"“模型物化\"三個(gè)步驟；“驗(yàn)”對(duì)應(yīng)“準(zhǔn)備行動(dòng)\"環(huán)節(jié)，體現(xiàn)從“測(cè)試優(yōu)化\"到“成果展示”的閉環(huán)過程。這三個(gè)環(huán)節(jié)是工程學(xué)習(xí)中的三個(gè)流程，但它們之間不是線性的排列，而是可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，即根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整步驟順序或循環(huán)迭代。每一環(huán)節(jié)均注重引導(dǎo)學(xué)生交替運(yùn)用發(fā)散思維與聚合思維進(jìn)行問題解決，以實(shí)現(xiàn)思維層面的提升。

三、基于CPS模型的初中科學(xué)工程教育實(shí)施路徑

工程項(xiàng)目與科學(xué)知識(shí)教學(xué)的結(jié)合路徑，既可用于新課教學(xué)階段，如通過項(xiàng)目進(jìn)程激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和推動(dòng)科學(xué)概念的建構(gòu)，也可用于復(fù)習(xí)教學(xué)階段，如引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)整合。下面，筆者以浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》九年級(jí)上冊(cè)第三章第四節(jié)《簡(jiǎn)單機(jī)械》的復(fù)習(xí)教學(xué)為例，展示如何基于CPS模型開展初中科學(xué)工程教育，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)鞏固簡(jiǎn)單機(jī)械相關(guān)知識(shí)、體驗(yàn)工程物化完整流程、提升工程思維。

（一）立項(xiàng)·驅(qū)動(dòng)：設(shè)立學(xué)習(xí)目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)真實(shí) 問題情境

工程項(xiàng)目應(yīng)以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向、以工程要求為框架、以核心概念為基礎(chǔ)、以跨學(xué)科概念落實(shí)為核心展開設(shè)計(jì)。因此，在立項(xiàng)階段，教師應(yīng)分析教材內(nèi)容、研判學(xué)情、建構(gòu)知識(shí)體系，從而凝練學(xué)習(xí)自標(biāo)，再創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出驅(qū)動(dòng)性問題，建構(gòu)項(xiàng)目任務(wù)。

1.立足課標(biāo)與學(xué)情，設(shè)立學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)生經(jīng)過新課學(xué)習(xí)后，對(duì)杠桿、滑輪等簡(jiǎn)單機(jī)械已有總體了解，初步學(xué)會(huì)用相關(guān)公式進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，但是仍存在模型提取困難、綜合應(yīng)用薄弱等問題。基于“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒\"\"技術(shù)、工程與社會(huì)\"\"工程設(shè)計(jì)與物化\"等核心概念，落實(shí)“結(jié)構(gòu)與功能”“系統(tǒng)與模型”等跨學(xué)科概念培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合《義教科學(xué)課標(biāo)》中對(duì)\"工程設(shè)計(jì)與物化\"的實(shí)踐要求，筆者設(shè)立如下工程教育學(xué)習(xí)目標(biāo)。

工程觀念：掌握杠桿、滑輪等簡(jiǎn)單機(jī)械的工作原理；知道工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是設(shè)計(jì)方案物化的結(jié)果。

工程設(shè)計(jì)能力：經(jīng)歷“高空修枝剪”的設(shè)計(jì)與制作，提升需求分析、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、原型測(cè)試及迭代改進(jìn)等能力。

工程思維習(xí)慣：從真實(shí)情境出發(fā)思考“高空修枝剪”的設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)方案、材料選擇，提升創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維；通過方案對(duì)比、性能驗(yàn)證，培養(yǎng)批判性決策思維與系統(tǒng)化分析思維；在產(chǎn)品迭代優(yōu)化過程中，提升工程思維。

2.創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，驅(qū)動(dòng)工程學(xué)習(xí)開展

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題時(shí)要注意兩點(diǎn)：一是保證情境的真實(shí)性，即植根于學(xué)生可觀察、可體驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)情境；二是考慮實(shí)施路徑的可行性，預(yù)設(shè)的解決方案需符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，有利于學(xué)生利用發(fā)散性思維提出各種解決方案，且需考慮到學(xué)生的操作能力與技術(shù)水平，以便最終能順利物化產(chǎn)品。因此，筆者基于上述學(xué)習(xí)目標(biāo)分析，結(jié)合學(xué)生校園生活體驗(yàn)，以“校園高空修枝作業(yè)安全隱患”為真實(shí)情境，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題“如何設(shè)計(jì)一款無需攀爬即可修剪高枝的安全工具”，設(shè)立“高空修枝剪改造”工程項(xiàng)目，以此激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，驅(qū)動(dòng)工程學(xué)習(xí)開展。

（二）展項(xiàng)·實(shí)踐：經(jīng)歷“析—設(shè)一驗(yàn)”環(huán)節(jié)，推進(jìn)思維進(jìn)階

學(xué)生是工程學(xué)習(xí)的思維主體，因此，在展項(xiàng)階段，教師應(yīng)合理設(shè)置發(fā)散節(jié)點(diǎn)和聚合節(jié)點(diǎn)，引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷“析一設(shè)一驗(yàn)\"環(huán)節(jié)，在“發(fā)散探索可能性一聚合驗(yàn)證可行性”的思維切換中，體驗(yàn)科學(xué)原理指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的過程，形成基于實(shí)證的創(chuàng)新與面向真實(shí)需求的問題解決雙重能力，最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)與工程能力的協(xié)同發(fā)展。

1.析：基于情境引出需求，明確任務(wù)

此環(huán)節(jié)具體包含以下三個(gè)步驟

（1）引出需求。需求是工程設(shè)計(jì)的動(dòng)因，是思維活動(dòng)的起點(diǎn)。教師只有明確了學(xué)生的需求，才能找到合理的設(shè)計(jì)方向。筆者創(chuàng)設(shè)情境“校園監(jiān)控?cái)z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(dǎo)學(xué)生通過觀察工人的操作過程，討論發(fā)現(xiàn)操作過程中的痛點(diǎn)，如攀爬危險(xiǎn)、工具笨重、移動(dòng)不便等，自然引發(fā)出設(shè)計(jì)需求——“設(shè)計(jì)一款無需攀爬即可修剪高枝的安全工具”。

（2）明確任務(wù)。學(xué)生梳理知識(shí)儲(chǔ)備，明確可以用簡(jiǎn)單機(jī)械相關(guān)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合設(shè)計(jì)需求及限制條件，筆者引導(dǎo)學(xué)生明確工程項(xiàng)目任務(wù)一：“運(yùn)用簡(jiǎn)單機(jī)械的相關(guān)知識(shí)，利用簡(jiǎn)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(xiàng)目的順利開展，學(xué)生需明確評(píng)價(jià)方向，即產(chǎn)品可從哪些維度的哪些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照評(píng)價(jià)。筆者引導(dǎo)學(xué)生通過討論、匯總，編制產(chǎn)品量化PTA量表，以指導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)園林工人真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景的觀察，引導(dǎo)學(xué)生將抽象的科學(xué)原理與具象的工程需求建立聯(lián)結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生“從現(xiàn)象到本質(zhì)”的分析能力，引導(dǎo)學(xué)生樹立工程問題意識(shí)。利用“監(jiān)控被遮擋需修剪樹枝一現(xiàn)有工具有缺陷一工具需改進(jìn)”的思維鏈，建構(gòu)“需求一動(dòng)機(jī)一行動(dòng)\"認(rèn)知路徑，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。通過評(píng)價(jià)量表的自主設(shè)計(jì)，學(xué)生能更深入地理解項(xiàng)目需求和約束條件，并將抽象的需求轉(zhuǎn)化為具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)展自我評(píng)價(jià)和反思能力。同時(shí)，這也能使項(xiàng)自始終圍繞核心目標(biāo)展開。

2.設(shè)：基于學(xué)科知識(shí)，設(shè)計(jì)方案，完成模型制作

此環(huán)節(jié)具體包含以下三個(gè)步驟

（1）設(shè)計(jì)方案。學(xué)生通過小組討論，初步商定了設(shè)計(jì)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(xué)生畫出杠桿模型后，筆者再引導(dǎo)學(xué)生討論：“需要得到哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行初步理論驗(yàn)證？\"學(xué)生分析所需參數(shù)，有攝像頭離地高度、刀口長(zhǎng)度、剪切阻力等，并通過實(shí)地測(cè)量獲取數(shù)據(jù)。

學(xué)生通過模型及相關(guān)數(shù)據(jù)代入，對(duì)照計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在不同。筆者引導(dǎo)學(xué)生尋找原因后發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生在計(jì)算中出現(xiàn)以下錯(cuò)誤：未將離地高度減去人的身高，導(dǎo)致動(dòng)力臂數(shù)據(jù)出錯(cuò)；誤將刀口長(zhǎng)度作為阻力臂。最后全班匯總數(shù)據(jù)，確定統(tǒng)一結(jié)論及可行性方案。

（3）模型物化。學(xué)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(jìn)行固定，完成實(shí)物制作。

設(shè)計(jì)意圖：此環(huán)節(jié)以需求為內(nèi)驅(qū)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)調(diào)取核心知識(shí)用于問題解決。學(xué)生運(yùn)用建模思維，建立簡(jiǎn)單的杠桿模型并設(shè)計(jì)草圖，然后運(yùn)用杠桿平衡條件相關(guān)知識(shí)，主動(dòng)獲取并分析限制性條件。學(xué)生通過互助討論，突破杠桿學(xué)習(xí)中動(dòng)力臂或阻力臂確定的易錯(cuò)點(diǎn)。這樣可使學(xué)生在工程學(xué)習(xí)過程中進(jìn)一步鞏固核心知識(shí)學(xué)習(xí)內(nèi)容，并在模型物化環(huán)節(jié)中將理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，提升實(shí)踐能力。

3.驗(yàn)：依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)成品，明確優(yōu)化方向

筆者將產(chǎn)品編號(hào)，讓學(xué)生以小組為單位實(shí)際使用產(chǎn)品，并依據(jù)產(chǎn)品量化PTA量表進(jìn)行自評(píng)與他評(píng)。匯總意見后，學(xué)生評(píng)選出得分最高組，由其介紹將園林剪與竹竿固定的經(jīng)驗(yàn)，其他組據(jù)此改進(jìn)優(yōu)化，最終統(tǒng)一組裝固定的技術(shù)操作標(biāo)準(zhǔn)。筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論“產(chǎn)品存在哪些待改進(jìn)的問題”。學(xué)生發(fā)現(xiàn)手柄開合距離過大，在改變不同剪枝方向時(shí)使用不便，由此自然生成了工程項(xiàng)自任務(wù)二：“如何在原模型基礎(chǔ)上改進(jìn)，使其能自如改變力的方向？”

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過評(píng)價(jià)量表對(duì)照評(píng)比，發(fā)展批判性思維，并通過不同組別間的比較和討論推動(dòng)產(chǎn)品的迭代優(yōu)化。經(jīng)歷“材料選擇一結(jié)構(gòu)搭建一功能檢驗(yàn)\"的物化流程，可提升學(xué)生的工程意識(shí)。在“生成多種固定方案一篩選最佳方案一尋找改進(jìn)問題\"等環(huán)節(jié)中，經(jīng)歷“發(fā)散一聚合一發(fā)散\"的思維交替使用，可促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展。

4.析一設(shè)一驗(yàn)：熟練使用模型，循環(huán)遞進(jìn)，推動(dòng)產(chǎn)品迭代

在工程項(xiàng)目的實(shí)施中，析、設(shè)、驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)并不是經(jīng)歷一次就可以的，往往還需要經(jīng)歷多次循環(huán)。此環(huán)節(jié)將三者融合，旨在引導(dǎo)學(xué)生深入探索，具體包含以下四個(gè)步驟

（1）析：對(duì)癥分析。學(xué)生分析工程項(xiàng)目任務(wù)二，討論解決方案，并將目標(biāo)聚焦于“怎樣可以靈活改變施力方向”上，尋找解決方向。學(xué)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(wù)二a“如何在產(chǎn)品一的基礎(chǔ)上加裝滑輪使其能靈活改變施力方向”。思路二：基于生活經(jīng)驗(yàn)，雨傘支架可以自由伸縮彎折，以此思路來改造，生成任務(wù)二b“如何在產(chǎn)品一的基礎(chǔ)上用雨傘骨架改造，使其能靈活改變施力方向”。

（2）設(shè)一驗(yàn)：迭代設(shè)計(jì)，再驗(yàn)成效。學(xué)生依據(jù)兩條不同的思路，分別開展討論，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，畫出草圖，并且嘗試將草圖物化，形成產(chǎn)品二a和產(chǎn)品二b。然后，學(xué)生實(shí)地使用，結(jié)合量表進(jìn)行評(píng)價(jià)。匯總后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品分別存在無法卡位與無法自動(dòng)復(fù)位的缺陷

（3）設(shè)：進(jìn)階改造。學(xué)生從帳篷支架卡扣的設(shè)計(jì)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(qiáng)度問題。而另一產(chǎn)品則通過加裝彈簧解決了復(fù)位問題，最終完成此項(xiàng)目的兩個(gè)成品。

（4）驗(yàn)：發(fā)布成品。此次產(chǎn)品的發(fā)布過程，順應(yīng)工程的“問題解決”本質(zhì)，回應(yīng)項(xiàng)自驅(qū)動(dòng)問題，將產(chǎn)品交給學(xué)校園林工人使用后收集反饋意見，讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的“用戶思維”。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)“高空修枝剪”的多次迭代改進(jìn)，親歷產(chǎn)品從構(gòu)思到成型的全過程，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品開發(fā)是一個(gè)持續(xù)優(yōu)化的過程，并在實(shí)踐過程中掌握產(chǎn)品迭代的兩大路徑一—材料升級(jí)和設(shè)計(jì)優(yōu)化。產(chǎn)品發(fā)布過程則回歸產(chǎn)品真實(shí)用途，回應(yīng)驅(qū)動(dòng)問題，將產(chǎn)品交由園林工人使用，讓學(xué)生真正體驗(yàn)工程實(shí)踐滿足人類需求的本質(zhì)。

5.設(shè)：對(duì)照市售成品，拓展思維，暢想未來產(chǎn)品

由于知識(shí)儲(chǔ)備與材料限制，學(xué)生的產(chǎn)品迭代空間有限。筆者展示市售的高空?qǐng)@藝剪，引導(dǎo)學(xué)生通過使用比較，分析市售產(chǎn)品如何解決設(shè)計(jì)痛點(diǎn)及其有哪些設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

筆者布置課后任務(wù)：（1）查找其他類型的高空修枝剪，找出設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)；（2）如果技術(shù)條件允許，你覺得還可以在哪些方面對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)？如何改進(jìn)？

設(shè)計(jì)意圖：通過與市售成品的比較，讓學(xué)生清晰認(rèn)識(shí)到市場(chǎng)需求與自身能力的差距，明確學(xué)習(xí)方向，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。對(duì)未來產(chǎn)品的暢想，則為學(xué)生的創(chuàng)新思維提供了廣闊空間，培養(yǎng)學(xué)生的未來視野和前瞻性思維。這樣可使學(xué)生的思維從發(fā)散設(shè)計(jì)到聚合統(tǒng)一再到發(fā)散暢想，從而不斷提升創(chuàng)造性思維與設(shè)計(jì)能力。

（三）評(píng)項(xiàng)·指導(dǎo)：前置多維評(píng)價(jià)，發(fā)展批判性思維

在學(xué)習(xí)過程中，通過前置評(píng)價(jià)量表，可讓學(xué)生明晰學(xué)習(xí)目標(biāo)，從個(gè)體、同伴、教師多角度共同促進(jìn)學(xué)生隨時(shí)修正學(xué)習(xí)行為。產(chǎn)品量化PTA量表設(shè)計(jì)可作為學(xué)生創(chuàng)造性思維提升的環(huán)節(jié)，由傳統(tǒng)的教師展示改為由教師引導(dǎo)學(xué)生討論得出。學(xué)生綜合考慮產(chǎn)品維度，商定產(chǎn)品量化前置PTA量表，以明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向，指引項(xiàng)目實(shí)施方向。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，學(xué)生思維遞進(jìn)，量表也隨之進(jìn)行迭代，修正成為產(chǎn)品量化后置PTA量表，指引產(chǎn)品的進(jìn)一步迭代方向，提升學(xué)生工程思維的系統(tǒng)性、批判性、迭代性。

1.多維度評(píng)價(jià)，前置引領(lǐng)，指導(dǎo)項(xiàng)目方向

在項(xiàng)目實(shí)施的起始環(huán)節(jié)，筆者引導(dǎo)學(xué)生通過發(fā)散討論、聚合統(tǒng)一意見，設(shè)定了“省力\"“牢固”“靈活”“安全\"等評(píng)價(jià)維度，并制訂不同水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然后師生共同制訂出“高空修枝剪\"產(chǎn)品量化前置PTA量表（如表2所示），指導(dǎo)項(xiàng)目進(jìn)程。

2.生成式評(píng)價(jià)，迭代遞進(jìn)，促進(jìn)思維發(fā)展

隨著設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，以及對(duì)產(chǎn)品需求的理解不斷深入，學(xué)生發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品量化前置PTA量表已不能滿足產(chǎn)品評(píng)價(jià)所需。由此需求驅(qū)動(dòng)，學(xué)生對(duì)產(chǎn)品量化前置PTA量表進(jìn)一步細(xì)化迭代，增加生成性評(píng)價(jià)指標(biāo)，如“自動(dòng)復(fù)位\"等維度，并給出相關(guān)水平描述（如對(duì)“自動(dòng)復(fù)位\"的水平描述：“水平一：連續(xù)剪切無卡頓”“水平二：可連續(xù)剪切，偶然出現(xiàn)復(fù)位延遲，需手動(dòng)調(diào)節(jié)”“水平三：剪切后無法復(fù)位”），形成產(chǎn)品量化后置PTA量表，從而以評(píng)促學(xué)，利用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的迭代，進(jìn)一步推進(jìn)工程產(chǎn)品的優(yōu)化，促進(jìn)工程思維的進(jìn)階培養(yǎng)。

綜上，在基于CPS模型開展初中科學(xué)工程教育中，通過真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)及多元評(píng)價(jià)引導(dǎo)，可幫助學(xué)生建立“需求—設(shè)計(jì)一產(chǎn)品\"的工程轉(zhuǎn)化邏輯，實(shí)現(xiàn)核心概念的意義建構(gòu)與工程思維的本質(zhì)提升，進(jìn)而達(dá)成發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的育人目標(biāo)。

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