基于工程的初中科学教学设计与实践

摘  要：通过借鉴工程实践的设计模型，形成以工程实践为核心、以问题解决为线索、以物化成果为形式的初中科学教学范式，并以“设计自动冲水装置”项目为例，阐述了教学设计与实践流程。整个课堂教学流程是一个循环系统，包含需求、设计、物化、迭代、深化５个环节。此外，对开展基于工程的科学教学提出了以“学为中心”的三点思考：教师是项目设计者和课堂组织者；教师在设计项目时应关注学生的经验水平；教师在组织课堂时应关注学生的参与情况。

关键词：工程实践；工程思维；初中科学；课堂教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2025）3-0043-5科学学科具有很强的综合性、实践性和开放性。近年来，随着ＳＴＥＭ课程和项目式学习等学习方式的兴起，科学教育已成为与技术、工程、社会相互渗透的“科学＋”教育。在《义务教育科学课程标准（２０２２年版）》中，“工程设计与物化”被确定为科学课程内容的１３个学科核心概念之一［１］。

尽管工程思维培养的重要性已成为大部分教育工作者的共识，并且各类展示课上也时常闪现工程实践的影子。然而，鉴于初中阶段的应试压力与课时紧张问题，工程思维的培养很难落地于常态课中，面临着被表演化、边缘化、活动化的现实。因此，寻找一条将工程实践融入初中科学教学的实践路径，已然成为了一项重要的课题。

１基于工程的科学教学设计

工程实践偏向于人造物的设计，而科学学习更注重于自然问题的探究，二者在核心流程上存在诸多区别。事实上，许多教师并不了解工程实践，也不知道如何设计工程实践项目。因此，若要做好工程实践与科学教育的融合，教师就必须了解工程实践的流程。

美国ＳＴＥＭ教育研究者Ａｎｎｅ Ｊｏｌｌｙ将工程实践过程描述为８个环节（图1）［２］。其中，定义问题是指从真实情境中抽象出需要解决的问题；背景研究是指收集解决问题需要的相关背景信息；想象是指进行头脑风暴，从不同角度提出具有创造性的解决方案；计划是指选出最优方案，并制订具体的计划或设计；创造是指根据方案制作实物原型；测试与评估是指测试原型，评估原型的效果；重新设计是指根据测试与评估的结果，对原型进行优化迭代；交流是指组内和组间交流遇到的问题、解决问题的方案和问题解决的效果。在解决问题的过程中，需要不断重复整个过程或部分环节，直至迭代出最优的方案。

虽然经过众多学者的理论研究和实践检验，工程实践的流程已经十分成熟。但在将其融合到科学教学的过程中，仍然遇到了脱离课标（缺少学科特质，忽视课标要求）、课时不足（项目耗时过长，问题过于复杂）、思维封闭（课堂由教师主导，设计引导过强）等问题。本研究结合科学学科特点和课标要求，融合工程实践流程，形成了基于工程的科学教学范式（图２）。该教学范式以工程实践为核心，以问题解决为线索，以物化成果为形式。建构出了一个包含需求、设计、物化、迭代、深化５个环节的教学流程循环系统。

２基于工程的科学教学实践

以“设计自动冲水装置”为例，具体阐释基于工程实践的课堂教学流程。

２．１需求：创设情境，聚焦问题

工程的基础是真实情境中的需求。在此环节，教师结合教学内容和学生学情，创设具体的生活情境，呈现需要解决的工程挑战。工程挑战中的“需求”往往是亟待解决的劣构问题，目的是激发学生的学习兴趣，引导学生明确问题、条件和规则。该环节重在培养学生信息获取、综合分析和问题提炼能力。

【创设情境】 水上游乐园中有个大水桶，每隔几分钟，待其装满水后就会自动倾倒实现冲水。基于此，请你应用重心相关知识设计一个自动冲水装置。

设计思路：准备一个可以转动的容器来承接从水龙头中细细流出的水，当容器中的水积聚到一定体积时，受重心位置变化的影响，容器失去平衡而翻倒，容器中的水被全部倒出，而倒完水的容器又能自动恢复到初始位置重新接水，如此循环往复。

在实际授课中，教师可以让观察过该装置的学生结合视频描述该装置的工作场景。这样操作既可以使情境更加真实有趣，还能让学生更快地理解工程需求，更好地融入到课堂项目中。

２．２设计：搭建支架，设计方案

工程的关键是设计，而设计离不开对工程问题的深入了解和充足的知识储备。在此环节，教师为学生的设计和探究活动提供必要的拓展资料和学习支架。拓展资料包括学科知识、演示实验、调查数据等；学习支架包括导学案、记录表等。在教师所搭建支架的帮助下，学生自主建构并进行头脑风暴，形成多样化的解决方案，并挑选出最优方案。该环节重在培养学生作出解释、开发模型和设计方案的能力。

【搭建支架】教师引导学生学习重心的相关知识，如重心的概念、重心与物体稳定性的关系。教师可以结合生活情境引出科学知识和规律，如赛车底盘为什么设计得很低，风扇底座为什么做得很大、很重等。

随后，教师播放“荷叶运输雨水”的视频，画面中荷叶接一会儿水就倒掉，并恢复到初始位置继续接水（图３）。教师引导学生运用重心的知识解释视频中的现象：初始，荷叶中没有积水，重心偏低，整体状态较为稳定。随着荷叶接住的水越来越多，水位持续上升，重心逐渐升高，整体状态变得不稳定。与此同时，荷叶变重，导致茎弯曲倾倒，荷叶便顺势将水倒掉。最后，荷叶又回到了最初的直立状态继续接水，周而复始。

【设计方案】 在学生理解重心的相关知识后，教师引导学生回到工程项目中。各小组用纸杯代替大水桶，设计自动冲水装置的创新方案，并绘制相关草图。待学生讨论交流后，根据设计需求和制作可行性，挑选了图４所示的三种方案。Ａ方案用一根铁丝穿过纸杯的中部作为转轴，当纸杯装满水后便会自动翻转将水倒出。Ｂ方案模拟了“荷叶运水”的情境，用纸杯的下半部分模拟荷叶，用弹簧模拟茎，当水装满纸杯时，弹簧因承受压力而弯曲使得纸杯倾倒将水倒出。Ｃ方案用绳子连接纸杯杯口的两侧，将纸杯悬挂起来，当水装满时纸杯便会翻转将水倒出。

２．３物化：制作原型，测试评估

工程的核心是物化，而检验和测试是物化环节的重要部分，通过测试评估可以发现产品的不足，进而改进工程设计，优化学生表现。在此环节，学生通过组内合作、讨论，形成具体的方案，并通过实践、制作等过程，打造出实物原型。然后，对作品或方案进行检验和测试，根据评价量规分析哪些方面符合需求，哪些地方需要优化。该环节重在培养学生权衡利弊、动手制作、测试评估的能力。

【制作原型】 教师提供所需的器材，如纸杯、铁丝、绳子、弹簧等。学生选择器材，并根据设计方案制作实物原型。

【测试评估】学生用水瓶向各实物原型的纸杯中匀速倒水，测试其性能是否符合要求。图４中Ａ方案的装置接水时会出现纸杯持续绕轴旋转而无法储水的情况，不能满足间隔冲水的需求。图４中Ｂ方案的装置由于弹簧粗细难以适配，往往出现还没装够水弹簧就已经弯曲导致杯子倾倒的情况，且杯子倾倒的方向也难以控制。图４中Ｃ方案的装置接水后十分稳定，直到接满水也不会倾倒，无法满足冲水的基本需求。

２．４迭代：优化设计，升级产品

工程物化的成果需要不断迭代。在此环节，学生通过交流、讨论，针对原型中不满足需求的部分进行优化设计，并动手升级实物原型，让产品尽善尽美。教师要有意识地给予学生主动交流、评价、研究的机会，激发和培养学生的开放性思维、批判性思维和创新性思维。

【优化设计】学生根据测试结果和间隔冲水的设计需求，开展组内和组间讨论。大多数学生认为，图４中Ａ方案的装置效果更接近实际需求，因此选择该装置展开进一步优化。在改进过程中，不同小组也会提出不同的方案：有的认为转轴太低，有的则认为转轴太高，也有的认为转轴在水平方向上应偏离纸杯中部。该环节是课堂的主要分化点，是锻炼学生工程思维、动手能力、问题解决能力的关键环节，因此要给足学生探索和实践的时间。

学生根据本组的迭代方案重新制作实物产品，并测试产品效果。然而，很多小组的产品依然不能满足需求，归纳起来有以下几种情况：杯子依旧持续旋转装不了水，杯子装满水时也不倾倒，杯子未装水时已倾倒。经过长时间的探索，部分学生可能会因为找不到解决方案而感到些许挫败，但总有部分学生的方案可以奏效。此时，教师就需要组织成功小组分享他们的方案和经验，并引导其他学生比较、分析，寻找成功与失败的规律。

一番观察下来，不难发现成功小组所设计的转轴在竖直方向上位于中间稍偏上的位置，在水平方向上位于中间稍偏后的位置（为了形成不对称的结构，使得杯子能向前倾倒），该装置三视图如图５所示。当转轴太靠下时，就容易出现杯子未装水就已倾倒的情况；当转轴位于中间稍偏下位置时，就容易出现接水时杯子一直旋转的情况；当转轴太靠上时，就容易出现杯子装满水后也不倾倒的情况。

２．５深化：交流方案，反思升华

深化是学生对所学知识和技能的拓展和延伸。在此环节，学生展示成果，依据评价量规开展自评和互评。最后，学生根据评价结果反思设计过程，进一步优化方案，深化对问题的理解，并寻找新的挑战。新的挑战可以是对该问题更加深入的研究，可以是对产品不足的继续优化，也可以从更广阔的角度对产品进行反思和升华。该环节重在培养学生的高阶思维、态度责任和跨学科视野。

【反思升华】 在本节课的最后，教师可以带领学生从学科理论和传统文化的角度，进一步深入学习和探究，寻找该项目背后蕴含的深层规律和文化内涵。

２．５．１理论深入，发展问题解决的高阶思维

此前的交流只寻找到了成功的设计，却没有分析出成功的规律。古话说，知其然，更要知其所以然。虽然受限于学生的知识储备，不能通过理论定量分析大桶周期性倾覆的原因，但是可以引导学生从定性的角度解释其原因。教师可以引导学生思考纸杯从全空到装满水的过程中，整个装置重心的变化过程。其中，可以着重分析全空、半满、全满时的重心位置。如图６所示，转轴位置为Ｏ，当纸杯全空时重心近似位于纸杯的中间，即Ａ位置。当加水到半满时，由于底部水的质量大而纸杯很轻，重心明显降低，近似位于Ｂ位置，纸杯变得更加稳定。当加水到全满时，由于水位升高，重心也随之升高，近似位于Ｃ位置，此时重心高于转轴，纸杯倾覆。

对于学有余力且有兴趣的学生，教师可以在课后为他们展示定量的推导过程。将纸杯近似看作圆柱形容器，令纸杯的质量为ｍ，纸杯底面积为Ｓ，纸杯高度为Ｌ，水的密度为ρ，水龙头单位时间的水流质量为Ｑ。

因此，纸杯的重心高度为。在时间ｔ时，纸杯中水的质量为Ｑｔ，水位高度为，则杯内水的重心高度为。由于纸杯很轻，可以认为m<<Qt。

根据重心的计算公式，重心高度ｈ与时间ｔ的关系式为

代入对应的数据，在ＧｅｏＧｅｂｒａ中绘制出重心高度ｈ与时间t的函数关系图像（图７）。可以看出，重心高度确实随着时间（即杯内水量）周期性变化。

２．５．２内涵升华，传承博大精深的传统文化

实际上，该装置与中国古代的一种名为“欹器”的容器十分类似，欹器也具有“虚而欹，中而正，满而覆”的特点，即空的时候倾斜，加一半水正立，加满水后倾覆。令人惋惜的是，这种装置已然失传，我们如今只能看到文献中的记载，如《荀子·宥坐》中提到，孔子观于鲁桓公之庙，有欹器焉，孔子问于守庙者曰：“此为何器”，守庙者曰：“此盖为宥坐之器”，孔子曰：“吾闻宥坐之器者，虚则欹，中则正，满则覆”，孔子顾谓弟子曰：“注水焉”，弟子挹水而注之，中而正，满而覆，虚而欹，孔子喟然而叹曰：“吁！恶有满而不覆者哉”。

教师引导学生将欹器的这种特点与我国传统文化里的“中庸”和“谦受益，满招损”等处世哲学相联系。遥想往昔，三皇五帝都把它作为警诫之器，孔子也曾用它来教育学生［３］。将中华优秀传统文化融入课堂，既能树立学生正确的价值观，也能让学生产生强烈的文化认同感和自豪感。