工程实践导向的初中科学教学设计研究

杨封友 周华松 刘振东

摘 要：科学与工程实践是科学学习的新趋势，STEM教育是科学教学的新抓手.为使STEM教育能进入所有学校的常态课堂，本文基于对工程实践的认识，依据制作伪全息3D投影装置的教学经历，总结了以工程实践为导向的初中科学教学模式，认为选择真实且有趣的情景，以简易而不简单的造物为载体，以设计与论证为手段，能有效地提升学生科学与工程实践的能力，丰富STEM课程案例开发的视角.

关键词：工程实践;初中科学;教学设计

文章编号：1008-4134（2020）06-0010    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

工程是人类为满足生存和发展需求而进行的改变自然状态的活动，核心是建造，成果是产品或设施，途径是工程实践.在义务教育阶段，如何将科学课程融入工程教育，进行STEM教育，为学生提供工程实践的机会，是当前备受关注和亟待解决的问题.

1 对工程实践的基本认识

从探究走向实践是人们对科学教育认识的发展.“科学和工程实践”是美国科学教育的三个维度之一，“实践创新”也是中国学生发展六大核心素养之一.美国新《K-12科学教育框架》还确定了如下8个科学与工程领域的实践：提出与确定问题，建立和使用模型，设计和实施调查，分析和解释数据，使用数学与计算的思维，构建（科学）解释和设计（工程）解决方案，从事基于证据的辩论，获取、评价和交流信息[1].

工程实践是指工程师所从事的工程构想、设计、实现和运行工作.其中，设计是工程实践的本质与核心[2].因此，教学的重心要落在设计上，让学生了解设计的一般过程及通用技能，感受实际条件对设计的制约，努力孵化创意、熟悉方法以及培育思维.

工程设计是为满足目标需求而创造某种系统、部件或方法的过程.这是一个决策过程（通常是反复的），在这个过程中，需要使用基础科学、数学及工程科学来优化转换组合资源以实现特定目标[3].让学生运用科学原理或数学知识来进行解释或论证，并创造性地解决实际问题，利于增强运用各学科知识解决问题的意识与能力.

2 工程实践导向的初中科学教学设计

工程实践导向的初中科学教学是指通过建造实物或案例剖析等活动，寓科学探究于工程实践，让学生经历问题、设计、论证、建模、解释、制造、测试以及评估等阶段，以增强科学和工程领域的实践能力、学科知识的综合运用能力为主要目的的教学.其中建造实物型的教学流程如下：

现以浙江省特级教师周华松在浙江省初中科学课程改革30周年纪念暨科学教育国际研讨会执教的“真假与虚实——制造超炫的视觉效果”（即伪全息3D投影制作）为例，探讨此类教学的具体操作.

2.1 需求：创设情境，界定问题

需求是工程实践的动因，也是课堂教学的开端.教师需要筛选或创设真实的工程情境，情境力求真实，蕴含科学、数学等元素，能吸引学生参与其中.同时，还需帮助学生从情境中发现问题，并对问题进行界定.

本课教学先播放2015春节晚会舞台上李宇春表演的节目《蜀绣》片段，定格于如图2所示时刻，在学生心生疑惑时教师问道：“舞台上怎么会有四个‘李宇春？”学生展开讨论，有同学猜测有是“替身”，也有同学猜测是“投影”，最后教师告知：是李宇春的“真人”与“投影”同时出现，图2中没有加框的是李宇春本人，加框的是李宇春的“投影”.在学生颇感神奇之时，教师揭示任务：设计制作一个类似的装置，实现“投影”与“真人”同台表演的视觉效果.

让学生对春晚节目的制作进行猜测，现象真实而有趣，易激起学生探索原理、验证猜测的欲望;因此，当揭示工程任务时，学生充满期待与疑惑.

2.2 设计：分解引导，形成方案

设计是工程实践的龙头，也是科学教学的核心.设计旨在形成方案，通常可依据需求，将终设计分解为小设计，小设计逐步推进或综合，便形成所需要的解决方案.在这一环节，教师要先对任务进行分解编排，引导学生进行头脑风暴、科学论证、方案优化以及模型建构.本课将“伪全息3D投影的制作”分解为三个小设计，具体实施过程如下：

【设计1】让平放的影像竖立起来

教师设问：如何实现李宇春的“投影”与“真人”同时登台呢？并提醒：舞台地面上有LED地幕，出示一图片平放在桌面，表示地幕上的影像，然后让学生讨论：有什么办法可以使“影像”立起来，让大家能看到图片上的内容.学生讨论后得出：根据平面镜成像原理，可以让地幕中的影像立起来.教师追问：如果要让像直立起来，平面镜放置有什么要求？此时，让学生用平面镜进行实验，验证自己的猜测，并通过实验与作图论证镜面与水平面之间的夹角应为45°，学生实验如图3所示，作图并论证过程如图4所示.

在这一过程，教师引导学生设计出使影像由平放变为竖立的方法，再通过作图和数学知识论证镜面与水平面间的夹角度数，锻炼了学生运用平面镜成像特点解决实际问题、运用数学知识论证工程设计科学性的能力.

【设计2】让“真人”与“投影”同台表演

当完成设计1后，教师问：要产生如图2所示的观察效果，真人李宇春站在镜子的前面还是后面？学生猜测后，教师进行演示实验，发现若站在镜后，则看不见真人，若站在镜前，则不会出现图2效果.于是，让学生再进行头脑风暴，有的学生针对镜子不透明，想到了將普通平面镜改为透明材质，即用薄玻璃板进行平面镜成像实验，既能看见蜡烛A所成的像A′，也能看见镜后的蜡烛B.此时，教师进行演示实验：将平面镜改为玻璃板，结果如图5所示，学生便观察到了“真人”与“投影”同台演出的效果.最后，教师揭示春晚节目《蜀绣》“多个李宇春同台演出”的奥秘，展示图6并介绍：舞台上巨大的透明全息膜可以使LED地幕形成竖立的“空中幻象”，真人李宇春在透明全息膜的后面表演，而观众便看到“真人”与“幻象”同台演出的震撼效果，却感觉不到透明全息膜的存在.

在这一过程中，将平面镜改为透明玻璃，运用佩珀尔幻象技术，即当光线经倾斜45°的透光平面镜反射后进入人眼，在反射面的背景相对昏暗的情况下，会形成一种光源和背景叠加的错觉[4]，实现了“真人”与“投影”同台可见的效果;揭示春晚节目《蜀绣》的奥秘，易使学生感受到科学知识的价值与工程技术的魅力.

【设计3】让前后、左右的观众都能看到

当完成设计2后，教师问：若舞台在中央、观众在四周，想要前后和左右的观众都能观看到类似效果，怎么办呢？静思后，有学生提出：在左右、前后都放置与水平面成45°的透明膜、地幕投影.教师追问：“四块透明膜要构成怎样的形状？”学生想象后提出这像一个倒置的金字塔.此时，教师先后展示图7-（1）、（2），问：“若金字塔由倒置变为正立，则LED地幕应安放哪儿呢？”学生回答后，教师展示图7-（3），并进行小结：“金字塔由倒置翻转为正立，LED地幕则应翻转为顶幕，这样，前后、左右的观众都能看到了”.

本设计是之前设计的拓展，侧重帮助学生初步建构模型，以直观表达设计的问题解决方案.同时，还可依据学生的学习水平及学习进程，让学生讨论后认识到：拍摄同一演员不同方位的像，通过锥形屏幕进行投影可合成一个“立体的人像”，也可通过教师演示、学生课后讨论得出“投影”与视频源的关系.

总之，学生完成上述三个设计任务，经历了工程设计的“迭代”过程，以及原理的的科学理解与数学论证、方案的模型化表达，提升了学生科学、工程、数学等素养.值得注意的是，教师要先对设计任务进行分解，辨析不同任务的难度，编排好教学的次序;学生设计时，教师是组织引导者，要给学生足够的时间进行思考与交流，方案应源自学生间的质疑与设想.

2.3 建造：巡视提醒，放样制作

建造是设计的物化过程，也是产品的诞生过程.通常包含放样与制作两步，放样旨在把图纸上的方案“搬”到实际现场，制作是按试样进行剪裁、组装等操作，进而形成产品.本课学生需依据金字塔模型推算出其三角形斜面的尺寸，再尽可能少地利用给定透明塑料胶片裁剪出所需的组件，然后将组件进行组装，教学过程如下：

教师出示透明塑料胶片，问：“用透明塑料胶片制作金字塔， 如何裁剪侧面的等腰三角形呢？”学生认为需要知道△PBC的底边BC和高PM的长，教师追问：“若已知底边BC=10cm，则其高PM应为多少？”此时，学生先独立思考再进行交流，教师适时展示如图8-A所示的3D打印实心模型（可沿两对应斜面高分开），帮助学生将求斜面三角形的高转换为求经两对应高切面三角形的腰，如图8-B所示，学生便能求出PM，求解过程如图9所示.

接着，让学生先在A4纸（恰与透明胶片等大）上画四个等腰三角形，规格为底边10cm、高7cm，并组织学生进行交流，力求用材最节约.然后，学生分组进行裁剪、组装，教师适当提示操作的技巧与注意事项.完成后，学生对所制成的产品进行验证与优化.

在这一环节中，裁剪的尺寸不是教师直接告知学生，而是学生根据模型运用数学知识推导求解而出，有效地锻炼了学生问题转换与数学推导的能力.

2.4 展评：组织交流，展示评价

展评是指学生展示所制造的产品，并进行相互评价，目的是对产品进行说明、推广，从他人的评价中获取改进优化的方向.在展评前，教师需组织学生对产品说明、评价标准进行讨论，形成基础要求与评价维度，为学生展评提供思维支持.

学生完成产品制作后，教师提问：“为使他人了解产品、交流制作经验、实现优化改进，我们进行展示评价活动，你认为可从哪些方面来说明、评价产品？”学生个别发言，教师归纳形成如图10所示板书.然后，让学生分组设计自己的产品说明书，力求更具创意.最后，分组展示产品如图11所示，并进行自评与互评，评价见表1.

值得注意的是，小组评价表也可以在提出需求后即告知学生，让学生明确每一环节的努力方向;另外，若课堂時间紧迫，展评也可采用海报等形式于课后再实施.

3 体会与思考

3.1 任务独特，促使学教方式转变

本设计源于真实而有趣的情境，任务是以科学和工程实践为导向，STEM各领域的学习内容见表2，面对情境与任务，充满好奇与挑战是学生的自然反应.纵观设计、建造以及展评等实践环节，都是学生快乐的智慧分享推动了实践活动的发展，学生始终是学习的主体，教师则是积极的组织者、引导者、旁观者以及协助者.可见，设计真实有趣、易于实践、内涵丰厚的学习任务，可促使学教方式的自然转变.

3.2 科学论证，实现跨科知能整合

科学论证是一种高水平的思维活动.本课进行了两次论证：一是为了让平放的影像竖立起来，对平面镜与水平面的夹角度数进行论证，利用三角形全等的相关知识;二是为了确定侧面三角形的高，对金字塔模型进行问题转换，利用勾股定理由底边求出了高.在论证过程中，利用科学与数学的已有知识，证实了原理的正确性，推证出了组件的尺寸，体现了学科知识的应用价值，并且这是一个基于问题解决的知识检索、逻辑编码过程，即科学论证的过程.可见，以问题解决为目的、科学论证为手段，能有效实现跨科知识与能力的整合.

3.3 器材简易，利于案例推广实施

STEM教育要走向常态、进入基础课、实现普及，开发蕴含各科核心知识、只需简易硬件条件的课例是一项前提保障.本设计所需的手机（或iPad）、透明塑料片、剪刀、刻度尺等器材简单易得，从硬件上看，可以在每一所学校复制推广，能够让每一位学生都参与其中.但是，利用简易器材制作装置所涉及的各科知识、各种能力，则是一个巨大的隐藏的宝库，需要我们不断地去研发，这可能也是STEM教育研究的重要视角.

总之，开展工程实践导向的初中科学教学，以真实而有趣的情景为起点，以简易而不简单的造物为目标，以设计与论证为手段，能有效提升学生运用所学知识解决实际问题、进行科学探究与创新实践的能力，也是各类学校开展STEM课程、让每一学生有机会参与的重要途径之一.

参考文献：

[1]谢绍平，董秀红.美国新《K-12科学教育框架》解读[J].外国中小学教育，2013（04）：55-61.

[2]占小红.工程实践融入基础科学教育：内涵、目标与路径[J].基础教育，2017，14（03）：45-49+59.

[3]曹岩，师新民，杨丽娜译，尤塞夫·海克.塔莫·M.沙新编著.工程设计过程[M].北京：化学工业出版社，2012：2.

[4]解问鼎，郭雅洁，陶洪.“佩珀尔幻象”的光学原理及其在初中物理教学中的应用[J].物理教师，2014，35（10）：40-42+48.

[5]李崎颖，金晓凌，丁旭梅.STEM视角下的初中科学课程教学实践研究——以伪全息3D投影制作为例[J].中国教育信息化，2016（24）：35-39.

[6]万春露，潘亚杰，赵亮.工程设计视角下“平面镜成像的应用”教学设计——以“伪全息3D投影”教学为例[J].湖南中学物理，2018，33（10）：96-98.

（收稿日期：2019-12-21）