一、背景

在STEAM教育視野下，將工程實(shí)踐融入現(xiàn)有的科學(xué)課程中，目前已成為很多國家的科學(xué)教育政策主導(dǎo)和研究熱點(diǎn)^[1]。在基礎(chǔ)科學(xué)教學(xué)中整合科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)，能讓學(xué)生從小有機(jī)會嘗試打通“是何”“為何”與“如何”問題的思考，不單關(guān)注作為產(chǎn)物的科學(xué)知識或技術(shù)，更看重人類基于理性認(rèn)識和改造世界的過程與方法^[2]。物理作為一門基礎(chǔ)科學(xué)課程，其內(nèi)容與工程實(shí)踐存在著天然的關(guān)聯(lián)，但目前傳統(tǒng)教學(xué)多重視科學(xué)原理與規(guī)律的探究及其在生活現(xiàn)象中的解釋，而對于其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用則關(guān)注不夠，導(dǎo)致學(xué)生能解決“是何”“為何”類問題，而面對“如何”類問題其表現(xiàn)往往不盡如人意。筆者以STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)“‘天問一號’火星降落傘工程設(shè)計(jì)”為例，探討在科學(xué)與工程整合視角下以物理課程為載體的STEAM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐探索。

二、BSCS 5E模式下科學(xué)與工程的整合路徑

科學(xué)與工程在物理課程中的整合并非簡單以情境任務(wù)驅(qū)動(dòng)物理學(xué)習(xí)，而是將工程設(shè)計(jì)思維與科學(xué)思維有機(jī)結(jié)合，建構(gòu)兩種思維的互反饋機(jī)制，形成開放式的“探究→解決問題→優(yōu)化問題→再探究”的良性循環(huán)，促使學(xué)生在非線性的、邊界模糊的學(xué)習(xí)過程中逐漸趨向?qū)W習(xí)目標(biāo)。教師可采用科學(xué)課程中廣泛使用的教學(xué)模式BSCS 5E模型，該模式包括引入（engagement）、探索（exploration）、解釋（explanation）、遷移（extension）、評估（evaluation）五個(gè)階段，與工程設(shè)計(jì)過程有較高的契合度，是形成工程思維-科學(xué)思維互反饋循環(huán)的有效模式，對于工程設(shè)計(jì)與科學(xué)課程的融合具有較大的借鑒意義。

筆者以教學(xué)“‘天問一號’火星降落傘工程設(shè)計(jì)”為例說明。此項(xiàng)目是基于“簡單運(yùn)動(dòng)”單元拓展而來，其基于5E模式的教學(xué)流程如圖1所示。各環(huán)節(jié)的科學(xué)問題與工程問題相互迭代，學(xué)生所經(jīng)歷的思考過程并非單線過程。例如，在工程問題“火星降落傘的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮哪些重要性能”的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生將進(jìn)行工程需求分析，并提出科學(xué)問題“降落傘的控速性能、穩(wěn)定性與哪些因素有關(guān)”;在“探索”與“解釋”環(huán)節(jié)，學(xué)生解決的科學(xué)問題是“遷移”與“評估”環(huán)節(jié)中工程問題的重要依據(jù)，同時(shí)學(xué)生在工程實(shí)踐中也要不斷審視前面的科學(xué)問題，甚至?xí)|發(fā)新的科學(xué)問題并回到前一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)求證;最終的“評估”環(huán)節(jié)將是工程與科學(xué)問題反復(fù)循環(huán)迭代的過程。總之，學(xué)生在工程與科學(xué)問題的迭代過程中逐層經(jīng)歷“關(guān)聯(lián)整合、遷移應(yīng)用、建構(gòu)新知、實(shí)踐新知、檢驗(yàn)新知”的深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)“不僅要學(xué)會學(xué)習(xí)，更要會用知識解決問題”的終身學(xué)習(xí)意識。

（一）引入——分析工程需求，明確評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

引入環(huán)節(jié)，教師不僅要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引發(fā)學(xué)生對問題的關(guān)注，激發(fā)探究興趣，而且要引導(dǎo)學(xué)生通過視頻資源、媒體資源、科普文獻(xiàn)等多種信息渠道，對已有信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合并提煉出待解決的實(shí)際問題。最終，師生共同明確預(yù)期成果。

1. 項(xiàng)目背景

“天問一號”是我國研制的第一套火星探測器，目前已成功升空并完成兩次軌道修正及深空機(jī)動(dòng)，預(yù)計(jì)2021年登陸火星。筆者播放視頻，介紹“天問一號”探測器研制背景及飛行現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和使命感，并講述接下來面臨的挑戰(zhàn)：“天問一號”將一次性完成火星環(huán)繞、著陸和巡視探測“三步走”任務(wù)，其中著陸技術(shù)是火星探測的關(guān)鍵技術(shù)之一，著陸過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是降落傘降速?；鹦墙德鋫愕男阅苁怯绊懼懶Ч闹匾蛩?。在此背景之下提出核心任務(wù)：為“天問一號”設(shè)計(jì)一款火星降落傘，讓其安全順利地著陸。

2. 工程需求

學(xué)生閱讀相關(guān)的科普文獻(xiàn)，了解火星地理環(huán)境及登陸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際問題分析可能風(fēng)險(xiǎn)及限制因素，經(jīng)過頭腦風(fēng)暴后得出降落傘性能的兩個(gè)關(guān)鍵要素，即控速性能與穩(wěn)定性能，為后續(xù)科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)明確方向。

3. 預(yù)期結(jié)果與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

師生針對工程需求，共同明確任務(wù)的預(yù)期結(jié)果，并簽訂工程協(xié)議書。讓學(xué)生扮演工程師，接受挑戰(zhàn)性任務(wù)有助于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。以本項(xiàng)目為例，由于火星上大氣密度要比地球上小兩個(gè)數(shù)量級左右，地球上的模擬測試將增大難度系數(shù)，采用灌有水的氣球來模擬火星探測器。評價(jià)量規(guī)可依據(jù)工程需求劃分4個(gè)評價(jià)維度并細(xì)化：（1）水球質(zhì)量不低于200克;（2）下落高度不低于10米;（3）水球無破損;（4）落到指定區(qū)域。教師事先向?qū)W生展示質(zhì)量為200克的水球由2米高處自由下落，水球輕易爆裂，讓學(xué)生體會到任務(wù)的挑戰(zhàn)性，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

（二）探索——科學(xué)探究，為工程設(shè)計(jì)探路

1.舊知新解，遷移應(yīng)用

探索環(huán)節(jié)是學(xué)生關(guān)聯(lián)舊知、遷移應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，教師應(yīng)注重探究活動(dòng)與物理單元知識學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)與進(jìn)階，讓學(xué)生利用已有學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)陌生情境中的遷移應(yīng)用。以本項(xiàng)目為例，學(xué)生要科學(xué)地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，需要通過實(shí)驗(yàn)探究得出相應(yīng)的理論依據(jù)，而實(shí)驗(yàn)探究應(yīng)采用何種測量方案，是學(xué)生需要解決的第一個(gè)問題。學(xué)生在小學(xué)科學(xué)課程中已探究過降落傘下降快慢的影響因素，但對實(shí)驗(yàn)原理并未做過深入探討。在八年級物理“物體簡單運(yùn)動(dòng)”單元的基礎(chǔ)上，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)知識以批判性的眼光對實(shí)驗(yàn)探究方案再審視。

【教學(xué)片段】

教師：在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，我們通過比較物體全程下落的時(shí)間來比較下降快慢，由此評估降落傘性能。此測量方案一定可靠嗎？為什么？

學(xué)生：不一定可靠。這個(gè)方案比較的是探測器全程運(yùn)動(dòng)中的平均速度，萬一物體在后面的階段又加速了，平均速度就不可靠了。

教師：沒錯(cuò)！那么在降落傘整個(gè)下落過程中，應(yīng)比較哪一階段的速度才合理？

學(xué)生：應(yīng)該比較它落地之前那一段的速度。

學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，將物體下落全路程分為4段，測量最后一段的平均速度。學(xué)生在活動(dòng)中經(jīng)歷如下三個(gè)階段。

（1）平行遷移，深化理解。學(xué)生觀看視頻重溫物理單元學(xué)習(xí)中測量小車在斜面上運(yùn)動(dòng)中的前半段、后半段速度的實(shí)驗(yàn)，嘗試將已學(xué)實(shí)驗(yàn)方案在本任務(wù)中遷移應(yīng)用。這一過程促進(jìn)了學(xué)生對所學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的深度理解。

（2）發(fā)現(xiàn)問題，批判質(zhì)疑。學(xué)生通過實(shí)際測量和系統(tǒng)模擬均發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差很大，已有實(shí)驗(yàn)方案不能滿足需求。這讓學(xué)生深刻意識到，教材中的實(shí)驗(yàn)方法也不是萬能的，需結(jié)合實(shí)際遷移應(yīng)用。這有利于培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑與創(chuàng)新的精神。

（3）方案升級，遷移創(chuàng)新。師生經(jīng)討論交流后，決定利用智能手機(jī)的慢鏡頭功能對實(shí)驗(yàn)方案加以改良：以電子屏幕上的坐標(biāo)軸和計(jì)時(shí)器為背景，將物體自由釋放，利用手機(jī)慢鏡頭功能每隔0.1秒記錄物體下落過程中所處坐標(biāo)位置及計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間，最終將數(shù)據(jù)輸入Excel表格計(jì)算每0.1秒的平均速度并繪制圖像（如圖2）?；诂F(xiàn)有信息技術(shù)，學(xué)生不僅大大提高了測量精度，而且能直觀地觀察到降落傘對物體全程下落運(yùn)動(dòng)的影響，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

同理，對于降落傘穩(wěn)定性測試的方案也可利用物理知識進(jìn)行改進(jìn)，采用風(fēng)洞裝置測試穩(wěn)定性，有助于學(xué)生深化對“運(yùn)動(dòng)相對性原理”的理解。

2. 開放式自主探究

學(xué)生基于測量方案對降落傘控速性能、穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行深入探究。工程問題比較復(fù)雜，需處理的變量很多，實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)論沒有唯一的標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的開放性。教師可鼓勵(lì)學(xué)生組建小組，以協(xié)作學(xué)習(xí)的方式共同面對挑戰(zhàn)。小組成員共同觀測模型試降并通過平臺充分交流各自的文獻(xiàn)閱讀信息后，再進(jìn)行猜想與提問，從眾多變量中提取有價(jià)值的研究變量，最終聚焦一個(gè)研究問題。例如，有的小組探究傘體結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性的影響，有的小組探究傘繩長度對控速性能的影響，有的探究傘面形狀對控速性能的影響，各小組研究方向不盡相同。教師的主要任務(wù)一是指導(dǎo)學(xué)生選題，二是線上線下跟進(jìn)學(xué)生的探究過程并即時(shí)反饋，為學(xué)生建立過程性評估證據(jù)集，引導(dǎo)學(xué)生在方向明確、邊界模糊的探究過程中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

（三）解釋——建構(gòu)模型，為工程設(shè)計(jì)指路

學(xué)習(xí)應(yīng)有“放”有“收”。完成開放式的科學(xué)探究活動(dòng)后，教師隨即組織學(xué)生在線交流分享實(shí)驗(yàn)方案、數(shù)據(jù)及結(jié)論，基于已有經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)新知。各小組學(xué)生關(guān)注維度不同，有助于學(xué)生獲取更全面的信息。教師鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)其他組的亮點(diǎn)與自身的不足，對各組實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)論進(jìn)行客觀評價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生從多個(gè)角度進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，建構(gòu)完整的理論模型，為工程設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論支持。

（四）遷移——工程設(shè)計(jì)，為科學(xué)探究賦能

遷移是學(xué)生遷移與實(shí)踐新知的環(huán)節(jié)?；诶碚撃Ｐ?，學(xué)生在解決問題過程中會發(fā)現(xiàn)很多因素是相互制約的。例如，傘頂設(shè)計(jì)孔洞會增強(qiáng)穩(wěn)定性，但同時(shí)會降低其控速性能;再如，傘繩的長度越長，穩(wěn)定性越好，但是傘體張開所需時(shí)間就會變長，影響最終效果。如何實(shí)現(xiàn)火星降落傘的整體效果最佳化？這就需要學(xué)生依據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)論反復(fù)權(quán)衡、預(yù)測、研討、決策，再進(jìn)行藍(lán)圖的定量設(shè)計(jì)。學(xué)生從中逐漸體會科學(xué)探究在工程實(shí)踐中的重要指導(dǎo)意義。學(xué)生的組內(nèi)研討過程將充分展現(xiàn)學(xué)生對理論模型的理解程度及處理復(fù)雜問題的能力。教師需要全程觀察、跟進(jìn)評估反饋，并要求學(xué)生在制作成品前進(jìn)行方案論證，闡述方案設(shè)計(jì)的理念及科學(xué)依據(jù)。

（五） 評估——測試優(yōu)化，工程與科學(xué)互反饋

工程測試是檢驗(yàn)新知的評估環(huán)節(jié)。學(xué)生依次用200克、400克水球模擬火星探測器進(jìn)行落體實(shí)驗(yàn)，測試地點(diǎn)選為教學(xué)樓4樓。用下落通道兩側(cè)的墻體模擬火星的高山地勢，若降落傘落速過快或穩(wěn)定性不佳，則容易由于高速墜地或橫向撞擊“山體”導(dǎo)致水球破裂。測試失敗的小組回看視頻，回顧理論模型并分析失敗原因，調(diào)整設(shè)計(jì)方案并重復(fù)測試，直至測試成功。

需注意的是，學(xué)生在制作與測試過程中可能會偏離原有的科學(xué)思維，陷入技術(shù)性操作即反復(fù)試錯(cuò)的慣性循環(huán)。教師需向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，工程測試與優(yōu)化是工程設(shè)計(jì)中需反復(fù)經(jīng)歷的迭代過程，而非不經(jīng)思考的“返工重制”，要不斷引導(dǎo)學(xué)生思考“工程測試中待解決的新問題是什么”“應(yīng)如何對方案進(jìn)行改進(jìn)”“改進(jìn)的依據(jù)是什么”“參數(shù)改變的預(yù)期結(jié)果是什么”等問題，從而在迭代優(yōu)化的過程中不斷強(qiáng)化科學(xué)思維與工程思維的互反饋，讓他們學(xué)會思考并解決問題。

三、總結(jié)

以物理課程為載體融入工程設(shè)計(jì)，是STEAM教育高質(zhì)量落地的一種可行路徑。此法教學(xué)優(yōu)勢明顯：其真實(shí)性推動(dòng)有意義的知識建構(gòu)，其開放性創(chuàng)生邊界模糊的學(xué)習(xí)任務(wù)，其復(fù)雜性創(chuàng)設(shè)關(guān)聯(lián)整合、遷移創(chuàng)新的進(jìn)階情境，逐步引導(dǎo)學(xué)生由淺層符號學(xué)習(xí)走向基于真實(shí)問題的深度學(xué)習(xí)。立足于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展，筆者認(rèn)為工程設(shè)計(jì)與科學(xué)課程的整合有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（一）跨學(xué)科

STEAM學(xué)習(xí)是自然生成的過程，學(xué)生在工程問題的驅(qū)動(dòng)下中能夠跨越學(xué)科邊界，將不同領(lǐng)域的知識技能融會貫通。例如，本案教學(xué)就高度融合了STEAM理念（見表1）。

（二）問題真實(shí)

教師設(shè)計(jì)工程任務(wù)要與真實(shí)世界密切聯(lián)系，為學(xué)生提供在真實(shí)問題中實(shí)踐理論知識的機(jī)會，促進(jìn)學(xué)生對知識的深入理解與有效遷移。

（三）探究有深度

學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)不僅要真實(shí)，而且要注重深度。科學(xué)探究應(yīng)與已有知識發(fā)生關(guān)聯(lián)。教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪M(jìn)階設(shè)計(jì)，可促使學(xué)生在陌生情境中基于已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合、建構(gòu)新知，培養(yǎng)他們批判質(zhì)疑與遷移創(chuàng)新的能力。

（四）課程縱向貫通

工程設(shè)計(jì)的融入應(yīng)立足于整個(gè)課程體系，讓工程真正地融入科學(xué)課程，幫助學(xué)生達(dá)成長期持久的深度學(xué)習(xí)。例如，本案例并非孤立的項(xiàng)目，它既是運(yùn)動(dòng)單元學(xué)習(xí)的綜合延伸，又用于引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐探索中初步建立相互作用與運(yùn)動(dòng)的物理觀念，為后面的力學(xué)模塊學(xué)習(xí)作鋪墊。本項(xiàng)目與前后單元學(xué)習(xí)均指向同一個(gè)大概念，即“運(yùn)動(dòng)與相互作用”，用于引導(dǎo)學(xué)生圍繞大概念不斷地進(jìn)行螺旋上升式的建構(gòu)。

注：本文系北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題 “STEM教育視野下初中物理教學(xué)與工程設(shè)計(jì)的融合模式實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：CDDB18224）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 張寶輝.全球化背景下的科學(xué)教育發(fā)展與變革——2012國際科學(xué)教育研討會綜述[J].全球教育展望，2013（4）：120-128.

[2] 唐小為，王唯真.整合STEM發(fā)展我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014，35（9）：61-68.

（作者系北京市十一學(xué)校龍樾實(shí)驗(yàn)中學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志