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工程实践导向的初中科学教学设计研究

作者：杨封友周华松刘振东

来源：《中学物理初中》·2020年第03期

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中圖分类号：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.

对工程实践的基本认识1

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.

工程实践2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.

需求：2.1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.

设2.2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L