体现工程思维的初中科学跨学科项目设计与思考

摘要

随着新一轮课改的不断深入，STEM教育已经成为初中科学跨学科项目实践的重要内容。6E教学模式是一种体现工程思维的STEM教学模式。在介绍6E教学模式的基础上，联系真实生活情境，开发基于6E教学模式的初中科学跨学科项目“设计旋转喷水器”，以工程思维设计活动，发展学生的科学探究与工程实践能力，并提出对STEM项目设计的几点思考。

Graphical abstract

关键词

STEM教育 / 工程思维 / 6E教学模型 / 跨学科项目实践 / 旋转喷水器

STEM教育是一种多学科整合的教育模式，强调“工程思维”，将知识获取、方法与工具的利用以及创新生产过程有机统一，旨在促进学生科学、技术、数学等综合素质的养成^［1］。由于受到“课时主义”与“知识本位”的教学观影响，当前初中科学教学中存在知识结构碎片化、情境和问题设计流于形式，以及重知识轻实践等教学现象。《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，科学课程应当培养学生的科学探究能力、技术与工程实践能力^［2］。渗透STEM教育理念的跨学科项目打破了学科知识的界限，构建了真实的科学问题情境，为提升学生的学科实践能力和促进其对科学本质的理解提供了一条有效的途径。

1 体现“工程思维”的6E教学新模型

“工程思维”是STEM教育有别于一般科学教学的重要特征，工程教学指向实际工程问题的解决，要求在问题解决的过程中将科学、数学、技术零散的知识转变为探究的基础，这种教学方式不仅能极大地促进学生对科学、数学等学科知识的学习效果，还能加深他们对工程设计的理解。

2014年，美国STEM教育领域学者伯克（Burke）在科学探究5E教学模式的基础上提出了体现“工程思维”的6E教学新模式（图1），主要包括参与（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、设计（Engineer）、拓展（Enrich）和评价（Evaluate）6个环节^［3］。相比5E教学模式，该模式增加了“设计”环节，更加关注工程项目中学科知识的具体实践。同时在“拓展”和“评价”环节增加了对工程物化成果的设计优化与评估，引导学生以工程师的思维去思考分析并解决问题，6E教学模式在项目设计中的特点与内容见表1。

2 体现“工程思维”的跨学科项目设计

2.1 项目概况

“设计旋转喷水器”是一个以科学探究与工程实践为主题的跨学科实践项目，主要面向初中学生。项目背景知识主要包括数学学科中的几何计算、科学学科中“相互作用力”“压强”等知识内容。

以生活中常见的草地喷水器为情境，采用6E教学模式，围绕“设计旋转喷水器”主题进行探究与实践，了解自动旋转喷水器的工作原理，并对自动旋转喷水器进行产品的草图设计、制作改进和展示等，让学生从初步了解其原理到深入设计实验将设计想法物化，经历工程师集成知识设计产品的过程，让学生在探究和实践中发展科学思维和实践能力，并能体验到其中的乐趣，从而发展STEM素养。

2.2 教学目标

（1） 科学观念：运用“相互作用力”“液体压强”等科学知识解释旋转喷水器的工作原理；利用数学中几何图形的面积计算公式计算旋转喷水器喷水的面积。

（2） 科学思维：通过受力分析解释旋转喷水器自动旋转的原因；通过建构模型分析影响喷水面积大小的相关因素。

（3） 探究实践：小组合作设计方案探究影响喷水器旋转快慢的因素及其关系；通过科学制作，将喷水器的平面草图物化为实物，体会工程设计解决实际问题的一般流程，提升问题解决能力。

（4） 态度责任：通过自动旋转喷水器的制作，体会到科学、数学、技术等为生活带来的便利，提高对科学探究和工程实践的兴趣。

2.3 教学活动

教学器材准备：带有拉环的空汽水罐，30 cm长的钓鱼线，防水记号笔，广口瓶或烧杯，秒表，小号、中号、大号铁钉若干，大号水盆，热熔胶，饮管。

（1） 第一阶段：参与环节。

参与环节教学活动如表2所示。

（2） 第二阶段：探究、解释环节。

在该阶段中，主要以学生的小组合作交流为主，教师在这一过程中扮演组织者和引导者的角色，通过启发和引导促进学生对问题进行更为深入的思考与研究。

活动一：探究饮管的粗细与喷水器旋转快慢的关系。

【猜想】饮管的直径越大，喷水器旋转越快。

【方案设计】实验自变量为饮管的粗细；无关变量为饮管的数量、喷水器中初始水量；因变量为喷水器旋转速度（以喷水器旋转相同圈数所用的时间作为观测指标）。根据实验设计方案进行实验，并记录实验结果，如表3所示。

【实验结果】饮管的直径越大，喷水器旋转5圈所用的时间越短。

【结论分析】饮管的直径越大，相同时间内流出的水就会越多，施加给喷水器的反作用力就越大，因此喷水器旋转越快。

活动二：探究饮管的数量与喷水器旋转快慢的关系。

【猜想】饮管的数量越多，喷水器旋转越快。

【方案设计】实验自变量为饮管的数量；无关变量为饮管的粗细、喷水器中初始水量；因变量为喷水器旋转速度（观测指标：喷水器旋转相同圈数所用的时间）。根据实验设计方案进行实验，并记录结果（表4）。

【实验结果】饮管的数量越多，喷水器旋转5圈所用的时间越短。

【结论分析】饮管的数量越多，相同时间内流出的水就会越多，施加给喷水器的反作用力就越大，因此喷水器旋转越快。

活动三：建构喷水器喷水面积模型并进行计算。

教师给出旋转喷水器的俯视图，各小组讨论并绘制喷水器喷水面积模型（图2）。学生发现，如果设喷水口到喷水器轴心的距离为R，水从喷水口喷出的最大水平距离为L，则喷水面积是以O为圆心，以OP为半径的圆，其中OP=\sqrt[]{R^{\mathrm{2}}+L^{\mathrm{2}}}。当喷水口离地高度一定时，L的长度取决于水离开喷水口的初速度，当喷水器中水量一定时，筒中水对喷水口的水压强一定，水的初速度也一定。综上分析，当喷水器中水量一定时，喷水面积主要取决喷水口到喷水器轴心的距离R。因此只要给定喷水面积参数指标，就可以选择长度合适的饮管。

【设计意图】教师提供必要的学习支架，让学生主动完成探究实践，学生通过观察、实验和建模收集关键证据，以便于进一步的产品设计。教师需引导学生形成严谨的科学态度，不宜直接给出推理过程，而是通过学生小组交流分享，逐步完善模型。同时，也让学生体验应用科学与数学知识在解决实际问题过程中的区别与联系。

（3） 第三阶段：设计、拓展环节。

设计、拓展环节教学活动如表5所示。

（4） 第四阶段：评价环节。

评价环节教学活动如表6所示。

3 体现“工程思维”项目设计的思考

科学的核心在于发现，工程的本质在于实现，项目设计如何既蕴含“科学味”又体现“工程味”是一个值得探讨的命题。从“工程思维”的角度出发，对跨学科项目“设计旋转喷水器”进行再思考。

现实生活中的问题往往是一种跨学科的工程情境，这也是STEM教育中的探究实践有别于教科书中科学探究的显著特征，这种非良构的“科学探究”更能激发学生的探究兴趣，也更接近真实世界中的问题解决^［4］。一个良好的工程情境应当紧密联系现实生活，尊重学生知识经验和认知水平，能够发展学生的工程思维。“设计旋转喷水器”项目设计从生活中常见实际问题入手，融入科学、数学、工程技术等知识，引导学生经历猜想实验、建立模型、解释交流、设计草图、制作成品、评价交流等一系列带有工程设计色彩的探究流程，有利于培养学生在生活中面对实际问题的STEM素养，让学生感受到科学、技术、工程、数学在解决实际问题中密不可分的联系。

（2） 问题解决：合作学习，突出学生实践中心地位。

“工程思维”的核心是问题解决，围绕问题解决展开教学设计也是6E教学模式的重要特征。在整个项目学习过程中突出学生在实践中的中心地位，学生完整经历“明确问题、研究问题、设计物化与评估、解决问题”的学习环。“设计旋转喷水器”项目设计整体流程按照6E教学模式展开，教师在更多时间里只是提供学习支架的引导者，给予学生足够的自由和充足的时间对问题的解决进行合作实践。从问题解决的指向出发对喷水器的技术指标进行聚焦研究，发展学生利用科学原理和数学工具解决实际问题的能力。同时在小组合作中引导学生开展分工合作，相互配合，培养团队合作精神。

（3） 表现评价：成果评估，关注实践过程综合能力。

工程问题的解决方案没有最好只有更好，在物化成果的评价中需要强调没有标准答案，作品完成的实践过程比结果本身更加重要。教师应当采取表现性评价，关注实践过程中学生表现出的动手能力与思维水平。“设计旋转喷水器”项目在评价环节设计了产品说明书汇报和项目评价量表的制作，充分关注学生在设计、制作和展示喷水器模型过程中的思维亮点、制作创意和表达形式，注意培养学生的综合能力。最后通过联系生活，帮助学生建立“问题—改进—新问题—再改进”的工程实践认识。

参考文献

[1] 谢丽，李春密.整合性STEM教育理念下的课程改革初探［J］.课程·教材·教法，2017，37（06）：63-68，62.

[2] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[3] BURKE B N.The ITEEA 6E Learning By Design TM Model：Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom［J］.Technology and Engineering Teacher，2014，73（06）：14-19.

[4] 金可泽.跨学科项目学习设计与实施机制：美国STEM课堂教学观察与启示［J］.上海教育科研，2020（04）：12-17.

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