2023年，浙江省教育厅等十四部门在《关于加强新时代中小学科学教育工作的实施意见》中指出：要积极探索工程启蒙教育的多路径实施，加强工程实践，培育“小工程师”
［1］。在《义务教育科学课程标准（2022年版）》中，“工程设计与物化”被确立为初中科学教育的核心概念，培养学生的工程实践能力在科学核心素养目标中具有重要地位
［2］。面对这一要求，教师面临着新的挑战——如何在教学中创设情境，有效融入工程教育，为学生提供丰富的实践机会，成为亟待解决的问题。
1 基于工程设计与物化的教学理念
工程实践的核心是让学生制作工程作品，关键在于工程设计与物化的紧密合作
［3］。工程设计与物化要明确问题，设定评价标准，构思多种解决方案，基于证据优化选择最佳方案。在物化阶段，将工程设计转化为初步产品或模型，再评估改进，复杂项目常需多次迭代。从科学探索角度看，合适的工具或模型有助于探究实践。在设计与制作工程作品过程中融入科学原理，帮助学生深入理解科学原理，使科学、技术与工程三者紧密相连，从而构成不可分割的整体。工程设计与物化过程体现了工程实践的科学性和系统性，促进了知识的深入理解和应用。
2 基于工程设计与物化的教学设计
在教学中，教师应创设真实的问题情境，引导学生体验工程设计与物化过程。通过解决问题，学生感受工程的规范性，探索多样化的解决方案，根据评价反馈持续优化作品。工程设计与物化包括明确问题、设计方案、实施方案、检验作品、改进完善、发布成果等环节，通过工程实践和物化的教学培养学生的核心素养。
2.1 情境创设
播放《金蝉脱壳》电影片段。该片是由动作巨星施瓦辛格和史泰龙主演的一部精彩的动作电影，讲述了两位硬汉联手越狱的故事。电影中，史泰龙饰演的雷利用简陋的材料制作了一个简易六分仪，成功测量出了监狱所在的纬度。雷通过观察马桶中水流的方向判断出他们是在北纬30°22′的无风带，结合其他犯人提供的日期信息，他们推断出监狱位于摩洛哥沿海一带。
教师引导学生思考：①电影中的男主角是如何自制简易六分仪的，使用了哪些材料？②如何测量纬度？
2.2 原理分析
师生一起复习以下3个初中地理基础问题。
（1） 北极星在哪里。
如
图1所示，北极星是最靠近北天极的恒星，是小熊座中最亮的恒星。其视星等在1.98附近浮动，夜空中肉眼可见。北极星位于地球地轴的北端，处于天球转动的轴上，在地面的观察者看来是静止不动的。北极星距地球约433光年（依巴谷卫星结果）或448光年（盖亚卫星结果），主星直径约为5.2×10
7 km（37.5个太阳半径）。如
图2所示，我们先找到北斗七星，借助其确定北极星的位置。具体方法：找到北斗七星中的斗前天璇与天枢2星，量出两亮星之间的距离，朝着勺口方向延长约5倍距离，即可找到北极星。
由于地球自转，且北极星位于地球自转轴的延长线上，人们在地面观察时发现，北极星是静止不动的。夜空中别的星体都绕着它转动。因此，采用延时摄影的方法也可以找到北极星，如
图3所示，它就在圆心上。
（2） 什么是北极星高度角。
类比太阳高度角（在进行天文观测的过程中，视线在水平线以上时视线与水平线的夹角即为高度角），如
图4所示。在天文学上，主要指所观察天体与观察者所处位置地平线之间的夹角。
（3） 北极星高度角与纬度的关系是什么。
纬度是该地垂直于地平线的法线与赤道面的夹角，是一个线面角，如杭州的纬度大约是北纬30°。
北极星高度角与当地纬度有什么关系呢？首先讨论两种特殊情况：①观察点在北极点上。如
图5-a所示，视线方向与地平线垂直，北极星高度角为90°，北极点纬度为90°。②观察点在赤道上。如
图5-b所示，视线方向与地平线平行，北极星高度角为0°，赤道纬度为0°
［4］。
其次，若在任意观察点，讨论如下：如
图6所示，观察点在北半球任意一点
A，设
A地纬度为∠4，∠1为观察北极星的高度角，则有：∠4+∠3=90°（地轴与赤道平面垂直），∠2+∠3=90°（半径垂直于地平线），所以∠2=∠4。又因为∠2=∠1（互为内错角），所以有：∠1=∠4。得出结论：北半球观察北极星的高度角=当地纬度。
北极星距离地球约433光年，可以忽略地球直径的影响，因此北极星可看作平行光源，北半球所有地点观察北极星的视线都是和地轴平行，而南半球则看不到北极星。
2.3 工程物化过程
（1） 基于原理分析，纬度仪的工程物化有两个重难点。
【重难点1】如何确定水平面？
确定水平面，主要是通过观察和比较重垂线与待测平面的垂直关系确定的。原理：利用重力竖直向下的特性，与重垂线平行的线或面即为竖直方向，与之垂直的即为水平面。需要准备重垂线（带重物细线）和三角尺，将重垂线固定在三角尺锐角顶点，竖直放在被测平面上，与一直角边重合，观察重垂线与另一直角边是否平行。为确保重垂线自由悬挂，三角尺直角边应紧密贴合被测平面，保证准确性。
【重难点2】如何确定北极星的高度角？
学生已学过运用竖杆立影的方法测量太阳高度角，但北极星亮度较低，竖杆立影方法不再适用。教师可提供器材让学生选择，如选择一根不透光细管，调整其角度，让北极星出现在细管中央，便可通过细管方向确定观察北极星的视线，此时细管与水平线夹角即为北极星高度角，也就是所在地理纬度
［5］。
（2） 工程实践作业布置：利用以下常见物品，制作简易纬度仪，测量我们所在位置的纬度，要求——画出设计简图（
图7），制作观测仪器，并写出仪器使用说明。
可选用器材：硬纸板、吸管、工字钉、铅笔、橡皮、直尺、三角板、量角器、棉线、金属螺帽、透明胶。
（3） 纬度仪制作及使用说明。
如
图8所示，在硬纸板上用直尺画出水平方向参考线和竖直方向参考线；用工字钉将吸管一端固定在硬纸板上
O点，并用透明胶固定。吸管可绕
O点自由转动；将棉线固定于
O点，下端系一螺帽，遂完成重垂线的安装；竖直拿起硬纸板，让重垂线自由下垂，与卡纸上的竖直方向参考线重合，水平方向参考线此时处于水平位置；眼睛借吸管找到北极星，使其位于视野中央
［6］。
固定吸管角度，即为可找到北极星的视线；用量角器量出水平方向参考线与吸管的夹角（北极星高度角），即为此地的纬度。
3 工程实践教育的优点
3.1 设置合适的梯度，利于产品迭代升级
工程设计与物化课程结合理论与实践，可通过梯度教学逐步提升学生能力。工程设计与物化教学帮助学生扎实掌握基础知识，培养他们解决问题的能力
［7］。此次教学设计虽未让学生制作出真正的六分仪，但通过巧妙设置梯度，激发了学生的探索精神，引导他们进一步探索，不断升级工程产品。
3.2 契合大单元教学和项目化学习的理念
工程设计与物化课程中的纬度仪教学设计，完美契合了大单元教学和项目化学习的理念。通过跨学科、大单元的知识整合，学生在解决实际问题的过程中，深化了对工程原理的理解，提升了团队协作、项目管理等关键能力，实现了知识与技能的全面提升。
3.3 利于培养学生的高阶思维能力
工程设计与物化课程是一种富有创新性的教学模式，它关注学生的动手能力，注重培养其高阶思维能力。工程设计与物化课程通过引导学生参与工程设计项目，让他们在实践中运用所学知识，不断发现问题、解决问题，培养了他们的批判性思维，提升了他们的创新能力和问题解决能力，并显著提升了高阶思维。
4 工程实践教育的建议
4.1 积极搭建实践平台
为了全面提升学生的专业素养与实践能力，教师应积极寻求机会，为学生搭建更多工程设计与物化实践的平台。教师可利用课余时间带领学生参观研究院所或大学的实验室，让学生接触、了解前沿技术和发展动态；可利用节假日布置一些项目化作业，对学生上交的优秀作品进行展示，鼓励学生物化科学知识。
4.2 积极完善评价体系
除传统的理论知识考核外，教师要增加对学生实践能力和项目成果的评估比重，全面、客观地反映学生的学习成效。评价体系要有助于激发学生的实践热情，培养他们的创新思维和解决问题的能力。评价要兼顾过程性评价和终结性评价，过程性评价得分可以算作平时成绩，体现在期末总评成绩中。
4.3 积极引入专业指导
学校可以邀请经验丰富的工程师或行业专家担任指导教师。指导教师的悉心传授和指导，能帮助学生更好地理解和掌握专业知识和技术，为学生未来的职业发展打下坚实的基础；可以让学生接触到最前沿的技术和行业动态，激发他们对专业领域的兴趣，促进理论与实践的结合，提高其解决实际问题的能力。
4.4 积极鼓励跨学科交流
支持不同专业背景的教师共同参与项目，可以促进多学科知识的融合与创新，培养学生的团队协作精神和沟通能力，为学生未来的多元化发展提供更多的可能性。跨学科的合作模式丰富了课程内容，为学生提供了更加全面的学习体验
［8］。同时，多学科教师合作模式有助于打破传统教学中的学科壁垒，促进教师之间的交流与合作。多学科教师在项目准备阶段共同讨论教学目标、教学方法以及教学内容，能够确保每个环节都有效地促进学生的学习。
以精心构建的真实有趣的情境作为起点，开展以工程实践与物化为导向的科学教学，旨在激发学生的探究欲望。学生通过亲手设计、制作简易纬度仪，将理论知识转化为实践技能，体验到科学知识应用于实际生活的乐趣。教师通过简易纬度仪的工程设计与物化教学，锻炼了学生运用科学原理解决问题的能力，促使他们在探索中不断推陈出新，端正了学生质疑、创新的学习态度，全面提升了学生的核心素养。
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