科學整合工程實踐的教學設(shè)計

宋蕊 占小紅

摘要： 通過以科學為核心的跨學科學習方式，尤其是科學課程與工程設(shè)計實踐的整合，發(fā)展學生的科學能力和工程素養(yǎng)是近年來基礎(chǔ)科學課程改革及實踐的重要趨向。以“模擬酒精測試器”為主題，以工程設(shè)計任務(wù)為教學框架，設(shè)計了確定目標、收集相關(guān)知識；開發(fā)、形成初步解決方案；建立并測試模型；交流與評價；科學探究；迭代循環(huán)、優(yōu)化設(shè)計等活動環(huán)節(jié)，使學生熟悉工程設(shè)計過程，提高動手能力，激發(fā)對工程的興趣與對工程職業(yè)的向往。

關(guān)鍵詞： 科工整合； 工程設(shè)計實踐； 初中科學； 教學設(shè)計

文章編號： 10056629（2018）2002905中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1科學課程整合工程實踐的背景

近年來科學、數(shù)學、技術(shù)與工程整合教育（STEM）成為了科學教育的新趨勢。STEM整合教育不是將科學、數(shù)學、技術(shù)與工程簡單的疊加，而是將四者形成一個有機結(jié)合體，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與實踐能力[1]。STEM整合教育的類型眾多，可同時包含兩個或兩個以上STEM學科內(nèi)容的教學活動，較為常見的有科—數(shù)整合、科—技整合、科—工整合。其中科—數(shù)整合在我國的理科教學中已是常態(tài)，而科—技整合在我國多以制作為標志的課內(nèi)或課外活動形式存在，有將科學教育帶上培養(yǎng)“能工巧匠”歧途的風險[2]。

美國2013年頒布的《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards）[3]中，將工程實踐與科學探究整合稱為“科學和工程實踐”，作為科學教育的三個維度之一，成為基礎(chǔ)教育階段科學與工程教育整合的基本方式，并很快為其他國家的基礎(chǔ)教育階段科學教育改革所借鑒。在我國對工程類人才需求巨大，而我國基礎(chǔ)教育階段工程教育長期缺失的背景下，科—工整合教育為工程教育融入我國基礎(chǔ)教育階段提供了良好的契機，體現(xiàn)出巨大的潛在價值。

科學教育與工程實踐整合是在共同的利益和價值認同基礎(chǔ)上，對工程與科學教育各自獨立又有一定內(nèi)在聯(lián)系的要素按照某種規(guī)則或規(guī)范進行耦合、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)、相互配合的過程或結(jié)果[4]。其中“規(guī)則或規(guī)范”是整合的具體行動方法和微觀教育實踐方式；而“要素”包含了教育活動的目標、內(nèi)容、形式等多方面。

在基礎(chǔ)教育階段實施科工整合教育的目的有兩個主要方面。第一個方面是讓工程實踐起到支持科學教育的作用，即在工程實踐的過程中應(yīng)用科學知識，幫助學生更好地掌握科學知識并獲得應(yīng)用知識解決復(fù)雜問題的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維與批判性思維。第二個方面是在基礎(chǔ)教育階段，通過科工整合教育，使學生獲得工程實踐的初體驗，獲取與階段相適應(yīng)的工程基本原理，培養(yǎng)學生的工程實踐能力、對工程職業(yè)的興趣與工程意識，其中工程實踐能力是學生在工程實踐活動中體現(xiàn)出的操作能力與思維能力。

2科學探究整合工程設(shè)計實踐的課堂教學模式構(gòu)建

工程實踐與科學探究有著相似之處，兩者都涉及創(chuàng)造性地解決問題的過程，需要結(jié)合現(xiàn)有的知識進行建構(gòu)，反復(fù)檢驗，最終根據(jù)結(jié)果建立理論或問題解決方案。工程實踐與科學探究過程并不是割裂的，科學探究結(jié)果支持工程實踐的施行，工程實踐過程也推動著科學探究的發(fā)展。正因為工程實踐與科學探究各自獨立，同時又存在著一定的聯(lián)系，才可以將工程實踐與科學探究在內(nèi)容與過程兩個方面按照某種規(guī)則進行整合。故科學探究與工程實踐的整合成為科工整合實踐的基本形式之一。

科學探究是揭示自然現(xiàn)象，并得出合理的解釋和理論的過程。而在科學教育領(lǐng)域中，科學探究的作用是幫助學生通過對問題或任務(wù)的探索，體現(xiàn)科學研究的一般過程，使得學生在知識、技能、情感等方面獲得提高?？茖W探究過程有四個主要階段，觀察和提出問題——形成假設(shè)——檢驗求證——得出解釋或結(jié)論。

工程實踐以解決實際問題為最終目的，關(guān)注問題解決方案的開發(fā)與優(yōu)化。工程設(shè)計是工程實踐過程的核心要素，工程設(shè)計實踐也是工程教育領(lǐng)域的核心。在工程設(shè)計實踐的最初階段，學習者面對復(fù)雜的真實情景與非良構(gòu)的問題時，確定問題與目標，進行信息收集與初步的解決方案設(shè)計；在方案實施的過程中，根據(jù)檢驗結(jié)果進行優(yōu)化迭代并調(diào)整問題解決方案，形成一個循環(huán)往復(fù)的過程，即確定問題與目標——初步設(shè)計解決方案——測試方案——迭代優(yōu)化。

我國學者唐小為[5]通過對1993年以來國外文獻中30個科工整合教育案例進行編碼分析，根據(jù)整合思路分為三類： 應(yīng)用延伸型，工程框架型，設(shè)計即探究型。我國學者占小紅[6]在唐小為的研究基礎(chǔ)上，以科學探究與工程實踐的整合過程模式角度，建立了以工程設(shè)計為主、科學探究為主、科—工并重的三種科學探究與工程設(shè)計整合的主要模式（見表1）。

2.1以工程設(shè)計為主的整合模式

以工程設(shè)計為主的整合是以工程設(shè)計任務(wù)為教學框架，主要目的是培養(yǎng)學生的工程實踐能力。在工程設(shè)計的過程中，根據(jù)設(shè)計的需求，穿插科學探究的過程，作為工程設(shè)計的有機組成部分，為工程設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)或支撐。過程模式為在工程設(shè)計過程中穿插科學探究內(nèi)容，從工程實踐的需求出發(fā)提出科學探究的問題與目的，科學探究的結(jié)果進一步為工程設(shè)計的優(yōu)化提供理論支撐，即“設(shè)計—探究—設(shè)計”，體現(xiàn)了工程設(shè)計的優(yōu)化迭代的思想。

2.2以科學探究為主的整合模式

以科學探究為主的整合是以科學探究過程為主，在科學探究的活動中，以工程設(shè)計為手段，讓學習者通過設(shè)計尋找科學規(guī)律，從而構(gòu)建科學理論。

2.3科學探究與工程設(shè)計并重的整合模式

此類整合采用“先科學探究后工程設(shè)計”的過程，即科學探究的成果應(yīng)用于工程設(shè)計中，兩個模塊基本獨立。該模式旨在培養(yǎng)學習者在真實情景中解決問題、應(yīng)用所學知識的能力，同時深化科學探究所獲得的科學規(guī)律。

3“模擬酒精測試器”教學案例設(shè)計與分析

本文選取七年級科學（牛津上海版）第一學期“酒精對判斷與反應(yīng)的影響”這一內(nèi)容，教學案例是針對該部分設(shè)計的拓展課活動。經(jīng)查閱文獻，書中描述“酒精測試器中有一種橘黃色的化學藥品，能與司機呼出氣體中的酒精產(chǎn)生化學反應(yīng)，變成綠色。綠色越深，表示酒精含量越高”，是指在酸性介質(zhì)中，橙紅色的重鉻酸鉀中的六價鉻（Cr6+）被乙醇還原為三價鉻（Cr3+）的過程[7]，化學方程式為：

3C2H5OH+2K2Cr2O7+8H2SO43CH3COOH+2K2SO4+2Cr2（SO4）3+11H2O

本文以“以工程設(shè)計為主”的科工整合模式進行教學設(shè)計，結(jié)合適應(yīng)基礎(chǔ)階段教育的工程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)[8]（包括①構(gòu)思問題；②學習相關(guān)科學知識并收集信息；③開發(fā)、形成與優(yōu)化解決方案；④創(chuàng)建模型或原型；⑤測試模型或原型，記錄并處理數(shù)據(jù)；⑥交流與評價；⑦迭代循環(huán)，優(yōu)化設(shè)計），針對“模擬酒精測試器”的活動內(nèi)容，設(shè)計了如圖1所示的教學過程。

科工整合實踐活動以小組合作的形式進行，組內(nèi)成員共同協(xié)商完成教師安排的任務(wù)。教師通過引導性的“工作單”幫助學生完成活動，該“工作單”來源于名為“培養(yǎng)有效批判性思維的環(huán)境”（Environments for Fostering Effective Critical Thinking， EFFECT）的教學框架[9]。在這種教學框架下，學生以工作單的形式收到實際的工程問題，實踐活動初期的工作單要求學生回答一系列的引導性問題，并提供初始的解決方案；在后期的工作單中，要求學生思考對原有設(shè)計方案進行優(yōu)化，并寫出相應(yīng)的原因。

3.1確定目標、收集相關(guān)知識： 閱讀課本資料引發(fā)工程問題

[教師]司機飲酒后會使反應(yīng)遲鈍，很難判斷速度和距離，從而引發(fā)交通事故，造成不可彌補的傷亡。為了避免悲劇的發(fā)生，2003年10月通過的《中華人民共和國道路交通安全法》規(guī)定飲酒后不準駕駛車輛，如果駕駛員每100mL血液中酒精含量高于20mg、低于80mg的話，就判定其為酒后駕車；如果高于80mg，就為醉酒駕車。警察為了測試駕駛員是否屬于酒后駕車，需要工程師做什么？

[學生]設(shè)計一種酒精測試器，來測試司機血液中的酒精含量。

[教師]直接測試司機血液中的酒精濃度是不是不方便呢？研究發(fā)現(xiàn)當人飲酒后，酒精被吸收，但是不會被消化，有一部分酒精會揮發(fā)出來，經(jīng)過肺泡，重新被人呼出體外。這時呼出氣體中的酒精濃度和血液中的酒精濃度呈現(xiàn)出一定比例關(guān)系，所以我們可以通過什么來間接地檢測駕駛員血液中的酒精濃度呢？

[學生]可以通過呼出的氣體檢測駕駛員血液中的酒精濃度。

[教師]酒精測試器中有一種橘黃色的化學藥品，能與司機呼出氣體中的酒精產(chǎn)生化學反應(yīng)，變成綠色。綠色越深，表示酒精含量越高。在同學們手中的工作單1（見圖2）中，老師提供了橘黃色化學藥品的相關(guān)信息與可用的材料清單，請同學們結(jié)合教材內(nèi)容與工作單提供的信息，確定任務(wù)目標，思考制約因素有哪些（問題1、 2）？

[學生]分組討論并匯報。

評價標準： 要求得出明確的目標，即制作可以分辨不同酒精濃度的酒精測試器。

設(shè)計意圖： 工程活動是有明確目標的，工程活動的目標是生產(chǎn)出符合社會需要的人工產(chǎn)物，學生通過討論明確任務(wù)目標，為下一步做準備。該環(huán)節(jié)讓學生了解工程活動需要有明確的目標，滲透目標指導過程的思想。

3.2開發(fā)、形成初步解決方案

教師繼續(xù)組織學生分組討論，回答工作單1的剩余問題，并繪制酒精測試器的草圖，如學生遇到困難，給予一定的幫助。

評價標準： 設(shè)計可以檢驗不同濃度酒精氣體的“簡易酒精測試器”，繪制可實施的“簡易酒精測試器”草圖。

設(shè)計意圖： 引入工作單中的問題3，給予初次接觸工程設(shè)計的學生一定的提示，幫助小組同學盡快達成設(shè)計共識；引入工作單的問題4與5，激勵學生思考，自己的設(shè)計產(chǎn)品的有效標準是什么，該如何檢驗。這些問題的回答可以反映出學生設(shè)計成功與失敗的原因。

3.3建立并測試模型

學生完成工作單1的問題后，繼續(xù)以小組為單元，根據(jù)各組繪制的草圖搭建模型；完成對模型的有效性測試，判斷自己的模型是否達到預(yù)期的效果。

評價標準： 可以檢測酒精的存在，并且能分辨不同濃度的酒精。

設(shè)計意圖： 親自制作簡易酒精測試器，增強學生動手能力；通過對模型的有效性測試，發(fā)現(xiàn)模型存在的問題，深化工程活動迭代優(yōu)化的思想，培養(yǎng)學生的批判性思維。

3.4交流與評價

學生小組討論“酒精測試器”的測試效果，評價模型的優(yōu)缺點，并完成工作單2（見圖3）。教師組織學生分享各組的成果、優(yōu)缺點與改進方法，總結(jié)同學的觀點，進一步引發(fā)問題——如何判斷酸性重鉻酸鉀的變色程度（提供的三瓶不同濃度酒精溶液中，有兩瓶濃度較為相近，重鉻酸鉀的變色深淺用肉眼較難判斷）。

[教師]大家都是通過什么樣的方式來判斷綠色的深淺程度呢？

[學生]用肉眼直接觀察。

[教師]剛剛有多組反映，其中兩瓶酒精溶液與酸性重鉻酸鉀反應(yīng)后的變色深淺難以判斷，并不能用肉眼完全確定哪只顏色深、哪只顏色淺。直接通過人的感覺器官所進行的觀察我們稱之為直接觀察，由于人的感覺器官能夠感知的范圍有限，為了擴大感知的范圍，必須借助各種儀器或工具進行觀察。接下來，我們能否設(shè)計一個探究活動，探究借助哪種工具或儀器來分辨酸性重鉻酸鉀變色的深淺。

評價標準： 指出測試器的優(yōu)缺點，針對不足之處思考改進方法。

設(shè)計意圖： 通過小組間的交流與分享，讓學生在自己與他人的經(jīng)驗中學習；通過對模型的反思，引出問題——如何判斷重鉻酸鉀的變色程度，創(chuàng)設(shè)問題情境，從工程實踐的需求出發(fā)提出科學探究的問題與目的。

3.5科學探究

[教師]老師為大家提供了幾種利用工具或儀器對比顏色方法（見表2）。同學們針對自身的情況選擇合適的方法進行實驗探究，并且根據(jù)探究的結(jié)果，對酒精測試器進行優(yōu)化設(shè)計。

評價標準： 準確地分辨兩種不同的酒精溶液濃度高低。

設(shè)計意圖： 通過確定與比較不同的檢驗方法，發(fā)現(xiàn)人類感覺器官的局限性；體驗在工程設(shè)計活動中，從工程實踐的需求出發(fā)進行科學探究的過程。

表2比較重鉻酸鉀變色程度的方法

方法主要方式資源要求

肉眼觀察通過肉眼對比顏色的深淺。無

目視比色法類比pH試紙的比色卡，通過肉眼利用顏色卡進行對比，比較顏色的深淺。顏色卡（來源于網(wǎng)絡(luò)）

圖像比色法使用手機等拍照設(shè)備采集圖像，將顏色深淺轉(zhuǎn)化為RGB分量值，通過RGB分量值判斷顏色的深淺。通過公式： g=R*0.299+G*0.587+B*0.114，求出g，g越小顏色越深。手機或相機等；

電腦；

計算器

3.6迭代循環(huán)、優(yōu)化設(shè)計

[學生討論]小組討論完成工作單3（見圖4）。

[教師]酒精測試器的發(fā)明經(jīng)歷了漫長的年代，在1927年，芝加哥化學家威廉·鄧肯麥克納利發(fā)明了一種呼吸分析儀，通過呼出的氣體可以改變化學物質(zhì)的顏色來測試她的丈夫是否在喝酒；1931年，印第安納大學醫(yī)學院的Rolla Neil Harger發(fā)明了第一個實用的醉酒儀，將醉酒駕駛員呼出的氣體收集在氣球中，然后將樣品通入酸性的高錳酸鉀溶液中，溶液會變色，顏色變化越大，呼吸中存在的酒精越多，這個醉酒儀與我們今天設(shè)計的“酒精測試器”是類似的；1954年印第安納州的警察Robert Frank Borkenstein利用化學氧化和光度法測量酒精的濃度，進一步改進了“酒精測試器”，就是將顏色增加的程度利用光度法，轉(zhuǎn)化為酒精濃度。而我們現(xiàn)在使用的酒精測試器，已經(jīng)可以高精度測試呼出酒精含量，最多可以顯示四位有效數(shù)字，可以輸入被測者信息，可與電腦通信，具有藍牙打印功能等。檢測原理也不同于最初的化學氧化，更加便捷與準確，如酒精氣體傳感器等。工程設(shè)計過程如同酒精測試器的發(fā)展史，根據(jù)人們的需求進行設(shè)計、制作產(chǎn)品，同時科學探究活動與科學技術(shù)的發(fā)展，也推動著工程設(shè)計的優(yōu)化與工程產(chǎn)品的更新。

[教師]總結(jié)各小組在活動中的表現(xiàn)，鞏固工程設(shè)計的過程： 構(gòu)思問題；學習相關(guān)科學知識并收集信息；開發(fā)、形成與優(yōu)化解決方案；創(chuàng)建模型；測試模型；交流與評價；迭代循環(huán)，優(yōu)化設(shè)計。

設(shè)計意圖： 通過工作單引發(fā)學生思考，在回顧活動過程的同時，總結(jié)學到的知識；深化工程設(shè)計中循環(huán)迭代、優(yōu)化設(shè)計的過程與理念；通過回顧酒精測試器的發(fā)展歷史，激發(fā)學生對工程的興趣與對工程職業(yè)的向往。

4結(jié)語

以“模擬酒精測試器”為主題的科工整合實踐活動，采用工程設(shè)計為主的科學探究與工程設(shè)計整合的模式，學生進行工程設(shè)計活動為主線，以工程設(shè)計的需求為動力穿插科學探究實驗，為工程設(shè)計的優(yōu)化提供依據(jù)，體現(xiàn)了工程設(shè)計的優(yōu)化迭代的特色。

在教學設(shè)計中滲透工程設(shè)計的一般過程，初步培養(yǎng)學生工程設(shè)計活動中的思維模式與實踐能力，讓學生體驗與模仿工程設(shè)計活動，內(nèi)化工程設(shè)計活動的范式。

科工整合實踐的課堂教學以學生為中心的小組活動方式進行，教師提供適當?shù)闹笇?。教學設(shè)計考慮到學生初次接觸工程設(shè)計活動，通過“工作單”的設(shè)計，利用引導性的問題降低實踐活動的難度，例如問題“重鉻酸鉀和酒精溶液的位置應(yīng)該如何擺放”，為工程活動目標與設(shè)計草圖之間搭建橋梁；設(shè)置開放性的問題，引發(fā)學生積極思考，例如反思回顧工程設(shè)計活動，引導學生回顧活動過程并積累經(jīng)驗。在活動結(jié)束部分，通過回顧酒精測試器的發(fā)展歷史，激發(fā)學生對工程領(lǐng)域的興趣與對工程職業(yè)的向往。

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