楊封友 周華松 劉振東

摘 要：科學與工程實踐是科學學習的新趨勢，STEM教育是科學教學的新抓手.為使STEM教育能進入所有學校的常態(tài)課堂，本文基于對工程實踐的認識，依據(jù)制作偽全息3D投影裝置的教學經(jīng)歷，總結了以工程實踐為導向的初中科學教學模式，認為選擇真實且有趣的情景，以簡易而不簡單的造物為載體，以設計與論證為手段，能有效地提升學生科學與工程實踐的能力，豐富STEM課程案例開發(fā)的視角.

關鍵詞：工程實踐;初中科學;教學設計

文章編號：1008-4134（2020）06-0010 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

工程是人類為滿足生存和發(fā)展需求而進行的改變自然狀態(tài)的活動，核心是建造，成果是產(chǎn)品或設施，途徑是工程實踐.在義務教育階段，如何將科學課程融入工程教育，進行STEM教育，為學生提供工程實踐的機會，是當前備受關注和亟待解決的問題.

1 對工程實踐的基本認識

從探究走向?qū)嵺`是人們對科學教育認識的發(fā)展.“科學和工程實踐”是美國科學教育的三個維度之一，“實踐創(chuàng)新”也是中國學生發(fā)展六大核心素養(yǎng)之一.美國新《K-12科學教育框架》還確定了如下8個科學與工程領域的實踐：提出與確定問題，建立和使用模型，設計和實施調(diào)查，分析和解釋數(shù)據(jù)，使用數(shù)學與計算的思維，構建（科學）解釋和設計（工程）解決方案，從事基于證據(jù)的辯論，獲取、評價和交流信息[1].

工程實踐是指工程師所從事的工程構想、設計、實現(xiàn)和運行工作.其中，設計是工程實踐的本質(zhì)與核心[2].因此，教學的重心要落在設計上，讓學生了解設計的一般過程及通用技能，感受實際條件對設計的制約，努力孵化創(chuàng)意、熟悉方法以及培育思維.

工程設計是為滿足目標需求而創(chuàng)造某種系統(tǒng)、部件或方法的過程.這是一個決策過程（通常是反復的），在這個過程中，需要使用基礎科學、數(shù)學及工程科學來優(yōu)化轉(zhuǎn)換組合資源以實現(xiàn)特定目標[3].讓學生運用科學原理或數(shù)學知識來進行解釋或論證，并創(chuàng)造性地解決實際問題，利于增強運用各學科知識解決問題的意識與能力.

2 工程實踐導向的初中科學教學設計

工程實踐導向的初中科學教學是指通過建造實物或案例剖析等活動，寓科學探究于工程實踐，讓學生經(jīng)歷問題、設計、論證、建模、解釋、制造、測試以及評估等階段，以增強科學和工程領域的實踐能力、學科知識的綜合運用能力為主要目的的教學.其中建造實物型的教學流程如下：

現(xiàn)以浙江省特級教師周華松在浙江省初中科學課程改革30周年紀念暨科學教育國際研討會執(zhí)教的“真假與虛實——制造超炫的視覺效果”（即偽全息3D投影制作）為例，探討此類教學的具體操作.

2.1 需求：創(chuàng)設情境，界定問題

需求是工程實踐的動因，也是課堂教學的開端.教師需要篩選或創(chuàng)設真實的工程情境，情境力求真實，蘊含科學、數(shù)學等元素，能吸引學生參與其中.同時，還需幫助學生從情境中發(fā)現(xiàn)問題，并對問題進行界定.

本課教學先播放2015春節(jié)晚會舞臺上李宇春表演的節(jié)目《蜀繡》片段，定格于如圖2所示時刻，在學生心生疑惑時教師問道：“舞臺上怎么會有四個‘李宇春？”學生展開討論，有同學猜測有是“替身”，也有同學猜測是“投影”，最后教師告知：是李宇春的“真人”與“投影”同時出現(xiàn)，圖2中沒有加框的是李宇春本人，加框的是李宇春的“投影”.在學生頗感神奇之時，教師揭示任務：設計制作一個類似的裝置，實現(xiàn)“投影”與“真人”同臺表演的視覺效果.

讓學生對春晚節(jié)目的制作進行猜測，現(xiàn)象真實而有趣，易激起學生探索原理、驗證猜測的欲望;因此，當揭示工程任務時，學生充滿期待與疑惑.

2.2 設計：分解引導，形成方案

設計是工程實踐的龍頭，也是科學教學的核心.設計旨在形成方案，通?？梢罁?jù)需求，將終設計分解為小設計，小設計逐步推進或綜合，便形成所需要的解決方案.在這一環(huán)節(jié)，教師要先對任務進行分解編排，引導學生進行頭腦風暴、科學論證、方案優(yōu)化以及模型建構.本課將“偽全息3D投影的制作”分解為三個小設計，具體實施過程如下：

【設計1】讓平放的影像豎立起來

教師設問：如何實現(xiàn)李宇春的“投影”與“真人”同時登臺呢？并提醒：舞臺地面上有LED地幕，出示一圖片平放在桌面，表示地幕上的影像，然后讓學生討論：有什么辦法可以使“影像”立起來，讓大家能看到圖片上的內(nèi)容.學生討論后得出：根據(jù)平面鏡成像原理，可以讓地幕中的影像立起來.教師追問：如果要讓像直立起來，平面鏡放置有什么要求？此時，讓學生用平面鏡進行實驗，驗證自己的猜測，并通過實驗與作圖論證鏡面與水平面之間的夾角應為45°，學生實驗如圖3所示，作圖并論證過程如圖4所示.

在這一過程，教師引導學生設計出使影像由平放變?yōu)樨Q立的方法，再通過作圖和數(shù)學知識論證鏡面與水平面間的夾角度數(shù)，鍛煉了學生運用平面鏡成像特點解決實際問題、運用數(shù)學知識論證工程設計科學性的能力.

【設計2】讓“真人”與“投影”同臺表演

當完成設計1后，教師問：要產(chǎn)生如圖2所示的觀察效果，真人李宇春站在鏡子的前面還是后面？學生猜測后，教師進行演示實驗，發(fā)現(xiàn)若站在鏡后，則看不見真人，若站在鏡前，則不會出現(xiàn)圖2效果.于是，讓學生再進行頭腦風暴，有的學生針對鏡子不透明，想到了將普通平面鏡改為透明材質(zhì)，即用薄玻璃板進行平面鏡成像實驗，既能看見蠟燭A所成的像A′，也能看見鏡后的蠟燭B.此時，教師進行演示實驗：將平面鏡改為玻璃板，結果如圖5所示，學生便觀察到了“真人”與“投影”同臺演出的效果.最后，教師揭示春晚節(jié)目《蜀繡》“多個李宇春同臺演出”的奧秘，展示圖6并介紹：舞臺上巨大的透明全息膜可以使LED地幕形成豎立的“空中幻象”，真人李宇春在透明全息膜的后面表演，而觀眾便看到“真人”與“幻象”同臺演出的震撼效果，卻感覺不到透明全息膜的存在.

在這一過程中，將平面鏡改為透明玻璃，運用佩珀爾幻象技術，即當光線經(jīng)傾斜45°的透光平面鏡反射后進入人眼，在反射面的背景相對昏暗的情況下，會形成一種光源和背景疊加的錯覺[4]，實現(xiàn)了“真人”與“投影”同臺可見的效果;揭示春晚節(jié)目《蜀繡》的奧秘，易使學生感受到科學知識的價值與工程技術的魅力.

【設計3】讓前后、左右的觀眾都能看到

當完成設計2后，教師問：若舞臺在中央、觀眾在四周，想要前后和左右的觀眾都能觀看到類似效果，怎么辦呢？靜思后，有學生提出：在左右、前后都放置與水平面成45°的透明膜、地幕投影.教師追問：“四塊透明膜要構成怎樣的形狀？”學生想象后提出這像一個倒置的金字塔.此時，教師先后展示圖7-（1）、（2），問：“若金字塔由倒置變?yōu)檎?，則LED地幕應安放哪兒呢？”學生回答后，教師展示圖7-（3），并進行小結：“金字塔由倒置翻轉(zhuǎn)為正立，LED地幕則應翻轉(zhuǎn)為頂幕，這樣，前后、左右的觀眾都能看到了”.

本設計是之前設計的拓展，側重幫助學生初步建構模型，以直觀表達設計的問題解決方案.同時，還可依據(jù)學生的學習水平及學習進程，讓學生討論后認識到：拍攝同一演員不同方位的像，通過錐形屏幕進行投影可合成一個“立體的人像”，也可通過教師演示、學生課后討論得出“投影”與視頻源的關系.

總之，學生完成上述三個設計任務，經(jīng)歷了工程設計的“迭代”過程，以及原理的的科學理解與數(shù)學論證、方案的模型化表達，提升了學生科學、工程、數(shù)學等素養(yǎng).值得注意的是，教師要先對設計任務進行分解，辨析不同任務的難度，編排好教學的次序;學生設計時，教師是組織引導者，要給學生足夠的時間進行思考與交流，方案應源自學生間的質(zhì)疑與設想.

2.3 建造：巡視提醒，放樣制作

建造是設計的物化過程，也是產(chǎn)品的誕生過程.通常包含放樣與制作兩步，放樣旨在把圖紙上的方案“搬”到實際現(xiàn)場，制作是按試樣進行剪裁、組裝等操作，進而形成產(chǎn)品.本課學生需依據(jù)金字塔模型推算出其三角形斜面的尺寸，再盡可能少地利用給定透明塑料膠片裁剪出所需的組件，然后將組件進行組裝，教學過程如下：

教師出示透明塑料膠片，問：“用透明塑料膠片制作金字塔， 如何裁剪側面的等腰三角形呢？”學生認為需要知道△PBC的底邊BC和高PM的長，教師追問：“若已知底邊BC=10cm，則其高PM應為多少？”此時，學生先獨立思考再進行交流，教師適時展示如圖8-A所示的3D打印實心模型（可沿兩對應斜面高分開），幫助學生將求斜面三角形的高轉(zhuǎn)換為求經(jīng)兩對應高切面三角形的腰，如圖8-B所示，學生便能求出PM，求解過程如圖9所示.

接著，讓學生先在A4紙（恰與透明膠片等大）上畫四個等腰三角形，規(guī)格為底邊10cm、高7cm，并組織學生進行交流，力求用材最節(jié)約.然后，學生分組進行裁剪、組裝，教師適當提示操作的技巧與注意事項.完成后，學生對所制成的產(chǎn)品進行驗證與優(yōu)化.

在這一環(huán)節(jié)中，裁剪的尺寸不是教師直接告知學生，而是學生根據(jù)模型運用數(shù)學知識推導求解而出，有效地鍛煉了學生問題轉(zhuǎn)換與數(shù)學推導的能力.

2.4 展評：組織交流，展示評價

展評是指學生展示所制造的產(chǎn)品，并進行相互評價，目的是對產(chǎn)品進行說明、推廣，從他人的評價中獲取改進優(yōu)化的方向.在展評前，教師需組織學生對產(chǎn)品說明、評價標準進行討論，形成基礎要求與評價維度，為學生展評提供思維支持.

學生完成產(chǎn)品制作后，教師提問：“為使他人了解產(chǎn)品、交流制作經(jīng)驗、實現(xiàn)優(yōu)化改進，我們進行展示評價活動，你認為可從哪些方面來說明、評價產(chǎn)品？”學生個別發(fā)言，教師歸納形成如圖10所示板書.然后，讓學生分組設計自己的產(chǎn)品說明書，力求更具創(chuàng)意.最后，分組展示產(chǎn)品如圖11所示，并進行自評與互評，評價見表1.

值得注意的是，小組評價表也可以在提出需求后即告知學生，讓學生明確每一環(huán)節(jié)的努力方向;另外，若課堂時間緊迫，展評也可采用海報等形式于課后再實施.

3 體會與思考

3.1 任務獨特，促使學教方式轉(zhuǎn)變

本設計源于真實而有趣的情境，任務是以科學和工程實踐為導向，STEM各領域的學習內(nèi)容見表2，面對情境與任務，充滿好奇與挑戰(zhàn)是學生的自然反應.縱觀設計、建造以及展評等實踐環(huán)節(jié)，都是學生快樂的智慧分享推動了實踐活動的發(fā)展，學生始終是學習的主體，教師則是積極的組織者、引導者、旁觀者以及協(xié)助者.可見，設計真實有趣、易于實踐、內(nèi)涵豐厚的學習任務，可促使學教方式的自然轉(zhuǎn)變.

3.2 科學論證，實現(xiàn)跨科知能整合

科學論證是一種高水平的思維活動.本課進行了兩次論證：一是為了讓平放的影像豎立起來，對平面鏡與水平面的夾角度數(shù)進行論證，利用三角形全等的相關知識;二是為了確定側面三角形的高，對金字塔模型進行問題轉(zhuǎn)換，利用勾股定理由底邊求出了高.在論證過程中，利用科學與數(shù)學的已有知識，證實了原理的正確性，推證出了組件的尺寸，體現(xiàn)了學科知識的應用價值，并且這是一個基于問題解決的知識檢索、邏輯編碼過程，即科學論證的過程.可見，以問題解決為目的、科學論證為手段，能有效實現(xiàn)跨科知識與能力的整合.

3.3 器材簡易，利于案例推廣實施

STEM教育要走向常態(tài)、進入基礎課、實現(xiàn)普及，開發(fā)蘊含各科核心知識、只需簡易硬件條件的課例是一項前提保障.本設計所需的手機（或iPad）、透明塑料片、剪刀、刻度尺等器材簡單易得，從硬件上看，可以在每一所學校復制推廣，能夠讓每一位學生都參與其中.但是，利用簡易器材制作裝置所涉及的各科知識、各種能力，則是一個巨大的隱藏的寶庫，需要我們不斷地去研發(fā)，這可能也是STEM教育研究的重要視角.

總之，開展工程實踐導向的初中科學教學，以真實而有趣的情景為起點，以簡易而不簡單的造物為目標，以設計與論證為手段，能有效提升學生運用所學知識解決實際問題、進行科學探究與創(chuàng)新實踐的能力，也是各類學校開展STEM課程、讓每一學生有機會參與的重要途徑之一.

參考文獻：

[1]謝紹平，董秀紅.美國新《K-12科學教育框架》解讀[J].外國中小學教育，2013（04）：55-61.

[2]占小紅.工程實踐融入基礎科學教育：內(nèi)涵、目標與路徑[J].基礎教育，2017，14（03）：45-49+59.

[3]曹巖，師新民，楊麗娜譯，尤塞夫·海克.塔莫·M.沙新編著.工程設計過程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：2.

[4]解問鼎，郭雅潔，陶洪.“佩珀爾幻象”的光學原理及其在初中物理教學中的應用[J].物理教師，2014，35（10）：40-42+48.

[5]李崎穎，金曉凌，丁旭梅.STEM視角下的初中科學課程教學實踐研究——以偽全息3D投影制作為例[J].中國教育信息化，2016（24）：35-39.

[6]萬春露，潘亞杰，趙亮.工程設計視角下“平面鏡成像的應用”教學設計——以“偽全息3D投影”教學為例[J].湖南中學物理，2018，33（10）：96-98.

（收稿日期：2019-12-21）