中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》首次將“技術(shù)、工程和社會”“工程設(shè)計與物化\"作為核心概念，并將技術(shù)與工程實(shí)踐能力列入課程核心素養(yǎng)，作為科學(xué)課程重要的培養(yǎng)目標(biāo)。技術(shù)與工程教育進(jìn)人中小學(xué)，在創(chuàng)意設(shè)計、動手實(shí)踐等方面豐富了科學(xué)課程的內(nèi)涵與價值。它以現(xiàn)實(shí)世界或真實(shí)問題作為學(xué)習(xí)背景，為學(xué)生學(xué)習(xí)STEM內(nèi)容提供了動力和目的，讓學(xué)生參與到能夠激發(fā)個人積極性的現(xiàn)實(shí)問題中，并將STEM內(nèi)容與學(xué)生的生活經(jīng)歷聯(lián)系起來，使學(xué)習(xí)更有意義，從而增強(qiáng)學(xué)生對科學(xué)的參與度[1]。

在我國的基礎(chǔ)教育階段，技術(shù)與工程教育一直未受到重視，相關(guān)的課程實(shí)踐也相對欠缺，造成學(xué)生對技術(shù)與工程領(lǐng)域缺乏足夠的認(rèn)識，從業(yè)意愿不強(qiáng)，進(jìn)而影響技術(shù)與工程人才的培養(yǎng)。因此，如何在科學(xué)教育中開展技術(shù)與工程教育，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)與工程素養(yǎng)，是當(dāng)下值得深入研究的重要議題。本文結(jié)合浙教版《科學(xué)》八年級下冊第一章“電與磁\"的內(nèi)容，以“自制手文章編號：1003-6148（2025）7-0039-6機(jī)無線充電器”為例，探索了指向技術(shù)與工程教育的初中科學(xué)教學(xué)設(shè)計與實(shí)踐。

1 教學(xué)思路

STEM教育是一種典型的建構(gòu)主義教學(xué)實(shí)踐[。建構(gòu)主義理論認(rèn)為，在整個教學(xué)過程中，教師承擔(dān)組織者、指導(dǎo)者、幫助者和促進(jìn)者的角色，并利用情境、協(xié)作、會話等學(xué)習(xí)環(huán)境要素，充分調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和首創(chuàng)精神，最終達(dá)到學(xué)生能有效實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前所學(xué)知識意義建構(gòu)的目的[3。基于這一觀點(diǎn)，在本課的教學(xué)中，以學(xué)生已學(xué)的通電螺線管周圍磁場強(qiáng)弱的影響因素、感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件等科學(xué)知識開展技術(shù)與工程實(shí)踐活動；同時，學(xué)生利用自制手機(jī)無線充電器，復(fù)現(xiàn)無線充電現(xiàn)象，探究提高無線充電效率的科學(xué)原理，引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)相關(guān)的科學(xué)知識體系，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究實(shí)踐與技術(shù)工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，使科學(xué)、技術(shù)與工程成為一個密切相關(guān)的整體，具體教學(xué)思路如圖1所示。

2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.科學(xué)觀念：基于電磁感應(yīng)、通電螺線管磁場強(qiáng)弱的影響因素等科學(xué)原理，定義一個簡單的工程問題，提出不同的設(shè)計方案和評價標(biāo)準(zhǔn)，篩選并優(yōu)化設(shè)計方案；利用模型解釋手機(jī)無線充電原理，探究提高無線充電效率等較復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象；簡述現(xiàn)代技術(shù)與工程具有系統(tǒng)性和復(fù)雜性。

2.科學(xué)思維：分析感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件和通電螺線管磁場強(qiáng)弱的影響因素，解釋說明手機(jī)無線充電的科學(xué)原理；初步掌握籌劃性思維、創(chuàng)造性思維、權(quán)衡性思維等工程思維方法；基于證據(jù)，對手機(jī)無線充電所涉及的爭議問題進(jìn)行批判性思考。

3.探究實(shí)踐：經(jīng)歷明確工程問題、設(shè)計方案、實(shí)施制作等過程，合作完成手機(jī)無線充電器的制作；能從可行性、實(shí)際需求等角度，選擇合適的器材、元件進(jìn)行優(yōu)化制作；依據(jù)評價的反饋結(jié)果，對無線充電器進(jìn)行改進(jìn)和完善，并交流制作和探究過程，討論爭議性問題。

4.態(tài)度責(zé)任：樂于探索手機(jī)無線充電器制作過程和改進(jìn)優(yōu)化方案，善于合作解決技術(shù)與工程問題；能較全面地看待科學(xué)技術(shù)對人類生活的影響，知道技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用需要考慮環(huán)境、健康等因素，并作出理性判斷和決策。

3 教學(xué)實(shí)踐

3.1 創(chuàng)設(shè)情境

【情境引入】隨著科技的發(fā)展，無線充電技術(shù)已經(jīng)普遍運(yùn)用于智能手表、手機(jī)，甚至電動汽車領(lǐng)域。各國紛紛投入無線充電汽車、無線充電公路的研發(fā)工作，讓電動汽車實(shí)現(xiàn)邊跑邊充電。我國首條智慧高速公路—杭紹甬高速也計劃在部分路段實(shí)現(xiàn)無線充電。

【明確問題】關(guān)于無線充電技術(shù)，我們可以探究的問題有哪些？經(jīng)過頭腦風(fēng)暴，師生交流后明確了所探究的科學(xué)問題和需解決的工程問題：

1.無線充電技術(shù)的科學(xué)原理是什么？

2.如何制作手機(jī)無線充電器？

3.制作無線充電器需要哪些材料和工具？

4.為什么手機(jī)無線充電比有線充電慢？

5.無線充電時的電磁輻射是否對人體有害？

設(shè)計意圖教師依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、教材和學(xué)生的生活實(shí)際，創(chuàng)設(shè)無線充電的教學(xué)情境。學(xué)生沉浸在視頻展示的各種情境中，通過頭腦風(fēng)暴不斷提出問題，教師順勢引導(dǎo)學(xué)生提出富有挑戰(zhàn)性的各種工程問題。這種教學(xué)過程能明顯提升學(xué)生的參與度、自我效能感以及科學(xué)探究的能力，激發(fā)學(xué)生對技術(shù)產(chǎn)品背后科學(xué)原理的探究興趣。此環(huán)節(jié)著眼于學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，為下一“發(fā)展區(qū)”做好鋪墊。

3.2 技術(shù)解密

【功能體驗】教師展示手機(jī)無線充電器（圖2），組織學(xué)生體驗使用。當(dāng)手機(jī)靠近無線充電器時，無需插入數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)充電。

圖2手機(jī)無線充電器

【原理推測】學(xué)生觀察手機(jī)無線充電器的使用方法，推測其工作原理可能是電磁感應(yīng)原理。但該觀點(diǎn)招致其他學(xué)生反對，理由是手機(jī)在充電時并沒有做切割磁感線運(yùn)動，不符合感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，此時學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突。

【結(jié)構(gòu)拆解】教師拆解并展示無線充電器內(nèi)部的線圈（圖3）和手機(jī)內(nèi)部的線圈（圖4），部分學(xué)生再次認(rèn)為是電磁感應(yīng)的原理，但仍有學(xué)生質(zhì)疑。隨后，教師提供文獻(xiàn)資料，學(xué)生閱讀后得知，無線充電器的線圈接通電源后，線圈加上交流電產(chǎn)生一個不斷變化的磁場，支持無線充電的手機(jī)靠近無線充電器時，手機(jī)內(nèi)部的線圈會感應(yīng)到磁場的變化，發(fā)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流給手機(jī)電池充電。

圖3無線充電器內(nèi)部的金屬線圈

圖4手機(jī)內(nèi)部的金屬線圈

設(shè)計意圖當(dāng)學(xué)生提出驅(qū)動性問題后，教師通過產(chǎn)品使用、拆解等方法，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)科學(xué)知識解釋手機(jī)無線充電器的工作原理，并通過觀察無線充電器和手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、文獻(xiàn)閱讀等方式，確認(rèn)其工作原理，讓學(xué)生體會實(shí)物拆解、文獻(xiàn)閱讀在科學(xué)探究和工程實(shí)踐中的重要性。教師循序漸進(jìn)地滲透證據(jù)意識、結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀念，引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)對技術(shù)與工程的指導(dǎo)意義，進(jìn)而體會現(xiàn)代技術(shù)與工程問題的系統(tǒng)性和復(fù)雜性。

3.3 設(shè)計物化

【設(shè)計】教師提供器材元件（圖5），組織學(xué)生以合作的方式設(shè)計一個能實(shí)現(xiàn)無線充電的簡單電路。

圖5實(shí)驗器材元件

學(xué)生通過對無線充電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察和文獻(xiàn)資料的閱讀，設(shè)計了電路圖（圖6。該電路主要分兩部分：上部分是手機(jī)的內(nèi)部電路，下部分是無線充電器的內(nèi)部電路。針對該設(shè)計，有的學(xué)生質(zhì)疑：文獻(xiàn)資料中提到，當(dāng)無線充電器的線圈接通交流電后會產(chǎn)生一個不斷變化的磁場，才能給手機(jī)無線充電。而這個電路中使用的是直流電，不能產(chǎn)生不斷變化的磁場，故無法實(shí)現(xiàn)無線充電。

圖6學(xué)生畫出的電路圖

教師充分肯定學(xué)生間相互質(zhì)疑及問題分析時的證據(jù)意識，隨后展示三極管（圖7），說明它可以在直流電路中形成不斷變化的磁場，同時還提供保護(hù)電阻（圖8），指導(dǎo)學(xué)生對其所設(shè)計的電路進(jìn)行修改完善。經(jīng)多次討論修改后，逐步得到較為完善的電路圖（圖9）。

圖7三極管

圖8保護(hù)電阻

圖9學(xué)生改進(jìn)的電路圖

【物化】根據(jù)優(yōu)化后的電路圖，小組合作制作手機(jī)無線充電器。在制作過程中，為使二極管發(fā)光（模擬手機(jī)充電），應(yīng)選擇合適的電源和漆包線等。小組成員需對以下問題作出籌劃、權(quán)衡和決策：

1.送電線圈兩端的電壓應(yīng)設(shè)定為多大？

2.選擇粗的還是細(xì)的漆包線來制作線圈？

3.制作直徑為多大的線圈？

4.繞制多少匝數(shù)的線圈？

5.如何確定送電線圈和受電線圈的位置？

教師引導(dǎo)學(xué)生意識到，若要使二極管發(fā)光，就應(yīng)獲得較大的感應(yīng)電流，需增大送電線圈周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若欲增大送電線圈磁場，則需增加送電線圈匝數(shù)，但線圈匝數(shù)越多，電路總電阻會變大，使得通過送電線圈的電流減小，從而減弱了送電線圈周圍的磁場強(qiáng)度。同時，線圈直徑、線圈位置等也會影響感應(yīng)電流的大小。因此，送電線圈兩端電壓大小、漆包線的粗細(xì)、線圈匝數(shù)、線圈直徑、送電線圈和受電線圈的位置距離等都需要學(xué)生進(jìn)行權(quán)衡。

師生共同討論，分析效果、材料、時間、成本等限制性條件，提出驗收標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1手機(jī)無線充電器的驗收標(biāo)準(zhǔn)

【優(yōu)化】學(xué)生選擇合適的材料和工具，依據(jù)電路圖以小組合作的形式完成無線充電器的制作（圖10、圖11）。學(xué)生對制作好的無線充電器進(jìn)行測試，對比作品與設(shè)計方案的差距，并基于科學(xué)原理，對作品進(jìn)行有依據(jù)的迭代，必要時應(yīng)再次修改設(shè)計方案。在作品檢測和優(yōu)化環(huán)節(jié)，學(xué)生需要圍繞以下問題進(jìn)一步思考：如何才能獲得更大的感應(yīng)電流？如何使產(chǎn)品更簡潔美觀？

學(xué)生在批判質(zhì)疑的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)建議。在討論產(chǎn)品的功能效果時，學(xué)生提出增大送電線圈兩端電壓、適當(dāng)增加送電線圈和受電線圈的匝數(shù)、選擇合適直徑的漆包線、使受電線圈和送電線圈中心重合、線圈距離更近，甚至有學(xué)生提出在線圈中心加一個磁性較強(qiáng)的永磁體等想法。在討論產(chǎn)品的工藝時，有學(xué)生提出可以將線圈纏繞在梭芯上，并把裸露的送電線圈電路放入透明塑料盒中，便于確定送電線圈的中心位置，以獲得更大的感應(yīng)電流。學(xué)生改進(jìn)后的無線電充電作品如圖12所示。

圖10學(xué)生制作的無線充電作品

設(shè)計意圖工程設(shè)計與物化是《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的13個核心概念之一，工程的關(guān)鍵是設(shè)計，核心是建造[4]?？茖W(xué)、技術(shù)與工程相互影響，學(xué)生利用所學(xué)科學(xué)原理開展技術(shù)與工程實(shí)踐活動。同時，學(xué)生利用自己完成的技術(shù)與工程實(shí)踐作品或模型，復(fù)現(xiàn)某些科學(xué)現(xiàn)象、驗證或探究某些科學(xué)原理，使得科學(xué)、技術(shù)與工程成為一個密切相關(guān)的整體[5。在工程設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生采用草圖、簡圖或示意圖等方式，以清晰明了的設(shè)計圖作為內(nèi)心設(shè)計理念的表征以及與組員溝通的工具，綜合考慮時間、成本、材料等限制條件，在批判質(zhì)疑的基礎(chǔ)上，對設(shè)計方案進(jìn)行論證和優(yōu)化。部分資優(yōu)的學(xué)生還對電路圖的效果進(jìn)行了簡單預(yù)測，以避免低級錯誤，減少迭代修改的次數(shù)。在工程物化環(huán)節(jié)，學(xué)生開展小組合作，在組長的有序安排下，群策群力，選擇合適的器材元件制成初步的無線充電器。在工程優(yōu)化環(huán)節(jié)，學(xué)生對產(chǎn)品進(jìn)行展示和優(yōu)、缺點(diǎn)分析，并從科學(xué)原理、限制條件等角度評估無線充電器的性能，以便加以改進(jìn)和完善，最后制成比較符合工程需求的手機(jī)無線充電器。通過以上三個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生將科學(xué)、技術(shù)和工程等相關(guān)知識與技能運(yùn)用于實(shí)踐，將“動腦思考、動手實(shí)踐與設(shè)計優(yōu)化\"融合為一體，提高了創(chuàng)新與實(shí)踐能力。

3.4 評價交流

【作品評價】根據(jù)驗收標(biāo)準(zhǔn)對技術(shù)與工程實(shí)踐產(chǎn)品開展自評和互評，并以產(chǎn)品發(fā)布會的形式開展交流，闡述自己在產(chǎn)品設(shè)計、物化和優(yōu)化過程中的失敗和成功體驗，讓學(xué)生有機(jī)會從他人的設(shè)計和作品中互相借鑒，懂得經(jīng)歷過程比得到結(jié)果更加重要，進(jìn)而學(xué)會正確對待挫折和失敗。

圖11學(xué)生制作無線充電作品的工作圖

圖12學(xué)生改進(jìn)后的無線充電作品

【拓展研究】學(xué)生在經(jīng)歷制作手機(jī)無線充電器的工程實(shí)踐后，產(chǎn)生了更多的疑問。部分學(xué)生想探究三極管讓直流電形成不斷變化磁場的原理；部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)手機(jī)無線充電時會發(fā)燙、充電時間更長的問題，于是試圖探索提高無線充電效率的辦法。教師可以充分肯定學(xué)生的探究意愿，并利用拓展課或課后服務(wù)課開展深入研究，從而推動科學(xué)、技術(shù)與工程成為一個協(xié)同發(fā)展的整體。

【議題討論】隨著無線充電技術(shù)的普及，在“是否應(yīng)該大力發(fā)展無線充電技術(shù)”的討論中，學(xué)生通過查閱網(wǎng)絡(luò)資料分別從科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、政策等方面提出不同看法。部分學(xué)生認(rèn)為，無線充電擺脫了傳統(tǒng)有線充電的束縛和數(shù)據(jù)線的適配問題，更靈活方便，應(yīng)該大力發(fā)展。部分學(xué)生認(rèn)為，無線充電價格貴、充電慢，沒必要發(fā)展。還有的學(xué)生則擔(dān)憂無線充電產(chǎn)生的電磁輻射會對人體健康產(chǎn)生不良影響，應(yīng)禁止發(fā)展?？傊?，技術(shù)是一把雙刃劍，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從可持續(xù)發(fā)展的角度認(rèn)識科學(xué)、技術(shù)和社會的關(guān)系，從而在生活中作出合理決策。

設(shè)計意圖在評價交流環(huán)節(jié)，教師可以借助展示櫥窗、產(chǎn)品發(fā)布會等形式公開展示學(xué)生作品，引導(dǎo)學(xué)生對自制的無線充電器進(jìn)行自評和互評。同時，引導(dǎo)學(xué)生回顧整個工程實(shí)踐過程，總結(jié)經(jīng)驗和體會，分享遇到的困難和解決的方法，獲得成就感和職業(yè)認(rèn)同感。此外，還可以進(jìn)一步利用自制的無線充電裝置，開展拓展研究或社會性科學(xué)議題討論。教師引導(dǎo)學(xué)生從探究時的疑問和教學(xué)意外出發(fā)，提出新的科學(xué)問題，或者從批判、質(zhì)疑的角度，討論涉及倫理、環(huán)境的技術(shù)與工程問題，以此來培養(yǎng)學(xué)生的樂于探究、理性判斷和社會責(zé)任感。

4教學(xué)建議

4.1 應(yīng)采用多元化的教學(xué)方法

在科學(xué)教育中同時開展技術(shù)與工程實(shí)踐教學(xué)，要秉持著靈活、統(tǒng)籌的原則。在實(shí)施方式上，可遵照浙教版《科學(xué)》教材，整章內(nèi)容開展專題式教學(xué)，也可以在教學(xué)過程中篩選合適的內(nèi)容，滲透技術(shù)與工程的相關(guān)知識。在教學(xué)流程上，無需刻板地遵循固化的工程步驟，而是要根據(jù)具體情境靈活選擇工程要素進(jìn)行教學(xué)，避免工程實(shí)踐教學(xué)步入形式化的桎梏。例如，本案例則未嚴(yán)格按照“明確問題一設(shè)計方案—實(shí)施計劃—檢驗作品—改進(jìn)完善—發(fā)布成果\"的流程組織教學(xué)[4]，而是充分挖掘無線充電技術(shù)的利弊，加入議題討論等環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展觀和社會責(zé)任感。在課時安排上，可以統(tǒng)籌科學(xué)課、綜合實(shí)踐活動課、勞動課、課后服務(wù)等課時，系統(tǒng)安排教學(xué)時間。例如，本案例在科學(xué)課中完成“創(chuàng)設(shè)情境”“技術(shù)解密\"和“設(shè)計物化\"中的“設(shè)計\"環(huán)節(jié)，其他環(huán)節(jié)可在課后服務(wù)等時間完成。

4.2 應(yīng)注重工程思維的滲透和培養(yǎng)

技術(shù)與工程實(shí)踐的本質(zhì)是運(yùn)用工程思維在非良構(gòu)情境下解決復(fù)雜問題，而不是簡單地動手操作。工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維6，主要過程包括決策思維、設(shè)計思維、實(shí)施思維和評價思維等。在工程設(shè)計環(huán)節(jié)中，學(xué)生要綜合考慮漆包線的粗細(xì)、線圈匝數(shù)、線圈直徑、線圈位置和間距等因素，進(jìn)行有依據(jù)的論證和決策，并開展產(chǎn)品制作和迭代優(yōu)化，以此培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、決策思維和實(shí)施思維。在評價交流環(huán)節(jié)，學(xué)生對無線充電技術(shù)開展利弊討論，逐漸認(rèn)識到該技術(shù)依然需要解決傳輸效率低、電磁輻射等技術(shù)問題，從而理解技術(shù)的兩面性，培養(yǎng)全面看待問題的評價思維。

4.3 應(yīng)避免片面追求完美的評價標(biāo)準(zhǔn)

義務(wù)教育階段進(jìn)行技術(shù)與工程教學(xué)的目的不是讓每個學(xué)生都成為技術(shù)專家或工程師，而是提升公眾的技術(shù)與工程素養(yǎng)，使其能夠作出明智的技術(shù)決策，更好地設(shè)計、開發(fā)和使用技術(shù)。在技術(shù)與工程導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生制作的作品并非實(shí)際的產(chǎn)品，其實(shí)質(zhì)是一種簡化的模型。教師自身要摒棄應(yīng)試教育下“以成果論成敗”的觀念，在教學(xué)過程中要強(qiáng)調(diào)不存在完美的標(biāo)準(zhǔn)答案，所有的學(xué)生作品都應(yīng)得到認(rèn)可。教師應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇多樣化的交流評價方式，讓制作成功的學(xué)生感受到成功的喜悅，也要讓制作失敗的學(xué)生進(jìn)行總結(jié)反思和體會。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kelley TR，KnowlesJG.A conceptual framework forintegrated STEM education[J].International JournalofSTEM Education，2016（3）：1-11.

[2]Akerson V L，Burgess A，Gerber A，et al. Disentanglingthemeaning of STEM：Implications for science educationandscience teacher education[J].Journal of Science Teach-erEducation，2018，29（1）：1-8.

[3]嚴(yán)云芬.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論綜述[J].當(dāng)代教育論壇，2005（8）：35-36.

[4]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[5]胡衛(wèi)平，劉守印.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2022.

[6]中華人民共和國教育部.普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[7]美國國際技術(shù)與工程教育協(xié)會.技術(shù)與工程素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)與工程在STEM教育中的作用[M].顧建軍，等，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?024.

（欄目編輯 鄧?yán)冢?/p>