在STEAM教育视野下，将工程实践融入现有的科学课程中，目前已成为很多国家的科学教育政策主导和研究热点。在基础科学教学中整合科学探究和工程设计，能让学生从小有机会尝试打通“是何”“为何”与“如何”问题的思考，不单关注作为产物的科学知识或技术，更看重人类基于理性认识和改造世界的过程与方法。物理作为一门基础科学课程，其内容与工程实践存在着天然的关联，但目前传统教学多重视科学原理与规律的探究及其在生活现象中的解释，而对于其在工程实践中的应用则关注不够，导致学生能解决“是何”“为何”类问题，而面对“如何”类问题其表现往往不尽如人意。笔者以STEAM项目式学习“‘天问一号’火星降落伞工程设计”为例，探讨在科学与工程整合视角下，以物理课程为载体的STEAM项目式学习实践探索。科学与工程在物理课程中的整合并非简单以情境任务驱动物理学习，而是将工程设计思维与科学思维有机结合，建构两种思维的互反馈机制，形成开放式的“探究→解决问题→优化问题→再探究”的良性循环，促使学生在非线性的、边界模糊的学习过程中逐渐趋向学习目标。教师可采用科学课程中广泛使用的教学模式BSCS 5E模型，该模式包括引入（engagement）、探索（exploration）、解释（explanation）、迁移（extension）、评估（evaluation）五个阶段，与工程设计过程有较高的契合度，是形成工程思维－科学思维互反馈循环的有效模式，对于工程设计与科学课程的融合具有较大的借鉴意义。笔者以教学“‘天问一号’火星降落伞工程设计”为例说明。此项目是基于“简单运动”单元拓展而来，其基于5E模式的教学流程如图1所示。各环节的科学问题与工程问题相互迭代，学生所经历的思考过程并非单线过程。例如，在工程问题“火星降落伞的设计应考虑哪些重要性能”的驱动下，学生将进行工程需求分析，并提出科学问题“降落伞的控速性能、稳定性与哪些因素有关”；在“探索”与“解释”环节，学生解决的科学问题是“迁移”与“评估”环节中工程问题的重要依据，同时学生在工程实践中也要不断审视前面的科学问题，甚至会触发新的科学问题并回到前一个环节进行科学求证；最终的“评估”环节将是工程与科学问题反复循环迭代的过程。总之，学生在工程与科学问题的迭代过程中逐层经历“关联整合、迁移应用、建构新知、实践新知、检验新知”的深度学习，培养“不仅要学会学习，更要会用知识解决问题”的终身学习意识。引入环节，教师不仅要创设真实情境，引发学生对问题的关注，激发探究兴趣，而且要引导学生通过视频资源、媒体资源、科普文献等多种信息渠道，对已有信息进行关联整合并提炼出待解决的实际问题。最终，师生共同明确预期成果。“天问一号”是我国研制的第一套火星探测器，目前已成功升空，并完成两次轨道修正及深空机动，预计2021年登陆火星。笔者播放视频，介绍“天问一号”探测器研制背景及飞行现状，激发学生的民族自豪感和使命感，并讲述接下来面临的挑战：“天问一号”将一次性完成火星环绕、着陆和巡视探测“三步走”任务，其中着陆技术是火星探测的关键技术之一，着陆过程中的关键环节就是降落伞降速。火星降落伞的性能是影响着陆效果的重要因素。在此背景之下提出核心任务：为“天问一号”设计一款火星降落伞，让其安全顺利地着陆。学生阅读相关的科普文献，了解火星地理环境及登陆技术的发展现状，结合实际问题分析可能风险及限制因素，经过头脑风暴后得出降落伞性能的两个关键要素，即控速性能与稳定性能，为后续科学探究与工程设计明确方向。师生针对工程需求，共同明确任务的预期结果，并签订工程协议书。让学生扮演工程师，接受挑战性任务有助于激发他们的学习动机。以本项目为例，由于火星上大气密度要比地球上小两个数量级左右，地球上的模拟测试将增大难度系数，采用灌有水的气球来模拟火星探测器。评价量规可依据工程需求划分４个评价维度并细化：（1）水球质量不低于200克；（2）下落高度不低于10米；（3）水球无破损；（4）落到指定区域。教师事先向学生展示质量为200克的水球由2米高处自由下落，水球轻易爆裂，让学生体会到任务的挑战性，激发学习热情。探索环节是学生关联旧知、迁移应用的关键环节，教师应注重探究活动与物理单元知识学习的关联与进阶，让学生利用已有学习经验，实现陌生情境中的迁移应用。以本项目为例，学生要科学地进行工程设计，需要通过实验探究得出相应的理论依据，而实验探究应采用何种测量方案，是学生需要解决的第一个问题。学生在小学科学课程中已探究过降落伞下降快慢的影响因素，但对实验原理并未做过深入探讨。在八年级物理“物体简单运动”单元的基础上，教师可引导学生利用已学知识以批判性的眼光对实验探究方案再审视。教师：在小学科学教学中，我们通过比较物体全程下落的时间来比较下降快慢，由此评估降落伞性能。此测量方案一定可靠吗？为什么？学生：不一定可靠。这个方案比较的是探测器全程运动中的平均速度，万一物体在后面的阶段又加速了，平均速度就不可靠了。教师：没错！那么在降落伞整个下落过程中，应比较哪一阶段的速度才合理？学生以小组为单位进行实验方案的设计，将物体下落全路程分为4段，测量最后一段的平均速度。学生在活动中经历如下三个阶段。（1）平行迁移，深化理解。学生观看视频重温物理单元学习中测量小车在斜面上运动中的前半段、后半段速度的实验，尝试将已学实验方案在本任务中迁移应用。这一过程促进了学生对所学实验原理的深度理解。（2）发现问题，批判质疑。学生通过实际测量和系统模拟均发现实验误差很大，已有实验方案不能满足需求。这让学生深刻意识到，教材中的实验方法也不是万能的，需结合实际迁移应用。这有利于培养学生质疑与创新的精神。（3）方案升级，迁移创新。师生经讨论交流后，决定利用智能手机的慢镜头功能对实验方案加以改良：以电子屏幕上的坐标轴和计时器为背景，将物体自由释放，利用手机慢镜头功能每隔0.1秒记录物体下落过程中所处坐标位置及计时器显示的时间，最终将数据输入Excel表格计算每0.1秒的平均速度并绘制图像（如图2）。基于现有信息技术，学生不仅大大提高了测量精度，而且能直观地观察到降落伞对物体全程下落运动的影响，为后续的工程设计奠定理论基础。同理，对于降落伞稳定性测试的方案也可利用物理知识进行改进，采用风洞装置测试稳定性，有助于学生深化对“运动相对性原理”的理解。学生基于测量方案对降落伞控速性能、稳定性的影响因素进行深入探究。工程问题比较复杂，需处理的变量很多，实验方案与结论没有唯一的标准，具有较强的开放性。教师可鼓励学生组建小组，以协作学习的方式共同面对挑战。小组成员共同观测模型试降并通过平台充分交流各自的文献阅读信息后，再进行猜想与提问，从众多变量中提取有价值的研究变量，最终聚焦一个研究问题。例如，有的小组探究伞体结构对稳定性的影响，有的小组探究伞绳长度对控速性能的影响，有的探究伞面形状对控速性能的影响，各小组研究方向不尽相同。教师的主要任务一是指导学生选题，二是线上线下跟进学生的探究过程并即时反馈，为学生建立过程性评估证据集，引导学生在方向明确、边界模糊的探究过程中发现规律。学习应有“放”有“收”。完成开放式的科学探究活动后，教师随即组织学生在线交流分享实验方案、数据及结论，基于已有经验建构新知。各小组学生关注维度不同，有助于学生获取更全面的信息。教师鼓励学生发现其他组的亮点与自身的不足，对各组实验方案及结论进行客观评价，引导学生从多个角度进行关联整合，建构完整的理论模型，为工程设计与优化提供理论支持。迁移是学生迁移与实践新知的环节。基于理论模型，学生在解决问题过程中会发现很多因素是相互制约的。例如，伞顶设计孔洞会增强稳定性，但同时会降低其控速性能；再如，伞绳的长度越长，稳定性越好，但是伞体张开所需时间就会变长，影响最终效果。如何实现火星降落伞的整体效果最佳化？这就需要学生依据前期的实验数据、结论反复权衡、预测、研讨、决策，再进行蓝图的定量设计。学生从中逐渐体会科学探究在工程实践中的重要指导意义。学生的组内研讨过程将充分展现学生对理论模型的理解程度及处理复杂问题的能力。教师需要全程观察、跟进评估反馈，并要求学生在制作成品前进行方案论证，阐述方案设计的理念及科学依据。工程测试是检验新知的评估环节。学生依次用200克、400克水球模拟火星探测器进行落体实验，测试地点选为教学楼4楼。用下落通道两侧的墙体模拟火星的高山地势，若降落伞落速过快或稳定性不佳，则容易由于高速坠地或横向撞击“山体”导致水球破裂。测试失败的小组回看视频，回顾理论模型并分析失败原因，调整设计方案并重复测试，直至测试成功。需注意的是，学生在制作与测试过程中可能会偏离原有的科学思维，陷入技术性操作即反复试错的惯性循环。教师需向学生强调，工程测试与优化是工程设计中需反复经历的迭代过程，而非不经思考的“返工重制”，要不断引导学生思考“工程测试中待解决的新问题是什么”“应如何对方案进行改进”“改进的依据是什么”“参数改变的预期结果是什么”等问题，从而在迭代优化的过程中不断强化科学思维与工程思维的互反馈，让他们学会思考并解决问题。以物理课程为载体融入工程设计，是STEAM教育高质量落地的一种可行路径。此法教学优势明显：其真实性推动有意义的知识建构，其开放性创生边界模糊的学习任务，其复杂性创设关联整合、迁移创新的进阶情境，逐步引导学生由浅层符号学习走向基于真实问题的深度学习。立足于学生学科素养发展，笔者认为工程设计与科学课程的整合有以下几个特点。STEAM学习是自然生成的过程，学生在工程问题的驱动下中能够跨越学科边界，将不同领域的知识技能融会贯通。例如，本案教学就高度融合了STEAM理念（见表1）。表1 “‘天问一号’火星降落伞工程设计”项目涉及的STEAM领域内容
教师设计工程任务要与真实世界密切联系，为学生提供在真实问题中实践理论知识的机会，促进学生对知识的深入理解与有效迁移。学习任务的设计不仅要真实，而且要注重深度。科学探究应与已有知识发生关联。教师进行适当的进阶设计，可促使学生在陌生情境中基于已有经验进行关联整合、建构新知，培养他们批判质疑与迁移创新的能力。工程设计的融入应立足于整个课程体系，让工程真正地融入科学课程，帮助学生达成长期持久的深度学习。例如，本案例并非孤立的项目，它既是运动单元学习的综合延伸，又用于引导学生在实践探索中初步建立相互作用与运动的物理观念，为后面的力学模块学习作铺垫。本项目与前后单元学习均指向同一个大概念，即“运动与相互作用”，用于引导学生围绕大概念不断地进行螺旋上升式的建构。注：本文系北京市教育科学“十三五”规划2018年度一般课题 “STEM教育视野下初中物理教学与工程设计的融合模式实践研究”（项目编号：CDDB18224）的研究成果。文章来源 | 《中小学数字化教学》2021年第3期
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