工程實踐導向的初中科學項目化教學研究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148（2025）8-0006-7

科學與工程實踐是科學學習的新趨勢。《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”首次明確“工程設計與物化”是科學學科的核心概念之一，并且將培養學生技術與工程實踐能力作為科學核心素養目標的重要指標[]。隨著國家“中國制造2025\"戰略的實施，工程思維培養被提升至國家人才戰略的高度。當前，初中科學教學存在知識傳授與實踐應用割裂的困境，學生普遍缺乏將科學原理轉化為技術和工程的能力。開展工程實踐導向的項目式教學，通過真實情境中的產品設計與迭代過程，能夠有效促進科學、技術、工程與數學（STEM）的深度融合，這正是新時代科學教育改革的破局之道。

1當前工程實踐與科學教學融合的現實困境

1.1 教師對工程實踐認識不足

部分教師對工程實踐教學的認識不足，仍然以傳統的知識傳授為主，忽視了學生實踐能力和創新思維的培養。在教學過程中，過于注重理論知識的講解，缺乏對工程實踐環節的設計和指導，導致學生對工程實踐缺乏興趣和熱情。另有部分教師缺乏工程實踐經驗，難以將抽象的科學原理轉化為可操作的工程項目任務。

1.2 工程實踐場域與教學資源的脫節

工程實踐教學需要豐富的教學資源支持，包括項目化的器材、實踐場域、充足的實踐時間及真實情境等。然而，許多學校由于資金、場域、教學時間等限制，無法提供充足的教學資源，導致工程實踐教學難以開展。此外，情境的真實性不足，項目設計脫離工程實際，無法反映工程領域的技術和發展趨勢。

1.3 工程實踐教學評價體系不完善

目前，工程實踐教學的評價雖在紙筆測試中有呈現，部分教師采用解題戰術讓學生熟悉套路作答，但缺乏對學生實踐過程和創新能力的全面評價。這種單一的評價方式無法準確反映學生的工程實踐能力和工程思維能力等綜合素質，不利于學生的個性化發展和創新能力的培養。

2 工程實踐導向的科學項目化教學設計工程實踐是指工程師所從事的工程構想、設計、實現和運行工作，其中設計是工程實踐的本質與核心[2。要使工程實踐融入教學，其重心要落在設計上，讓學生了解工程設計的一般過程及通用技能，感受實際條件對設計的制約，努力孵化創意、熟悉方法以及培育思維。項目化是選擇合適的工具和材料實施設計方案，做出初步的產品或實物模型；經過對結果的評估發現存在的問題并進行改進，對于比較復雜的產品或實物模型，可能需要多次迭代更新。

工程實踐導向的科學教學是指通過建造實物或剖析真實案例等活動，寓科學探究于工程實踐，讓學生經歷問題、設計、論證、建模、解釋、制造、測試以及優化評估等階段，以增強工程思維和實踐能力、學科知識的綜合運用能力為主要目的的教學。以“自制簡易液壓機\"項目化教學為例，其教學流程如圖1所示。

圖1工程實踐導向的教學流程圖

“自制簡易液壓機”項目教學通過“問題驅動鏈\"將核心任務分解成若干個子任務，以符合基本認知的問題串驅動學生主動探究：從“密閉容器中液體對側壁壓強有何特點\"到“如何利用這一特點實現力的放大”，引導學生由淺入深地探秘液壓機的原理；再從“裝置怎樣實現穩定施加壓力壓碎核桃\"到“如何實現連續施加壓力”，引導學生展開工程設計與物化產品制作，并不斷創新方法解決真實問題；再以“裝置能否更加省力”的拓展性問題作為課后延伸，引導學生進一步思考產品的優化迭代。

“工程任務鏈\"與“實踐活動鏈\"環環相扣，豐富多元、層層遞進的實踐活動始終促進學生思考、判斷、多角度且辯證地分析問題、作出決策，帶領學生經歷工程任務的各個環節，幫助學生在不斷發現、解決問題的過程中體驗處理工程問題的規范性、解決方案的多樣性，以及根據反饋改進作品的必要性，促進學生在“做中學\"中內化落實核心素養。

3 工程實踐導向的科學項目教學實踐

3.1 課前導入環節

液壓機是生產生活中的一種常用機械。教師首先播放一則液壓機壓碎鐵球等堅硬固體的視頻，直觀地展示液壓機的強大威力，而后通過師生交流了解學生對液壓機的已有認知。隨后，教師出示一則“中國制造世界上最大的液壓機，壓力高達 8×10⁸ N\"的新聞，以‘ 8×10⁸ N\"的具體數字震撼學生的同時，引發學生思考：液壓機如此巨大的威力從何而來？教師順勢引出工程任務——設計和制作簡易液壓機，并通過師生討論，明確以“能夠實現輕松壓碎堅硬物體（以壓碎核桃為例）\"作為產品的驗收標準。

【設計意圖】從生產生活實例到工程前沿，幫助學生認識液壓技術的廣泛應用，培養學生工程思維和行業認知，激發學生對其工作原理的好奇心和探索欲。同時，基于已有認知提出問題，引導學生從現象觀察轉向原理探究。

3.2 課中研討環節

3.2.1 探究液體傳壓特點

液壓機雖然在生產生活中應用廣泛，但學生對其內部構造不熟悉，因此“自制簡易液壓機輕松壓碎核桃\"這一任務對學生來說有一定難度，教師需要將核心任務二次分解為若干個子任務，設計問題串驅動學生逐步思考：

（1）液壓機是一個密閉裝置，密閉容器中液體對側壁的壓強有何特點？通過簡單的實驗進行證明。（2）壓力能否通過液體進行傳遞？利用上述特點，如何實現壓力的放大？結合壓力、壓強公式，具體分析該過程。（3）液體傳壓裝置需要如何放置，才能穩定地對核桃施加壓力，從而壓碎核桃？繪制模型圖并進行說明。

針對任務1，學生能夠聯想到密閉容器中氣體對側壁的壓強相等，類比得到密閉容器中液體對側壁的壓強相等，可通過四周扎孔乒乓球的簡單實驗進行驗證（圖2）。

圖2教學演示

對于任務2，教師提供橫截面積不同的針筒、硅膠軟管等器材，學生自主連接得到圖3所示裝置后，通過實踐活動研究液體傳遞壓力，發現先后推動兩側活塞，小針筒一側更省力。結合所學知識，學生能夠對該過程進行分析：推動小針筒活塞時，小針筒活塞對液體產生的壓強 p₁ 等于大針筒活塞受到的壓強 p₂ ，設小針筒、大針筒的活塞橫截面積分別為 S₁，S₂ ，受到的壓力大小分別為F、F，則有Pi= ，可得 ，即作用在兩個活塞上的壓力與活塞的橫截面積成正比，施加在小活塞上的小壓力經液體傳遞在大活塞上得到很大的壓力。

圖3液體傳壓裝置

【設計意圖】將核心任務分解為遞進式子任務，遵循“現象觀察—原理探究—工程應用\"的認知規律，逐步引導學生從實驗現象定性理解壓強的特點，到建立數學模型定量分析液壓機“以小搏大”的核心機制，再到液壓機結構設計的工程實現，降低認知負荷，促進階梯式學習。“壓力放大倍數與面積比成正比\"的認識，為后續制作的材料選擇提供理論依據，體現工程設計中“理論指導實踐\"的工程思維方法。

3.2.2 設計液體傳壓裝置

基于對液壓機原理的認識，在任務3中，學生參考教師所提供的器材，結合PTA評價量表（表1）進行小組合作，繪制模型圖。各小組匯報員針對模型圖表述設計思路，并通過組間評價對模型圖進行完善，初代模型圖示例如圖4所示。

表1模型圖繪制PTA評價量表

圖4初代模型圖示例

【設計意圖】要求學生繪制液壓裝置模型圖，思考如何穩定施壓（如垂直放置避免液體泄漏、固定支架保證受力均衡等），將原理轉化為可操作的機械結構，培養系統設計能力。

3.2.3 制作初代液壓機產品

根據完善后的模型圖，學生利用可供選擇的器材（木支架1個、剪刀1把、裝有 500mL 水的燒杯1個、橫截面積不同的針筒若干、硅膠軟管若干、硅膠軟管接頭若干、核桃若干等，如圖5所示），小組合作制作初代簡易液壓機（圖6）。工程活動的設計制作過程需要綜合考慮限制因素，例如該環節中學生需要對針筒的大小、針筒內的預設水量、硅膠軟管的長度等因素進行考慮。

【設計意圖】以“壓碎核桃”為目標，促使學生綜合考慮力的傳遞效率、結構穩定性等實際約束條件，從而作出決策，選擇合適的材料制作初代產品。該環節模擬真實工程場景中的設計挑戰，從理論計算到實物制作，學生體驗了完整的工程設計流程，理解“約束條件下的最優解\"這一工程核心邏輯。

3.2.4 測試產品，查找問題

完成初代產品的制作后，小組進行壓碎核桃的初次嘗試，對產品的效果進行測試。在產品的應用測試過程中，學生主動發現了初代產品主要存在水量不易控制、無法連續進水施加壓力等問題，并將實踐過程中遇到的問題記錄在導學案中。針對待改進的問題，學生組內、組間討論解決措施，運用創造性思維和創新方法來解決各種復雜問題和挑戰。

【設計意圖】以可視化成果為導向，以“壓碎核桃”為明確驗收標準，增強任務挑戰性和成就感，同時各組測試成果形成對比，促進反思性學習。該環節鼓勵學生通過“測試一發現問題一調整方案\"的迭代過程，滲透“設計一改進”的工程閉環思維。

3.2.5 迭代優化，改進產品

基于討論結果，學生在初代模型圖中進行改進，利用三通軟管接頭增設進水通道，并通過單向閥或者止水夾控制水的流動方向。教師補充提供學生所需的器材（三通軟管接頭、單向閥、乳膠管、止水夾若干，如圖7所示），學生優化后的模型圖如圖8所示。然后，學生利用教師提供的器材，對實物裝置進行改進，形成二代簡易液壓機（圖9）。

【設計意圖】從功能實現到性能優化，體現了“發現問題一分析原因一改進方案”的工程迭代邏輯；從“能工作\"到“更好用\"的進階，體現了工程設計中的持續改進理念。提供單向閥（自動控制）和止水夾（手動控制）兩種選項，為學生萌發多樣化的解決方案提供可能性，鼓勵學生對比選擇（如單向閥效率高但成本高，止水夾靈活但需人工干預），培養技術決策能力。

3.2.6 交流展示，延伸拓展

學生以小組為單位輪流展示產品，不同的設計效果有差異，例如進水通道使用單向閥抑或止水夾、大針筒端是否設置防倒流裝置等，開放性的物化成果需要學生根據表2所示的裝置優化效果評價量表進行評價。而后，教師引導學生進一步思考：能否讓裝置更省力？比如，增加大小針筒的橫截面積差距、在施力處即小針筒末端增加杠桿、增加大針筒的數量等，成品范例如圖10所示，這將為學生課后進一步優化迭代產品提供思路。

表2產品優化效果PTA評價量表

圖10簡易液壓機成品范例

【設計意圖】通過展示不同組別的設計，學生可以直觀地感受到工程解決方案的多樣性，理解“沒有唯一正確答案\"的工程實踐特點，培養學生工程反思與批判性思維。多維度的評價量表，引導學生從多角度客觀評估作品，而非僅關注“是否壓碎核桃”，培養系統化的工程評價能力。“能否更省力”的挑戰性問題，激發學生跳出當前方案，思考更優解（如增大面積比、增加杠桿、并聯大針筒），滲透“工程永無止境\"的創新意識。將優化建議（如杠桿設計、面積比調整）作為課后任務，鼓勵學生基于課堂反饋持續改進，形成“設計一測試一優化”的完整工程閉環。

4 工程實踐導向的科學項目教學策略

4.1 遴選真實情境，激發學習動機

教師應從生活實際和工程前沿出發，創設真實、有趣的教學情境。通過展示生動的動畫視頻、引入熱點新聞等方式，激發學生的好奇心和探索欲望，讓學生在解決實際問題的過程中主動學習工程知識和技能。如“設計并制作超級充電寶—抽水蓄能電站\"項目教學，源自新聞熱點《人民日報》的文章：《新型儲能迎來快速發展“超級充電寶”各顯其“能”》，文章指出，伴隨能源轉型加速，全球可再生能源占比突破 30% ，新型儲能是破解風、光發電“看天吃飯”難題的關鍵，2024年，“發展新型儲能”首次寫入中國政府工作報告，激發學生對抽水蓄能電站工作原理的探索動機。以“設計一座抽水蓄能電站模型\"為手段開展工程實踐任務，讓學生從被動接受知識轉向主動參與和探究。

4.2 構建“三鏈一體”的路徑，促進深度學習

將“問題驅動鏈”“工程任務鏈”“實踐活動鏈”三鏈融合為一體，將復雜的工程任務分解為若干個子任務，設計具有層次性和邏輯性的問題串，讓學生從現象觀察到原理探究，再到工程實踐，實現深度學習。例如，在“設計一座抽水蓄能電站模型\"項目中（圖11），教師通過三個子任務：探究抽水蓄能電站能量轉化的特點、設計抽水蓄能電站圖、制作抽水蓄能電站模型，讓學生在工程實踐中內化科學原理與技能，在真實問題解決和項目產品制作成果中構建思踐融合的場域。實踐活動中，學生在合作中分工協作，學習的評價也自然而然地從結果導向轉變為過程導向、素養導向，實現教、學、評的一體化。這種教學方式能夠降低學生的認知負荷，幫助學生構建完整的知識體系，培養學生的動手實踐能力和問題解決能力。

圖11“設計一座抽水蓄能電站模型\"項目教學流程圖

4.3 搭建多階知能架構，培育工程思維

指向工程實踐的科學教學在涵蓋科學知識的同時，強調跨學科內容的整合，將科學、技術、工程、藝術和數學（STEAM）等學科知識融合在一起，幫助學生建立系統思維。例如，在“設計一座抽水蓄能電站模型\"項目中（表3），學生不僅學會基于模型圖表達設計思路，利用能量轉化原理和數學推理對“抽水蓄能電站\"進行分析論證，用創新思維和多元化的視角通過多種方案解決問題，還對于項目呈現的開放性設計成果進行比較、質疑、創新。由此，學生在多階知能整合的過程中逐步實現知識的綜合應用、能力的全面提升以及創造性思維的發展。

表3“設計一座抽水蓄能電站模型\"項目的STEAM學習領域

5 工程實踐導向的科學項目化教學反思

綜上所述，工程實踐導向的科學課堂能夠促使教學方式實現自然轉型。本文提出的“三鏈一體\"教學路徑，為科學教師開展技術與工程實踐課程提供可行性參考，助力新課標中技術與工程實踐理念在常態教學中的落實。以“工程設計與物化\"為統領的項目化教學，依托真實且富有趣味性的工程情境任務，通過問題鏈與任務鏈的雙

重驅動，引導學生深度參與工程實踐活動，從而系統培養其創新批判思維、系統思維及工程實踐能力，最終促進學生科學核心素養的全面發展。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]占小紅.工程實踐融入基礎科學教育：內涵、目標與路徑[J].基礎教育，2017，14（3）：45-49，59.

（欄目編輯 趙保鋼）