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1“工程设计与物化”的教学背景

国家义务教育《科学课程标准》（2022年版）提出科学课程旨在培养学生的核心素养，为学生的终生发展奠定基础。将科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等核心素养的培养有机融入学科核心概念的学习过程中。科学课程设置13个学科核心概念，其中“工程设计与物化”作为核心概念之一，通过本学科核心概念的学习有助于学生形成物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化等跨学科概念。

工程活动的本质是创造人工实体，设计与物化是其中的重要环节。工程首先要定义和界定问题，明确需要满足的标准和受到的限制条件，形成多种可能的解决方案，基于证据进行优化并确定方案；物化是选择合适的工具和材料，实施设计方案，做出初步的产品或实物模型。

2“工程设计与物化”的教学范式

“工程设计与物化”的教学是教师根据教学目标创设真实情境并提出问题，进而确立工程研究，工程研究以任务驱动引导学生利用科学知识和跨学科知识进行深度学习，通过小组合作学习，进行工程方案设计、制作，教师引导学生对工程方案设计、优化设计、制作作品进行交流评价，然后对作品存在的不足再进行适当的修改和完善，培养学生的合作交流和实践能力，对最后的物化成果进行展示交流，应用解决实际问题。

！[fig_25479]（https：//p9-flow-imagex-sign.byteimg.com/ocean-cloud-tos/pdf/e0eb4c416b385b94740776e9c5962694_0_1200.jpg～tplv-a9rns2rl98-resize-crop：695：555：807：624：112：69.jpeg？rk3s=1567c5c4&x-expires=1776408458&x-signature=92fooJfiB2v%2FHplnHJ%2FwQh%2B4pFc%3D）图1

3“工程设计与物化”的教学范式实践

在学习“浮力”知识后，我们知道在液体中的物体受到浮力大小是与液体的密度有关，在浮力知识的应用中，密度计也是一种重要的应用。密度计作为一种测量工具，是可以被设计和物化的。开展“工程设计与物化”的“自制简易密度计”教学，教学过程分5个基本环节展开。

3.1创设情境，工程定义

教学片段1

讲台上放置两杯等体积的水和盐水，如何来区分水和盐水，并说明区分的方法？（不能品尝）

学生1：可以测量质量进行比较，质量大的，说明是盐水。盐水的密度大，等体积质量大。

学生2：可以用泡沫块来区分，浮得上面的是盐水。盐水的密度大，排开液体的体积小，所以浮得上面的是盐水。

！[fig_01971]（https：//p9-flow-imagex-sign.byteimg.com/ocean-cloud-tos/pdf/e0eb4c416b385b94740776e9c5962694_0_1200.jpg～tplv-a9rns2rl98-resize-crop：688：867：820：972：132：105.jpeg？rk3s=1567c5c4&x-expires=1776408458&x-signature=fEGRVH7nPj5bPKgpfgffS6WGGuo%3D）教师：那么能否用小木棒来替代泡沫进行区分呢？

实际操作，将小木棒放入一杯液体中，出现倾斜地靠着烧杯浮在液体上，不能较好观察。

图2教师：如何能使小木棒竖立漂浮着呢？

学生：下面加点较重的物体。

实际操作：小木棒下吸巴克球（小木棒一端内已事先插入大头针），能让小木棒竖立在液体中。这样根据浸入程度就能区分水和盐水。

教师：刚才的过程中，实际是因为液体的密度不同，导致同一个物体漂浮在液体中的程度也不同，那么是否可以根据浸入程度来体现出液体密度大小呢？

学生：可以

教师：那么能否具体测出液体密度值呢？如果能测出，那么就可以制作测量密度的密度计了。

设计意图：利用学生已有的科学知识进行尝试性解决问题，采用的方法有很多，如测量质量比较大小，利用浮力知识中漂浮物体浸入液体中的程度等。教师引导学生，引出利用小木棒在液体中的漂浮时，浸入液体中的深度不同可以来区分水和盐水，实际是应用了浮力和二力平衡的知识。在此环节的最后提出能否测出液体密度值，带给学生思考，以此来确定工程定义。

3.2任务驱动，方案设计

教学片段2

教师：在日常生活中，我们把水的密度定为1g/cm3，让小木棒竖直漂浮在水中，那么木棒与水面交界处的位置做一个标记，标为1g/cm3，这样就完成了一个密度值的标注（见图1）。如何能标注更多的值呢？

工程定义：制作简易密度计（至少标注4个密度值，能初步测量正确）

任务驱动：如何设计制作一支简易的密度计？（包括材料选择、标注刻度值方法）

教师：小组合作，选择怎样的材料？如何标注更多的密度值？设计方案并交流。

小组交流汇报设计方案，归纳如下两种：

方案1：选择密度较小的材料，如小木棒。将小木棒分别放入不同的液体中，做好标记并标注密度值。

方案2：选择密度较小的材料，如小木棒。根据同一物体在不同的液体中都是漂浮状态，浮力不变，根据数学知识可以推出ρ水gh水s=ρ液gh液s，h液=ρ水h水/ρ液，那么就可以根据其他液体的密度值和水中的$h_{水}$来确定$h_{函}$的标记位置，并标注密度值（见图2）。

教师：根据现有的器材情况，大家觉得哪一种方案更好？

设计意图：密度计的工作原理是漂浮时所受浮力不变的特点，所以学生方案中采用密度较小的材料是对所学知识的应用。学生根据标注水的密度值，想到方案1的设计，也是情理之中，也是一种能力的迁移，但这种方案需要多种液体才能完成标注，操作性不强。方案2根据科学、数学知识综合推导，得出液体中进入的深度$h_{港}$与水中浸入的深度h水有一定的量化关系，只要知道ρ液就可以理论算出h液的值，可以直接在材料上标记位置并标注对应的密度值，更符合简易密度计的制作。学生对于方案的设计，方案的选择都是提升科学核心素养的有效途径。也能让学生了解，解决工程问题需要可以实施的方案，因此应从多种可能的方案中选出最合适的方案，为了实现这一目标，要对设计方案进行优化。

3.3分工合作，制作实施教学片段3

教师：根据方案设计，需要得到小木棒在水中浸入的深度h水，还需要根据液体密度计算得出对应密度值的浸入深度h液，需要小组分工合作分成下表。

小组成员合作，测量浸入水中的深度h水，根据方案2中的关系式，计算浸入其他液体的$h_{洛}$与$h_{*}$之间的关系（计算结果保留2为小数），具体如下。

设计意图：测量深度h水能培养学生动手实践能力，有些学生会选择将刻度尺深入水中测量，有些学生会在交界面先定一个标记再拿出来测量，只有在亲身体验中，才能体会不同的测量方法的优缺点。利用数学的推导，进行理论的计算，能让学生知道理论设计对于工程的重要性，知识从实践中来，又能服务于实践。让学生通过亲身体验，发展实践能力与创新能力，也培养学生的团队合作精神。

3.4评价反思，优化改进

展示各组的自制密度计，发现只能标注2个密度值（水、盐水），而且标注的数字经过液体后出现了模糊现象，导致虽能初步完成，但不能实际使用，因此对方案需要反思和修正。

反思1：针对只能标注2个值，因为选择的小木棒不够长，无法标注比水密度小的液体密度值。修改方案：选择更长的小木棒或选择密度更小的材料，前者尽管长度加长，但自身重力也增加，因而选择密度更小的材料更合理，可以用吸管替代，但需要一端封闭。

反思2：针对标注数字模糊，书写的笔墨遇水后会散开，所以导致模糊。修改方案：选择遇水不散的笔书写或让书写的标注不碰到液体。前者遇水不散并不能使其他液体也不散，所以最理想的是标注不碰到液体，可以放在吸管材料的内侧。

根据以上反思，主要对方案中的材料选择进行优化改进，具体如下：利用透明材料的吸管（5mm）、巴克球（5mm）、巴克球（3mm）、宣纸（薄轻）、蜡油，一根吸管一端配上一个5mm的巴克球，然后将其放入水中，逐粒将3mm的巴克球从另一端放入，直至能竖直漂浮在水中即可，这样就能很好替代小木棒。宣纸卷成5mm直径的圆柱形，刚好能放入吸管，所需数字标注在宣纸上即可。作为测量仪器，还需要在上面标注单位，为了防止液体从下端进入，采用蜡油封闭，既可以防止液体进入密度计内容，也可以较好保护巴克球生锈。这些都是工程逐步优化、改进完善的。

设计意图：工程问题没有最好只有更好，“工程设计与物化”的核心概念教学过程中，特别强调没有标准答案，所有的学生作品都应该得到认可，让学生懂得经历过程比得到结果更加重要。所以在最初的方案中，教师也没有指出之后会出现的问题，经历初次制作所出现的问题，能让学生深刻体会到工程不是一蹴而就的，在不断实践操作中，对设计方案进行优化，按照设计方案完成的作品，由于各种原因（包括方案本身存在的缺陷、制作因素等），通常还需要多次迭代改进，这个过程中逐步培养“问题--改进--新问题--再改进”的实践习惯。

3.5成果展示，应用实践

优化改进后的成果展示，完成了5个密度值的标注，并对水、95%的酒精进行了测量，测量结果也令人满意，基本达到了工程定义的要求。

设计意图：进行成果展示，鼓励学生多角度、多途径介绍自己的作品，也是培养学生综合能力的契机。利用自己所做的作品进行实际应用，特别是测出酒精的密度值与理论值接近时，更是对学生实践成果的肯定，具有很大的激励作用，激发学生浓厚的学习兴趣。同时通过多组作品展示，可以发现密度计上的密度值分布呈现下大上小的规律，并且密度值相等的间隔条件下，对应间隔长度并不是均匀的，而是下小上大。对于这些规律都会在学业质量标准检测中得以体现，那么通过亲身体验制作，这些规律问题就能迎刃而解，也是应用实践的体现。

4“工程设计与物化”教学范式实践的反思

本课通过“创设情境，工程定义；任务驱动，方案设计；分工合作，制作实施；评价反思，优化改进；成果展示，应用实践”为教学过程进行“工程设计与物化”核心概念的教学实践，聚焦真实有意义的任务，融合多学科、跨学科知识，促进学生进阶学习，提升学生的思维能力，使学生的工程实践能力螺旋上升。

4.1“工程设计与物化”教学聚焦真实任务

“工程设计与物化”教学，通过任务驱动，贯穿整个学习过程，小组成员在聚焦任务的情景下，相互合作，共同配合，为能实现工程物化全身心投入，最大程度激发了学生的学习积极性，并能在过程中体会成功的乐趣，保持对学习的最大热情。

4.2“工程设计与物化”教学融合多学科、跨学科

“工程设计与物化”教学，融合多学科知识，有利于形成和理解跨学科概念。用工程的方法和流程设计制造作品，一方面在设计制作中要应用科学原理，另一方面可以帮助学生更好地理解科学原理，使科学、技术、工程、数学成为一个密切相关的整体。在自制简易密度计的教学实践中，通过标注数值的操作可以非常直观地看到等密度值的长度间隔是不均匀的。当然，也可以引导利用学生的反比例函数作图来体现出这个长度间隔的不均匀问题（如图3），培养学生用数学知识来解释科学问题，达到融合多学科、跨学科的学习效果。

4.3“工程设计与物化”教学提升实践能力

“工程设计与物化”教学是根据学生的知识经验和认知水平，设置了既有科学性又有趣味性的学习内容，有针对性地提出任务，着重进行工程设计，评价反思，优化改进，迭代作品等进行实践。简易密度计的制作从选材小木棒到吸管，细化防水、防锈的处理等教学实践，都能使学生的工程实践能力螺旋上升。