四、课程内容

（十三）工程设计与物化

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。经过对结果的评估，发现存在的问题并进行改进，对于比较复杂的产品或实物模型，可能需要多次迭代改进。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。通过体验和实践操作，学生可以在理解学科概念的同时，更好地领会和理解跨学科概念的内涵。

【内容要求】

【学业要求】

【教学提示】

教师要创设真实问题情境，引导学生在解决问题的过程中感受处理工程问题的规范性、解决方案的多样性，以及根据反馈迭代改进作品的必要性。在完成任务的过程中，培养学生的工程实践能力和创新能力。

本学科核心概念的学习有利于形成和理解物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化等跨学科概念。例如，学生在学习物质的结构与性质、生命系统的构成层次、地球系统等学科核心概念后，逐渐意识到系统的结构决定了其功能。在技术与工程中，为了实现特定的功能，学生需要设计并制作有独特结构的装置。若结构存在缺陷，则不能充分实现设想的功能，从而使学生对“结构与功能”这一跨学科概念有更深入的理解。

从探究的角度看，适当的工具或实物模型有助于科学探究。用工程的方法和流程设计制造出的作品或实物模型，一方面在设计制作中需要应用科学原理，另一方面可以帮助学生更好地理解科学原理，使科学、技术、工程成为一个密切相关的整体。

1. 教学策略建议

技术与工程实践活动要根据学生的知识经验和认知水平，设置既有科学性又有趣味性的学习内容；同时要根据学生的原有基础，有针对性地提出任务，着重在设计图纸、成本核算、测试评价及迭代改进方面进行实践，注意不同学段学习内容的衔接和进阶，使学生的工程实践能力螺旋上升。

（1）创设符合学生年龄特点的真实情境中的工程问题

真实情境与学生的生活环境、知识背景、自然和社会现象有关，有助于学生主动、积极地参与学习活动。5～6年级和7～9年级，要在实践活动中融入多学科、跨学科知识。

本学科核心概念中的实践活动强调处理工程问题的规范和流程，而不是简单的动手操作。通过实践让学生了解：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；而为了实现这一目标，要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（包括方案本身存在缺陷、加工精度等），通常还需要进行多次迭代改进。

（2）注重训练学生工程实践能力

培养工程实践能力对当前我国的技术与工程教学有着十分重要的意义和价值。教学中，要针对学生工程实践方面的薄弱环节进行有针对性的训练。例如，对于图纸设计的能力，要从草图、简图到示意图，循序渐进，帮助学生养成用图形表达设计思路的习惯。又如，材料选择、成本计算，是思维训练的载体，学生在这些方面的基础一般比较薄弱，教学中要特别重视和加强训练。

5～6年级和7～9年级，要注重统筹规划、设计、优化、实施、检验和迭代改进等环节，做到扎实有效。同时要引导学生学会利用相关的科学原理和数学工具对实际问题的结果进行初步预测。

（3）让学生通过亲身体验，发展实践能力与创新能力

学生的实践能力只有通过参与真正的实践活动才能逐步提高，因此设计和制作都是学生必须亲身经历的活动。要提供足够的材料和时间，让所有学生都有机会参与各个环节，亲自实践。1～4年级，可以制作比较简单的作品；5～6年级和7～9年级，可以在不断迭代改进的过程中，逐步培养“问题—改进—新问题—再改进”的实践习惯。

在方案可以实施的前提下，从低年级开始，就要鼓励学生提出不同的方案，逐渐培养学生的创新能力。

（4）学习过程的评价不追求标准答案

工程问题没有最好只有更好。在本学科核心概念的教学过程中，特别要强调没有标准答案，所有的学生作品都应得到认可；让学生懂得经历过程比得到结果更加重要。

针对有缺陷的作品：1～2年级，可以让学生提出修改意见，并进行简单的修改；3～6年级，可以让学生从问题出发，从修改图纸开始，有目的地改进作品；7～9年级，可以让学生从目标开始，进行创造性的改进。

要将评价标准前置，让学生在设计和制作之前确定目标，明确衡量的标准，参照评价标准进行自我监控和自我评价，逐步养成自我管理和自我调节的良好习惯。

（5）培养学生的团队合作精神

在设计和制作过程中，需要团队分工与合作。教师设计活动时，要考虑内容的难易程度；在活动中，要有意识地引导学生开展分工与合作，让他们为了共同的任务目标，相互配合、相互支持。

（6）开展丰富多样的展示交流活动

展示交流的形式可以丰富多样，如展示台、展示橱窗、发布会、舞台表演、戏剧演出、博览会、嘉年华等。

在展示交流前，可以让学生设计说明书、演讲词、图片、短视频、剧本等，通过多种方式呈现自己的作品，这也是培养学生综合能力的契机。

在展示交流中，让学生通过相互配合推介自己的作品，发挥每一个学生的积极性，通过现场投票进行评选和表彰。

2. 学习活动建议

学习活动设计，要与本学科核心概念的内容相适应，主要包括模型制作和项目研究。模型制作更强调规范和流程；项目研究是围绕真实情境开展学习的方式，要通过技术与工程方法设计制作装置或模型，利用装置或模型进行深入研究，发展实践能力和创造能力。

在安排和设计本部分学习活动时，要考虑以下准则：①注意安全性、可操作性、科学性和趣味性；②强调规范和流程；③应有多种可能的解决方案，方案可以进行分组讨论，采用头脑风暴的形式产生，每组最终基于有说服力的证据选择一种方案加以实施；④应有明确的限制条件和指标，从低年级到高年级，活动的内容和形式要逐渐接近简单的实际工程问题；⑤难度适中，大部分学生应能在规定的时间内完成设计、制作和修改；⑥在活动的总结阶段应进行形式多样的展示交流。注意考虑不同学段学习活动的衔接和进阶。

（1）1～2年级

制作台签、笔筒、相框、游戏棋、纸桥等简单物品，培养学生兴趣，感受工程实践的特点。以“纸桥制作”活动为例，其情境可以这样设定：某山区学生上学时要蹚过一条小河，下雨时过河存在一定危险。教师以此为背景，请学生提出设计方案，用纸做一个模拟的桥，比较不同方案的效果和创意。通过这一活动，让学生关注贫困地区学生的状况，同时意识到技术与工程可以为人们带来便利。具体活动中学生要思考并完成一系列任务：①明确问题。用纸做个纸桥模型，要求用A4纸和胶水制作一个单跨纸桥，给出纸桥的尺寸（如宽度10 cm，跨度50 cm，可架在两桌子之间），做好后能承受一定质量的钩码（如100 g），要求用纸尽可能少并适当美化。②设计方案。根据跨度要求和纸的尺寸，确定纸桥的大致式样，考虑不同纸张之间的连接，每人画出设想中纸桥的简图，小组从是否合理、是否好操作等角度选出某一方案准备实施，并在小组内进行适当的任务分工。③实施计划。把设想的方案分步骤完成，如可以先把单张纸卷成圆柱形状，或叠成横截面为三角形、凹形、W形等不同形状（如图8所示），测试不同形状的承载能力（涉及的科学原理是“力可以使物体的形状发生改变”），然后选择适当的方式把纸桥架起来。④检验作品。测量纸桥尺寸是否符合要求，观察放上钩码后纸桥的变化。⑤改进完善。如果出现纸桥承重时垮塌或无法放钩码等问题，要讨论提出可能的修改意见，并尽可能改进。⑥发布成果。集中展示纸桥，让学生介绍自己制作纸桥的经历、发现问题时如何考虑、制作过程中一些特别的细节

等。如果纸桥已损坏，要分析导致这一结果的可能原因。

（2）3～4年级

以项目研究的方式制作简易小乐器、简单创意电路、弹射纸飞机等，培养动手能力，体验工程实践的要素。

（3）5～6年级

以项目研究的方式制作小杆秤、简易太阳能热水器、木桥、潜望镜，以及模拟飞船对接等，培养统筹规划、图纸设计等能力。其中，制作木桥活动（详见附录3案例6）是在纸桥制作基础上的进阶。“模拟飞船对接”活动的情境可以这样设定：我国航天事业取得了巨大成就，多次实现飞船与空间站的成功交会对接。通过这一活动激发学生对我国航天事业的自豪感；同时促使学生把科学原理与工程实践结合起来，明确成功的标准。具体活动中学生要分工合作，思考并完成一系列任务：①明确问题。用身边的物品（如塑料水瓶和一些木板、螺丝等）设计制作飞船模型，考虑对接的接口问题以及电路的设计问题；对飞船模型的尺寸给出具体限制，要求模型能体现飞船的外部特征；明确对接成功的标准（如飞船A中有电池无灯，飞船B中有灯无电池，对接成功的标志是灯能亮起来，科学原理涉及“形成电路的条件”）。②设计方案。考虑如何对接、不同飞船中的电路如何设计、对接时如何保证接通电路等。还要考虑方案中各影响因素间的关系，如两艘飞船的接口尺寸的匹配关系、太阳能帆板的位置关系、对接前后电路的连接关系等；经过讨论形成飞船的式样和电路布置的方案，并画出示意图。③实施计划。在教师指导下，做出飞船模型并适当进行艺术处理（如图9所示），同时把电路加入。④检验作品。对接装

置和电路可以独立进行测试，要求对接后灯亮起来。⑤改进完善。如果发现太阳能帆板位置不合适而影响对接、对接口尺寸不合适、电路不能连接等问题，要考虑进行适当的改进。⑥发布成果。制作完成后进行集中展示，各小组介绍活动过程中的收获体会，并进行模型对接演示（一位学生拿着飞船A在前面运动，另一位学生拿着飞船B在后面追赶并在运动中尝试对接）。

（4）7～9年级

以项目研究的方式制作清洁能源小车、简易风力发电装置、简化净水器、水火箭、基于物联网的数字校园模型、智慧城市模型等，培养规划、设计、制作、展示交流等能力。以制作“水火箭”活动为例，这一活动是在模拟飞船对接基础上的进阶，因为飞船是由火箭发射升空的。其情境可以这样设定：按照有关规划，我国未来要发射更多的火箭进行载人登月、深空探测等活动，因此大家想做一个简单的火箭模型来模拟真实火箭发射升空。通过这一活动，引导学生更加关注我国航天事业；同时使学生理解真实工程问题的复杂性和系统性，需要充分利用科学原理和计算思维，在实施之前进行方案优化。具体活动中学生要分工合作，思考并完成一系列任务：①明确问题。考虑火箭的动力来自燃料燃烧喷出的气体，根据这一原理，设计制作更为安全的水火箭来进行模拟发射（如图10所示）；明确成功的具体标准（如飞行高度，或转化为飞行时间）和限制条件。②设计方案。考虑限制条件，如动力只能由喷出的水和空气提供，时间、费用有限制

等；考虑合理性及可行性，增加压力使水喷出，产生反推力，本质上与火箭燃料燃烧喷出气体同理；从工程角度看，装置的密封性要好，要能保证水在足够大的压力下喷出而产生足够的反推力；可以在教师指导下建立数学模型，研究空气与水的最优比例问题，根据模型编写简单程序，获得初始速度、角度与飞行时间的关系，为最终测试提供依据。③实施计划。可以分工合作，一些组员负责水火箭总体外形加工，一些组员负责测试不同的密封方法能达到的最大压力或压强，一些组员验证水与空气的比例产生推力的大小。在分析、测试的基础上，最终完成制作。④检验作品。初步完成的作品可能存在很多问题，如水火箭的密封效果不好、不能升空、在空中翻滚、在空中解体等，如果存在上述问题，要进行有针对性的改进。⑤发布成果。制作完成后进行集中展示并进行比赛，请学生分享自己的设计制作过程，包括设计中的小技巧、如何把所学知识应用到工程中、加工制作中的选材及环保问题等。