融合创新应用教学案例

在案例设计中，基于真实的问题情境意味着要立足现实世界，

同时具有一定的典型性、真实性和可靠性，符合客观事实。案例中

蕴含的问题不能是虚构的，而是在现实或项目推进过程中会真正遇

到的，而且要让这些问题成为贯穿整个单元的主线。

例如，在“过街天桥的设计与实践”中设计了这样的问题情境：滨海中学为了联通马路两侧的新旧校区以方便师生安全通行，需要

建造一座人行过街天桥。实地勘测得知，天桥将要跨越的道路为双

向4车道主路，两侧还各设有非机动车道、人行道，主道与非机动

车道之间有2米宽的绿化隔离带，道路区域总宽度为 50米。该案

例所提供的真实情境中，还蕴含了桥的用途，桥的长、宽、高、跨

径等尺寸的依据，桥墩的位置，荷载量要求，建桥使用的材料，工

期与预算，桥的安全与美观等真实问题。虽然学生无需使用真实材

料完成实际天桥的设计制作，但是必须立足于该项目所涉及的工程

与技术问题进行综合考虑，通过真实情境的模拟，使用易获得的材

料并按照一定比例缩小尺寸，完成模型的设计制作。这一过程可实

现利用跨学科知识进行问题解决和科技创新，实现STEAMS的价值追求。教材还提供了可参考的桥梁模型（见图1）。

三、涉及工程设计和数学求解过程，体现科技人文融合创新

案例中所提供的真实问题应是系统化的复杂工程问题，需要调

动学生以跨学科整合为抓手，以问题为载体，运用科学知识、技术

方法、数学计算和逻辑思维能力加以解决。STEAMS提倡创造性地解决问题，其求解过程包含一系列环节。其中，形成问题解决方案

之前的环节称为概念设计阶段，之后的环节称为详细设计阶段。该

过程是一个迭代的过程而非线性的流程。因此在设计教材案例时，

要加强问题意识，考虑到项目中将涉及哪些具体问题，这些问题分

属于哪些学科领域。尤其是对于科学问题，问题的探究要尽可能具

体化，形成问题串，层层递进，螺旋上升，可构成进阶图。要考虑

为解决这些问题，项目应蕴含哪些工程意识和工程思维，实现项目

创新的基础条件和制约因素有哪些，应有怎样的工程设计过程。另

外，还要将STEAMS教学与传统的数学、科学教学区别开来，应培养学生计算思维，引导学生将科学方法应用于日常生活，并专注于

解决问题的实际应用，学会运用模型化的数学与科学知识进行问题

求解。

如“过街天桥的设计与实践”案例中，为了确定箱梁尺寸，需

要计算箱梁或桁架结构内部构件的应力，而这一过程涉及超静定结

构力学分析，超出了高中知识范围。为了使学生能够基于高中物理

所学的静力学方法解决问题，就需要合理简化问题，将对象之外的

结构抽象为若干刚体的组合，突出对象受力，以便分析估算，得出

近似结论。这样，学生就能通过简化的受力分析与工程计算，估算

箱梁的尺寸。

以上工程设计和数学求解过程，是为了凸显运用多学科知识与

方法分析和解决问题的过程，促进学生在这一过程中获得知识与能力，培养科学素养，而非简单地利用数学或物理公式解题。

四、适度反映科技前沿问题，体现一定的时代性

从理论上讲，教材中的案例只要能够承载实现课标的要求即可，但随着时代的发展，一些传统教学案例逐渐与现代科技脱节，难以

激发学生的兴趣，因此在编制教学案例时，应注意与时俱进。例如，为了使交通工具设计主题既有科学性、文化性，又有时代性，编制

了“太阳能小车的创新设计与实践”的案例。汽车是陆地交通的重

要工具，但因其以化石能源为动力，对环境的污染也日益严重。随

着人们环保意识的增强，时代呼唤清洁能源汽车的出现，如太阳能

汽车。由于太阳能汽车的普及使用还未成为现实，因此这一案例反

映了科技前沿问题，在培养学生科技创新思维的同时，还可引导、

启发他们对新科技产品的兴趣与关注，增强社会责任感。在编制案

例时，可先从太阳能小车入手，让学生分析其组成系统（见图2）。太阳能模型车的原理和工程设计思路与真正的太阳能汽车相似，可

体现STEAMS理念，并承载相应的教育功能与价值。