科學(xué)工程師主題課程教案合集一、課程設(shè)計(jì)背景與核心理念在STEAM教育理念深化推進(jìn)的當(dāng)下，科學(xué)工程師主題課程以“科學(xué)原理探究—工程問題解決—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐落地”為邏輯主線，融合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）、數(shù)學(xué)（Mathematics）多學(xué)科思維，旨在培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—迭代優(yōu)化”的工程思維與科學(xué)探究能力，為學(xué)生搭建從知識(shí)學(xué)習(xí)到實(shí)踐創(chuàng)新的橋梁。課程設(shè)計(jì)遵循“真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)、跨學(xué)科整合、項(xiàng)目式實(shí)踐”三大原則，通過具象化的工程任務(wù)，讓學(xué)生在“做中學(xué)”中理解科學(xué)原理的應(yīng)用價(jià)值，掌握工程設(shè)計(jì)的核心方法。二、分學(xué)段課程教案示例（一）小學(xué)中高年級(jí)：“校園節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)”項(xiàng)目1.教學(xué)目標(biāo)科學(xué)認(rèn)知：了解水的循環(huán)原理、常見節(jié)水裝置的工作機(jī)制（如水龍頭閥芯結(jié)構(gòu)）；工程實(shí)踐：能運(yùn)用簡(jiǎn)易材料（塑料瓶、吸管、膠帶等）設(shè)計(jì)并制作1-2種節(jié)水裝置原型；素養(yǎng)發(fā)展：通過小組協(xié)作分析校園用水浪費(fèi)現(xiàn)象，培養(yǎng)問題意識(shí)與環(huán)保責(zé)任感。2.教學(xué)準(zhǔn)備教具：校園用水場(chǎng)景視頻（含浪費(fèi)現(xiàn)象）、不同類型水龍頭拆解模型、節(jié)水裝置案例圖（如感應(yīng)水龍頭、雨水收集桶）；學(xué)具：塑料瓶（500ml）、吸管、剪刀、熱熔膠槍（教師輔助使用）、量杯、紅墨水（模擬水流）。3.教學(xué)過程（40分鐘）情境導(dǎo)入（8分鐘）：播放“校園停水后師生取水困難”的情境短劇，引發(fā)學(xué)生思考“如何減少校園用水浪費(fèi)？”，分組討論校園用水痛點(diǎn)（如水龍頭漏水、沖洗拖把用水量過大等）?？茖W(xué)探究（10分鐘）：觀察實(shí)驗(yàn)：用紅墨水模擬水流，對(duì)比普通水龍頭與節(jié)水水龍頭的出水形態(tài)（教師演示閥芯結(jié)構(gòu)模型，講解“限流”“延時(shí)關(guān)閉”原理）；資料分析：結(jié)合“家庭節(jié)水小妙招”圖文資料，歸納節(jié)水的科學(xué)邏輯（如“一水多用”基于水的可循環(huán)性）。工程設(shè)計(jì)（12分鐘）：任務(wù)驅(qū)動(dòng)：以“改造教室水龍頭/拖把池”為目標(biāo)，小組繪制設(shè)計(jì)草圖（需標(biāo)注材料、結(jié)構(gòu)、預(yù)期效果）；方案優(yōu)化：教師巡視指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生思考“如何防止裝置漏水？如何控制水流大??？”，借鑒案例圖中的“分層過濾”“延時(shí)閥”思路。實(shí)踐制作（8分鐘）：小組分工制作原型（如“多級(jí)過濾節(jié)水拖把池”：塑料瓶底部打孔接吸管，瓶身分層放海綿、砂石過濾雜質(zhì)，瓶口接水龍頭），教師協(xié)助使用熱熔膠固定結(jié)構(gòu)。展示評(píng)價(jià)（2分鐘）：小組展示裝置并說明設(shè)計(jì)意圖，全班從“節(jié)水效果、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、創(chuàng)意性”三方面互評(píng)，教師總結(jié)“工程設(shè)計(jì)需兼顧科學(xué)原理與實(shí)際需求”。4.教學(xué)反思低齡學(xué)生對(duì)“工程”的理解需從“具象化改造”切入，可提前準(zhǔn)備更多生活化案例（如飲料瓶變澆花器）降低認(rèn)知門檻；工具使用需強(qiáng)調(diào)安全，熱熔膠槍等危險(xiǎn)工具由教師操作，學(xué)生以組裝為主。（二）初中八年級(jí)：“智能家居照明系統(tǒng)開發(fā)”項(xiàng)目1.教學(xué)目標(biāo)科學(xué)認(rèn)知：掌握串聯(lián)/并聯(lián)電路原理、光敏電阻的光電效應(yīng)；工程實(shí)踐：能使用Arduino套件搭建光控照明電路，編寫基礎(chǔ)控制程序（如“光線暗時(shí)自動(dòng)開燈”）；素養(yǎng)發(fā)展：通過調(diào)研家庭照明痛點(diǎn)，培養(yǎng)需求分析與技術(shù)迭代能力。2.教學(xué)準(zhǔn)備教具：智能家居照明產(chǎn)品拆解模型（如小米智能燈）、電路原理動(dòng)態(tài)演示課件；學(xué)具：ArduinoUno主板、光敏電阻模塊、LED燈、面包板、杜邦線、電腦（預(yù)裝Mixly編程軟件）。3.教學(xué)過程（2課時(shí)，90分鐘）任務(wù)導(dǎo)入（15分鐘）：情境調(diào)研：學(xué)生分享“家庭照明的不便之處”（如忘記關(guān)燈浪費(fèi)電、起夜摸黑等），歸納需求（節(jié)能、便捷、人性化）；技術(shù)鋪墊：教師演示光敏電阻“光照越強(qiáng)電阻越小”的實(shí)驗(yàn)（用手電筒照射，萬用表測(cè)電阻變化），結(jié)合歐姆定律講解光控原理。方案設(shè)計(jì)（20分鐘）：電路設(shè)計(jì)：小組繪制“光控LED燈”電路圖（需標(biāo)注元件連接方式、電源正負(fù)極），思考“如何調(diào)節(jié)光線感應(yīng)閾值？”（提示：通過程序修改電阻閾值參數(shù)）；程序邏輯：用Mixly圖形化編程工具設(shè)計(jì)邏輯（如“如果光敏電阻值<500，LED亮；否則熄滅”），教師演示變量調(diào)試方法。原型制作（35分鐘）：硬件搭建：小組按電路圖在面包板上連接元件（注意杜邦線正負(fù)極），教師巡視糾正短路、虛接問題；程序調(diào)試：上傳代碼后測(cè)試，若LED常亮/常滅，引導(dǎo)學(xué)生排查“電阻閾值設(shè)置是否合理？電路是否接反？”，迭代優(yōu)化方案。拓展優(yōu)化（15分鐘）：功能升級(jí)：嘗試添加“手動(dòng)開關(guān)”“延時(shí)關(guān)閉”功能，或用3D打印制作燈罩（藝術(shù)整合）；成果展示：小組演示系統(tǒng)工作過程，說明“如何平衡節(jié)能與使用便捷性”。4.教學(xué)反思學(xué)生易混淆電路正負(fù)極、程序變量邏輯，需提前用“實(shí)物電路+虛擬仿真”雙模式教學(xué)；可引入“用戶體驗(yàn)”評(píng)價(jià)維度（如裝置是否美觀、操作是否簡(jiǎn)便），強(qiáng)化工程設(shè)計(jì)的人文關(guān)懷。（三）高中二年級(jí)：“城市微交通優(yōu)化方案”項(xiàng)目1.教學(xué)目標(biāo)科學(xué)認(rèn)知：理解交通流的流體力學(xué)模型（如車流密度與速度的關(guān)系）、數(shù)學(xué)建模的基本方法；工程實(shí)踐：能結(jié)合實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，用Python（或Excel）建立交通優(yōu)化模型，提出1-2項(xiàng)可行性方案（如共享單車停放點(diǎn)布局、人行橫道設(shè)計(jì)）；素養(yǎng)發(fā)展：通過社會(huì)調(diào)研與方案論證，培養(yǎng)系統(tǒng)思維與公共責(zé)任意識(shí)。2.教學(xué)準(zhǔn)備教具：城市交通流仿真軟件（如SUMO）、交通工程規(guī)范手冊(cè)（節(jié)選）；學(xué)具：調(diào)研記錄表、Python編程環(huán)境（或GraphPad數(shù)據(jù)分析工具）、CAD繪圖軟件（簡(jiǎn)易版）。3.教學(xué)過程（3課時(shí)，135分鐘）問題調(diào)研（30分鐘）：實(shí)地考察：分組調(diào)研學(xué)校周邊1個(gè)交通節(jié)點(diǎn)（如十字路口、公交站），統(tǒng)計(jì)早高峰車流量、人流量、擁堵時(shí)長(zhǎng)，拍攝交通亂象照片；數(shù)據(jù)整理：用Excel繪制“時(shí)間-流量”折線圖，分析擁堵成因（如非機(jī)動(dòng)車占道、信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)不合理）。模型構(gòu)建（45分鐘）：理論學(xué)習(xí)：教師講解“交通流三參數(shù)（流量、速度、密度）”的關(guān)系，演示用Python擬合流量-密度曲線（代碼示例：`importnumpyasnp;fromscipy.optimizeimportcurve_fit`）；小組建模：基于調(diào)研數(shù)據(jù)，建立“現(xiàn)狀交通流模型”，預(yù)測(cè)優(yōu)化后的通行效率（如“若拓寬非機(jī)動(dòng)車道，流量提升多少？”）。方案設(shè)計(jì)（45分鐘）：工程優(yōu)化：結(jié)合模型結(jié)論，設(shè)計(jì)具體方案（如“潮汐式共享單車停放點(diǎn)”：早高峰向?qū)W校方向多投放，晚高峰反向調(diào)整；或“Z字形人行橫道”減少過街距離）；可行性論證：從“成本（材料、施工）、安全（防撞設(shè)計(jì)）、社會(huì)效益（通行時(shí)間減少百分比）”三方面撰寫論證報(bào)告，用CAD繪制設(shè)計(jì)圖。匯報(bào)答辯（15分鐘）：小組匯報(bào)方案，師生提問（如“如何協(xié)調(diào)不同出行群體的需求？”“施工期間如何減少交通影響？”），評(píng)選“最具落地性方案”。4.教學(xué)反思高中階段需強(qiáng)化“工程倫理”教育（如方案對(duì)弱勢(shì)群體的影響），可邀請(qǐng)交通工程師參與答辯，提供行業(yè)視角；數(shù)學(xué)建模難度較高，需分層指導(dǎo)（基礎(chǔ)組用Excel回歸分析，進(jìn)階組用Python）。三、教學(xué)實(shí)施關(guān)鍵策略（一）跨學(xué)科整合：從“知識(shí)疊加”到“思維融合”科學(xué)+工程：用“結(jié)構(gòu)力學(xué)”原理指導(dǎo)橋梁模型設(shè)計(jì)（如三角形穩(wěn)定性→桁架橋結(jié)構(gòu)）；數(shù)學(xué)+工程：用“函數(shù)擬合”分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如小車下滑時(shí)間與斜面角度的關(guān)系→優(yōu)化過山車軌道設(shè)計(jì)）；藝術(shù)+工程：在機(jī)器人制作中融入外觀設(shè)計(jì)（如仿生造型、色彩心理學(xué)），提升作品的人文價(jià)值。（二）項(xiàng)目式學(xué)習(xí)：遵循“PDCA”循環(huán)Plan（規(guī)劃）：明確真實(shí)問題（如“社區(qū)垃圾分類效率低”），拆解為“調(diào)研-設(shè)計(jì)-制作-優(yōu)化”子任務(wù)；Do（執(zhí)行）：小組分工實(shí)施，教師提供“工具使用指南”“常見問題解決方案庫”；Check（檢查）：通過“原型測(cè)試表”（如“裝置是否能連續(xù)工作10次？誤差率是否<10%？”）量化評(píng)估；Act（改進(jìn)）：根據(jù)測(cè)試結(jié)果迭代設(shè)計(jì)，如“垃圾分類機(jī)器人識(shí)別準(zhǔn)確率低→更換更高清攝像頭”。（三）差異化指導(dǎo)：分層任務(wù)與個(gè)性化支持基礎(chǔ)層：提供“步驟化操作手冊(cè)”（如“太陽能小車制作10步指南”），聚焦“完成基礎(chǔ)功能”；進(jìn)階層：設(shè)置“挑戰(zhàn)任務(wù)”（如“給太陽能小車添加避障功能”），鼓勵(lì)創(chuàng)新；個(gè)性化支持：建立“技術(shù)支援站”，學(xué)生可預(yù)約教師或“小導(dǎo)師”（已掌握技能的學(xué)生）指導(dǎo)難點(diǎn)（如電路焊接、代碼調(diào)試）。四、多元評(píng)價(jià)體系構(gòu)建（一）過程性評(píng)價(jià)：關(guān)注“成長(zhǎng)軌跡”設(shè)計(jì)日志：記錄“問題發(fā)現(xiàn)→方案修改→反思總結(jié)”全過程，如“第3次測(cè)試時(shí)裝置漏水，我們將接口從膠帶纏繞改為熱熔膠密封，效率提升40%”；小組協(xié)作量表：從“任務(wù)分工合理性、溝通有效性、沖突解決能力”三方面互評(píng)，促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。（二）成果性評(píng)價(jià)：聚焦“科學(xué)+工程”雙維度評(píng)價(jià)維度小學(xué)示例（節(jié)水裝置）初中示例（智能燈）高中示例（交通方案）--------------------------------------------------------------------------科學(xué)性水的循環(huán)原理應(yīng)用是否正確電路/程序邏輯是否嚴(yán)謹(jǐn)交通流模型是否合理工程性裝置結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、節(jié)水效果是否達(dá)標(biāo)系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行、能耗是否最優(yōu)方案施工難度、成本是否可控創(chuàng)新性是否有獨(dú)特的節(jié)水思路（如“雨水-生活水”雙循環(huán)）是否添加個(gè)性化功能（如“聲控+光控”聯(lián)動(dòng)）是否提出行業(yè)前沿方案（如“車路協(xié)同”微應(yīng)用）實(shí)用性是否能在校園實(shí)際推廣是否解決家庭照明痛點(diǎn)是否被交通部門認(rèn)可（或有試點(diǎn)價(jià)值）（三）反思性評(píng)價(jià)：促進(jìn)“迭代成長(zhǎng)”學(xué)生自評(píng)：用“紅綠燈法”反思（紅：未解決的問題；黃：需改進(jìn)的環(huán)節(jié)；綠：成功的經(jīng)驗(yàn)）；師生互評(píng)：教師針對(duì)“科學(xué)原理應(yīng)用深度、工程設(shè)計(jì)合理性”提出改進(jìn)建議，學(xué)生反饋教學(xué)支持需求（如“希望增加3D打印培訓(xùn)”）。五、資源拓展與延伸（一）教材與工具推薦教材：《工程與科學(xué)探究：K-12項(xiàng)目式學(xué)習(xí)指南》（聚焦跨學(xué)科案例）、《青少年科技創(chuàng)新實(shí)踐手冊(cè)》（含工具使用教程）；軟件工具：Tinkercad（3D建模）、ArduinoIDE（硬件編程）、SUMO（交通仿真）、GraphPad（數(shù)據(jù)分析）；硬件套件：MakeblockmBot（機(jī)器人入門）、DFRobot創(chuàng)客套件（傳感器實(shí)驗(yàn)）。（二）社區(qū)與社會(huì)資源專家資源：邀請(qǐng)當(dāng)?shù)毓こ處?、科研人員進(jìn)校園開展“工程前沿講座”（如“無人機(jī)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用”）；實(shí)踐基地：組織參觀科技館、污水處理廠、智能工廠，了解工程技術(shù)的真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景；競(jìng)賽平臺(tái)：鼓