因飓风桑迪而获得资助的生态海岸线建设工程位于美国新泽西州唐恩镇，是甘迪海滩海岸线保护项目的一部分，其第一阶段已于2015年10月完工。在3天的时间里，合作伙伴和当地志愿者放置了由混凝土、石灰石、碎壳和硅石互相堆叠嵌入的压块和用于鼓励牡蛎幼体定居的“牡蛎城堡”建筑模块组合，以及近海的当地学校制作的袋装牡蛎壳。

将工程学纳入《新一代科学教育标准》（NGSS）作为K—12科学学习的关键组成部分，为小学教师提供了机遇与挑战。其中一个挑战是将作为工程底层支撑的设计思维过程与核心科学概念，以及科学家和更广阔的世界当前面临的问题（NRC，2007）结合起来。对海洋、海浪和海岸线的研究让孩子们能够探索影响人类和环境的因素，并为小学生可触达的真实的工程挑战提供了背景。

我们在这里展示的工程挑战活动被整合到一个更大规模的有关生态海岸线的学习单元中。课程的概念最初是为一个教师职业发展项目而开发的，该项目组织K—5教师探索了旧金山湾区的当地海岸线，并参与工程挑战项目，以更好地理解工程在NGSS中的作用。这些工程挑战随后在一个面向3—7年级学生的科学夏令营中进行试点，然后作为科学课程的一部分在4年级的课堂上进行教授。在每一种教学环境中，推动学习的主要问题是：我们如何通过工程设计以有利于自然和人类的方式建造海岸线？

这些活动特别注重了解海浪对不同的自然、人造环境和结构的影响，这是我们国家面临的一个紧迫问题。截至2010年，39%的美国人居住在直接临海的县域，近52%的人口居住在沿海流域县（NOAA，2013）。沿海岸人口的增长，再加上海平面上升和强烈风暴频率的增加，让保护社区免受海岸侵蚀成为迫切需要。科学家和工程师正在共同努力开发和测试保护社区和增强沿海生态系统的解决方案（SAGE，2015）。本文的工程挑战对科学家如何监测不断变化的海洋，以及我们如何为沿海岸线居住的人类和自然栖息地设计有效的保护等问题建立了理解。

要注意的是，虽然这一特定的挑战设计旨在让学习者处于一个非常具体的地域环境中（旧金山湾区的海岸线），聚焦海浪对海岸线的影响这个核心概念，但海岸线的侵蚀问题是影响全国各地的环境问题。教师可以很容易地将我们在本活动中描述的挑战，与影响他们当地社区的特定环境关联，因为建设生态海岸线已经成为缓解河流和湖泊，以及沿海地区侵蚀的战略。本文描述的3个设计挑战从探索性学习转向更聚焦、更基于内容的探究，为整合设计思维和工程与探索当前和紧迫的科学问题提供了模型。

设置教学环境：什么是海浪？

这个单元的理想开场是参观真正的海岸线，体验海浪的行为和影响。我们与参加职业发展项目的教师一起以这样的方式开始学习，安静地坐在海滩上，观察海浪，并用“我注意到”和“我想知道”的提示词在科学日志上记录想法。在营地和学校环境中，孩子们是在课程结束后去海岸线实地参观，而不是一开始就去，所以我们建立海浪初始知识的方式是回忆过去的经验、播放视频示例，以及在简单的水槽内探索水波。我们将在设计挑战中使用水槽（这种“海浪生成器”是装配了有机玻璃的大塑料箱，能生成水槽宽度的波浪，参见安全指南）。学生练习在水箱里制造并测量不同大小的水波，这时他们能够观察波的动态，并练习造出连续的波，这是他们在之后的挑战中需要用来测试海浪的技能。孩子们还在他们的笔记本上记录了“我注意到”和“我想知道”的回答，与同组伙伴分享，并利用这些信息参加整个小组的讨论，对于海浪的动态、原因和影响“我们知道什么、不知道什么”进行讨论。课程的导入这部分对于创建一个平等的学习环境特别重要，因为学生的先验知识差异巨大。在我们的4年级课堂中，即便我们的学校紧邻海边，所有学生都去过海滩，有一手知识可供分享，然而学生在课堂上表现出的经验、在水槽中制造波浪的动手能力、观看视频示例以获取对现象的初步理解仍然表现出巨大差异。

在我们对波浪及其特性进行了初步探索之后，我们转向了科学家如何测量和跟踪海浪、天气和其他不断变化的海洋特征的问题，然后开始第一个设计挑战——设计一个海洋观测站模型。

设计挑战1：海洋观测站

这个设计挑战的灵感来自《科学视野》上的一篇文章（Love和Deck，2015），该文章描述了一个中学生设计、建造和测试海洋观测平台的工程挑战。我们对这个项目做了修改，以适应小学的背景和内容，重点关注科学家如何设计观测站抵御海洋状况。在活动开始时，我们引导学生参观图片展，观看用于监测海洋状况的科学浮标的照片。我们注意到了设计上的相似之处和不同之处，并讨论了不同的特征如何帮助浮标抵御海洋的各种状况，并准确地收集有关海水、海浪和天气的数据。然后，我们向学生团队展示了设计挑战规范（见在线补充材料）。