趙楠 張美嬌 上海青浦蘭生復(fù)旦學(xué)校

一、項(xiàng)目概述

在STEM教育領(lǐng)域，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)有助于學(xué)生獲得對(duì)學(xué)科核心概念或跨學(xué)科大概念的深層理解，它打破了傳統(tǒng)教學(xué)單向傳輸知識(shí)及過(guò)度強(qiáng)調(diào)知識(shí)記憶的做法，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)、以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)探究、以同伴協(xié)作驅(qū)動(dòng)社會(huì)交往，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合運(yùn)用和創(chuàng)新思維。初中科學(xué)“能的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移”主題隸屬于“能量”大概念、與“粒子”大概念密切關(guān)聯(lián)，這一主題適合與工程任務(wù)相結(jié)合，進(jìn)行項(xiàng)目研究。

本項(xiàng)目圍繞太陽(yáng)能加熱器的制作任務(wù)展開(kāi)。驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題是：“設(shè)計(jì)并制造一個(gè)只用太陽(yáng)能加熱食物的器具，它可以在10 min 時(shí)間內(nèi)將10 mL 水加熱到50 ℃以上。”學(xué)生像工程師一樣，將任務(wù)拆解為一系列科學(xué)問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件輔助探究、建構(gòu)理解，根據(jù)對(duì)太陽(yáng)輻射、溫室效應(yīng)等知識(shí)的科學(xué)理解來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作與檢測(cè)。學(xué)生在小組中工作，投入積極的社會(huì)交往，通過(guò)創(chuàng)建有形的人工制品（包括報(bào)告、工程設(shè)計(jì)圖、實(shí)物模型）向他人展示自己所學(xué)。

二、對(duì)應(yīng)課程內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)

（一）課程內(nèi)容

《能量的認(rèn)知與應(yīng)用——DIY 太陽(yáng)能加熱器》是一個(gè)融合科學(xué)探究和工程實(shí)踐的跨領(lǐng)域項(xiàng)目，其中涉及的物理學(xué)知識(shí)對(duì)應(yīng)初中科學(xué)（牛津上海版）第五單元《能與能源》的內(nèi)容，其核心知識(shí)是“能的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移”。從縱向看，這一核心知識(shí)從屬于跨學(xué)科大概念“能量”。在項(xiàng)目之前，學(xué)生已知道熱脹冷縮現(xiàn)象、熱傳遞的主要方式、保暖材料的原理以及熱通常從溫度高的物體傳向溫度低的物體。從橫向看，本項(xiàng)目涉及的深層科學(xué)理解必須借助跨學(xué)科大概念“粒子”才能實(shí)現(xiàn)。在項(xiàng)目之前，學(xué)生可以用粒子模型解釋擴(kuò)散、熱脹冷縮、物體浮沉等簡(jiǎn)單科學(xué)現(xiàn)象，為理解太陽(yáng)輻射和溫室效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

（二）課程標(biāo)準(zhǔn)

科學(xué)知識(shí)目標(biāo)：1.知道能在一定條件下可以發(fā)生轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化；2.知道熱傳遞的不同方式以及影響熱傳遞的主要因素，列舉它們?cè)谏詈蜕a(chǎn)中的應(yīng)用。

科學(xué)探究目標(biāo)：1.能基于所學(xué)的知識(shí)提出可探究的科學(xué)問(wèn)題，形成有針對(duì)性的假設(shè)；2.能采用不同的表述方式，呈現(xiàn)探究的過(guò)程與結(jié)論；3.善于與同伴合作，并能基于證據(jù)質(zhì)疑和評(píng)價(jià)他人的探究報(bào)告；4.能對(duì)探究活動(dòng)進(jìn)行過(guò)程性反思，及時(shí)調(diào)整，并對(duì)探究活動(dòng)進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)，完善探究報(bào)告。

科學(xué)態(tài)度目標(biāo)：1.能大膽質(zhì)疑，從不同視角提出研究思路，采用新的方法、利用新的材料，完成探究、設(shè)計(jì)與制作；2.能接受別人的批評(píng)意見(jiàn)，反思、挑戰(zhàn)自己的探究，愿意溝通和交流，綜合考慮小組各成員的意見(jiàn)，形成集體的觀點(diǎn)。

注：根據(jù)《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（教育部，2017）和《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011 年版）》（教育部，2011）整理

三、問(wèn)題和任務(wù)框架

（一）驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題

設(shè)計(jì)并制造一個(gè)只用太陽(yáng)能加熱食物的器具，它可以在10 min時(shí)間內(nèi)將10 mL水加熱到50 ℃以上。

（二）問(wèn)題鏈

按照科學(xué)探究的邏輯，將驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為核心問(wèn)題，并進(jìn)行拆解（見(jiàn)圖1）。其中，核心問(wèn)題、子問(wèn)題一和子問(wèn)題二屬于科學(xué)問(wèn)題；子問(wèn)題三屬于工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)它又回應(yīng)了核心問(wèn)題。

圖1 問(wèn)題鏈

3.核心任務(wù)：DIY太陽(yáng)能加熱器。

4.任務(wù)群：按照工程設(shè)計(jì)過(guò)程拆解核心任務(wù)，形成如圖2所示任務(wù)群。

圖2 任務(wù)群

四、學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.知道哪些因素會(huì)影響容器內(nèi)溫度的維持，能解釋產(chǎn)品中蘊(yùn)含的科學(xué)原理。

2.通過(guò)經(jīng)歷產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程，了解可視化工具在科學(xué)探究中的應(yīng)用方法，感悟建模在科學(xué)探究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用和意義。

3.初步學(xué)會(huì)像工程師一樣，將設(shè)計(jì)任務(wù)轉(zhuǎn)化為科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行探究，將探究所得的科學(xué)理解應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中。

4.通過(guò)迭代修正產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程，初步學(xué)會(huì)反思的元認(rèn)知技能。

5.通過(guò)與同伴一起工作，學(xué)會(huì)尊重與聆聽(tīng)、質(zhì)疑與回應(yīng)質(zhì)疑，并感悟分工合作、交流討論等社會(huì)性互動(dòng)在科學(xué)探究和工程實(shí)踐中的作用。

五、項(xiàng)目過(guò)程

本項(xiàng)目按照“引出任務(wù)→確定設(shè)計(jì)原型→建造模型→測(cè)試優(yōu)化→形成工程設(shè)計(jì)方案→結(jié)題匯報(bào)”的順序設(shè)計(jì)并實(shí)施。

項(xiàng)目實(shí)施周期為一個(gè)月（2 課時(shí)/周，共8 課時(shí)）。下面簡(jiǎn)述具體實(shí)施過(guò)程。

（一）啟動(dòng)項(xiàng)目（第1—2課時(shí)）

1.引出任務(wù)

（1）介紹項(xiàng)目實(shí)施背景

①情境引入：（播放太陽(yáng)能灶的視頻）世界上有許多地方獲得烹飪能源的機(jī)會(huì)是有限；在所有的能源中，只有來(lái)自太陽(yáng)的能源可為所有人共用。

②交代核心任務(wù)：在本項(xiàng)目中，我們將投身工程實(shí)踐，了解工程師如何利用他們對(duì)科學(xué)的了解來(lái)設(shè)計(jì)和制作太陽(yáng)能加熱器。

（2）明確設(shè)計(jì)目標(biāo)及制約因素

①提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題：設(shè)計(jì)并制造一個(gè)只用太陽(yáng)能加熱食物的器具，它可以在10 min 時(shí)間內(nèi)將10 mL 水加熱到50 ℃以上。

②小組討論，識(shí)別項(xiàng)目的制約因素：a.只能用太陽(yáng)能來(lái)加熱食物；b.使用便宜易得的材料進(jìn)行建造。

③集體分析，明確終產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：使用模擬太陽(yáng)光（紅外加熱燈），在10 min 時(shí)間內(nèi)，將10 mL 水加熱到50 ℃以上。

2.探索問(wèn)題

（1）提出科學(xué)問(wèn)題，探究理解

集體討論，將驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為核心問(wèn)題“哪些因素會(huì)影響容器內(nèi)溫度的維持”，然后以溫室效應(yīng)類(lèi)比，提出兩個(gè)前后關(guān)聯(lián)的科學(xué)問(wèn)題。

子問(wèn)題一：容器怎樣才能盡可能多地吸收來(lái)自太陽(yáng)的熱？

從粒子模型的視角，將子問(wèn)題一分解為以下三個(gè)小問(wèn)題，利用可視化工具進(jìn)行探究：a.太陽(yáng)輻射如何轉(zhuǎn)化為熱能？在此過(guò)程中，地表的溫度如何變化？b.熱能如何轉(zhuǎn)化為紅外輻射？在此過(guò)程中，地表的溫度如何變化？c.紅外輻射被溫室氣體反射后，轉(zhuǎn)化為什么形式的能？在此過(guò)程中，地表的溫度如何變化？

子問(wèn)題二：容器內(nèi)集聚的熱怎樣才能盡可能少地向外散失？

結(jié)合科學(xué)課已學(xué)的內(nèi)容，從中分離出兩個(gè)小問(wèn)題，進(jìn)行解釋?zhuān)篴.怎樣減少熱通過(guò)傳導(dǎo)向外散失？b.怎樣減少熱通過(guò)對(duì)流向外散失？

（2）提出工程問(wèn)題，形成概念原型

圍繞核心任務(wù)，提出工程問(wèn)題。

子問(wèn)題三：如何確定目標(biāo)裝置的基本結(jié)構(gòu)？將上述科學(xué)理解應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，分組討論，形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念原型：a.什么形狀的容器可以接收盡可能多的太陽(yáng)輻射？b.容器內(nèi)部底壁選用什么樣的材料可以吸收盡可能多的太陽(yáng)輻射？c.什么樣的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于溫室氣體，可以反射盡可能多的紅外輻射？在上述理解的基礎(chǔ)上，經(jīng)由全班討論，確定目標(biāo)裝置所需具備的基本結(jié)構(gòu)。

（3）示范模擬探究

以容器的形狀為例，教師示范如何操作計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行模擬測(cè)試，并引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)小組討論，嘗試用所學(xué)知識(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果作出解釋。

3.確定小組分工，明確課后模擬測(cè)試任務(wù)

（1）布置課后任務(wù)

①利用計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)包的程序，自主探索“影響容器內(nèi)溫度維持的因素”，并在學(xué)習(xí)單上記錄參數(shù)設(shè)置和測(cè)試數(shù)據(jù)；②在模擬探究的基礎(chǔ)上，形成小組的設(shè)計(jì)方案（設(shè)計(jì)原型）；③提出下周匯報(bào)要求：a.展示模擬探究結(jié)果；b.呈現(xiàn)小組的設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)圖；c.利用計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)，解釋各部分結(jié)構(gòu)所選參數(shù)的原因。

（2）填寫(xiě)小組分工記錄表

4.提供初次展示的評(píng)價(jià)量規(guī)：分水平1—5級(jí)

（二）確定設(shè)計(jì)原型（第3—4課時(shí)）

1.小組展示

匯報(bào)模擬探究的結(jié)果和設(shè)計(jì)方案的初稿。

2.小組討論

利用上周發(fā)布的評(píng)價(jià)量規(guī)，進(jìn)行組間評(píng)分，各組相互質(zhì)疑和論辯。

3.簡(jiǎn)短教學(xué)

（1）集體討論：比較各組的模擬探究過(guò)程，歸納最佳探究路徑。

（2）集體探究：利用計(jì)算機(jī)模型，按照最佳探究路徑對(duì)基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬測(cè)試，確定各部分結(jié)構(gòu)所選擇的參數(shù)，并用探究所得的科學(xué)理解進(jìn)行解釋。

（3）集體推理：根據(jù)模擬探究結(jié)果，推測(cè)計(jì)算機(jī)模型無(wú)法測(cè)試的結(jié)構(gòu)理應(yīng)具備的特征。

4.分組討論

（1）修正小組的設(shè)計(jì)原型，對(duì)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行精制。

（2）制定下周真實(shí)測(cè)試的計(jì)劃，設(shè)計(jì)測(cè)試記錄單。

（3）確定實(shí)物建造的組內(nèi)分工，并制定預(yù)算。

（三）建造模型、測(cè)試優(yōu)化（第5—6課時(shí)）

1.簡(jiǎn)短交流：了解各組的設(shè)計(jì)方案、實(shí)物模型和測(cè)試計(jì)劃。

2.實(shí)地測(cè)試：迭代修正設(shè)計(jì)方案

利用紅外加熱器模擬太陽(yáng)，進(jìn)行真實(shí)測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，反思和修正設(shè)計(jì)方案，改造實(shí)物模型，并進(jìn)行新一輪的測(cè)試和優(yōu)化。

3.明確結(jié)題任務(wù)：告知學(xué)生結(jié)題匯報(bào)要求，提供工程設(shè)計(jì)方案框架。

4.提供結(jié)題匯報(bào)的評(píng)價(jià)量規(guī)：分水平1—5 級(jí)，并加加分項(xiàng)。

（四）結(jié)題匯報(bào)（第7—8課時(shí)）

1.小組展示：各組匯報(bào)項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程和結(jié)果。

2.組間評(píng)分：接受他組學(xué)生和教師的質(zhì)疑，進(jìn)行論辯。

3.總結(jié)討論

（1）從能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的視角，對(duì)太陽(yáng)能加熱器各結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行解釋。

（2）對(duì)各組的設(shè)計(jì)長(zhǎng)處和不足進(jìn)行批判性思考。

（3）討論計(jì)算機(jī)模型在工程設(shè)計(jì)中的作用，分享對(duì)工程師身份的認(rèn)識(shí)。

六、成效與反思

（一）學(xué)生可以關(guān)聯(lián)宏觀與微觀（不可觀察）、抽象概念與真實(shí)情境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)核心知識(shí)的深層理解

本項(xiàng)目選取學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差異不大的兩個(gè)班級(jí)進(jìn)行了準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究。六（2）班作為實(shí)驗(yàn)組，在學(xué)習(xí)第五章《能與能源》的同時(shí)，從事本項(xiàng)目；六（1）班作為對(duì)照組，僅在基礎(chǔ)型課程中學(xué)習(xí)第五章的內(nèi)容。項(xiàng)目結(jié)束之后，兩個(gè)班分別進(jìn)行后測(cè)，通過(guò)企業(yè)微信作業(yè)布置小程序發(fā)送給學(xué)生，要求學(xué)生在10分鐘內(nèi)完成測(cè)試。

結(jié)果顯示（見(jiàn)表1），實(shí)驗(yàn)組在第1、6、7 題上的表現(xiàn)明顯優(yōu)于對(duì)照組，且效應(yīng)量d 值均大于0.4，說(shuō)明從事本項(xiàng)目對(duì)于學(xué)生理解這些問(wèn)題產(chǎn)生了有價(jià)值的正向作用。從試題內(nèi)容看，這三道題均涉及能量大概念之下的重要概念，質(zhì)性分析進(jìn)一步說(shuō)明，從事項(xiàng)目研究加深了學(xué)生對(duì)核心知識(shí)的理解，他們能夠?qū)⒑暧^現(xiàn)象與微觀原理、抽象概念與真實(shí)情境之間建立關(guān)聯(lián)，這可能與項(xiàng)目任務(wù)本身的復(fù)雜性和粒子運(yùn)動(dòng)可視化軟件的應(yīng)用有關(guān)。

表1 后測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

（二）反思與啟示

學(xué)生從事項(xiàng)目研究不一定能產(chǎn)生深度學(xué)習(xí)。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的成效深受學(xué)習(xí)活動(dòng)和學(xué)習(xí)指導(dǎo)質(zhì)量的影響。為此，本項(xiàng)目在遵循項(xiàng)目式學(xué)習(xí)形式特征的基礎(chǔ)上，尤其注重學(xué)習(xí)活動(dòng)和學(xué)習(xí)指導(dǎo)的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3）。

圖3 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)要素

首先，學(xué)習(xí)活動(dòng)按照探究式的邏輯而非“菜譜式”操練的邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)并非是開(kāi)發(fā)人工制品，而是借由將學(xué)生沉浸于開(kāi)發(fā)人工制品的過(guò)程，推動(dòng)學(xué)生在與專(zhuān)業(yè)實(shí)踐接近的真實(shí)境脈（context）中應(yīng)用概念積極建構(gòu)理解，以此獲得對(duì)學(xué)習(xí)材料的深入理解。因此，STEM領(lǐng)域的教師在設(shè)計(jì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)著力于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)探究的一般程序拆解學(xué)習(xí)任務(wù)，讓他們親身經(jīng)歷科學(xué)探究的完整過(guò)程。

其次，提供適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)指導(dǎo)。教師可以著力從三個(gè)方面為學(xué)生從事項(xiàng)目提供指導(dǎo)。第一，申明學(xué)習(xí)目標(biāo)和最終產(chǎn)品的規(guī)格說(shuō)明（至于“如何做”，則由學(xué)生自己把握）。第二，搭建腳手架，包括：提供可視化工具幫助學(xué)生理解微觀的科學(xué)過(guò)程、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)單，引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)項(xiàng)目研究，以及在“可教的時(shí)刻”及時(shí)提供針對(duì)性的迷你授課。第三，明示評(píng)價(jià)量規(guī)，引導(dǎo)學(xué)生監(jiān)控和反思自己的學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的元認(rèn)知能力。