張曉楠 朱瑩

項目目標

科學觀念目標

了解仿生學研究方法和工程問題的整體性、系統(tǒng)性特點；能基于薄殼結構建筑的特點，建立與自然界生物形態(tài)結構的聯(lián)系；探究蛋殼形態(tài)結構中蘊含的數(shù)理奧秘和生物學意義，知道生物體功能、結構、環(huán)境密切相關。

科學思維目標

掌握分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法；能將實際生活中的建筑學問題情境與生物模本之間進行類比、模擬，能基于證據(jù)與邏輯，從不同角度提出合理的見解、新穎的觀點及解決問題的辦法。

探究實踐目標

掌握科學探究的一般步驟，能夠基于真實情境提出科學問題，通過對比觀察、收集資料、制訂探究計劃、動手實驗開展科學探究，分析結果并得出結論，撰寫科學探究報告并展示探究成果。

態(tài)度責任目標

保持好奇心，善于觀察和思考生活現(xiàn)象背后的規(guī)律，樂于探究和實踐；樂于小組合作，能基于科學探究結果發(fā)表自己的見解；初步理解科學、技術、社會、環(huán)境之間的關系，能認識到師法自然的重要性，并理解生物屬性與工程屬性間的差異。

項目實施

階段 1：項目引入——仿生建筑初探

本階段分為“建筑面面觀”與“思考與討論”2 個環(huán)節(jié)。以學習單為主要載體和任務驅動，通過呈現(xiàn)著名仿生建筑組圖，引導學生以小組為單位，圍繞建筑基本信息、外形特點、分類及理由、與自然界生物的關聯(lián)性等方面進行資料收集、觀察記錄和討論分享，從而了解薄殼結構建筑的仿生模本（種子外殼、蛋殼、貝殼、龜殼等）及分類（圓頂薄殼、筒殼、雙曲扁殼、雙曲拋物面殼等）。以世界上著名的仿生建筑為例，強化探究任務與實際生活的關聯(lián)，激發(fā)學生的探究積極性；以完成小組任務為驅動，引導學生觀察薄殼結構建筑的基本特征。

階段 2：明確任務——小小建筑師的設計清單

本階段分為“發(fā)現(xiàn)、發(fā)明從何而來”和“仿生設計頭腦風暴”2 個環(huán)節(jié)。前者通過閱讀分析“牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力”“愛迪生發(fā)明電燈”等科學史相關文字素材，歸納總結科學探究的一般過程。后者創(chuàng)設“小小建筑師”角色，引導學生基于任務情境“設計一座別致的圓頂薄殼結構建筑”開展頭腦風暴，用思維導圖的形式羅列出圓頂薄殼建筑需滿足的實用性需求維度、蛋殼結構的探究維度，并嘗試在二者之間建立起映射聯(lián)系（如建筑的結構牢固性對應蛋殼結構的承重能力探究）。通過討論與分享，使學生聚焦承重能力、形狀、顏色3 個維度開展探究，多角度揭秘生物模本——蛋殼蘊含的數(shù)理奧秘和生物學意義，并明確項目任務：以小組為單位完成1 份科學探究報告，通過PPT 演講等形式展示探究成果。

階段3：開展探究——仿生建筑原型之蛋殼承重能力、形狀、顏色探秘

本階段分為承重能力探秘、形狀探秘、顏色探秘3 個平行探究方向，小組可選擇任意1 項任務開展探究。結合形成探究報告的項目任務與上一階段掌握的科學探究的一般過程，小組需要在實施實驗探究之前，先針對探究主題完成“仿生原型探究方案”整體規(guī)劃設計，包括猜想與假設、實驗設計、數(shù)據(jù)記錄、分析與討論及結論等模塊。

“承重能力探秘”小組對應建筑的牢固需求，在仿生模本上表現(xiàn)為薄殼結構的牢固度問題。以日常生活中常見的薄殼結構——雞蛋蛋殼為實驗材料，通過握蛋實驗、蛋殼承重測定實驗等定性、定量結合的方法，探究蛋殼的堅固程度與承重能力，初步認識到蛋殼的承重能力與曲面結構有關（拱形曲面可以把受到的壓力均勻地分散到物體的各個部分，結構更加堅固）。

“形狀探秘”小組對應建筑的外形需求，在仿生模本上表現(xiàn)為自然界常見蛋殼結構的形狀特征。通過“形狀各異的鳥蛋”（到超市、菜場、博物館、戶外觀察記錄各式各樣的鳥蛋）、“鳥蛋骨碌碌”（實驗探究不同形狀的鳥蛋從斜坡上滾落的速度、距離、路線）和“鳥蛋形狀與環(huán)境的關系”（“糟糕，會不會跌落懸崖”科普游戲體驗）3個環(huán)節(jié)，了解鳥蛋形狀的多樣性（卵形蛋、橢圓形蛋、圓形蛋、梨形蛋）及其生物學意義，并通過“鳥巢鳥蛋連連看”環(huán)節(jié)，對前述知識進行遷移運用。

“顏色探秘”小組主要探究仿生模本的顏色、紋理特征，通過“多變的鳥蛋色彩”（透過不同顏色的濾光片觀察底色）、“鳥蛋顏色與環(huán)境的關系”（“竟然貍貓換太子”科普游戲體驗）環(huán)節(jié)，了解鳥蛋顏色與花紋的多樣性（蛋殼上不同色素的比例使得鳥蛋擁有了不同顏色，鳥蛋在輸卵管內的不同滾動方式造就了鳥蛋的不同花紋）、保護色的功能，通過“鳥蛋的保護色”環(huán)節(jié)（根據(jù)生境特點利用保麗龍球和彩筆制作能“隱身”的鳥蛋），以創(chuàng)意手工的形式對前述知識進行遷移運用。

通過小組分工合作、動手實驗，幫助學生體驗不同程度的科學探究。通過觀察討論、動手制作等方式，加深學生對鳥蛋特征與功能的理解，引導他們完成對知識的遷移運用。

階段 4：成果展示交流

本階段引導學生回顧仿生學問題探究的過程，以小組形式討論薄殼結構建筑的哪些實用功能得到了檢驗，哪些功能有待進一步探究，思考各個功能問題的解決能否解決整體問題。并將科學探究報告的內容以PPT、視頻等可視化形式與教師、同學分享交流。通過小組合作、文獻調研、討論交流、展示匯報等形式，拓展學生對已有信息的認識和思考，引導學生了解工程問題具有系統(tǒng)性、綜合性的特點。

階段 5：學生評價

本階段注重學生項目式學習效果的過程性評價和形成性評價。過程性評價指標包括完成并上傳10 份探究任務學習單、科普游戲體驗、資料收集與問題討論分享等。形成性評價是基于科學探究報告撰寫與展示環(huán)節(jié)，從能力發(fā)展與展示交流2 個維度，對學生的學習態(tài)度、合作意識、信息處理能力、認知能力、實踐創(chuàng)新、語言表達與整體形象進行定量評價，同時引導學生開展自評與互評，以幫助學生在項目式學習后改進與提升。

項目總結

本項目將實際的建筑問題轉化為仿生生物原型的探究問題，在工程與模型、技術問題與科學問題之間建立聯(lián)系，鼓勵學生思考、交流。通過4 個實驗探究和3 項觀察任務，引導學生開展基于實物的探究，進而學習科學探究方法；結合科普游戲、科學實驗、動手制作等形式，引導學生開展體驗式學習，充分調動學習積極性。以薄殼建筑探究為“形”，以仿生學研究乃至科學研究的一般過程、方法論為“神”，傳達觀察自然、師法自然的理念，培養(yǎng)學生的知識遷移能力。