趙楠 張美嬌

在STEM教育領(lǐng)域，項目式學(xué)習(xí)有助于學(xué)生獲得對學(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)單向傳輸知識及過度強調(diào)知識記憶的做法，以任務(wù)驅(qū)動學(xué)習(xí)、以問題驅(qū)動探究、以同伴協(xié)作驅(qū)動社會交往，強調(diào)知識的綜合運用和創(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，進行項目研究。

本項目圍繞太陽能加熱器的制作任務(wù)展開。驅(qū)動性問題是：“設(shè)計并制造一個只用太陽能加熱食物的器具，它可以在10 min時間內(nèi)將10 mL水加熱到50℃以上?！睂W(xué)生像工程師一樣，將任務(wù)拆解為一系列科學(xué)問題，利用計算機模擬軟件輔助探究、建構(gòu)理解，根據(jù)對太陽輻射、溫室效應(yīng)等知識的科學(xué)理解來進行設(shè)計、制作與檢測。學(xué)生在小組中工作，投入積極的社會交往，通過創(chuàng)建有形的人工制品（包括報告、工程設(shè)計圖、實物模型）向他人展示自己所學(xué)。

（一）課程內(nèi)容

《能量的認知與應(yīng)用——DIY太陽能加熱器》是一個融合科學(xué)探究和工程實踐的跨領(lǐng)域項目，其中涉及的物理學(xué)知識對應(yīng)初中科學(xué)（牛津上海版）第五單元《能與能源》的內(nèi)容，其核心知識是“能的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移”。從縱向看，這一核心知識從屬于跨學(xué)科大概念“能量”。在項目之前，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”才能實現(xiàn)。在項目之前，學(xué)生可以用粒子模型解釋擴散、熱脹冷縮、物體浮沉等簡單科學(xué)現(xiàn)象，為理解太陽輻射和溫室效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

（二）課程標準

科學(xué)知識目標：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，列舉它們在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。

科學(xué)探究目標：1.能基于所學(xué)的知識提出可探究的科學(xué)問題，形成有針對性的假設(shè)；2.能采用不同的表述方式，呈現(xiàn)探究的過程與結(jié)論；3.善于與同伴合作，并能基于證據(jù)質(zhì)疑和評價他人的探究報告；4.能對探究活動進行過程性反思，及時調(diào)整，并對探究活動進行總結(jié)性評價，完善探究報告。

科學(xué)態(tài)度目標：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)計與制作；2.能接受別人的批評意見，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，形成集體的觀點。

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

（一）驅(qū)動性問題

設(shè)計并制造一個只用太陽能加熱食物的器具，它可以在10 min時間內(nèi)將10 mL水加熱到50℃以上。

（二）問題鏈

按照科學(xué)探究的邏輯，將驅(qū)動性問題轉(zhuǎn)化為核心問題，并進行拆解（見圖1）。其中，核心問題、子問題一和子問題二屬于科學(xué)問題；子問題三屬于工程設(shè)計問題，同時它又回應(yīng)了核心問題。

3.核心任務(wù)：DIY太陽能加熱器。

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

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

2.通過經(jīng)歷產(chǎn)品設(shè)計的過程，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)計中的作用和意義。

3.初步學(xué)會像工程師一樣，將設(shè)計任務(wù)轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題進行探究，將探究所得的科學(xué)理解應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計之中。

4.通過迭代修正產(chǎn)品設(shè)計的過程，初步學(xué)會反思的元認知技能。

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

本項目按照“引出任務(wù)→確定設(shè)計原型→建造模型→測試優(yōu)化→形成工程設(shè)計方案→結(jié)題匯報”的順序設(shè)計并實施。

項目實施周期為一個月（2課時/周，共8課時）。下面簡述具體實施過程。

（一）啟動項目（第1—2課時）

1.引出任務(wù)

（1）介紹項目實施背景

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

②交代核心任務(wù)：在本項目中，我們將投身工程實踐，了解工程師如何利用他們對科學(xué)的了解來設(shè)計和制作太陽能加熱器。

（2）明確設(shè)計目標及制約因素

①提出驅(qū)動性問題：設(shè)計并制造一個只用太陽能加熱食物的器具，它可以在10 min時間內(nèi)將10 mL水加熱到50℃以上。

②小組討論，識別項目的制約因素：a.只能用太陽能來加熱食物；b.使用便宜易得的材料進行建造。

③集體分析，明確終產(chǎn)品的評價標準：使用模擬太陽光（紅外加熱燈），在10 min時間內(nèi)，將10 mL水加熱到50℃以上。

2.探索問題

（1）提出科學(xué)問題，探究理解

集體討論，將驅(qū)動性問題轉(zhuǎn)化為核心問題“哪些因素會影響容器內(nèi)溫度的維持”，然后以溫室效應(yīng)類比，提出兩個前后關(guān)聯(lián)的科學(xué)問題。

子問題一：容器怎樣才能盡可能多地吸收來自太陽的熱？

從粒子模型的視角，將子問題一分解為以下三個小問題，利用可視化工具進行探究：a.太陽輻射如何轉(zhuǎn)化為熱能？在此過程中，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？在此過程中，地表的溫度如何變化？

子問題二：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，從中分離出兩個小問題，進行解釋：a.怎樣減少熱通過傳導(dǎo)向外散失？b.怎樣減少熱通過對流向外散失？

（2）提出工程問題，形成概念原型

圍繞核心任務(wù)，提出工程問題。

子問題三：如何確定目標裝置的基本結(jié)構(gòu)？將上述科學(xué)理解應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計之中，分組討論，形成產(chǎn)品設(shè)計的概念原型：a.什么形狀的容器可以接收盡可能多的太陽輻射？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輻射？c.什么樣的結(jié)構(gòu)類似于溫室氣體，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算機模型進行模擬測試，并引導(dǎo)學(xué)生展開小組討論，嘗試用所學(xué)知識對測試結(jié)果作出解釋。

3.確定小組分工，明確課后模擬測試任務(wù)

（1）布置課后任務(wù)

①利用計算機模擬數(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)置和測試數(shù)據(jù)；②在模擬探究的基礎(chǔ)上，形成小組的設(shè)計方案（設(shè)計原型）；③提出下周匯報要求：a.展示模擬探究結(jié)果；b.呈現(xiàn)小組的設(shè)計方案及設(shè)計圖；c.利用計算機模擬數(shù)據(jù)，解釋各部分結(jié)構(gòu)所選參數(shù)的原因。

（2）填寫小組分工記錄表

4.提供初次展示的評價量規(guī)：分水平1—5級

（二）確定設(shè)計原型（第3—4課時）

1.小組展示

匯報模擬探究的結(jié)果和設(shè)計方案的初稿。

2.小組討論

利用上周發(fā)布的評價量規(guī)，進行組間評分，各組相互質(zhì)疑和論辯。

3.簡短教學(xué)

（1）集體討論：比較各組的模擬探究過程，歸納最佳探究路徑。

（2）集體探究：利用計算機模型，按照最佳探究路徑對基本結(jié)構(gòu)進行模擬測試，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)理解進行解釋。

（3）集體推理：根據(jù)模擬探究結(jié)果，推測計算機模型無法測試的結(jié)構(gòu)理應(yīng)具備的特征。

4.分組討論

（1）修正小組的設(shè)計原型，對設(shè)計圖進行精制。

（2）制定下周真實測試的計劃，設(shè)計測試記錄單。

（3）確定實物建造的組內(nèi)分工，并制定預(yù)算。

（三）建造模型、測試優(yōu)化（第5—6課時）

1.簡短交流：了解各組的設(shè)計方案、實物模型和測試計劃。

2.實地測試：迭代修正設(shè)計方案

利用紅外加熱器模擬太陽，進行真實測試。根據(jù)測試結(jié)果，反思和修正設(shè)計方案，改造實物模型，并進行新一輪的測試和優(yōu)化。

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

4.提供結(jié)題匯報的評價量規(guī)：分水平1—5級，并加加分項。

（四）結(jié)題匯報（第7—8課時）

1.小組展示：各組匯報項目實施的過程和結(jié)果。

2.組間評分：接受他組學(xué)生和教師的質(zhì)疑，進行論辯。

3.總結(jié)討論

（1）從能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的視角，對太陽能加熱器各結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行解釋。

（2）對各組的設(shè)計長處和不足進行批判性思考。

（3）討論計算機模型在工程設(shè)計中的作用，分享對工程師身份的認識。

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

本項目選取學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差異不大的兩個班級進行了準實驗研究。六（2）班作為實驗組，在學(xué)習(xí)第五章《能與能源》的同時，從事本項目；六（1）班作為對照組，僅在基礎(chǔ)型課程中學(xué)習(xí)第五章的內(nèi)容。項目結(jié)束之后，兩個班分別進行后測，通過企業(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)完成測試。

結(jié)果顯示（見表1），實驗組在第1、6、7題上的表現(xiàn)明顯優(yōu)于對照組，且效應(yīng)量d值均大于0.4，說明從事本項目對于學(xué)生理解這些問題產(chǎn)生了有價值的正向作用。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)性分析進一步說明，從事項目研究加深了學(xué)生對核心知識的理解，他們能夠?qū)⒑暧^現(xiàn)象與微觀原理、抽象概念與真實情境之間建立關(guān)聯(lián)，這可能與項目任務(wù)本身的復(fù)雜性和粒子運動可視化軟件的應(yīng)用有關(guān)。

（二）反思與啟示

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

首先，學(xué)習(xí)活動按照探究式的邏輯而非“菜譜式”操練的邏輯進行設(shè)計。項目式學(xué)習(xí)中的重點并非是開發(fā)人工制品，而是借由將學(xué)生沉浸于開發(fā)人工制品的過程，推動學(xué)生在與專業(yè)實踐接近的真實境脈（context）中應(yīng)用概念積極建構(gòu)理解，以此獲得對學(xué)習(xí)材料的深入理解。因此，STEM領(lǐng)域的教師在設(shè)計項目式學(xué)習(xí)時，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)探究的完整過程。

其次，提供適當?shù)膶W(xué)習(xí)指導(dǎo)。教師可以著力從三個方面為學(xué)生從事項目提供指導(dǎo)。第一，申明學(xué)習(xí)目標和最終產(chǎn)品的規(guī)格說明（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)過程、設(shè)計結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)單，引導(dǎo)學(xué)生展開項目研究，以及在“可教的時刻”及時提供針對性的迷你授課。第三，明示評價量規(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)生的元認知能力。