從紛繁的科學(xué)史中精選真人真事，設(shè)計(jì)項(xiàng)目式課程

趙雅萍

液晶材料廣泛應(yīng)用于顯示領(lǐng)域，極大地便利了人們的生活。液晶作為新型材料的代表出現(xiàn)在高中《化學(xué)》（選擇性必修2）“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”、《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》和《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》中，完善學(xué)生對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)，了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)代技術(shù)和先進(jìn)成果。學(xué)生熟悉液晶的用途，初步了解液晶的聚集狀態(tài)，但對(duì)其分子結(jié)構(gòu)和顯示原理比較陌生，其中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)知識(shí)和方法待挖掘，是良好的驅(qū)動(dòng)性素材。

通過(guò)挖掘真人真事和外顯問(wèn)題解決思路，有助于設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的項(xiàng)目式課程。對(duì)真人真事的挖掘、篩選和組織的方式豐富多樣，本案例從紛繁的科學(xué)史中對(duì)真人真事進(jìn)行精選和思路外顯，由此設(shè)計(jì)項(xiàng)目式課程。

挖掘真人真事，外顯問(wèn)題解決思路

學(xué)生如何才能像科學(xué)家一樣“設(shè)計(jì)制作液晶顯示屏幕”呢？需要挖掘科學(xué)家解決問(wèn)題的過(guò)程和思路，再將這些內(nèi)容轉(zhuǎn)化成課程，從而培養(yǎng)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考的能力。

為了拼接出一段科學(xué)家設(shè)計(jì)制作液晶顯示屏幕的歷史，先進(jìn)行初步查找。液晶發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)歷了130 多年，涉及到許多重要事件，但許多資料沒(méi)有描述具體的人和具體的事。深入查找國(guó)內(nèi)外書(shū)籍和文獻(xiàn)中關(guān)于液晶顯示的歷史，將不同資料相互補(bǔ)充，按“里程碑事件”篩選，初步羅列出20 余條真人真事。這些真人真事中涉及材料、物理、電子等專(zhuān)業(yè)內(nèi)容，有的內(nèi)容容易理解，有的內(nèi)容很深，非專(zhuān)業(yè)人員很難讀懂，較難轉(zhuǎn)化成學(xué)生活動(dòng)。因此，根據(jù)“內(nèi)容深度”最終篩選出12 條真人真事，其后通過(guò)追蹤科學(xué)家的原文文獻(xiàn)，查清楚了真人真事。

本課程希望將科學(xué)家解決的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成學(xué)生要解決的問(wèn)題，這些事件中，每位科學(xué)家都在解決1 個(gè)問(wèn)題，讓學(xué)生解決12 件事過(guò)于零碎。因此，筆者采用組合策略，把科學(xué)家解決的問(wèn)題歸類(lèi)，形成了3 個(gè)核心問(wèn)題（如表1 所示）。這3 個(gè)核心問(wèn)題是不同類(lèi)型的任務(wù)，科學(xué)家在解決時(shí)也有不同的解決思路。

● 在“發(fā)現(xiàn)液晶并探究其性質(zhì)”時(shí)，科學(xué)家的思路是：

xz-1 科學(xué)家從異?，F(xiàn)象出發(fā)，提出可能與其聚集狀態(tài)有關(guān)的猜想;

xz-2 通過(guò)偏光顯微鏡觀察液晶獲取證據(jù);

xz-3 發(fā)現(xiàn)具有新性質(zhì)的材料，命名為液晶;

xz-4 歸納分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)獲取證據(jù);

xz-5建構(gòu)分子結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)的解釋模型。

● 在“設(shè)計(jì)制作黑白液晶屏”時(shí)，科學(xué)家的思路是：

hb-1 概念設(shè)計(jì)，利用液晶、雜質(zhì)、偏光片等設(shè)計(jì)明暗變化的原理;

hb-2 精細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)實(shí)體結(jié)構(gòu)，用多個(gè)液晶盒組合顯示數(shù)字，進(jìn)而形成產(chǎn)品。

● 在“優(yōu)化制作彩色液晶屏”時(shí)，科學(xué)家的思路是：

cs-1 拆解產(chǎn)品要素，形成若干需要改進(jìn)的子目標(biāo)，比如拆分的子目標(biāo)有改進(jìn)液晶材料、設(shè)計(jì)彩色顯示方案等;

cs-2 針對(duì)子目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì);

cs-3 組合優(yōu)化，最終組合其他部件形成液晶屏幕。

項(xiàng)目拆解與任務(wù)活動(dòng)規(guī)劃

按歷史發(fā)展線，將科學(xué)家解決的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為學(xué)生解決的問(wèn)題，將組合后的3 個(gè)核心問(wèn)題轉(zhuǎn)化為項(xiàng)目下的3 個(gè)任務(wù)，根據(jù)真人真事和科學(xué)家的問(wèn)題解決思路拆解成7 個(gè)活動(dòng)，形成項(xiàng)目框架（表2）。

項(xiàng)目展開(kāi)的具體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目導(dǎo)引

學(xué)生先調(diào)查匯報(bào)顯示屏幕的種類(lèi)，再閱讀液晶顯示歷史中的大事記，匯報(bào)液晶顯示的科學(xué)發(fā)展階段。然后進(jìn)行項(xiàng)目策劃，明確本項(xiàng)目可以循著科學(xué)家的科研之路，從探秘液晶出發(fā)，經(jīng)過(guò)制作黑白液晶屏和優(yōu)化制作彩色液晶屏形成最終產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)意圖：項(xiàng)目導(dǎo)引的目標(biāo)是讓學(xué)生了解項(xiàng)目背景，并且明確后續(xù)的任務(wù)拆解。因此，設(shè)計(jì)了學(xué)生調(diào)查、閱讀、匯報(bào)和項(xiàng)目策劃等任務(wù)。著重讓學(xué)生體會(huì)一個(gè)產(chǎn)品不是一蹴而就的，而是在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的優(yōu)化迭代的過(guò)程。

任務(wù) 1：探秘液晶

任務(wù)1 分為2 個(gè)活動(dòng)?；顒?dòng)1 中，學(xué)生先感受液晶的流動(dòng)性，再通過(guò)偏光顯微鏡觀察液晶的雙折射現(xiàn)象，從而猜想其聚集狀態(tài)（圖1）。其后，學(xué)生歸納液晶分子的共同特點(diǎn)，形成“結(jié)構(gòu)- 性質(zhì)”的完整解釋。

活動(dòng)2 中，學(xué)生重復(fù)歷史上科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，觀察液晶在電場(chǎng)中的變化（圖2），并根據(jù)液晶分子極性作出解釋。

設(shè)計(jì)意圖：本任務(wù)希望讓學(xué)生認(rèn)識(shí)液晶這種特殊聚集狀態(tài)的物質(zhì)，并了解其在電場(chǎng)中的變化，為后續(xù)的顯示用途作鋪墊。學(xué)生面臨和科學(xué)家類(lèi)似的問(wèn)題，通過(guò)提出猜想，獲取證據(jù)，形成結(jié)論。學(xué)生在探究液晶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、崇尚真理的意識(shí)。

任務(wù) 2：設(shè)計(jì)制作黑白液晶顯示屏

該任務(wù)中，學(xué)生先評(píng)價(jià)歷史上科學(xué)家設(shè)計(jì)的顯示方案，并利用偏光片、導(dǎo)電玻璃、向列型液晶等實(shí)驗(yàn)器材動(dòng)手制作扭曲向列型液晶盒。然后7 位同學(xué)一組，將各自的液晶盒按照?qǐng)D4 所示擺放，控制液晶盒明暗顯示不同的數(shù)字。

設(shè)計(jì)意圖：本任務(wù)中，學(xué)生像科學(xué)家一樣直面產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題，液晶的原理設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)比較困難，因此采用評(píng)價(jià)方案、模仿制作的開(kāi)放度。學(xué)生切身體會(huì)問(wèn)題的困難，體會(huì)科學(xué)家的思路和方法，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

任務(wù) 3：優(yōu)化制作彩色液晶屏幕

本任務(wù)中，學(xué)生通過(guò)有機(jī)化學(xué)知識(shí)改進(jìn)液晶分子結(jié)構(gòu)，研發(fā)更適合顯示的液晶材料。其后，學(xué)生利用光的三原色原理，創(chuàng)造性解決問(wèn)題，并利用彩色色膜和液晶盒制成一組模擬彩色液晶像素點(diǎn)。最后，觀察拆解好的“液晶顯示器”教具，了解液晶顯示器的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行宣講。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在前面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化液晶材料和彩色顯示，了解真實(shí)電視屏幕的復(fù)雜和精巧。至此，完整地設(shè)計(jì)出彩色液晶屏幕，并形成液晶像素點(diǎn)的項(xiàng)目成果。培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用化學(xué)、物理和工程的跨學(xué)科知識(shí)的能力及善于合作、勤于實(shí)踐的科學(xué)精神，深刻認(rèn)識(shí)科學(xué)對(duì)滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要的重大貢獻(xiàn)。

成果交流

本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了項(xiàng)目研究報(bào)告、產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，科學(xué)史會(huì)和公眾號(hào)系列文章發(fā)布等多種成果交流形式。產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上，各組學(xué)生介紹本組的概念產(chǎn)品，并現(xiàn)場(chǎng)演示?？茖W(xué)史會(huì)上，各組學(xué)生介紹液晶顯示史上典型科學(xué)家的研究之路，以PPT 匯報(bào)或科普劇的形式展現(xiàn)。以上學(xué)生的各類(lèi)成果均可以在公眾號(hào)傳播。

設(shè)計(jì)意圖：本項(xiàng)目的成果既有動(dòng)手做出的實(shí)體作品，也有體現(xiàn)思維成長(zhǎng)的作品。因此，設(shè)計(jì)了多種成果交流方式，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生的思維成長(zhǎng)在此環(huán)節(jié)要充分梳理，并以研究報(bào)告、思維導(dǎo)圖、PPT 等方式固化下來(lái)。實(shí)體產(chǎn)品以召開(kāi)產(chǎn)品發(fā)布會(huì)的方式展示，學(xué)生還可以做一些創(chuàng)意設(shè)計(jì)，比如用液晶盒拼成有意義的圖形等?？傊诔晒涣鳝h(huán)節(jié)，讓學(xué)生充分收獲項(xiàng)目研究成功的喜悅。

反思與討論

根據(jù)科學(xué)史設(shè)計(jì)課程和教學(xué)實(shí)施的策略

將科學(xué)家解決的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為學(xué)生解決的問(wèn)題，形成課程框架。歷史上科學(xué)家解決了許多問(wèn)題，通過(guò)聚焦關(guān)鍵事件，組合幾個(gè)核心問(wèn)題，從而轉(zhuǎn)化成項(xiàng)目的任務(wù)和活動(dòng)，形成課程框架。

豐富的真人真事資料轉(zhuǎn)化為課程內(nèi)容材料?？茖W(xué)史中的真人真事資料可以充分運(yùn)用到課程內(nèi)容中，轉(zhuǎn)化為學(xué)生的動(dòng)手活動(dòng)、資料卡片、正文內(nèi)容等?？傊瑢W(xué)生沿著科學(xué)家的探知之路，在教學(xué)資料的支持下，解決一系列問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)與歷史上科學(xué)家的共鳴。

教學(xué)實(shí)施時(shí)增強(qiáng)歷史場(chǎng)景感。可以在教學(xué)中適時(shí)給學(xué)生提供當(dāng)時(shí)科學(xué)家的照片、方案等素材，讓歷史和課堂碰撞，學(xué)生更易體會(huì)問(wèn)題的真實(shí)感和科學(xué)家的智慧。

促進(jìn)學(xué)生價(jià)值觀教育的活動(dòng)設(shè)計(jì)

學(xué)生在學(xué)習(xí)中鮮少有機(jī)會(huì)深入體會(huì)國(guó)際合作、科學(xué)事業(yè)共同體、技術(shù)革新等，液晶顯示是一個(gè)顛覆性、全球性的科研項(xiàng)目，恰好能承載這樣的價(jià)值觀教育。價(jià)值觀教育目標(biāo)同樣可以設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)活動(dòng)，可以讓學(xué)生繪制國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)圖，落實(shí)學(xué)生對(duì)國(guó)際合作的理解;讓學(xué)生繪制液晶顯示三階段時(shí)間軸，落實(shí)對(duì)科技發(fā)展迭代的理解，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。