初中科學(xué)指向深度學(xué)習(xí)的STEAM理念下PBL（項(xiàng)目）的開發(fā)和實(shí)踐

許陽(yáng)英 高敏娜

(杭州市余杭區(qū)仁和中學(xué) 浙江杭州 311100)

一、緣起

近幾年，STEAM教學(xué)理念下的課程熱火朝天地開展著，很多初中以社團(tuán)活動(dòng)中3D打印、空模等形式展開，但是這種課程需要專任的技術(shù)教師，學(xué)校在建設(shè)等方面的投入也會(huì)很大，一般學(xué)校無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

基于以上兩種現(xiàn)狀，在STEAM理念下開發(fā)高效廉價(jià)的PBL（項(xiàng)目）能更好地激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生主動(dòng)探究，彌補(bǔ)課堂教學(xué)中難以做到的長(zhǎng)時(shí)間的深入探究，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)[2]。

二、核心概念

Steam教學(xué)：是科學(xué)、技術(shù)、工程、人文（美術(shù)）、數(shù)學(xué)教育的融合。主要以基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、問(wèn)題的學(xué)習(xí)為主要教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐性的工程教育，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新能力，從而提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

深度學(xué)習(xí)：從一個(gè)真實(shí)的情境問(wèn)題中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)、促進(jìn)下，積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，并能學(xué)以致用，是一種高認(rèn)知、高表現(xiàn)、個(gè)人化學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)。

基于問(wèn)題的PBL（項(xiàng)目）學(xué)習(xí)：以解決一個(gè)情景或者研究中的問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，在解決問(wèn)題時(shí)學(xué)生反復(fù)考慮，仔細(xì)推求，多方討論，呈現(xiàn)方案，并實(shí)施，尋找現(xiàn)象背后的真相（性質(zhì)或規(guī)律）或問(wèn)題的答案的學(xué)習(xí)，是一場(chǎng)持續(xù)性的深入探究的學(xué)習(xí)[3]。

三、設(shè)計(jì)思路

四、基于問(wèn)題解決的PBL項(xiàng)目實(shí)施案例

（一）“火山爆發(fā)”噴發(fā)效果的探究

1.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

七上科學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生有學(xué)習(xí)到關(guān)于火山及火山噴發(fā)的相關(guān)知識(shí)，有學(xué)生提出想親身“感受”火山爆發(fā)時(shí)的壯觀。如圖：

用什么材料才能較大程度模擬火山噴發(fā)的過(guò)程呢？學(xué)生在網(wǎng)上尋找到不同的“配方”，整理如下：

實(shí)驗(yàn)方案的匯總

實(shí)驗(yàn)方案的匯總方法 材料 效果1 雪碧（可樂(lè)）和曼妥思images/BZ_7_1692_2356_1801_2498.pngimages/BZ_7_1835_2355_1949_2496.pngimages/BZ_7_2031_2355_2120_2493.pngimages/BZ_7_2159_2355_2241_2498.png2 雙氧水、洗潔精、酵母粉（大象牙膏實(shí)驗(yàn)）images/BZ_7_1680_2510_1961_2646.pngimages/BZ_7_2076_2513_2182_2660.png3 水、泡騰片、色素、食用油images/BZ_7_1690_2680_1961_2823.pngimages/BZ_7_2076_2675_2170_2829.png4 醋、水、小蘇打、色素、洗手液images/BZ_7_1689_2846_1961_2976.pngimages/BZ_7_2070_2841_2176_2976.png

照片顯示，實(shí)驗(yàn)效果很好，但哪個(gè)更方便了解火山噴發(fā)的全過(guò)程？組員選擇實(shí)驗(yàn)1、3、4進(jìn)行探究。

2.制定方案

項(xiàng)目名稱 用什么材料能較大程度模擬火山噴發(fā)的過(guò)程？任務(wù)目標(biāo) 了解火山爆發(fā)的全過(guò)程、火山的基本結(jié)構(gòu)等團(tuán)隊(duì)分工 技術(shù)總監(jiān)：仲童樂(lè) 創(chuàng)意總監(jiān)：余凱 財(cái)務(wù)總監(jiān)：馬駿項(xiàng)目實(shí)施第一階段（第2周-第3周）：信息收集整理（具體見(jiàn)實(shí)驗(yàn)方案匯總）第二階段（第4周-第5周）：分工、各自完成自己實(shí)驗(yàn)部分的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并完善第三階段（第6周）：購(gòu)買材料或設(shè)計(jì)制作所需材料第四階段（第7周-第9周）：項(xiàng)目實(shí)施，并記錄結(jié)果第五階段（第10周-第12周）：分析結(jié)果，交流評(píng)估實(shí)驗(yàn)一：1瓶可樂(lè)、1瓶雪碧、兩包曼妥思實(shí)驗(yàn)二：80mI清水、20滴色素、160mI食用油、1片泡騰片實(shí)驗(yàn)三：小蘇打、白醋、紅墨水、礦泉水瓶、洗潔精或洗發(fā)水實(shí)驗(yàn)四：小蘇打、白醋、水、2個(gè)礦泉水瓶、洗潔精或洗手液、2根攪拌棒、盤子、秒表所需材料、工具images/BZ_8_343_1075_529_1323.pngimages/BZ_8_554_1095_771_1317.pngimages/BZ_8_794_1087_963_1320.pngimages/BZ_8_981_1087_1205_1299.png成本預(yù)算 60元

3.產(chǎn)品實(shí)施

實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

成品制作

數(shù)據(jù)收集

實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成品制作

數(shù)據(jù)收集

實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)收集

洗潔精組：

實(shí)驗(yàn)四

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

成品制作

數(shù)據(jù)收集

洗潔精組：6秒

洗衣液組：9秒

4.項(xiàng)目評(píng)估

①泡騰片實(shí)驗(yàn)效果明顯，清晰地模擬巖漿噴出的過(guò)程，還能看到類似火山錐、巖漿通道、火山口等結(jié)構(gòu)。

②小蘇打和白醋混合實(shí)驗(yàn)效果較弱。不同材料會(huì)影響“爆發(fā)”速度。加洗潔精比加洗手液更能促進(jìn)“火山噴發(fā)”。

5.交流與評(píng)價(jià)

做完實(shí)驗(yàn)后，筆者與組員一起分析各實(shí)驗(yàn)的原理。

實(shí)驗(yàn)一：可樂(lè)中含大量高壓壓入的二氧化碳，打開瓶蓋的瞬間，壓強(qiáng)減小，二氧化碳從可樂(lè)中緩慢溢出。氣體產(chǎn)生通常要附著在某種表面或是顆粒上，稱為“成核現(xiàn)象”，如果把曼妥思放大百倍，可以看到糖的表面存在很多小孔，多孔的結(jié)構(gòu)使它變成一個(gè)很好的產(chǎn)氣“核”，二氧化碳可以大量附著在糖表面，促使溶解的二氧化碳迅速釋放。并且曼妥思的密度大，加進(jìn)去立刻沉底，在底部迅速形成氣泡，將頂部液體頂出，產(chǎn)生噴發(fā)甚至小型爆炸的效果。該過(guò)程沒(méi)有新的物質(zhì)生成，不是化學(xué)變化。

實(shí)驗(yàn)二：泡騰片中含有碳酸鈉和檸檬酸，接觸到水時(shí)發(fā)生反應(yīng)，放出二氧化碳，而二氧化碳又導(dǎo)致藥片崩裂，反應(yīng)更加劇烈。產(chǎn)生的二氧化碳部分溶于水，部分溢出，當(dāng)積攢到一定程度后，氣泡帶動(dòng)含色素的水到油的上方，甚至沖出油層，最終因?yàn)樗拿芏缺扔痛?，所以水又?huì)下沉。

實(shí)驗(yàn)三、四：小蘇打是碳酸氫鈉（NaHCO3），呈堿性，白醋中含有醋酸（CH3COOH），呈酸性。小蘇打與白醋能（復(fù)分解）反應(yīng)生成醋酸鈉和碳酸，而碳酸及不穩(wěn)定，繼續(xù)分解為二氧化碳和水。二氧化碳?xì)怏w遇到混了水的洗潔精后，產(chǎn)生了很多泡泡，并使瓶?jī)?nèi)氣壓變大，將泡泡從瓶中壓出。

6.新的火花

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有材料都有“火山噴發(fā)”的效果，但他們材料是無(wú)固定的用量的，我們想這不能直接得出是哪一種材料的影響更大。根據(jù)這種情況我選用小蘇打與白醋來(lái)做研究，想知道小蘇打與白醋的比例是否會(huì)影響“火山爆發(fā)”的強(qiáng)烈程度[4]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料

水、一袋小蘇打、一瓶白醋、礦泉水瓶、墨水、洗衣液

產(chǎn)品實(shí)施

數(shù)據(jù)收集

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以知道，實(shí)驗(yàn)①的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)比較劇烈，效果比較好

項(xiàng)目評(píng)估：說(shuō)明當(dāng)白醋與小蘇打比例為1:1時(shí)反應(yīng)較強(qiáng)。

（二）可樂(lè)做冰沙系列探究

1.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

夏天，我們常會(huì)吃冰沙，但冷飲店的冰沙往往是將一整塊冰磨碎后制作的，筆者發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)上有種簡(jiǎn)易方法：可樂(lè)大概冰凍1-2個(gè)小時(shí)，直接搖晃就能做出冰沙，但哪些因素會(huì)對(duì)做出的冰沙效果有所影響？組員展開探究。

2.制定方案

項(xiàng)目名稱 可樂(lè)做冰沙系列探究任務(wù)目標(biāo) 掌握物體的三態(tài)變化，液體的凝固點(diǎn)，并了解凝固點(diǎn)受氣壓影響。團(tuán)隊(duì)分工 技術(shù)總監(jiān)：孫豐濤 創(chuàng)意總監(jiān)：陳俐輝 財(cái)務(wù)總監(jiān)：王玲瓏項(xiàng)目實(shí)施第一階段（第1周）：建立猜想、分工第二階段（第2周-第5周）：個(gè)人完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、小組討論完善方案、提出新構(gòu)想第三階段（第6周-第10周）：準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料、項(xiàng)目實(shí)施，并記錄結(jié)果第四階段（第7周-第8周）：反饋結(jié)果、交流評(píng)估第五階段（第9周-第12周）：實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、重復(fù)實(shí)驗(yàn)所需材料、工具 可樂(lè)、碗、冰箱成本預(yù)算 80元

3.產(chǎn)品實(shí)施

實(shí)驗(yàn)一：汽水體積是否會(huì)影響做出的冰沙效果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)收集

實(shí)驗(yàn)組別 A（300ML） B（500ML） C（680ML）images/BZ_9_1527_2718_1779_2904.pngimages/BZ_9_1782_2718_2034_2904.pngimages/BZ_9_2037_2718_2288_2904.png冰沙效果images/BZ_9_1527_2907_1779_3111.pngimages/BZ_9_1782_2907_2034_3111.pngimages/BZ_9_2037_2907_2288_3111.png很少 較多 很多

項(xiàng)目評(píng)估

汽水體積與做出的冰沙效果有關(guān)，體積越大，冰沙效果越好。

實(shí)驗(yàn)二：汽水種類是否會(huì)影響做出的冰沙效果

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)收集

組別 可樂(lè) 雪碧 芬達(dá)冰沙效果images/BZ_10_332_1087_554_1417.pngimages/BZ_10_557_1087_778_1417.pngimages/BZ_10_781_1087_991_1417.png較多 較少 幾乎沒(méi)有images/BZ_10_994_1040_1208_1480.png

項(xiàng)目評(píng)估

不同種類的碳酸飲料會(huì)影響做冰沙的效果，其中可樂(lè)效果最好。

實(shí)驗(yàn)三：汽水冰凍時(shí)間是否會(huì)影響做出的冰沙效果

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)收集

時(shí)間 1.5小時(shí) 2小時(shí) 2.5小時(shí)冰沙效果images/BZ_10_332_2469_554_2857.pngimages/BZ_10_557_2469_778_2857.pngimages/BZ_10_781_2469_991_2857.png基本沒(méi)有 有少許 很多images/BZ_10_994_2417_1208_2913.png

項(xiàng)目評(píng)估

可樂(lè)冰凍時(shí)間會(huì)影響做出的冰沙效果。在一定時(shí)間內(nèi)，冰凍時(shí)間越長(zhǎng)，冰沙效果越明顯。

實(shí)驗(yàn)四：在冰凍前、后分別搖晃（撞擊）可樂(lè)是否會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

收集數(shù)據(jù)

組別 A瓶（冰凍前搖晃） B瓶（冰凍后搖晃） C瓶（冰凍前后都搖晃）冰沙效果images/BZ_10_1419_859_1699_1228.pngimages/BZ_10_1702_859_1995_1228.pngimages/BZ_10_1998_859_2288_1228.png較明顯 最明顯 很明顯

產(chǎn)品評(píng)估

在冰凍前后搖晃可樂(lè)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果，且“冰凍后再搖晃”實(shí)驗(yàn)效果最好。

4.交流與評(píng)價(jià)

做完實(shí)驗(yàn)后，筆者與組員一起分析實(shí)驗(yàn)的原理，發(fā)現(xiàn)氣體壓強(qiáng)的大小影響液體的凝固點(diǎn)，可樂(lè)冰沙利用“壓強(qiáng)越大，凝固點(diǎn)越低”的原理來(lái)制作。具體的原因是：可樂(lè)生產(chǎn)過(guò)程中高壓壓入大量的二氧化碳，使瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)很大，可樂(lè)凝固點(diǎn)降低，所以在冰箱冷凍室1-2.5個(gè)小時(shí)也能保持液態(tài)。搖晃或撞擊可樂(lè)可以加快氣體溢出，當(dāng)擰開瓶蓋的瞬間，二氧化碳就會(huì)迅速冒出，氣壓瞬間降低，凝固點(diǎn)隨之上升，使可樂(lè)從原來(lái)的液體變成了固體狀的沙冰。

五、收獲與展望

（一）收獲

對(duì)于學(xué)生：

對(duì)于教師：

因?yàn)榭茖W(xué)是一門綜合性的課程，希望通過(guò)項(xiàng)目的開展，更好地融合學(xué)科的關(guān)系。借此也能更有方向性地提升教師的專業(yè)能力和核心素養(yǎng)。在此過(guò)程中，也能深入挖掘課程內(nèi)容，讓教師保持對(duì)學(xué)科教學(xué)、探索的熱情。

（二）展望

筆者現(xiàn)在的項(xiàng)目設(shè)置已有初步的進(jìn)展，課程仍有待繼續(xù)挖掘。并且筆者希望將其做成拓展性課程，接下來(lái)仍需要開發(fā)更多的案例。希望在不久的將來(lái)，可以有一套較成熟的課程內(nèi)容。