以“問題—發(fā)現(xiàn)”模式引導(dǎo)探究式學習
——“科學防疫：我來‘罩’”館校結(jié)合課程教案

蔡 璐 王子楠 張 挺

一、 教案設(shè)計思考

自2020年春節(jié)開始，新冠肺炎疫情在全世界迅速蔓延。面對突如其來的疫情，公眾對新冠病毒的特性不了解，缺乏科學的應(yīng)對知識，造成了普遍性的心理恐慌。與此同時，口罩作為有效的防護手段，成為了最搶手的產(chǎn)品之一?？墒鞘忻嫔峡谡址N類眾多，哪種口罩能夠真正起到防護作用，為什么口罩能夠有效防護，其中的原因部分公眾并不清楚。通過科學教育活動的設(shè)計與開發(fā)，可以向公眾傳播科學防疫方法，助其科學理性認識新冠肺炎疫情。

此教案強調(diào)以“問題—發(fā)現(xiàn)”模式引導(dǎo)探究與學習，以體驗式學習、多感官學習和做中學為主要教學方法。參與此活動，學生可以鍛煉觀察發(fā)現(xiàn)、收集信息、推理分析、邏輯思維、歸納總結(jié)、實驗驗證等相關(guān)的方法和能力，強化以“實證”為核心的科學的認識論、方法論、價值觀。

二、 教學對象與學情分析

本教育活動針對的具體教學對象是小學5～6年級學生，適宜受眾人數(shù)為30人。

學情分析：根據(jù)兒童認知發(fā)展理論，該年齡段學生處于“具體運算階段”，有一定的思維能力，但系統(tǒng)的思維能力有待加強；有良好的學習習慣，但學習的自主意識和能力都有待培養(yǎng)。學生的自主意識逐漸強烈，喜歡用批判的眼光看待其他事物，注意力容易集中，特別是由于抽象思維和邏輯思維能力的加強，其自我意識、評價和教育的能力也得到了充分發(fā)展，初步形成了個人的性格和人生觀，具備一定的合作學習能力，能認真聽取他人的意見或見解，但還不能很好地討論與表達自己的觀點與看法[1]。

在小學階段，學生對科學知識和現(xiàn)實生活之間聯(lián)系的掌握還不夠，還不能完全自覺地對科學新知識進行處理。他們對探究的學習方式有一定運用，但還需要進一步提高，自主學習能力還需要更好地發(fā)展。在合作學習中，學生表達與討論的能力還不足，實驗動手能力還不強，尤其是5年級學生[2]。

三、 教學目標、重難點與教學策略

(一) 教學目標

知識與技能：生命科學學科中強調(diào)同一性與多樣性，通過活動讓參與者了解新冠病毒相關(guān)的知識；了解歷史上口罩外形和功能的變化；通過實驗探究掌握不同口罩的防護原理；通過擴展實驗探究水或酒精清洗口罩是否會影響口罩防護性能。

過程與方法：通過觀察、實驗收集實驗信息等基本技能，培養(yǎng)和提高實驗設(shè)計與操作、現(xiàn)象描述、總結(jié)歸納等能力。學生通過對于口罩原理、效果的探究與實驗過程，學習和初步掌握觀察發(fā)現(xiàn)、收集信息、推理分析、邏輯思維、歸納總結(jié)、實驗驗證等相關(guān)的方法和能力。

情感、態(tài)度、價值觀：通過實驗活動，鍛煉形成基于證據(jù)和推理發(fā)表自己見解的意識，養(yǎng)成運用探究的方式學習與思考的習慣，強化以實證為核心的科學的認識論、方法論、價值觀。通過實踐讓學生們感悟，并由此逐漸形成一種思維習慣和觀念意識：凡是遇到類似情況，都要從實踐中找證據(jù)，逐漸具備思辨的能力，以實證作為判斷結(jié)果對錯的最終標準。在探究過程中體現(xiàn)了“實踐是檢驗真理的唯一標準”這一馬克思主義的認識論、方法論、價值觀。

(二) 教學重難點

教學重點：口罩的外形變化與功能的關(guān)系；不同口罩的防護原理不同；在實驗過程中鍛煉學生的動手能力、歸納總結(jié)能力、演變推理能力，最終形成實證的思維習慣與意識。

教學難點：新冠病毒尺寸極小，無法通過光學顯微鏡直接觀察，小學生對其認知的過程存在一定難度。教學活動中涉及動手制作，考驗參與者的動手操作能力?？谡朱o電現(xiàn)象的實驗效果受操作與環(huán)境影響大。關(guān)于科學知識、科學方法和科學思想的教學內(nèi)容，不能通過說教灌輸給學生，而要引導(dǎo)學生們在科學探究的實踐中自主地發(fā)現(xiàn)和領(lǐng)會，這一目標考驗活動組織者的設(shè)計能力和在活動開展過程中面對各種未知情況的應(yīng)對能力。如何運用恰當?shù)慕虒W方法幫助學生建立相對完整的對病毒和口罩防護的理解，同時通過活動使學生形成簡化的、實用的、對未來學習更有意義的邏輯思考體系是對活動設(shè)計者的挑戰(zhàn)。

(三) 教學策略

該教育活動分為五個階段。

第一階段：引出問題，通過播放抗疫視頻創(chuàng)設(shè)情境，引出“抗疫效果為什么不同”的問題，引導(dǎo)學生對比并發(fā)現(xiàn)。

第二階段：初步探究，通過角色扮演展示口罩外形變化，啟發(fā)學生探究和發(fā)現(xiàn)物品外形、材質(zhì)與功能的關(guān)系。

第三階段：深化探究，通過不同口罩的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)不同的問題，引導(dǎo)學生思考發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)與防護原理的關(guān)系。

第四階段：拓展探究，通過提出互聯(lián)網(wǎng)上有關(guān)水洗口罩的問題，引導(dǎo)學生自主發(fā)現(xiàn)并驗證該問題。

第五階段：交流評估，通過交流和發(fā)表環(huán)節(jié)鞏固學習成果。

四、 教學場地、教學準備、活動時間

教學場地：場館內(nèi)教學活動室

教學準備：多媒體平臺(計算機)、投影儀、音響、氣筒、紗布口罩、醫(yī)用外科口罩、剪刀、薄紙、噴壺、色素、水、酒精(見圖1)。

圖1 教學準備的部分器材

活動時間：該教育活動適宜在科技館的周六日或節(jié)假日進行，總時長為90分鐘。

五、 教學過程

第一階段：引出問題——視頻創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)對比發(fā)現(xiàn)

階段目標: 通過播放疫情期間中外抗疫新聞視頻引出主題，引導(dǎo)此次活動的探究方向。

學情分析：疫情發(fā)生以來，社會各渠道對于戴口罩的宣傳和要求，讓學生們都自覺或被動地戴了口罩，但他們對于口罩阻隔病毒呼吸道傳播作用機理的認識還比較模糊；這一年齡段的學生已具備了簡單的分析能力，可以對具備比較直觀因果關(guān)系的事物進行分析并得出“初步發(fā)現(xiàn)/結(jié)論”；這一年齡段的學生還不具備深入分析、從多角度質(zhì)疑和驗證“初步發(fā)現(xiàn)/結(jié)論”的能力及思維習慣。

教學策略：通過播放視頻創(chuàng)設(shè)一個“問題情境”，通過“對比”來獲得“初步發(fā)現(xiàn)”并引出“問題”。即通過視頻讓學生們“對比”國內(nèi)國外對于戴口罩的不同態(tài)度和行為所導(dǎo)致結(jié)果的巨大反差，從中獲得“初步發(fā)現(xiàn)”：戴不戴口罩對于疫情傳播的正反作用，為下一步要探究的問題：“口罩是不是真能阻隔病毒傳播”埋下伏筆，引出第二階段的口罩發(fā)明史和實驗，通過歷史事實和實驗結(jié)果來驗證“初步發(fā)現(xiàn)”準確與否。

教師與學生活動：

教師活動：用提問方式引導(dǎo)學生思考佩戴口罩的目的、意義，以及獲得這些知識的途徑。播放國內(nèi)外抗疫新聞視頻，引導(dǎo)學生思考國內(nèi)外防疫效果不同的原因。

視頻內(nèi)容：

1. 中國國內(nèi)所有人都戴了口罩，中國的官員和專家們在勸導(dǎo)公眾戴口罩、保持社交距離。與此相反，有的國家不僅大多數(shù)人沒戴口罩，部分政客和公眾還以“戴口罩限制自由”為由，把口罩“妖魔化”，二者形成強烈對比。

2.“中國過去24小時新增病例為0，全國病例數(shù)為……”“X國過去24小時新增病例XX萬……”兩者對比強烈。

學生活動：跟隨教師問題思考并發(fā)言，熟悉活動主題。觀看視頻后，多數(shù)學生認同“是否戴口罩并保持社交距離，是國內(nèi)外防疫效果不同的主要因素”。

第二階段：初步探究——口罩演變史

階段目標：本教學階段，在知識層面要求學生們通過探究找到其它證據(jù)(歷史的證據(jù)、實驗的證據(jù))，進一步驗證并認識“戴口罩具有阻隔毒傳播的作用”。在科學的認識論、方法論、價值觀層面要求學生們認識到，科學發(fā)現(xiàn)也好，分析問題也好，不能僅憑表面的因果關(guān)系得出最終結(jié)論，需要有多方面的證據(jù)，特別是排除了其它因素干擾的直接證據(jù)。

學情分析：通過觀看視頻進行對比后，學生們得出了初步結(jié)論：“戴口罩具有阻隔病毒傳播的作用”，但視頻中的事實所呈現(xiàn)的因果關(guān)系有可能受到某些因素影響而結(jié)果“失真”。學生可能尚未具備這樣的意識、思維以及分析的能力，需要進行實驗探究驗證“初步結(jié)論”是否準確，并通過實驗尋找適合做口罩的材料。

教學策略：教師通過質(zhì)疑學生的“初步結(jié)論”，拋出新的問題“這是充分證據(jù)嗎？如何尋找充分證據(jù)？”從而引導(dǎo)學生們進一步探究：戴口罩是不是真的具有阻隔毒傳播的作用？

教師與學生活動：

教師活動：對學生們在第一階段得出的結(jié)論進行質(zhì)疑；用短劇介紹口罩發(fā)展的歷史，引導(dǎo)學生親自探究口罩防疫的原理。

短劇內(nèi)容：

1. 通過模型展示與角色扮演形式結(jié)合，展示口罩最初的應(yīng)用情景，教師旁白講述場景內(nèi)容。由演員裝扮成拜火教祭司的造型，佩戴由布制成的“口罩”，模擬祭祀的場景[3]；

2. 演員身著手術(shù)衣，戴手術(shù)帽和橡膠手套，但是并未佩戴口罩，模擬進行手術(shù)的場景；

3. 在手術(shù)結(jié)束后，接受手術(shù)的病人向醫(yī)生反映，幾天后傷口出現(xiàn)了感染；

4. 由演員表演佩戴原始口罩的醫(yī)務(wù)人員。

學生活動：通過觀看短劇與教師的介紹，學習口罩的發(fā)展史，初步探索口罩的基本防疫原理與制作方法。認識到：口罩需要滿足三個條件：透氣、阻隔飛沫、柔軟舒適；多層紗布疊加是最初的口罩制作方式。

第三階段：深化探究——材料與結(jié)構(gòu)實驗

階段目標: 針對下一個“問題”即“什么樣材料的口罩可以起到防護疾病傳播的作用，同時保證舒適性。”通過親身體驗與實驗探究的方式“發(fā)現(xiàn)”，形成結(jié)論[4]。

學情分析：通過前面兩個階段的學習，學生對于紗布口罩的發(fā)展歷史與防護原理形成了初步認識，但尚未找到可以制作防護尺寸較小的病毒的口罩材料。為了達到預(yù)期的防護效果，學生建議增加口罩層數(shù)，說明學生對于口罩僅關(guān)注了功能性，對于舒適性等缺乏關(guān)注，沒有對這個問題形成系統(tǒng)全面的認識。

教學策略：通過讓學生親自佩戴不同層數(shù)紗布口罩進行呼吸實驗，感受不同口罩的佩戴感覺，引出第一個問題“紗布口罩如果僅僅滿足功能性而增加層數(shù)，造成的是佩戴時舒適性與透氣性大大降低”。通過拆解口罩，學生們觀察口罩的材料與結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)“舒適性與透氣性降低”是因為材料與結(jié)構(gòu)的不同，并在教師的引導(dǎo)下提出第二個問題“不同材料和結(jié)構(gòu)的口罩，防護原理一樣嗎？如果不一樣，不同口罩的防護原理分別是什么？”

教師與學生活動：

教師活動：請學生動手做實驗，親自佩戴醫(yī)用口罩和紗布口罩，比較佩戴感受的不同；指導(dǎo)學生動手拆解兩種口罩，比較其制作材料并推測兩種口罩的防護原理。用“靜電吸附實驗”引導(dǎo)學生探究醫(yī)用口罩的防護原理。

實驗內(nèi)容：

1. 學生分別佩戴醫(yī)用口罩和紗布口罩，描述不同口罩的佩戴感受；

2. 拆解兩種口罩，比較其制作材質(zhì)；

3. 比較不同層數(shù)紗布疊加后的透氣效果；

4. 分別用摩擦后的塑料梳子和醫(yī)用口罩熔噴布進行“吸附實驗”，觀察靜電吸附效果(見圖2)。

圖2 醫(yī)用口罩熔噴布靜電吸附效果

學生活動：通過動手實驗探究不同口罩的防護原理，發(fā)現(xiàn)并掌握紗布口罩的防護原理為“多層紗布物理阻隔”，醫(yī)用口罩防護原理為“靜電吸附為主，輔以物理阻隔”。

第四階段：拓展探究——水洗與酒精實驗

階段目標：本階段教學，一方面要讓學生通過探究得出水洗或酒精消毒對醫(yī)用口罩和紗布口罩的防護性能是否有影響，另一方面要使學生形成面對謠言或問題時從多角度質(zhì)疑和驗證的意識，具備運用科學方法進行判斷的能力[5]。

學情分析：隨著活動參與的深入，學生已經(jīng)初步形成面對問題時，能夠全面系統(tǒng)地主動思考，具備了發(fā)現(xiàn)“原因”的能力，同時具備了一定的科學思維，掌握了一定的科學方法。此階段通過拓展探究水洗和酒精消毒對口罩的影響，幫助學生形成更全面的思考方式與邏輯，學會應(yīng)用科學的方法與思維解決生活中遇到的問題。

教學策略：通過直接提出問題“有網(wǎng)友表示，口罩洗一洗或者消毒后還能繼續(xù)使用，但是也有網(wǎng)友表示水洗或酒精噴灑消毒后的口罩防護性能會大大降低，不能繼續(xù)使用”。面對兩種矛盾的說法，引導(dǎo)學生們對此展開討論、發(fā)表看法，并通過實驗引導(dǎo)學生進一步拓展探究。

教師與學生活動：

教師活動：通過網(wǎng)絡(luò)上的不同觀點引發(fā)學生的討論，由學生自主設(shè)計實驗對不同觀點進行驗證。

學生活動：設(shè)計測試影響口罩防護效果因素的實驗，并親自動手實驗驗證。

實驗內(nèi)容：

1. 向兩只醫(yī)用口罩分別噴灑水和酒精；

2. 拆開淋濕的口罩取出中間的熔噴布，進行“吸附實驗”；

3. 熔噴布不再能吸引紙屑，說明其靜電消失，防護能力降低；

4. 通過思想實驗，對比紗布口罩清洗前和晾干后的狀態(tài)，探究其是否可以重復(fù)使用。

第五階段：交流評估與問卷調(diào)查——鞏固、深化學習成果

階段目標：通過“問題—發(fā)現(xiàn)”的方式，即通過兩次調(diào)查問卷和交流環(huán)節(jié)，討論活動中提出的“問題”，使學生們“喚醒”并“重新發(fā)現(xiàn)”在前四個教學階段潛移默化地感受、學習、運用到的科學方法、科學思想，鞏固深化學習成果。

學情分析：通過前幾階段的活動，學生對于醫(yī)用口罩與紗布口罩有了較為全面的認識，不僅具備了發(fā)現(xiàn)問題的能力，而且形成了針對特定對象、特定問題、特定目標開展針對性探索實驗的意識與能力。

教學策略：利用問卷調(diào)查與交流發(fā)言的形式，進一步強化學習成果，對前幾階段的學習進行回顧與總結(jié)。通過思考和回答問題，以及聽取其他學生的交流發(fā)言，學生們會發(fā)現(xiàn)自己和其他同學在分析、研究、判斷問題的能力與意識上有了變化，體現(xiàn)了以“實證”為核心的科學的認識論、方法論、價值觀方面的收獲，喚醒了學生的科學思維，并且使本次教育活動得到提煉、歸納和升華，鞏固和深化了教學效果，在幫助學生掌握科學方法與科學思想的同時鍛煉其表達能力。

教師與學生活動：

1. 第一次調(diào)查問卷

(1) 你最初對于“何種材料的口罩更有阻隔細菌病毒的效果” 有什么認識？當時是怎么分析的？后來為什么改變了？聽取同學們的分析后產(chǎn)生了什么改變？實驗后又有了什么新認識？

(2) 當初對于“水洗或酒精消毒對口罩防護性能會不會有影響”有什么認識？當時是怎么分析的？后來為什么改變了？聽取同學們的分析后產(chǎn)生了什么改變？實驗后又有了什么新認識？

(3) 同學們在生活中面對類似問題的時候，是怎么判斷和得出結(jié)論的？現(xiàn)在參加活動后，面對這些問題時又將如何判斷？你會考慮哪些因素、經(jīng)歷哪些過程、采用哪些方法？

(4) 通過這一認識及改變的過程，發(fā)現(xiàn)自己以前分析判斷事物的方法有什么問題？對自己今后分析判斷事物有哪些啟發(fā)？

2. 交流環(huán)節(jié)

教師：我們本次的探究活動就要告一段落了，老師最后有一些問題想要問大家，希望同學們能夠暢所欲言，勇敢地和大家分享自己的想法。第一個問題是：你最初對于“什么材料的口罩阻隔細菌病毒的效果更好”有什么認識？當時是怎么分析的？后來為什么改變了？聽取同學們的分析后產(chǎn)生了什么改變？實驗后又有了什么新認識？

學生：老師，在參加這個活動前，我只知道父母要求我們佩戴口罩，至于佩戴什么口罩從來沒有關(guān)心過，只是照著做。參與活動后，我發(fā)現(xiàn)原來口罩與防護有這么密切的關(guān)系，而且發(fā)現(xiàn)，原來并不是所有的口罩都能起到防護的作用。做過實驗后我才知道：即使是有防護作用的材料，也需要組成特定的結(jié)構(gòu)才能起到有效防護作用，比如紗布口罩如果只是薄薄的幾層，那么面對尺寸更小的病毒就沒有作用了。

教師：非常好！總結(jié)得非常全面。第二個問題是：大家當初對于“水洗或酒精消毒對口罩防護性能會不會有影響”有什么認識？當時是怎么分析的？后來為什么改變了？聽取同學們的分析后產(chǎn)生了什么改變？實驗后又有了什么新認識？還有，同學們在生活中面對類似問題的時候，是怎么判斷和得出結(jié)論的？現(xiàn)在參加完活動后，面對這些問題時又會如何判斷？你會考慮哪些因素，經(jīng)歷哪些過程，采用哪些方法？

學生：關(guān)于水洗或酒精消毒口罩的說法，其實我之前在網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)看到，有的人說可以洗，有的人說不行。面對這些說法，說實話我并沒有多想，只是覺得口罩用完就該換一個新的。但我后來才了解到，在疫情最初出現(xiàn)的時候，口罩是供不應(yīng)求的，很多醫(yī)生都舍不得換掉用了很久的口罩。參加活動后，我知道了兩種口罩的防護原理。通過實驗驗證，我知道了醫(yī)用口罩是不能水洗或者酒精噴灑消毒的，因為那樣的話會影響靜電吸附效果。但是紗布口罩的防護原理是物理阻隔，并不涉及靜電吸附，所以它可以水洗或消毒，只要晾干就可以了。將來面對網(wǎng)絡(luò)上的不同說法，我也會進行系統(tǒng)考慮，認真思考可能有影響的所有因素，然后設(shè)計分組實驗，通過實驗驗證自己的想法，而不是面對問題盲從別人或者網(wǎng)絡(luò)上的說法。

教師：同學們通過這一認識及改變的過程，發(fā)現(xiàn)自己以前分析判斷事物的方法有什么問題？對自己今后分析判斷事物有哪些啟發(fā)？

學生：老師，之前我判斷事物的方法主要是聽父母或者老師的說法，對于網(wǎng)絡(luò)上的說法也是比較盲從，基本沒有自己的判斷。參加今天的活動后再面對這樣的情況，首先我不會盲目地聽從別人的說法，我會利用網(wǎng)絡(luò)、圖書館等信息渠道搜集有關(guān)的問題與答案，看看前輩們是怎么探索的，如果條件允許的話，我會自己設(shè)計實驗進行驗證。

2. 第二次問卷調(diào)查：調(diào)查內(nèi)容與第一次問卷一致。

教學策略：在第一次問卷調(diào)查前，學生們在科學方法、科學思想方面的學習收獲可能尚處于“潛伏”“休眠”狀態(tài)。沒有上述問題的提示，學生們可能意識不到、想不起來。通過第一次提問填寫問卷進行“初次喚醒”，上述科學收獲處于“半喚醒”狀態(tài)，但還會有一些遺忘和缺失；在交流和發(fā)表過程，在同學發(fā)言的提示下，這些收獲大部分被“二次喚醒”了，“除了學到有關(guān)口罩的知識之外，原來自己還有這些科學收獲”；通過第二次填寫問卷，進行了“第三次喚醒”，并記錄了“喚醒”的結(jié)果，鞏固了學習效果。上述通過問卷和交流發(fā)表的“喚醒”過程，其實就是一個“問題—發(fā)現(xiàn)”(發(fā)現(xiàn)那些非顯性的科學收獲)的過程。

六、 實施情況與效果評估

(一) 實施情況

2020年國慶假期期間累計實施14場，共415人次參與活動。

(二) 受眾反饋

通過交流評價環(huán)節(jié)和課程結(jié)束后對受眾的訪談，參與學生均表示：通過此次活動，對于口罩有了更加深入的認識。學生最初佩戴口罩僅僅是因為醫(yī)生建議，至于口罩為什么能夠防護病毒并沒有深入的思考。通過參與本次教育活動，參與者表示未來面對生活中司空見慣的問題，會重新思考“為什么”，擴展思考“怎么辦”，并會積極利用科學知識、科學思維和科學方法，去“發(fā)現(xiàn)”其中的原理[6]。

(三) 效果評估

本活動采取抽樣調(diào)查的方式，對活動的參與者進行抽樣滿意度調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示：所有參與者對此次活動開展總體滿意。此項活動最初設(shè)計受眾群體為小學1～6年級學生。在活動實際開展過程中發(fā)現(xiàn)：低學齡段學生在理解微觀抽象概念時存在困難，老師向低學齡學生講授這些知識時也比較困難。因此在隨后的活動中，科技館盡量組織小學5～6年級學生參與，并針對低學齡參與者設(shè)計了以動手制作新冠病毒模型為主要參與形式的活動。

說到兩次問卷調(diào)查，如果單純從“喚醒”的效果看，有第一次問卷調(diào)查和交流發(fā)表的“兩次喚醒”就夠了，第二次問卷調(diào)查已基本起不到“第三次喚醒”的作用。之所以要進行第二次問卷調(diào)查，其目的就是進行評估——通過兩次調(diào)查結(jié)果對比，可以更清晰地反映學生們在科學方法、科學思想方面的收獲，反映教學設(shè)計產(chǎn)生的效果。

在未來的教育活動中，設(shè)計團隊將進一步完善“問題—發(fā)現(xiàn)”的課程設(shè)計思路，引導(dǎo)參與者主動發(fā)現(xiàn)“問題”，并逐步建立科學的思維方式、掌握科學方法，培養(yǎng)觀察發(fā)現(xiàn)、收集信息、推理分析、邏輯思維、歸納總結(jié)、實驗驗證等相關(guān)的方法和能力，從而形成以“實證”為核心的科學的認識論、方法論、價值觀，并在“問題—發(fā)現(xiàn)”的過程中深化學習成果[7]。