STEM理念下的項目式學習設計

劉晴

摘要：以制作暖寶寶為例進行STEM理念下的項目式學習案例設計和評價設計，通過制作暖寶寶和改進暖寶寶的2個學習任務完成案例設計，通過建立項目式學習評價模型進行學習評價設計，利用科學、技術、工程和數(shù)學跨學科知識，在真實情境下解決實際問題，激發(fā)學生學習熱情，為我們的課堂提供一種新的思路。

關鍵詞：STEM;項目式學習;暖寶寶;跨學科知識

文章編號：1008-0546（2022）04-0057-04

中圖分類號：G632.41

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.012

文獻標識碼：B

STEM是科學、工程、技術、數(shù)學四門學科的簡稱。STEM起源于美國上個世紀90年代，迫于科學教育與工程技術的脫節(jié)和培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的需要，為提高科技教育的質(zhì)量，美國提出了STEM教育，以培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才。STEM教育關注現(xiàn)實生活中真實的情境，引導學生進行問題解決，發(fā)展批判性思維和創(chuàng)新能力。目前，項目式學習在STEM教育中獲得廣泛的關注，其學習特點是以學生為中心，設計驅(qū)動性問題，促使學生對真實的專題進行深入探究，學生在學習過程中表現(xiàn)得更具內(nèi)在動機[1]。本文通過有關STEM的主題開展項目式學習，設計以學生為中心的實踐性學習活動并進行評價。

?一、STEM理念下的項目式學習案例設計

1.STEM理念下的項目式學習內(nèi)容分析

STEM教育培養(yǎng)學生解決真實世界問題的能力，人體健康、能源效率、自然資源、環(huán)境品質(zhì)、危害減緩以及新知等都可以作為STEM的切入點[2]。根據(jù)《普通高中化學課程標準（2017版）》必修主題3“物質(zhì)結構基礎與化學反應規(guī)律”，以制作暖寶寶為例設計STEM理念下的項目式學習活動。該項目涉及STEM的學科知識如表1。

2.學習目標、評價目標與項目流程

本項目以化學反應中能量轉化為核心概念，引導學生探討化學能與熱能轉化在生活中的運用，并完成制作暖寶寶的項目任務。通過驅(qū)動問題的層層深入，項目任務逐步推進，使得學生加深對知識的理解與遷移，構建更有深度的知識體系。項目學習目標為：（1）了解暖寶寶的發(fā)熱原理，認識物質(zhì)具有能量，初步建立化學反應與能量轉化的認識模型。（2）通過制作暖寶寶學會利用知識應用于生活實踐解決實際問題。（3）通過暖寶寶的改進培養(yǎng)自己的反思能力和提高自身的問題解決能力。評價目標為：（1）通過對暖寶寶發(fā)熱原理的解釋與發(fā)熱過程描述，診斷并發(fā)展學生對化學反應與能量轉化的認識水平。（2）通過對暖寶寶物質(zhì)成分的實驗探究和暖寶寶的改進優(yōu)化，診斷并發(fā)展學生的實驗探究水平和問題解決水平。（3）通過對暖寶寶產(chǎn)品展示與點評，診斷并發(fā)展學生獲取信息、溝通交流的能力。

本項目的具體實施流程如圖1所示。

3.教學過程

任務一：請利用化學方法為戶外作業(yè)人員制作暖寶寶

[創(chuàng)設情境]熱能是人類生活中經(jīng)常使用的能量。人類、動物的活動，食物的蒸煮等等都需要熱能。從古至今人類取暖的方式多種多樣，燒柴取暖、使用暖水袋，利用空調(diào)制熱等等。請同學們利用物質(zhì)的化學變化，為戶外作業(yè)人員設計一款具有不同功能的暖寶寶。請從發(fā)熱速度，發(fā)熱量，經(jīng)濟效益，是否易于攜帶幾個方面考慮你所要設計的暖寶寶。

[調(diào)查研究]

問題：（1）哪些反應可以放熱，怎樣加快反應速率？（2）計算暖寶寶的配比。

學生活動：通過數(shù)據(jù)比較，鐵與氧氣反應放出的熱量最多。反應物氧氣來自源源不斷的大氣，鐵的價格又很便宜，且易于攜帶。鐵與氧氣反應十分緩慢，為了加快反應速率在鐵粉中加入碳粉形成原電池可以加快化學反應速率。根據(jù)化學反應方程式計算暖寶寶的成分配比為鐵粉至少為總質(zhì)量的56%，食鹽水至少為總質(zhì)量的18%，碳粉為總質(zhì)量26%。

[確立方案]問題：確定了暖寶寶的主要成分，我們把鐵粉、碳粉與水的混合物稱為發(fā)熱劑A，氧氣為發(fā)熱劑B，如何將發(fā)熱劑A和B隔開，避免未使用就發(fā)生反應呢？

學生活動：將發(fā)熱劑A放在真空袋中密封，待到需要時剪開真空袋，直接與空氣接觸便可反應。設計實驗方案如表2所示。

[進行實驗]問題：哪些因素會影響發(fā)熱劑的發(fā)熱效果呢？學生活動：小組討論并初步嘗試制作暖寶寶，記錄實驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

實驗反思：鐵粉與碳粉，飽和食鹽水混合后，迅速放出大量的熱，溫度持續(xù)時間較短。1加入水的量會影響暖寶寶發(fā)熱效果，太多水會導致吸熱2原料的粒度會影響發(fā)熱效果，原料如果結塊會減小與空氣接觸的面積。

設計意圖：利用生活中常見的暖寶寶設置任務情境，通過實驗探究和定量計算探究暖寶寶的組成和發(fā)熱效果，引導學生從方案設計，模型確立，實驗探究逐步形成正確的探究思路，鍛煉實驗操作能力，提高學生的核心素養(yǎng)。

任務二：改進優(yōu)化暖寶寶設計

[測試修改]

問題：經(jīng)過剛才的測試，你認為暖寶寶發(fā)熱越快越好嗎？怎么控制暖寶寶的發(fā)熱速度？

學生活動：將發(fā)熱劑A包裝打開，迅速與大量空氣接觸，短時間內(nèi)會放出大量的熱。發(fā)熱速度太快容易灼傷，并且發(fā)熱時間很短。如果氧氣能慢慢滲透到發(fā)熱劑A中，這樣就可以避免暖寶寶發(fā)熱過快。改進暖寶寶的實驗方案如表3所示，改進的暖寶寶設計如圖3所示。

實驗反思：通過無紡布包裝發(fā)熱劑A，這樣可以控制透氧的速度，不至于反應升溫太快，還可以延長發(fā)熱時間。

[優(yōu)化設計]設置限制條件調(diào)控溫度制作專用于手部的暖寶

寶。冬天戶外作業(yè)人員手部溫度由最低溫度15°C升高至正常體溫37°C，所需發(fā)熱劑多少？

資料：如果我們知道手指的比熱容，根據(jù)Q=cmΔt就能很快算出手指從15°C升高至37°C所需要的熱量，得出數(shù)據(jù)Qd，然后再用ΔH=Qd/M（Fe），從而得出所需發(fā)熱劑中鐵粉的質(zhì)量。

學生活動：根據(jù)公式Q=cmΔt計算，首先需要知道手指的比熱容。我們用香腸模擬人的一根手指，將加熱過的香腸放入室溫下的水里。保證香腸的溫度全部傳遞給水即Q水=Q香腸。測量水的初始溫度記為t0，當溫度達到一個高原區(qū)后，再測定溫度記為ti，得出Q水;已知香腸質(zhì)量為m，初始溫度為t1，最終溫度為tii，計算得出C香腸的值。

問題：那么怎樣保證香腸的溫度全部傳遞給水呢？

學生活動：保證盛放水和香腸的容器絕熱，可以給容器外加上絕熱材料。

小組討論用什么絕熱材料減小熱量的損失。方案一可以在容器外加泡沫塑料，方案二可以用紙咖啡杯多套幾層。學生設計實驗方案進行實驗（表4）。

設計意圖：進一步提高情境的復雜性和問題的難度，引發(fā)學生深入思考，加深對知識的理解和遷移。使用溫度傳感器等數(shù)字化實驗儀器，讓學生體會信息技術在實驗探究中的重要應用。通過螺旋上升式問題和驅(qū)動性任務，培養(yǎng)學生的問題解決能力和創(chuàng)新能力。

二、STEM理念下的項目式學習評價設計

項目式學習使得我們對學生的評價有了新的思路，學生可以得到比一個簡單成績更多的反饋。學生可以在一個項目上獲得多個成績，從而更好地將注意力集中在他們需要改進的地方[3]。學生在學習過程中學會了反思，獲得了個人成長，這正是教育者所期待的結果。因此，本次教學活動更適合采用過程性評價、形成性評價等評價方式。筆者根據(jù)王玨研制STEM課堂教學評價量表[4]設計了項目式學習評價模型，并依據(jù)此模型對本活動進行評價。

筆者在課前給每個小組分發(fā)了工作日志表，要求學生從研究計劃，設計模型，復盤反思，實驗結果，產(chǎn)品功能以及評價交流這6個方面進行記錄，并給學生做了一定的解釋，活動結束后筆者收集工作日志表，從這6個維度對小組績效表現(xiàn)進行評價（圖4）。

從收集的反饋情況看，大多數(shù)學生都能較好地完成研究計劃，設計各種暖寶寶模型，實驗結果記錄與分析也較為詳實，產(chǎn)品功能多樣化。有的學生還查閱了文獻，了解到利用化學反應放熱原理還能做出其他物質(zhì)的暖寶寶，例如醋酸鈉發(fā)熱暖手寶，有的還設計專門為女生使用的暖寶寶以及可以裝在手套里的暖寶寶。但在復盤反思和評價交流模塊學生缺少記錄，只有少數(shù)同學進行記錄，有同學寫到“暖寶寶賣貴了”，考慮到暖寶寶的經(jīng)濟效益;有同學寫到“提高了設計實驗和查閱資料的能力”，也有同學認為“這樣的學習活動很有意思，動手實踐體會更深刻”總結了自己的學習收獲。制作暖寶寶的項目式學習活動獲得了學生的普遍認可，使學生獲得了不同的學習體驗。

三、教學反思

STEM理念下的項目式學習使學生從生活角度了解暖寶寶，從科學、技術、工程和數(shù)學角度認識暖寶寶，從實際應用創(chuàng)新暖寶寶，通過驅(qū)動性問題，自主進行實驗設計，由簡到繁逐個突破任務難題，面對疑難問題主動復盤反思，不斷批判思考最終建立問題解決的正確方案;在小組合作學習中相互學習，形成深度思維，提高學生核心素養(yǎng)，獲得了學習的成就感，感受到學習的快樂。

項目式學習也使教師重新變成學習者，不再是僅僅向?qū)W生灌輸知識，而是引導學生掌握重要的學科思想和學習方法。教師要為學生設計有效的項目，使學生接觸具有真實性的、挑戰(zhàn)性難題或問題，形成持續(xù)性探究，引導學生復盤反思，讓學生在學習過程中更積極主動，更有信心。學生在每完成一個任務的時候，都能自主學習并運用學科知識解決問題，培養(yǎng)了批判性思維能力，鍛煉了合作和自我管理能力。STEM理念下的項目式學習對教師和學生都是一種有益的嘗試，它為我們的課堂提供一種新思路，讓我們的課堂綻放更多精彩。

參考文獻

[1]許華紅.基于項目的學習文獻綜述[J].教師博覽（科研版），2014（5）：8-10.

[2]范斯淳，游光昭.科技教育融入STEM課程的核心價值與實踐[J].教育科學研究期刊，2016，61（2）：153-183.

[3]蘇西·博斯，簡·克勞斯.PBL項目制學習[M].北京：中國紡織出版社，2020.

[4]王玨，鄧嫦圓.基于小組合作探究模式研制STEM課堂教學評價量表[J].生物學通報，2017，52（12）：12-15.