導向深度學習的教學新探索
——六年級科學《能量的認知與應用——DIY 太陽能加熱器》項目式學習案例

趙楠 張美嬌 上海青浦蘭生復旦學校

一、項目概述

在STEM教育領域，項目式學習有助于學生獲得對學科核心概念或跨學科大概念的深層理解，它打破了傳統(tǒng)教學單向傳輸知識及過度強調(diào)知識記憶的做法，以任務驅(qū)動學習、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“能的轉化與轉移”主題隸屬于“能量”大概念、與“粒子”大概念密切關聯(lián)，這一主題適合與工程任務相結合，進行項目研究。

本項目圍繞太陽能加熱器的制作任務展開。驅(qū)動性問題是：“設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生像工程師一樣，將任務拆解為一系列科學問題，利用計算機模擬軟件輔助探究、建構理解，根據(jù)對太陽輻射、溫室效應等知識的科學理解來進行設計、制作與檢測。學生在小組中工作，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、工程設計圖、實物模型）向他人展示自己所學。

二、對應課程內(nèi)容和標準

（一）課程內(nèi)容

《能量的認知與應用——DIY 太陽能加熱器》是一個融合科學探究和工程實踐的跨領域項目，其中涉及的物理學知識對應初中科學（牛津上海版）第五單元《能與能源》的內(nèi)容，其核心知識是“能的轉化與轉移”。從縱向看，這一核心知識從屬于跨學科大概念“能量”。在項目之前，學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理解必須借助跨學科大概念“粒子”才能實現(xiàn)。在項目之前，學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現(xiàn)象，為理解太陽輻射和溫室效應奠定了基礎。

（二）課程標準

科學知識目標：1.知道能在一定條件下可以發(fā)生轉移或轉化；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)中的應用。

科學探究目標：1.能基于所學的知識提出可探究的科學問題，形成有針對性的假設；2.能采用不同的表述方式，呈現(xiàn)探究的過程與結論；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性評價，完善探究報告。

科學態(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)《義務教育小學科學課程標準》（教育部，2017）和《義務教育初中科學課程標準（2011 年版）》（教育部，2011）整理

三、問題和任務框架

（一）驅(qū)動性問題

設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

按照科學探究的邏輯，將驅(qū)動性問題轉化為核心問題，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問題；子問題三屬于工程設計問題，同時它又回應了核心問題。

圖1 問題鏈

3.核心任務：DIY太陽能加熱器。

4.任務群：按照工程設計過程拆解核心任務，形成如圖2所示任務群。

圖2 任務群

四、學習目標

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

2.通過經(jīng)歷產(chǎn)品設計的過程，了解可視化工具在科學探究中的應用方法，感悟建模在科學探究和產(chǎn)品設計中的作用和意義。

3.初步學會像工程師一樣，將設計任務轉化為科學問題進行探究，將探究所得的科學理解應用于產(chǎn)品設計之中。

4.通過迭代修正產(chǎn)品設計的過程，初步學會反思的元認知技能。

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

五、項目過程

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

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

（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：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的了解來設計和制作太陽能加熱器。

（2）明確設計目標及制約因素

①提出驅(qū)動性問題：設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）提出科學問題，探究理解

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

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.太陽輻射如何轉化為熱能？在此過程中，地表的溫度如何變化？b.熱能如何轉化為紅外輻射？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？

結合科學課已學的內(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，提出工程問題。

子問題三：如何確定目標裝置的基本結構？將上述科學理解應用于產(chǎn)品設計之中，分組討論，形成產(chǎn)品設計的概念原型：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.什么樣的結構類似于溫室氣體，可以反射盡可能多的紅外輻射？在上述理解的基礎上，經(jīng)由全班討論，確定目標裝置所需具備的基本結構。

（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，并引導學生展開小組討論，嘗試用所學知識對測試結果作出解釋。

3.確定小組分工，明確課后模擬測試任務

（1）布置課后任務

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”，并在學習單上記錄參數(shù)設置和測試數(shù)據(jù)；②在模擬探究的基礎上，形成小組的設計方案（設計原型）；③提出下周匯報要求：a.展示模擬探究結果；b.呈現(xiàn)小組的設計方案及設計圖；c.利用計算機模擬數(shù)據(jù)，解釋各部分結構所選參數(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）確定設計原型（第3—4課時）

1.小組展示

匯報模擬探究的結果和設計方案的初稿。

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

（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構進行模擬測試，確定各部分結構所選擇的參數(shù)，并用探究所得的科學理解進行解釋。

（3）集體推理：根據(jù)模擬探究結果，推測計算機模型無法測試的結構理應具備的特征。

4.分組討論

（1）修正小組的設計原型，對設計圖進行精制。

（2）制定下周真實測試的計劃，設計測試記錄單。

（3）確定實物建造的組內(nèi)分工，并制定預算。

（三）建造模型、測試優(yōu)化（第5—6課時）

1.簡短交流：了解各組的設計方案、實物模型和測試計劃。

2.實地測試：迭代修正設計方案

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

3.明確結題任務：告知學生結題匯報要求，提供工程設計方案框架。

4.提供結題匯報的評價量規(guī)：分水平1—5 級，并加加分項。

（四）結題匯報（第7—8課時）

1.小組展示：各組匯報項目實施的過程和結果。

2.組間評分：接受他組學生和教師的質(zhì)疑，進行論辯。

3.總結討論

（1）從能量轉化和轉移的視角，對太陽能加熱器各結構的參數(shù)進行解釋。

（2）對各組的設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計中的作用，分享對工程師身份的認識。

六、成效與反思

（一）學生可以關聯(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

本項目選取學習基礎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，在學習第五章《能與能源》的同時，從事本項目；六（1）班作為對照組，僅在基礎型課程中學習第五章的內(nèi)容。項目結束之后，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)送給學生，要求學生在10分鐘內(nèi)完成測試。

結果顯示（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，且效應量d 值均大于0.4，說明從事本項目對于學生理解這些問題產(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聯(lián)，這可能與項目任務本身的復雜性和粒子運動可視化軟件的應用有關。

表1 后測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

（二）反思與啟示

學生從事項目研究不一定能產(chǎn)生深度學習。項目式學習的成效深受學習活動和學習指導質(zhì)量的影響。為此，本項目在遵循項目式學習形式特征的基礎上，尤其注重學習活動和學習指導的設計（見圖3）。

圖3 項目式學習的教學設計要素

首先，學習活動按照探究式的邏輯而非“菜譜式”操練的邏輯進行設計。項目式學習中的重點并非是開發(fā)人工制品，而是借由將學生沉浸于開發(fā)人工制品的過程，推動學生在與專業(yè)實踐接近的真實境脈（context）中應用概念積極建構理解，以此獲得對學習材料的深入理解。因此，STEM領域的教師在設計項目式學習時，應著力于發(fā)展學生科學思維，引導學生按照科學探究的一般程序拆解學習任務，讓他們親身經(jīng)歷科學探究的完整過程。

其次，提供適當?shù)膶W習指導。教師可以著力從三個方面為學生從事項目提供指導。第一，申明學習目標和最終產(chǎn)品的規(guī)格說明（至于“如何做”，則由學生自己把握）。第二，搭建腳手架，包括：提供可視化工具幫助學生理解微觀的科學過程、設計結構化的學習單，引導學生展開項目研究，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)，引導學生監(jiān)控和反思自己的學習，發(fā)展學生的元認知能力。