“師法自然”系列活動(dòng)之“蛋殼里的建筑仿生學(xué)”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方案

張曉楠 朱瑩

項(xiàng)目目標(biāo)

科學(xué)觀念目標(biāo)

了解仿生學(xué)研究方法和工程問題的整體性、系統(tǒng)性特點(diǎn)；能基于薄殼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)，建立與自然界生物形態(tài)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系；探究蛋殼形態(tài)結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含的數(shù)理奧秘和生物學(xué)意義，知道生物體功能、結(jié)構(gòu)、環(huán)境密切相關(guān)。

科學(xué)思維目標(biāo)

掌握分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法；能將實(shí)際生活中的建筑學(xué)問題情境與生物模本之間進(jìn)行類比、模擬，能基于證據(jù)與邏輯，從不同角度提出合理的見解、新穎的觀點(diǎn)及解決問題的辦法。

探究實(shí)踐目標(biāo)

掌握科學(xué)探究的一般步驟，能夠基于真實(shí)情境提出科學(xué)問題，通過對(duì)比觀察、收集資料、制訂探究計(jì)劃、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)開展科學(xué)探究，分析結(jié)果并得出結(jié)論，撰寫科學(xué)探究報(bào)告并展示探究成果。

態(tài)度責(zé)任目標(biāo)

保持好奇心，善于觀察和思考生活現(xiàn)象背后的規(guī)律，樂于探究和實(shí)踐；樂于小組合作，能基于科學(xué)探究結(jié)果發(fā)表自己的見解；初步理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的關(guān)系，能認(rèn)識(shí)到師法自然的重要性，并理解生物屬性與工程屬性間的差異。

項(xiàng)目實(shí)施

階段 1：項(xiàng)目引入——仿生建筑初探

本階段分為“建筑面面觀”與“思考與討論”2 個(gè)環(huán)節(jié)。以學(xué)習(xí)單為主要載體和任務(wù)驅(qū)動(dòng)，通過呈現(xiàn)著名仿生建筑組圖，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位，圍繞建筑基本信息、外形特點(diǎn)、分類及理由、與自然界生物的關(guān)聯(lián)性等方面進(jìn)行資料收集、觀察記錄和討論分享，從而了解薄殼結(jié)構(gòu)建筑的仿生模本（種子外殼、蛋殼、貝殼、龜殼等）及分類（圓頂薄殼、筒殼、雙曲扁殼、雙曲拋物面殼等）。以世界上著名的仿生建筑為例，強(qiáng)化探究任務(wù)與實(shí)際生活的關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生的探究積極性；以完成小組任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生觀察薄殼結(jié)構(gòu)建筑的基本特征。

階段 2：明確任務(wù)——小小建筑師的設(shè)計(jì)清單

本階段分為“發(fā)現(xiàn)、發(fā)明從何而來”和“仿生設(shè)計(jì)頭腦風(fēng)暴”2 個(gè)環(huán)節(jié)。前者通過閱讀分析“牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力”“愛迪生發(fā)明電燈”等科學(xué)史相關(guān)文字素材，歸納總結(jié)科學(xué)探究的一般過程。后者創(chuàng)設(shè)“小小建筑師”角色，引導(dǎo)學(xué)生基于任務(wù)情境“設(shè)計(jì)一座別致的圓頂薄殼結(jié)構(gòu)建筑”開展頭腦風(fēng)暴，用思維導(dǎo)圖的形式羅列出圓頂薄殼建筑需滿足的實(shí)用性需求維度、蛋殼結(jié)構(gòu)的探究維度，并嘗試在二者之間建立起映射聯(lián)系（如建筑的結(jié)構(gòu)牢固性對(duì)應(yīng)蛋殼結(jié)構(gòu)的承重能力探究）。通過討論與分享，使學(xué)生聚焦承重能力、形狀、顏色3 個(gè)維度開展探究，多角度揭秘生物模本——蛋殼蘊(yùn)含的數(shù)理奧秘和生物學(xué)意義，并明確項(xiàng)目任務(wù)：以小組為單位完成1 份科學(xué)探究報(bào)告，通過PPT 演講等形式展示探究成果。

階段3：開展探究——仿生建筑原型之蛋殼承重能力、形狀、顏色探秘

本階段分為承重能力探秘、形狀探秘、顏色探秘3 個(gè)平行探究方向，小組可選擇任意1 項(xiàng)任務(wù)開展探究。結(jié)合形成探究報(bào)告的項(xiàng)目任務(wù)與上一階段掌握的科學(xué)探究的一般過程，小組需要在實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究之前，先針對(duì)探究主題完成“仿生原型探究方案”整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括猜想與假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)記錄、分析與討論及結(jié)論等模塊。

“承重能力探秘”小組對(duì)應(yīng)建筑的牢固需求，在仿生模本上表現(xiàn)為薄殼結(jié)構(gòu)的牢固度問題。以日常生活中常見的薄殼結(jié)構(gòu)——雞蛋蛋殼為實(shí)驗(yàn)材料，通過握蛋實(shí)驗(yàn)、蛋殼承重測(cè)定實(shí)驗(yàn)等定性、定量結(jié)合的方法，探究蛋殼的堅(jiān)固程度與承重能力，初步認(rèn)識(shí)到蛋殼的承重能力與曲面結(jié)構(gòu)有關(guān)（拱形曲面可以把受到的壓力均勻地分散到物體的各個(gè)部分，結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固）。

“形狀探秘”小組對(duì)應(yīng)建筑的外形需求，在仿生模本上表現(xiàn)為自然界常見蛋殼結(jié)構(gòu)的形狀特征。通過“形狀各異的鳥蛋”（到超市、菜場(chǎng)、博物館、戶外觀察記錄各式各樣的鳥蛋）、“鳥蛋骨碌碌”（實(shí)驗(yàn)探究不同形狀的鳥蛋從斜坡上滾落的速度、距離、路線）和“鳥蛋形狀與環(huán)境的關(guān)系”（“糟糕，會(huì)不會(huì)跌落懸崖”科普游戲體驗(yàn)）3個(gè)環(huán)節(jié)，了解鳥蛋形狀的多樣性（卵形蛋、橢圓形蛋、圓形蛋、梨形蛋）及其生物學(xué)意義，并通過“鳥巢鳥蛋連連看”環(huán)節(jié)，對(duì)前述知識(shí)進(jìn)行遷移運(yùn)用。

“顏色探秘”小組主要探究仿生模本的顏色、紋理特征，通過“多變的鳥蛋色彩”（透過不同顏色的濾光片觀察底色）、“鳥蛋顏色與環(huán)境的關(guān)系”（“竟然貍貓換太子”科普游戲體驗(yàn)）環(huán)節(jié)，了解鳥蛋顏色與花紋的多樣性（蛋殼上不同色素的比例使得鳥蛋擁有了不同顏色，鳥蛋在輸卵管內(nèi)的不同滾動(dòng)方式造就了鳥蛋的不同花紋）、保護(hù)色的功能，通過“鳥蛋的保護(hù)色”環(huán)節(jié)（根據(jù)生境特點(diǎn)利用保麗龍球和彩筆制作能“隱身”的鳥蛋），以創(chuàng)意手工的形式對(duì)前述知識(shí)進(jìn)行遷移運(yùn)用。

通過小組分工合作、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生體驗(yàn)不同程度的科學(xué)探究。通過觀察討論、動(dòng)手制作等方式，加深學(xué)生對(duì)鳥蛋特征與功能的理解，引導(dǎo)他們完成對(duì)知識(shí)的遷移運(yùn)用。

階段 4：成果展示交流

本階段引導(dǎo)學(xué)生回顧仿生學(xué)問題探究的過程，以小組形式討論薄殼結(jié)構(gòu)建筑的哪些實(shí)用功能得到了檢驗(yàn)，哪些功能有待進(jìn)一步探究，思考各個(gè)功能問題的解決能否解決整體問題。并將科學(xué)探究報(bào)告的內(nèi)容以PPT、視頻等可視化形式與教師、同學(xué)分享交流。通過小組合作、文獻(xiàn)調(diào)研、討論交流、展示匯報(bào)等形式，拓展學(xué)生對(duì)已有信息的認(rèn)識(shí)和思考，引導(dǎo)學(xué)生了解工程問題具有系統(tǒng)性、綜合性的特點(diǎn)。

階段 5：學(xué)生評(píng)價(jià)

本階段注重學(xué)生項(xiàng)目式學(xué)習(xí)效果的過程性評(píng)價(jià)和形成性評(píng)價(jià)。過程性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括完成并上傳10 份探究任務(wù)學(xué)習(xí)單、科普游戲體驗(yàn)、資料收集與問題討論分享等。形成性評(píng)價(jià)是基于科學(xué)探究報(bào)告撰寫與展示環(huán)節(jié)，從能力發(fā)展與展示交流2 個(gè)維度，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、合作意識(shí)、信息處理能力、認(rèn)知能力、實(shí)踐創(chuàng)新、語言表達(dá)與整體形象進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生開展自評(píng)與互評(píng)，以幫助學(xué)生在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)后改進(jìn)與提升。

項(xiàng)目總結(jié)

本項(xiàng)目將實(shí)際的建筑問題轉(zhuǎn)化為仿生生物原型的探究問題，在工程與模型、技術(shù)問題與科學(xué)問題之間建立聯(lián)系，鼓勵(lì)學(xué)生思考、交流。通過4 個(gè)實(shí)驗(yàn)探究和3 項(xiàng)觀察任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生開展基于實(shí)物的探究，進(jìn)而學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法；結(jié)合科普游戲、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手制作等形式，引導(dǎo)學(xué)生開展體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。以薄殼建筑探究為“形”，以仿生學(xué)研究乃至科學(xué)研究的一般過程、方法論為“神”，傳達(dá)觀察自然、師法自然的理念，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力。