基于STEM理念下的項目式學習課例設計

申燕 陳尚寶 鄒志譜 姚毅鋒

摘要： 以“探秘人體的呼吸”的項目式學習為例，對其教學實施流程、設計意圖以及評價方式進行分析，通過教學結果及反饋對教學具體過程進行總結和反思，為此類教學設計提供參考和借鑒。

關鍵詞： STEM理念; 項目式學習; 課例設計; 人體的呼吸

文章編號： 10056629（2019）9005006? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

1? 背景介紹

項目式學習（Project Based Learning，簡稱“PBL”）最早出現在美國，隨著我國各地教學改革的深入，項目式學習在教育教學的各個領域得到了蓬勃發展[1]。PBL是一種以學生為中心的教學方法，強調學生在真實的情境中，通過問題驅動組織開展探究活動，學生通過交流合作的學習方式解決問題，最終展示分享研究成果[2]。

基于STEM理念的PBL，是解決現實問題的有效方法，該方法既強調工程的價值，又保證學生數學和（或）科學相關知識的學習，并在過程中讓學生體會學科之間的關系。為培養適應新時代的創新型人才，各國展開了STEM教育探索，旨在將原本分散的科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）與數學（Mathematics）教育進行有效融合，以促進學生綜合素養的發展[3]。項目式學習課例的開發可以以某一學科的概念和原理為中心，通過設置問題驅動，融合其他相關學科，引導學生在真實的生活情境中開展探究。

“探秘人體的呼吸”學習項目源于人教版九年級《化學》上冊第14頁標題為“人體吸入的空氣與呼出的氣體有什么不同”的探究活動。學生根據教材中的探究活動開展實驗，能夠定性地了解人體吸入與呼出氣體成分的差異，掌握氣體的收集方法以及常見氣體如O2、CO2、水蒸氣的檢驗方法。在人教版七年級《生物》下冊第三章也出現過關于“人體的呼吸”的學習內容，而物理學科中的速度、壓強等知識與人體的呼吸也密切相關。若能將這些與同一主題相關度較高的多學科學習內容進行有效融合形成學習項目，讓學生通過查閱資料了解相關的呼吸知識以及呼吸速率的計算方法，結合工程思維設計人體呼吸模型，再應用檢驗方法總結呼吸過程氣體成分的差異，就可使學生對人體的呼吸形成更全面的認識。這樣不僅打破傳統單一的、縱向學習知識的壁壘，引導學生將碎片化的知識進行演繹歸納、融會貫通，培養他們駕馭縱橫交錯的知識網絡的能力，而且通過基于真實情境的問題設計，讓學生在問題驅動中多感官參與，激發內在學習動機，在解決問題的過程中潛移默化地學習和建構，使深度學習、合作探究等高階思維發展過程在課堂上真實地發生。此外，評價方式中關注學生在解決實際問題中的過程性表現，從而促進教、學、評模式的轉變。

筆者對上述設想進行大膽嘗試，通過設置基于真實情境的問題鏈對不同學科知識進行有效整合。

2? 教學過程設計

2.1? 教學目標

本項目教學建議通過2課時（共90分鐘，可視實際教學情況靈活調整）完成，適用于七年級學生。通過完成本課例的學習實踐，學生應達到以下三個維度的目標要求（見表1）。

2.2? 教學流程

本節課的教學環節、驅動任務的問題鏈設計以及時間安排如圖1所示，下文對其具體設計以及設計意圖進行闡述。

環節一： 測量呼吸速度，構建速度概念

教師通過我們每天都在進行的呼吸引入課程，引發學生對呼吸速度的關注，引導學生以小組為單位，合作測量3分鐘的呼吸次數。學生用秒表計時，同時測量三位學生的呼吸次數，測量完畢后匯報測量結果。教師總結3分鐘的呼吸次數約為50次，并繼續提問觸發思考，“如果不用測量的方法我們怎么知道每分鐘的呼吸次數”，從而引導學生得出速度的計算公式。學生閱讀教師提供的資料素材1“運動的快慢”，逐步建立并應用速度的概念。

設計意圖： 本環節以學生每時每刻都在進行的呼吸為情境載體，逐步引導學生從對呼吸速度的感性認識上升為理性認識，最終建構速度的概念。熟知的生活場景引入便于學生產生共鳴和關聯，激發學生對隨后的探究產生興趣，使其更好地參與到項目中。

環節二： 模型制作分享，了解呼吸原理

教師通過“既然我們每時每刻都在進行呼吸，那么呼吸是怎么發生的呢”的提問，順利地從上一環節過渡到本環節的探究。接著，教師引導學生自主閱讀提供的資料素材3“發生在肺內的氣體交換”中的“肺與外界的氣體交換”部分，了解呼吸運動的原理。隨后，教師引導學生根據自己對呼吸運動原理的理解，經小組合作討論繪制模型圖（圖2左），并制作人體呼吸的模型。

小組之間通過合作設計并制作模型進一步加深對呼吸原理的認知，并認識到壓強與氣體體積的關系。在制作展示模型的過程中，學生普遍發現，所制作的模型中“肺”（心形氣球）很容易在“呼氣”時沖出“胸腔”（塑料瓶），不能較真實地反? ??映實際情況。接著，學生分組討論，進一步設計改進模型（圖2右），并展示改進后的模型。

設計意圖： 學生自主設計、制作呼吸原理模型，通過生動形象的模型展示改變傳統的機械式記憶學習方式。在發現模型缺陷后，他們積極討論、共謀策略改進模型，在模型解說的過程中進一步加深對文本閱讀的理解，以及對呼吸原理知識及壓強相關概念的建構。此環節中，小組研討和動手實踐充分調動學生的學習興趣，模型的改進觸發他們深層次的思考，發展創新思維，培養創造能力。與此同時，學生在相互認可、質疑中鍛煉了表達能力和合作能力。

環節三： 設計實驗探究，明確成分變化

學生通過教師引導了解吸入氣體（空氣）的主要成分，閱讀素材資料2《氣體的收集及檢驗方法》，摸索呼出氣體的收集方法，運用常見氣體的檢驗方法設計實驗檢驗兩次收集的氣體成分的差異，小組合作完成實驗后分享實驗結果。教師對學生實驗設計及探究過程進行必要的指導，強調實驗的規范操作，規避實驗的潛在危險，培養學生正確的實驗方法、科學的實驗思維以及嚴謹的實驗態度。

設計意圖： 學生在獲取、選擇、加工、整理素材資料中相關實驗方法的信息后，進一步設計實驗開展氣體成分的檢驗，這些都是學生真正實現從“記憶信息”向“應用信息”轉型的抓手。在此環節中，學生尋找能夠支撐他們實驗結論的證據，在實證和偽證的辨別中，進一步證實結論，從而培養學生將所學知識逐漸內化為解決實際問題的能力，發展學生科學探究、證據推理的學科核心素養。

環節四： 自主學習討論，理解物質變化

教師從上一環節中對人體吸入和呼出氣體成分的探究，引導學生自主閱讀素材資料3《發生在肺內的氣體交換》中的“肺泡與血液的氣體交換”部分。學生閱讀后經過討論、歸納和總結，了解人體內伴隨著呼吸作用的發生，相關物質的變化及內在的生理原因。

設計意圖： 相關物質的變化及內在的生理原因分析，源于學生對呼吸過程的系統認識。在此環節中，學生基于呼吸原理以及他們了解到的呼吸前后氣體成分變化的證據，總結、歸納呼吸的過程為有機物和O2反應生成CO2和H2O的過程。該生理過程的得出是對氣體檢測結論的升華，也是學生實現多學科知識關聯的關鍵。

環節五： 繪制呼吸圖表，總結歸納項目

小組合作根據自己對本項目學習的體會和理解繪制人體呼吸項目總結圖（圖3），教師組織分享并進行點評。

設計意圖： 學生通過設計項目總結圖，使多學科知識與學生綜合能力的發展呈現出系統化的特征。學生在解決問題的過程中建構的多學科知識網絡，更能幫助他們從本質上認識和理解問題。此外，圖形的設計和文字編排增強了他們對藝術和美的感知。

在整個項目實施過程中，學生置于課程實施中認知活動的主體地位，自主解決具有一定挑戰性的問題，將知識與生活實際相關聯，促使他們在解決真實問題的過程中建構知識、發展能力。

3? 教學成效反饋

項目式學習的評價應側重過程性評價、注重自評和他評相結合，以判斷學生掌握了哪些知識與技能，以及整個項目學習參與過程的表現，力求全面、客觀地評價學生的學習結果和學習過程。

3.1? 反饋方式

教學完成后，對該班級30名初一學生以紙筆測試的形式進行問卷調查。問卷調查包括三部分。第一部分為自評表，分別從“知識與技能”“綜合能力”及“情感態度”三個方面調查學生對本節課的反饋與評價;第二部分是他評表，從學生參與項目積極性、合作性、持續性、方法性和成效性五個維度進行小組成員之間的相互評價。第三部分則是總結與建議，引導學生羅列出本項目學習中他們喜歡的或覺得比較困難的環節，并提出建議、總結收獲。自評和他評均采用李克特式5點量表計分法[4]，選項包括： 非常同意、同意、一般、不同意和非常不同意，分別記為5、 4、 3、 2、 1分。發放問卷30份，回收問卷30份，回收率100%。

3.2? 反饋結果分析

3.2.1? 學生自評

采用SPSS 19.0進行數據分析，本次調查問卷有效數據30，其Alpha值為0.811，信度良好，說明各學生的問卷結果內在一致性較好，可信度高。

由問卷反饋可知（表2），學生答題均分介于4～4.5。“知識與技能”中得分最高的是學生對呼吸運動原理的了解，進一步說明模型的制作有助于學生對抽象原理的認識更加清晰化;得分最低的是氣體檢驗方法的掌握，說明對于尚未接觸化學的初一年級學生在進行此部分的探究活動時難度略大，究其原因可能是學生對于為何選擇此方法檢驗以及檢驗原理是什么存在困惑，這些將在以后的學習過程中或者課下進一步自主深入研究中得到有效改善。“綜合能力”中得分最低的是學生關于信息分析、解釋或解決問題能力的提升，這可歸因于學生初步嘗試自主提取、加工和分析陌生信息，仍處于適應、摸索階段，導致部分學生迷茫失措，同樣，這也是導致“情感態度”中學生覺得該項目式學習“過于復雜而無法參與”的得分較高的原因。相信在以后更多的項目式學習中學生應用信息解決問題的能力能夠得到更好的發展，也能在項目式學習中發揮自如。

3.2.2? 組內成員他評

學習小組是以六人為一組，因此每位學生只需對組內其他五名成員進行評價（圖4）。

將30份他評表中數據進行匯總（圖5），每人評價為5次，由30人可得出評價總次數為150次。從統計結果中可以看出，能夠積極參與項目的學生占總數的84%（非常同意的次數+同意的次數評價總次數×100%，下同）;能夠與小組其他成員互助與合作的學生為總數的72%;能夠穩定持續地完成各項活動任務的學生占66%;能夠在活動中找到問題解決辦法的學生約占65%;能夠高效、高質量地完成各項活動任務的學生為總數的60%。這說明學生對于此項目學習的開展較為滿意，愿意積極、認真參與學習和探究。此外，五個比例數值逐漸下降，可歸因于這五個檢測維度所檢測的學生能力和素養的層次水平是逐級提升的，說明學生能夠較為客觀地進行相互評價。

3.2.3? 學生的建議

在學生所寫的總結與建議中，他們最喜歡的項目環節主要集中在氣體的收集與檢驗、呼吸原理模型的制作與改進;覺得困難最大的環節是氣體的檢驗，這與前面的自評表結果是一致的。對此項目的建議中，不少學生建議增加活動時間、增加學習資料或者增加相應的題目練習;有的學生在“我的收獲”中寫道“很有樂趣、收獲了團隊合作”“掌握了很多實驗技能”“學習到很多關于呼吸的知識”“用輕松的方式學習呼吸是如何進行的”等。從學生的總結中可以看出，學生對通過動手實驗加工應用信息來建構知識的學習方式是十分認可的，他們表示希望獲得更多探究活動的機會，這無疑給今后的教學指明了方向。各學科教師之間應通過合作開發更多適合學生學習的項目式課程，為學生搭建一個多學科、多視角解決實際問題的綜合發展平臺。

4? 總結與反思

4.1? 真實問題驅動，激發內在動機

本項目通過清晰的、邏輯關聯緊密的、真實的問題鏈設計，將抽象的課本知識與學生熟悉的生活情境有效關聯，為學生構建了學習和聯想的空間，使學生在解決真實問題的驅動和刺激下，積極參與探索，主動合作，大膽展示交流，認真思索改進。整個過程中，學生的學習興趣不斷被激發，他們通過查找資料、信息加工、遷移應用、創意設計、實驗驗證、總結反思，逐步加深對人體呼吸的理解，徹底改變了傳統教學中學生被動接受的局面，使學生成為獲取知識的主動參與者，激發了他們內在的學習動機，形成了內在的驅動力。

4.2? 發展高階思維，培養綜合能力

項目式學習是學生綜合運用知識解決問題的深層次學習的過程。在此過程中，學生通過實踐獲得對知識的理解性學習，而非停留在知識表面的淺表性學習。學生不僅運用到“認識記憶”“理解掌握”“模仿應用”等低階思維，還在小組合作完成任務時發展了“分析評價”“創新創造”等高階思維。學生經歷了事實性材料的收集、實證與偽證的推演等過程，不斷地發展反省思維。與此同時，學生在參與科學、技術、工程探究的過程中，思考更多的是如何獲取有效信息、加工信息、綜合應用信息等，從而培養了他們實驗操作技能、分析和解決問題的能力。

4.3? 調動多維感官，提升合作意識

學生在各環節的實踐中，充分調動手、腦、目、口等多維感官，通過觀察、實驗、探究、設計、創作、解說等活動解決問題，深挖潛力，促進綜合素養全面提升。此外，項目各環節需要多人明確分工、共同參與、合作攻關，無疑增強了學生的合作意識，培養了溝通交流的技巧和藝術，從而發揮團隊合力，提升協作水平。

4.4? 現狀問題分析，斟酌加以完善

在執教的過程中發現了一些問題，如學生從傳統課堂向自主探究課堂轉化時的困惑和茫然，當教師提出問題并進行適當引導之后，個別學生不知道自己需要做什么，怎么做？這樣的轉變需要一個過程;同時也出現了一些小組成員合作不順暢的情形，如在人體呼出吸入氣體成分的探究時，需要小組成員合作用排水法收集氣體，個別小組出現反復收集不成功的情況等。這些都需要在以后的項目式學習課程的開展中進一步強化，讓學生逐漸適應這類自主探究的課堂，并能在如此的學習模式中獲取真知，感受樂趣。

致謝： 向對本課教學給予指導和學科支持的深圳市鹽田區物理教研員吉寧虎老師、深圳市田東中學林茗茵老師表示衷心感謝！

參考文獻：

[1]陳尚寶. 項目式學習引導課堂改革——以深圳市鹽田區學校實踐為例[J]. 中小學校長， 2018， （6）： 61～63.

[2]侯肖， 胡久華. 在常規課堂教學中實施項目式學習——以化學教學為例[J]. 教育學報， 2016， （4）： 39～44.

[3]韓敘虹. 基于STEM項目式學習的實踐和探索——以研究性學習“鉆木取火”課題為例[J]. 中學物理， 2018， （19）： 18～20.

[4]申燕， 楊顯江， 李迪. 在實驗探究中發展化學核心素養和關鍵能力——以深圳市公開展示課《金屬的化學性質》為例[J]. 化學教學， 2019， （2）： 46～50.