基于PBL的中學科學實驗室建設方案

劉作志 常明泉 劉可歆 劉暢 萬勇

摘? 要 為改變傳統中學學科實驗室與課程改革及教育信息化發展脫節的現狀，改進基礎教育領域的實驗教學，從PBL學習模式的基本標準和活動模式出發，提出新型PBL科學實驗室的目標功能和設計方案，同時以案例的形式具體說明PBL科學實驗室的應用價值。

關鍵詞 學科實驗室;項目式學習;5EX活動模式;教育信息化;信息技術;PBL科學實驗室;數字化信息系統

中圖分類號：G482? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）07-0019-04

1 前言

目前，我國的中學實驗室仍以分科的理化生學科實驗室為主，這是學科本位課程體系的必然反映。學科實驗室在初中各學科教學中發揮了不可替代的作用，學科實驗室建設近年來也取得長足進步。隨著信息技術的迅猛發展，學科本位的課程體系越來越不適應信息時代對人才發展的要求，傳統學科實驗室的缺點也日益顯露，包括：忽視學生源自實際的原生問題和學習興趣;人為地割裂了科學學科的固有聯系，使知識封閉固化;過分強調實驗規范與操作技能，忽視深度探究;缺乏與信息技術的融合，脫節于信息時代[1]。

針對這一現狀，教育部在《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中提出，要“支持探索建設學科功能教室、綜合實驗室、創新實驗室、教育創客空間等，鼓勵對普通教室進行多功能技術改造，建設復合型綜合實驗教學環境”[2]。新的復合型實驗室的設計和建設必須與未來新的課程體系和學習模式相匹配。經過國內外20多年的理論研究和實踐探索，項目式學習（PBL，Project-based Learning）

在當前被認為是較能代表教育發展趨勢的學習模式[3]。以PBL學習模式為依據進行新的中學科學實驗室的設計與建設，必定是十分有益的。

2 PBL科學實驗室建設的理論依據

項目學習金標準與目標功能? 在PBL研究領域有較大影響力的美國巴克教育機構（Buck Institution for Educa-

tion）將PBL定義為通過積極參與基于真實世界和具有個人意義的項目來實現的學習[2]。該機構在大量理論研究和實踐總結的基礎上提出，真正意義上的PBL學習應該包含圖1所示的八個必備要素，又稱PBL的八個“金標準”[4]，即挑戰性問題、持續探究、真實情境、學生自主、反思、批判與修正、公共產品、關鍵知識和成功技能。這八條金標準對PBL科學實驗室目標功能的定位有啟發意義。

1）真實情境與開放問題。PBL科學實驗室必須能為真實問題情境的創設提供必要條件，實驗室要能展示真實世界或與真實世界建立實時的聯系，從而解決實驗問題與現實世界脫節的問題。

2）自主選擇與持續探究。PBL科學實驗室應為學生自主開展科學調查、自主選擇實驗方案、自主進行實驗操作提供可能和方便。學生的探究活動不以課時為時間單元，能夠在較長時間內持續深入地進行，克服實驗方案既定僵化、科學探究流于形式的困難。

3）產品生成與公共測評。PBL科學實驗室要為學生的創意作品的設計、制作提供技術設備支撐和展示空間，要為學生的創意作品或實踐方案提供多種線上線下的公開化渠道，扭轉實驗室學習形式單一、學習成果封閉的現狀。

4）知識技能與反思評價。PBL科學實驗室要為學生項目式學習的自我反思和集體評價提供依據和平臺，學生在項目式學習中習得的知識技能要能夠通過實驗室的各種技術手段，獲得顯性的檢測和評價。

項目學習的5EX活動模式? PBL并無固化的套用模式，但在基本的活動環節設計上，國內外教育者和研究者的觀點大同小異，其中5EX活動模式[5]較為系統。所謂5EX，即項目式學習的五個基本活動環節：進入情境與提出問題活動（Enter and Questions，EQ）;探究學習與數學應用活動（Exploration and Mathematics，EM）;工程設計與技術制作活動（Engineering and Technology，ET）;展示分享與創意創作活動（Exhibition and Creativity，EC）;

多元評價與學習反思活動（Evaluation and Reflection，ER）。5EX的活動模式不妨作為PBL科學實驗室軟硬件配備和空間布置的基本參照。

3 PBL科學實驗室建設的基本方案

下面結合一個PBL實踐案例，說明PBL科學實驗室的基本構建框架、軟硬件配置及其應用價值。

EQ：真實情境的創設? PBL中所謂的真實，是指問題的情境來源于真實的生活，問題的解決對現實生活有實在的價值。問題是劣構的具有挑戰性的現實問題，而不是依據學科知識設計的結構良好問題。這種真實性至關重要，它是學生的價值感和內驅力的來源。PBL科學實驗室首先要有能力為學生建構起一種和現實世界緊密聯系的真實情境，蓬勃發展的VR技術可為真實情境的創設提供強有力的支撐。

【案例】某日下午兩點左右，在四川省阿壩藏族羌族自治州某山區景點深處，你們一家三口正在游玩，突然遭遇了地震，你們所在景區也有較強震感。由于所處位置相對開闊，附近植被較好，沒有松散砂石，三人只有一點兒擦傷，萬幸并無大礙。但是，山體垮塌堵住了回去的路，手機沒信號了……

問題一：你認為當前情勢下最緊迫的事項有哪些？

問題二：所有事項中排前三的是哪幾項？寫出你排序的依據。

要較好地呈現案例的情境，實驗室應按小組配備計算機和VR設備，這里的VR設備不是用來讓學生從感官上體驗地震，而是為項目學習的主題——求生提供線索。教師用360°VR運動相機事先將某真實的設定情境場地取景，取景中包含所有環境信息和物資信息，讓學生通過VR情境觀察環境、評估物資、預測困境，進而對以上兩個問題作出判斷。為幫助學生分析情境，實驗室還可配備沙盤以提供地形、河流和位置信息[6]。

ET：設計制作與交流? 在技術制作方面，PBL科學實驗室完全可以吸納創客實驗室乃至Fab Lab的一些元素，比如激光切割、3D打印、Arduino等，但由于中學學段和PBL項目的定位，不宜將PBL科學實驗室與創客實驗室完全同化，或者說將創客實驗室并入PBL科學實驗室。PBL中的工程制作固然看重產品，也看重創新創造，但區別于創客，PBL科學實驗室應更注重基于情境的問題解決和有限物資條件下的方案設計。

【案例】以下是你們現有的物資，你也可以提出情境中合理可取的物資：

報話機（爸爸與其他幾個叔叔結隊自駕游，各車聯絡用）、兩瓶碳酸飲料、兩瓶礦泉水、幾個水果、兩袋小面包、三頂帶有太陽能風扇的遮陽帽、兩條數據線、一條音樂耳機、一個充電寶（電量已不足）、兩部手機、兩串鑰匙帶挖耳勺與指甲剪、一柄多功能小刀、一把強光手電、一個旅行背包、一個皮質坤包、一個望遠鏡、一支口紅、兩包紙巾、一把雨傘、一瓶防曬噴霧……

任務一：請在取水、取火、呼救三個主題選取一個，參考《野外求生手冊》，也可自行上網搜集資料，設計盡可能多的方案。

任務二：各小組討論，分享本組最具可行性的一個方

案，并根據其他組的建議改進確定實施方案。

案例中的任務一顯然要借助方便快捷的網絡環境，如圖2所示，計算機和網絡是PBL實驗室系統架構的核心和基礎，網絡調查和資源信息獲取是實驗室計算機網絡的必備功能。任務二則要求PBL科學實驗室利用網絡建立自己的線上社區[7]（Online Community，OC），學生要在項目設計中建立廣泛的協作關系，線上社區是最高效的平臺。從各小組主題方案的線上共享到集體參與的評價建議再到實施方案的完稿確定，線上社區突破了傳統課堂分享模式的時間、空間限制，實現多線程的交互和全程的信息留痕。線上社區交互既可作為過程評價的一部分，也可作為終結評價的信息依據。

EM：數字化綜合探究? 通過廣泛的網絡調查和互動設計，最終學生形成的主題方案可能遠遠超出教師的預想，探究問題不但不能被完全預設，而且處在不斷的生成和迭代中。面對這樣的學習模式，列出一個實驗列表并按列表配備實驗器材的辦法已經無法滿足需求。另外，由于來源于真實情境，問題不可能保證局限于物理、化學、生物或其他的某個單一學科，實驗室的儀器配備也不能再局限于某一學科。基于PBL學習模式，以通用傳感器和數據處理軟件為支柱的數字化信息系統（Digital Information System，DIS）是比較好的解決方案。

【案例】某小組取火方案：利用強光手電的電池短路來取火。

探究問題1：相同電壓下，何種材料短路后溫度最高？用該材料引燃所需的最小電壓是多少？

某小組取水方案：取用河水并用自制的過濾器過濾，用易拉罐煮沸。

探究問題2：地震后河水的水質有何變化？過濾后的河水其酸堿度和微生物情況是否達到飲用標準？將水煮沸可以引起水質的哪些變化？

某小組呼救方案：利用對講機的求救頻率發出求救信號并制作備用電源。

探究問題3：所備民用對講機信號傳輸的最遠距離是多少？利用水果電池和小電動機發電，能否達到對講機工作的額定電壓？

可以看出，案例中的學生探究問題雖不復雜，但廣泛涉及物理、化學和生物等學科知識，要完成這些問題的探究，現有的數字化信息系統足以勝任。各種傳感器的綜合運用，通用軟件的多模分析，可移動的實驗平臺，可共享的實驗數據，讓PBL的探究學習突破傳統實驗室的時間、空間和課題限制，成為名副其實的真探究。由此可見，數字化信息系統是PBL科學實驗室的核心配置。在通用測量分析軟件的基礎上，數字化實驗系統還應該廣泛吸納數學建模工具，形成定量分析加建模的實驗信息處理模式。

EC：多渠道的公共分享? PBL的真實性決定了其主題方案和工程作品有公共傳播價值，不局限于課堂、校園之內。如本案例中利用旅行中隨身攜帶的物資來求生的問題，都是在現實生活中可能遇到的有現實借鑒意義的。為將項目學習的成果進行公共分享，PBL科學實驗室應按小組配備攝錄系統和便捷的視頻剪輯軟件系統，以適用流媒體時代的信息傳播形式。在實驗室內還應設置專門的展示功能區，在充分利用實驗室空間的同時，實現PBL公共分享的教育功能，展示不局限于實物作品，可以是影像方案展示、創意演講等。

【案例】任務一：以求生主題為單位，將你們的求生方案拍攝成展示視頻，在實驗室展覽墻上放映展示，同時將視頻上傳到線上社區。（經其他成員同意后，也可上傳到個人的小視頻平臺。）

任務二：在線上社區中征詢改進意見，完善你們方案中的制作作品，將完善后的制作作品放在實驗室實物展覽區展示，為期一周。

任務三：組建劇組，仿照貝爾·格里爾斯的節目分工拍攝一集《荒野求生》，上傳至學校PBL科學實驗室公眾號平臺。

PBL科學實驗室要在每個小組的實驗平臺配備多角度的攝錄系統，這套攝錄系統的作用一是記錄學生探究制作的過程作為實驗日志，二是記錄小組成員在項目學習中的表現和貢獻作為評價依據。上例中的任務一不需要在制作探究環節之后再行錄制，只需剪輯實驗日志中的部分場景，稍做加工即可生成展示視頻。實驗室就是展示視頻錄制、制作和上傳的場地。借鑒STEAM教育理念，在科學、技術、工程和數學的跨學科教育中滲入人文藝術的教育，任務三就是一個很好的體現。學生在實驗室完成的項目學習成果最終可以以藝術的形式傳播出去，感染和影響現實世界。

ER：全程與多元的評價? 在以上各個PBL活動中已經滲透了多方位的評價，只需在PBL科學實驗室加裝基于大數據的評測系統，就可以部分地完成項目活動評價[8]。評測系統從學生在線上社區、視頻日志、數字化實驗系統中分析，就可自動獲取小組及其成員的關注度、參與度、理解度等信息，實現標準可調控的實時自動智能評價。目前，國內該項大數據分析技術已日臻成熟，應該整合到PBL科學實驗室的設計中來。當然，實驗室系統評價只是多元評價的一部分，除教師評價外，由于學習成果的多渠道公開化，來自實驗室外部的家長評價、社區評價、專家評價以及網絡評價都將相對簡便地納入多元評價。

PBL科學實驗室如何幫助學生進行有效的自我反思并對學生習得的知識和技能進行測評呢？

1）如圖3所示，大數據評測系統對小組及其成員各環節活動過程的數據統計就可作為學生自我反思的參考。

2）實驗室要按照各學科的核心概念（core idea）建立知識樹系統[9]。在PBL學習過程中讓學生從知識樹的主干——核心概念出發，找到自己習得的知識——枝。教師在系統的建議下，根據測評意向和學生自己點亮的知識枝，針對學生出具測評方案。知識樹系統應該是開放的，允許學生添加自己認為重要的知識枝。類似的可以建立技能樹系統。

綜上，對PBL科學實驗室設計架構的分析可以看出，新的科學實驗室將為適應時代發展的新的學習方式提供必要的環境支撐，實現基于現實的情境創建、基于核心概念的學科統整、基于問題和產品的深度探究、基于信息技術的互動協作、基于云數據的多元過程評價等傳統實驗室難以實現的學習功能。

4 結語

教育信息化進入2.0時代，互聯網+、人工智能、大數據、物聯網、區塊鏈等與教育息息相關的信息技術迅猛發展。如何將這些信息技術有效應用到日常教學中，如何實現多種信息技術在教學中的有效整合，依然是當前教育信息化工作面臨的難題。基于PBL學習模式的中學科學實驗室是實現信息技術整合，適應新的教育發展趨勢的可行方案，PBL科學實驗室的探索實踐必定會給中學實驗教學改革和中學教育信息化發展帶來雙重契機。

參考文獻

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[9]于海濤，高一波，楊一平.基于知識樹的領域知識組織和應用[J].計算機應用研究.2008（11）：3246-3248，3252.