STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

劉晴

摘要：以制作暖寶寶為例進(jìn)行STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例設(shè)計(jì)和評價(jià)設(shè)計(jì)，通過制作暖寶寶和改進(jìn)暖寶寶的2個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)完成案例設(shè)計(jì)，通過建立項(xiàng)目式學(xué)習(xí)評價(jià)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)評價(jià)設(shè)計(jì)，利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)跨學(xué)科知識，在真實(shí)情境下解決實(shí)際問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，為我們的課堂提供一種新的思路。

關(guān)鍵詞：STEM;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);暖寶寶;跨學(xué)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(xiàn)標(biāo)識碼：B

STEM是科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡稱。STEM起源于美國上個(gè)世紀(jì)90年代，迫于科學(xué)教育與工程技術(shù)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(guān)注現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)的情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題解決，發(fā)展批判性思維和創(chuàng)新能力。目前，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在STEM教育中獲得廣泛的關(guān)注，其學(xué)習(xí)特點(diǎn)是以學(xué)生為中心，設(shè)計(jì)驅(qū)動性問題，促使學(xué)生對真實(shí)的專題進(jìn)行深入探究，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)得更具內(nèi)在動機(jī)[1]。本文通過有關(guān)STEM的主題開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心的實(shí)踐性學(xué)習(xí)活動并進(jìn)行評價(jià)。

?一、STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例設(shè)計(jì)

1.STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

STEM教育培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)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(diǎn)[2]。根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》必修主題3“物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與化學(xué)反應(yīng)規(guī)律”，以制作暖寶寶為例設(shè)計(jì)STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動。該項(xiàng)目涉及STEM的學(xué)科知識如表1。

2.學(xué)習(xí)目標(biāo)、評價(jià)目標(biāo)與項(xiàng)目流程

本項(xiàng)目以化學(xué)反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化為核心概念，引導(dǎo)學(xué)生探討化學(xué)能與熱能轉(zhuǎn)化在生活中的運(yùn)用，并完成制作暖寶寶的項(xiàng)目任務(wù)。通過驅(qū)動問題的層層深入，項(xiàng)目任務(wù)逐步推進(jìn)，使得學(xué)生加深對知識的理解與遷移，構(gòu)建更有深度的知識體系。項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)為：（1）了解暖寶寶的發(fā)熱原理，認(rèn)識物質(zhì)具有能量，初步建立化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化的認(rèn)識模型。（2）通過制作暖寶寶學(xué)會利用知識應(yīng)用于生活實(shí)踐解決實(shí)際問題。（3）通過暖寶寶的改進(jìn)培養(yǎng)自己的反思能力和提高自身的問題解決能力。評價(jià)目標(biāo)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(xué)生對化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化的認(rèn)識水平。（2）通過對暖寶寶物質(zhì)成分的實(shí)驗(yàn)探究和暖寶寶的改進(jìn)優(yōu)化，診斷并發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)評，診斷并發(fā)展學(xué)生獲取信息、溝通交流的能力。

本項(xiàng)目的具體實(shí)施流程如圖1所示。

3.教學(xué)過程

任務(wù)一：請利用化學(xué)方法為戶外作業(yè)人員制作暖寶寶

[創(chuàng)設(shè)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(xué)們利用物質(zhì)的化學(xué)變化，為戶外作業(yè)人員設(shè)計(jì)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(jì)效益，是否易于攜帶幾個(gè)方面考慮你所要設(shè)計(jì)的暖寶寶。

[調(diào)查研究]

問題：（1）哪些反應(yīng)可以放熱，怎樣加快反應(yīng)速率？（2）計(jì)算暖寶寶的配比。

學(xué)生活動：通過數(shù)據(jù)比較，鐵與氧氣反應(yīng)放出的熱量最多。反應(yīng)物氧氣來自源源不斷的大氣，鐵的價(jià)格又很便宜，且易于攜帶。鐵與氧氣反應(yīng)十分緩慢，為了加快反應(yīng)速率在鐵粉中加入碳粉形成原電池可以加快化學(xué)反應(yīng)速率。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)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(yīng)呢？

學(xué)生活動：將發(fā)熱劑A放在真空袋中密封，待到需要時(shí)剪開真空袋，直接與空氣接觸便可反應(yīng)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)]問題：哪些因素會影響發(fā)熱劑的發(fā)熱效果呢？學(xué)生活動：小組討論并初步嘗試制作暖寶寶，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dǎo)致吸熱2原料的粒度會影響發(fā)熱效果，原料如果結(jié)塊會減小與空氣接觸的面積。

設(shè)計(jì)意圖：利用生活中常見的暖寶寶設(shè)置任務(wù)情境，通過實(shí)驗(yàn)探究和定量計(jì)算探究暖寶寶的組成和發(fā)熱效果，引導(dǎo)學(xué)生從方案設(shè)計(jì)，模型確立，實(shí)驗(yàn)探究逐步形成正確的探究思路，鍛煉實(shí)驗(yàn)操作能力，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

任務(wù)二：改進(jìn)優(yōu)化暖寶寶設(shè)計(jì)

[測試修改]

問題：經(jīng)過剛才的測試，你認(rèn)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(xué)生活動：將發(fā)熱劑A包裝打開，迅速與大量空氣接觸，短時(shí)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(shí)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(jìn)暖寶寶的實(shí)驗(yàn)方案如表3所示，改進(jìn)的暖寶寶設(shè)計(jì)如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)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(yīng)升溫太快，還可以延長發(fā)熱時(shí)間。

[優(yōu)化設(shè)計(jì)]設(shè)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(xué)生活動：根據(jù)公式Q=cmΔt計(jì)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(dāng)溫度達(dá)到一個(gè)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(jì)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(xué)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(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（表4）。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步提高情境的復(fù)雜性和問題的難度，引發(fā)學(xué)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(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生體會信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)探究中的重要應(yīng)用。通過螺旋上升式問題和驅(qū)動性任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)新能力。

二、STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)評價(jià)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)使得我們對學(xué)生的評價(jià)有了新的思路，學(xué)生可以得到比一個(gè)簡單成績更多的反饋。學(xué)生可以在一個(gè)項(xiàng)目上獲得多個(gè)成績，從而更好地將注意力集中在他們需要改進(jìn)的地方[3]。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)會了反思，獲得了個(gè)人成長，這正是教育者所期待的結(jié)果。因此，本次教學(xué)活動更適合采用過程性評價(jià)、形成性評價(jià)等評價(jià)方式。筆者根據(jù)王玨研制STEM課堂教學(xué)評價(jià)量表[4]設(shè)計(jì)了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)評價(jià)模型，并依據(jù)此模型對本活動進(jìn)行評價(jià)。

筆者在課前給每個(gè)小組分發(fā)了工作日志表，要求學(xué)生從研究計(jì)劃，設(shè)計(jì)模型，復(fù)盤反思，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)品功能以及評價(jià)交流這6個(gè)方面進(jìn)行記錄，并給學(xué)生做了一定的解釋，活動結(jié)束后筆者收集工作日志表，從這6個(gè)維度對小組績效表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)（圖4）。

從收集的反饋情況看，大多數(shù)學(xué)生都能較好地完成研究計(jì)劃，設(shè)計(jì)各種暖寶寶模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄與分析也較為詳實(shí)，產(chǎn)品功能多樣化。有的學(xué)生還查閱了文獻(xiàn)，了解到利用化學(xué)反應(yīng)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(shè)計(jì)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(fù)盤反思和評價(jià)交流模塊學(xué)生缺少記錄，只有少數(shù)同學(xué)進(jìn)行記錄，有同學(xué)寫到“暖寶寶賣貴了”，考慮到暖寶寶的經(jīng)濟(jì)效益;有同學(xué)寫到“提高了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和查閱資料的能力”，也有同學(xué)認(rèn)為“這樣的學(xué)習(xí)活動很有意思，動手實(shí)踐體會更深刻”總結(jié)了自己的學(xué)習(xí)收獲。制作暖寶寶的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動獲得了學(xué)生的普遍認(rèn)可，使學(xué)生獲得了不同的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

三、教學(xué)反思

STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)使學(xué)生從生活角度了解暖寶寶，從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)角度認(rèn)識暖寶寶，從實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)新暖寶寶，通過驅(qū)動性問題，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，由簡到繁逐個(gè)突破任務(wù)難題，面對疑難問題主動復(fù)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(xué)習(xí)中相互學(xué)習(xí)，形成深度思維，提高學(xué)生核心素養(yǎng)，獲得了學(xué)習(xí)的成就感，感受到學(xué)習(xí)的快樂。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)也使教師重新變成學(xué)習(xí)者，不再是僅僅向?qū)W生灌輸知識，而是引導(dǎo)學(xué)生掌握重要的學(xué)科思想和學(xué)習(xí)方法。教師要為學(xué)生設(shè)計(jì)有效的項(xiàng)目，使學(xué)生接觸具有真實(shí)性的、挑戰(zhàn)性難題或問題，形成持續(xù)性探究，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)盤反思，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更積極主動，更有信心。學(xué)生在每完成一個(gè)任務(wù)的時(shí)候，都能自主學(xué)習(xí)并運(yùn)用學(xué)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(xiàng)目式學(xué)習(xí)對教師和學(xué)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(xiàn)

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