基于CDIO模式的初中科學跨學科項目式學習

《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》指出注重將知識學習與實踐相結合，強化做中學、用中學、創中學。在《義務教育科學課程標準（2022年版）》中所設置的13個科學核心概念中“技術、工程與社會”“工程設計與物化”為其中的“亮點”，技術、工程和科學相互影響相互促進，密不可分。同時鼓勵教師在初中科學教學設計中圍繞真實情境問題，融入“技術”“工程”等元素，通過科學探究、數學模型的建立、創意創新的設計以及信息科技的跨學科的方式融合開展自主實踐與學習探索，不僅有助于激發學生的學習動機，形成跨學科概念，提升分析問題、解決問題的能力，還可以培養學生的創新思維能力，在工程教育的浸潤下發展核心素養。

一、跨學科項目主題內容分析

本項目來自浙江版《科學》八年級下冊第一章電與磁中的“指南針為什么能指方向”“電生磁”“電磁鐵的應用”的整合，為“物質的運動與相互作用”這一科學學科核心概念中“電磁相互作用”的學習內容。

相較于傳統課堂中僅分析現有電磁鐵的應用模型不易激發學生的學習動機同時缺乏探究性、實踐性及創新性，本項目融合數學學科中的“統計與概率”、信息科技中的“系統與模塊”等核心概念，通過“校園中門禁所存在的缺陷”這一真實情境產生“改造校園現有門禁”的動機轉化為跨學科項目任務群，通過跨學科項目式學習的方式從宏觀項目情境問題到中觀子項目再到微觀子任務的拆解，從而實現潛移默化地建立“系統與模型”“結構與功能”等跨學科概念，并運用所學的學科核心概念和跨學科概念，根據需求提出發明方案，解決簡單的實際問題。

二、CDIO工程教育模式

CDIO是以構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）為核心理念的工程教育模式，其基于經驗學習理論，植根于建構主義和認知發展理論。CDIO工程教育模式鼓勵項目組學生以不同角色將不同學科的知識應用于實際項目中完成從構思到操作的全過程（如圖1所示），這種跨學科式的“做中學”能夠有效提高學生分析問題的能力，培養學生的創新思維。

三、跨學科項目教學目標

CDIO工程教育模式下的跨學科項目學習即以素養為本，融合CDIO工程教育模式，引導學生調動所有知識、能力、品質等創造性地解決新問題，形成對核心知識和學習歷程的深刻理解，能夠在新情境中進行遷移。基于此設計了“改造校園門禁系統”中的CDIO子項目和項目對應的教學目標（如表1所示）。

四、跨學科項目任務與教學流程

如圖2所示，依據CDIO工程教育模式將項目“校園門禁系統改造”拆解為基于核心素養指向學科核心概念及跨學科概念的子項目開展跨學科項目式學習。

五、跨學科項目實施過程及學生學習成果

（一）構思校園物聯網門禁系統改造方案

構思階段通過POV表，在項目初期促使學生對現象或者是項目主題進行深入的思考，會更利于形成適于全體學生的驅動性問題，接著利用KWL表，引導學生通過整合已掌握的知識、想要知道的內容、最后學到的內容等，建立新舊知識之間聯系，同時為教師的項目任務的調整、任務導學的設計提供依據。

【子任務1】探究校園現有門禁的奧秘

【教師活動】教師引用關于校園門禁POV表以及KWL表，引出項目情景，引導學生提出驅動性問題，設計及實施“教室現有門禁”及“辦公室現有門禁”原理探究項目導學單中的活動解釋磁體相互吸引以及電生磁的原理，指導學生探究影響電磁鐵磁性強弱的實驗。

【學生活動】項目調研員分析POV表以及KWL表提出驅動性問題，項目規劃員規劃項目所需知識及流程，小組通過探索門禁磁體間的相互作用規律，建立磁場模型。

【子任務2】建立電磁鐵磁力大小與其影響因素的數學模型

【教師活動】教師提供多樣實驗器材供學生選擇同時引導學生設計“電磁鐵磁力大小與其影響因素”實驗方案，組織項目組之間相互交流修正方案，指導學生進行實驗操作，引導學生使用Excle軟件對數據進行處理，建立物理量之間的數學模型。

【學生活動】設計實驗方案，迭代方案后連接實驗儀器、實驗操作、記錄數據、軟件分析，得到電磁鐵磁力與線圈匝數N、電流I、吸引面積S的關系。

（二）設計與繪制電路與模型圖紙

設計尤其工程設計通常被描述為解決問題的核心，在李克東等人提出的跨學科學習活動5EX設計模型中，工程設計是其中的重要環節之一。工程設計作為一種理論聯系實際的活動，旨在通過實踐與創新來解決問題。在跨學科項目化學習中，學生需要在教師指導下，運用所學知識并根據任務需求進行模型設計、模型評價、修正模型等過程，最終得出具有針對性、可行性的模型。

【子任務1】設計校園物聯網門禁系統改造電路圖

【教師活動】通過提出“常用的電磁鎖額定電壓為12V或24V，而電磁鎖開關所連電路為 220V，開關是如何控制電磁鎖？”的實際問題，通過引導項目組間分享交流分析、修改、建立“電磁繼電器”模型，指向驅動性問題同時利用基于工程設計思維的電路設計量表（如表2所示）設計物聯網下的門禁電路圖示意圖。

【學生活動】項目組通過觀察辦公室電磁門禁鎖的內部結構認識到辦公室門禁內部開關連接在220V電壓的電路中，電磁鎖連接在12V電路中，兩個電路獨立存在，并得到“獨立電路關聯”示意圖，通過組間評價，分析、修改、建立“電磁繼電器”模型進而結合物聯網模塊設計電路圖。

（三）學習與應用物聯網模塊技術

學生通過學習物聯網知識并應用于校園物聯網智慧門禁系統，提高了遷移應用的能力，體現跨學科項目化學習的真實性和實踐性。學生在一段時間內緊扣項目主題，通過對真實而有挑戰性的問題進行持續、深入地探究，實現了深度學習。

【子任務1】探究物聯網技術的控制與反饋

【教師活動】通過物聯網案例，引導學生分析這些案例中的數據發送與接收形式。首先，在理論知識的基礎上進行操作與實踐，教師演示如何將掌控板與傳感器連接，并編寫簡單的代碼實現控制－反饋系統。其次，指導學生進行實踐操作，解答他們在實踐過程中遇到的問題。最后，完成實踐后，引導學生根據實際需求，以小組為單位，分析智慧門禁物聯網部分的控制與反饋需求，并提供相關的技術和設計建議，幫助學生完成項目需求分析，指導學生初步制定智慧門禁的設計方案，并解答他們在設計過程中的問題。

【學生活動】閱讀和研究教師提供的案例，了解物聯網應用和技術，結合身邊常見的物聯網技術，分析案例中的數據發送與接收形式，討論其優缺點和適用場景。首先，觀察教師的操作演示，學習如何使用掌控板和傳感器動手搭建簡單物聯網控制——反饋系統，編寫代碼實現掌控板的控制與反饋功能，體驗物聯網技術的控制與反饋過程。其次，根據項目實際需求，參與小組討論，分享對門禁物聯網部分設計方案的想法和建議。根據教師的指導，初步制定改造門禁的設計方案，并進行展示和討論。

【子任務2】運用物聯網技術優化校園門禁模型

【教師活動】通過演示或視頻，向學生展示校園智慧門禁系統的基本功能及工作流程，包括門鎖控制、時間限制、人臉識別等。首先，演示“Mind+”軟件的使用方法，包括如何創建新項目、編寫代碼和上傳程序到硬件設備，指導學生使用“Mind+”軟件編寫校園物聯網門禁系統的功能程序，解答學生在編寫程序過程中遇到的問題，并提供技術支持和建議。其次，引導學生分析已有門禁系統的電路圖中存在的問題和改進空間，并指導學生運用物聯網技術對門禁系統進行優化和改造，包括硬件電路的優化和功能程序的改進。

（四）成果匯報與評價反思

項目成果匯報讓學生通過反思項目中遇到的挑戰和問題，并探索如何解決這些問題，幫助他們提高創造性思維和問題解決能力。

【子任務1】分享交流實物模型，評價反思和迭代

【教師活動】項目組依次進行項目匯報和演示，確保每組都有充足的時間展示和解答問題。同時鼓勵未匯報的學生對演示中的設計理念、操作過程等質疑，促進批判性思維的發展。引導學生從完成度、科學技術性、實用性、安全環保性、美觀性等多個維度的項目成果評價量表對項目進行自評和互評。

【學生活動】制作演示文檔，介紹設計理念、主要功能、操作流程以及解決的具體問題。通過項目成果評價量表進行組內自評與組間互評。

六、結語

綜上所述，CDIO工程教育模式下的跨學科項目學習，能達成包括技術基礎知識與廣泛的工程能力雙方面的學習效果，學生將會經歷一系列一體化學習體驗，有些體驗將會在未來的職業生涯中碰到。這樣的學習方式以學生為中心，在CDIO模式的支持下，學生的學習方式以及教師的教學方式發生了改變，促使課堂教學在傳授知識的前提下，可以培育學生理性思維、勇于探究、樂學善學、勤于反思等核心素養。