导向深度学习的教学新探索

2022-07-25 02:53赵楠张美娇
教育·教学科研 2022年7期
关键词:测试科学探究

赵楠 张美娇

在STEM教育领域,项目式学习有助于学生获得对学科核心概念或跨学科大概念的深层理解,它打破了传统教学单向传输知识及过度强调知识记忆的做法,以任务驱动学习、以问题驱动探究、以同伴协作驱动社会交往,强调知识的综合运用和创新思维。初中科学“能的转化与转移”主题隶属于“能量”大概念、与“粒子”大概念密切关联,这一主题适合与工程任务相结合,进行项目研究。

本项目围绕太阳能加热器的制作任务展开。驱动性问题是:“设计并制造一个只用太阳能加热食物的器具,它可以在10 min时间内将10 mL水加热到50℃以上。”学生像工程师一样,将任务拆解为一系列科学问题,利用计算机模拟软件辅助探究、建构理解,根据对太阳辐射、温室效应等知识的科学理解来进行设计、制作与检测。学生在小组中工作,投入积极的社会交往,通过创建有形的人工制品(包括报告、工程设计图、实物模型)向他人展示自己所学。

(一)课程内容

《能量的认知与应用——DIY太阳能加热器》是一个融合科学探究和工程实践的跨领域项目,其中涉及的物理学知识对应初中科学(牛津上海版)第五单元《能与能源》的内容,其核心知识是“能的转化与转移”。从纵向看,这一核心知识从属于跨学科大概念“能量”。在项目之前,学生已知道热胀冷缩现象、热传递的主要方式、保暖材料的原理以及热通常从温度高的物体传向温度低的物体。从横向看,本项目涉及的深层科学理解必须借助跨学科大概念“粒子”才能实现。在项目之前,学生可以用粒子模型解释扩散、热胀冷缩、物体浮沉等简单科学现象,为理解太阳辐射和温室效应奠定了基础。

(二)课程标准

科学知识目标:1.知道能在一定条件下可以发生转移或转化;2.知道热传递的不同方式以及影响热传递的主要因素,列举它们在生活和生产中的应用。

科学探究目标:1.能基于所学的知识提出可探究的科学问题,形成有针对性的假设;2.能采用不同的表述方式,呈现探究的过程与结论;3.善于与同伴合作,并能基于证据质疑和评价他人的探究报告;4.能对探究活动进行过程性反思,及时调整,并对探究活动进行总结性评价,完善探究报告。

科学态度目标:1.能大胆质疑,从不同视角提出研究思路,采用新的方法、利用新的材料,完成探究、设计与制作;2.能接受别人的批评意见,反思、挑战自己的探究,愿意沟通和交流,综合考虑小组各成员的意见,形成集体的观点。

注:根据《义务教育小学科学课程标准》(教育部,2017)和《义务教育初中科学课程标准(2011年版)》(教育部,2011)整理

(一)驱动性问题

设计并制造一个只用太阳能加热食物的器具,它可以在10 min时间内将10 mL水加热到50℃以上。

(二)问题链

按照科学探究的逻辑,将驱动性问题转化为核心问题,并进行拆解(见图1)。其中,核心问题、子问题一和子问题二属于科学问题;子问题三属于工程设计问题,同时它又回应了核心问题。

3.核心任务:DIY太阳能加热器。

4.任务群:按照工程设计过程拆解核心任务,形成如图2所示任务群。

1.知道哪些因素会影响容器内温度的维持,能解释产品中蕴含的科学原理。

2.通过经历产品设计的过程,了解可视化工具在科学探究中的应用方法,感悟建模在科学探究和产品设计中的作用和意义。

3.初步学会像工程师一样,将设计任务转化为科学问题进行探究,将探究所得的科学理解应用于产品设计之中。

4.通过迭代修正产品设计的过程,初步学会反思的元认知技能。

5.通过与同伴一起工作,学会尊重与聆听、质疑与回应质疑,并感悟分工合作、交流讨论等社会性互动在科学探究和工程实践中的作用。

本項目按照“引出任务→确定设计原型→建造模型→测试优化→形成工程设计方案→结题汇报”的顺序设计并实施。

项目实施周期为一个月(2课时/周,共8课时)。下面简述具体实施过程。

(一)启动项目(第1—2课时)

1.引出任务

(1)介绍项目实施背景

①情境引入:(播放太阳能灶的视频)世界上有许多地方获得烹饪能源的机会是有限;在所有的能源中,只有来自太阳的能源可为所有人共用。

②交代核心任务:在本项目中,我们将投身工程实践,了解工程师如何利用他们对科学的了解来设计和制作太阳能加热器。

(2)明确设计目标及制约因素

①提出驱动性问题:设计并制造一个只用太阳能加热食物的器具,它可以在10 min时间内将10 mL水加热到50℃以上。

②小组讨论,识别项目的制约因素:a.只能用太阳能来加热食物;b.使用便宜易得的材料进行建造。

③集体分析,明确终产品的评价标准:使用模拟太阳光(红外加热灯),在10 min时间内,将10 mL水加热到50℃以上。

2.探索问题

(1)提出科学问题,探究理解

集体讨论,将驱动性问题转化为核心问题“哪些因素会影响容器内温度的维持”,然后以温室效应类比,提出两个前后关联的科学问题。

子问题一:容器怎样才能尽可能多地吸收来自太阳的热?

从粒子模型的视角,将子问题一分解为以下三个小问题,利用可视化工具进行探究:a.太阳辐射如何转化为热能?在此过程中,地表的温度如何变化?b.热能如何转化为红外辐射?在此过程中,地表的温度如何变化?c.红外辐射被温室气体反射后,转化为什么形式的能?在此过程中,地表的温度如何变化?

子问题二:容器内集聚的热怎样才能尽可能少地向外散失?

结合科学课已学的内容,从中分离出两个小问题,进行解释:a.怎样减少热通过传导向外散失?b.怎样减少热通过对流向外散失?

(2)提出工程问题,形成概念原型

围绕核心任务,提出工程问题。

子問题三:如何确定目标装置的基本结构?将上述科学理解应用于产品设计之中,分组讨论,形成产品设计的概念原型:a.什么形状的容器可以接收尽可能多的太阳辐射?b.容器内部底壁选用什么样的材料可以吸收尽可能多的太阳辐射?c.什么样的结构类似于温室气体,可以反射尽可能多的红外辐射?在上述理解的基础上,经由全班讨论,确定目标装置所需具备的基本结构。

(3)示范模拟探究

以容器的形状为例,教师示范如何操作计算机模型进行模拟测试,并引导学生展开小组讨论,尝试用所学知识对测试结果作出解释。

3.确定小组分工,明确课后模拟测试任务

(1)布置课后任务

①利用计算机模拟数据包的程序,自主探索“影响容器内温度维持的因素”,并在学习单上记录参数设置和测试数据;②在模拟探究的基础上,形成小组的设计方案(设计原型);③提出下周汇报要求:a.展示模拟探究结果;b.呈现小组的设计方案及设计图;c.利用计算机模拟数据,解释各部分结构所选参数的原因。

(2)填写小组分工记录表

4.提供初次展示的评价量规:分水平1—5级

(二)确定设计原型(第3—4课时)

1.小组展示

汇报模拟探究的结果和设计方案的初稿。

2.小组讨论

利用上周发布的评价量规,进行组间评分,各组相互质疑和论辩。

3.简短教学

(1)集体讨论:比较各组的模拟探究过程,归纳最佳探究路径。

(2)集体探究:利用计算机模型,按照最佳探究路径对基本结构进行模拟测试,确定各部分结构所选择的参数,并用探究所得的科学理解进行解释。

(3)集体推理:根据模拟探究结果,推测计算机模型无法测试的结构理应具备的特征。

4.分组讨论

(1)修正小组的设计原型,对设计图进行精制。

(2)制定下周真实测试的计划,设计测试记录单。

(3)确定实物建造的组内分工,并制定预算。

(三)建造模型、测试优化(第5—6课时)

1.简短交流:了解各组的设计方案、实物模型和测试计划。

2.实地测试:迭代修正设计方案

利用红外加热器模拟太阳,进行真实测试。根据测试结果,反思和修正设计方案,改造实物模型,并进行新一轮的测试和优化。

3.明确结题任务:告知学生结题汇报要求,提供工程设计方案框架。

4.提供结题汇报的评价量规:分水平1—5级,并加加分项。

(四)结题汇报(第7—8课时)

1.小组展示:各组汇报项目实施的过程和结果。

2.组间评分:接受他组学生和教师的质疑,进行论辩。

3.总结讨论

(1)从能量转化和转移的视角,对太阳能加热器各结构的参数进行解释。

(2)对各组的设计长处和不足进行批判性思考。

(3)讨论计算机模型在工程设计中的作用,分享对工程师身份的认识。

(一)学生可以关联宏观与微观(不可观察)、抽象概念与真实情境,实现了对核心知识的深层理解

本项目选取学习基础差异不大的两个班级进行了准实验研究。六(2)班作为实验组,在学习第五章《能与能源》的同时,从事本项目;六(1)班作为对照组,仅在基础型课程中学习第五章的内容。项目结束之后,两个班分别进行后测,通过企业微信作业布置小程序发送给学生,要求学生在10分钟内完成测试。

结果显示(见表1),实验组在第1、6、7题上的表现明显优于对照组,且效应量d值均大于0.4,说明从事本项目对于学生理解这些问题产生了有价值的正向作用。从试题内容看,这三道题均涉及能量大概念之下的重要概念,质性分析进一步说明,从事项目研究加深了学生对核心知识的理解,他们能够将宏观现象与微观原理、抽象概念与真实情境之间建立关联,这可能与项目任务本身的复杂性和粒子运动可视化软件的应用有关。

(二)反思与启示

学生从事项目研究不一定能产生深度学习。项目式学习的成效深受学习活动和学习指导质量的影响。为此,本项目在遵循项目式学习形式特征的基础上,尤其注重学习活动和学习指导的设计(见图3)。

首先,学习活动按照探究式的逻辑而非“菜谱式”操练的逻辑进行设计。项目式学习中的重点并非是开发人工制品,而是借由将学生沉浸于开发人工制品的过程,推动学生在与专业实践接近的真实境脉(context)中应用概念积极建构理解,以此获得对学习材料的深入理解。因此,STEM领域的教师在设计项目式学习时,应着力于发展学生科学思维,引导学生按照科学探究的一般程序拆解学习任务,让他们亲身经历科学探究的完整过程。

其次,提供适当的学习指导。教师可以着力从三个方面为学生从事项目提供指导。第一,申明学习目标和最终产品的规格说明(至于“如何做”,则由学生自己把握)。第二,搭建脚手架,包括:提供可视化工具帮助学生理解微观的科学过程、设计结构化的学习单,引导学生展开项目研究,以及在“可教的时刻”及时提供针对性的迷你授课。第三,明示评价量规,引导学生监控和反思自己的学习,发展学生的元认知能力。

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