基于PBL的中学科学实验室建设方案
刘作志 常明泉 刘可歆 刘畅 万勇
摘? 要 为改变传统中学学科实验室与课程改革及教育信息化发展脱节的现状，改进基础教育领域的实验教学，从PBL学习模式的基本标准和活动模式出发，提出新型PBL科学实验室的目标功能和设计方案，同时以案例的形式具体说明PBL科学实验室的应用价值。
关键词 学科实验室;项目式学习;5EX活动模式;教育信息化;信息技术;PBL科学实验室;数字化信息系统
中图分类号：G482? ? 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）07-0019-04
1 前言
目前，我国的中学实验室仍以分科的理化生学科实验室为主，这是学科本位课程体系的必然反映。学科实验室在初中各学科教学中发挥了不可替代的作用，学科实验室建设近年来也取得长足进步。随着信息技术的迅猛发展，学科本位的课程体系越来越不适应信息时代对人才发展的要求，传统学科实验室的缺点也日益显露，包括：忽视学生源自实际的原生问题和学习兴趣;人为地割裂了科学学科的固有联系，使知识封闭固化;过分强调实验规范与操作技能，忽视深度探究;缺乏与信息技术的融合，脱节于信息时代[1]。
针对这一现状，教育部在《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中提出，要“支持探索建设学科功能教室、综合实验室、创新实验室、教育创客空间等，鼓励对普通教室进行多功能技术改造，建设复合型综合实验教学环境”[2]。新的复合型实验室的设计和建设必须与未来新的课程体系和学习模式相匹配。经过国内外20多年的理论研究和实践探索，项目式学习（PBL，Project-based Learning）
在当前被认为是较能代表教育发展趋势的学习模式[3]。以PBL学习模式为依据进行新的中学科学实验室的设计与建设，必定是十分有益的。
2 PBL科学实验室建设的理论依据
项目学习金标准与目标功能? 在PBL研究领域有较大影响力的美国巴克教育机构（Buck Institution for Educa-
tion）将PBL定义为通过积极参与基于真实世界和具有个人意义的项目来实现的学习[2]。该机构在大量理论研究和实践总结的基础上提出，真正意义上的PBL学习应该包含图1所示的八个必备要素，又称PBL的八个“金标准”[4]，即挑战性问题、持续探究、真实情境、学生自主、反思、批判与修正、公共产品、关键知识和成功技能。这八条金标准对PBL科学实验室目标功能的定位有启发意义。
1）真实情境与开放问题。PBL科学实验室必须能为真实问题情境的创设提供必要条件，实验室要能展示真实世界或与真实世界建立实时的联系，从而解决实验问题与现实世界脱节的问题。
2）自主选择与持续探究。PBL科学实验室应为学生自主开展科学调查、自主选择实验方案、自主进行实验操作提供可能和方便。学生的探究活动不以课时为时间单元，能够在较长时间内持续深入地进行，克服实验方案既定僵化、科学探究流于形式的困难。
3）产品生成与公共测评。PBL科学实验室要为学生的创意作品的设计、制作提供技术设备支撑和展示空间，要为学生的创意作品或实践方案提供多种线上线下的公开化渠道，扭转实验室学习形式单一、学习成果封闭的现状。
4）知识技能与反思评价。PBL科学实验室要为学生项目式学习的自我反思和集体评价提供依据和平台，学生在项目式学习中习得的知识技能要能够通过实验室的各种技术手段，获得显性的检测和评价。
项目学习的5EX活动模式? PBL并无固化的套用模式，但在基本的活动环节设计上，国内外教育者和研究者的观点大同小异，其中5EX活动模式[5]较为系统。所谓5EX，即项目式学习的五个基本活动环节：进入情境与提出问题活动（Enter and Questions，EQ）;探究学习与数学应用活动（Exploration and Mathematics，EM）;工程设计与技术制作活动（Engineering and Technology，ET）;展示分享与创意创作活动（Exhibition and Creativity，EC）;
多元评价与学习反思活动（Evaluation and Reflection，ER）。5EX的活动模式不妨作为PBL科学实验室软硬件配备和空间布置的基本参照。
3 PBL科学实验室建设的基本方案
下面结合一个PBL实践案例，说明PBL科学实验室的基本构建框架、软硬件配置及其应用价值。
EQ：真实情境的创设? PBL中所谓的真实，是指问题的情境来源于真实的生活，问题的解決对现实生活有实在的价值。问题是劣构的具有挑战性的现实问题，而不是依据学科知识设计的结构良好问题。这种真实性至关重要，它是学生的价值感和内驱力的来源。PBL科学实验室首先要有能力为学生建构起一种和现实世界紧密联系的真实情境，蓬勃发展的VR技术可为真实情境的创设提供强有力的支撑。
【案例】某日下午两点左右，在四川省阿坝藏族羌族自治州某山区景点深处，你们一家三口正在游玩，突然遭遇了地震，你们所在景区也有较强震感。由于所处位置相对开阔，附近植被较好，没有松散砂石，三人只有一点儿擦伤，万幸并无大碍。但是，山体垮塌堵住了回去的路，手机没信号了……
问题一：你认为当前情势下最紧迫的事项有哪些？
问题二：所有事项中排前三的是哪几项？写出你排序的依据。
要较好地呈现案例的情境，实验室应按小组配备计算机和VR设备，这里的VR设备不是用来让学生从感官上体验地震，而是为项目学习的主题——求生提供线索。教师用360°VR运动相机事先将某真实的设定情境场地取景，取景中包含所有环境信息和物资信息，让学生通过VR情境观察环境、评估物资、预测困境，进而对以上两个问题作出判断。为帮助学生分析情境，实验室还可配备沙盘以提供地形、河流和位置信息[6]。
ET：设计制作与交流? 在技术制作方面，PBL科学实验室完全可以吸纳创客实验室乃至Fab Lab的一些元素，比如激光切割、3D打印、Arduino等，但由于中学学段和PBL项目的定位，不宜将PBL科学实验室与创客实验室完全同化，或者说将创客实验室并入PBL科学实验室。PBL中的工程制作固然看重产品，也看重创新创造，但区别于创客，PBL科学实验室应更注重基于情境的问题解决和有限物资条件下的方案设计。
【案例】以下是你们现有的物资，你也可以提出情境中合理可取的物资：
报话机（爸爸与其他几个叔叔结队自驾游，各车联络用）、两瓶碳酸饮料、两瓶矿泉水、几个水果、两袋小面包、三顶带有太阳能风扇的遮阳帽、两条数据线、一条音乐耳机、一个充电宝（电量已不足）、两部手机、两串钥匙带挖耳勺与指甲剪、一柄多功能小刀、一把强光手电、一個旅行背包、一个皮质坤包、一个望远镜、一支口红、两包纸巾、一把雨伞、一瓶防晒喷雾……
任务一：请在取水、取火、呼救三个主题选取一个，参考《野外求生手册》，也可自行上网搜集资料，设计尽可能多的方案。
任务二：各小组讨论，分享本组最具可行性的一个方
案，并根据其他组的建议改进确定实施方案。
案例中的任务一显然要借助方便快捷的网络环境，如图2所示，计算机和网络是PBL实验室系统架构的核心和基础，网络调查和资源信息获取是实验室计算机网络的必备功能。任务二则要求PBL科学实验室利用网络建立自己的线上社区[7]（Online Community，OC），学生要在项目设计中建立广泛的协作关系，线上社区是最高效的平台。从各小组主题方案的线上共享到集体参与的评价建议再到实施方案的完稿确定，线上社区突破了传统课堂分享模式的时间、空间限制，实现多线程的交互和全程的信息留痕。线上社区交互既可作为过程评价的一部分，也可作为终结评价的信息依据。
EM：数字化综合探究? 通过广泛的网络调查和互动设计，最终学生形成的主题方案可能远远超出教师的预想，探究问题不但不能被完全预设，而且处在不断的生成和迭代中。面对这样的学习模式，列出一个实验列表并按列表配备实验器材的办法已经无法满足需求。另外，由于来源于真实情境，问题不可能保证局限于物理、化学、生物或其他的某个单一学科，实验室的仪器配备也不能再局限于某一学科。基于PBL学习模式，以通用传感器和数据处理软件为支柱的数字化信息系统（Digital Information System，DIS）是比较好的解决方案。
【案例】某小组取火方案：利用强光手电的电池短路来取火。
探究问题1：相同电压下，何种材料短路后温度最高？用该材料引燃所需的最小电压是多少？
某小组取水方案：取用河水并用自制的过滤器过滤，用易拉罐煮沸。
探究问题2：地震后河水的水质有何变化？过滤后的河水其酸碱度和微生物情况是否达到饮用标准？将水煮沸可以引起水质的哪些变化？
某小组呼救方案：利用对讲机的求救频率发出求救信号并制作备用电源。
探究问题3：所备民用对讲机信号传输的最远距离是多少？利用水果电池和小电动机发电，能否达到对讲机工作的额定电压？
可以看出，案例中的学生探究问题虽不复杂，但广泛涉及物理、化学和生物等学科知识，要完成这些问题的探究，现有的数字化信息系统足以胜任。各种传感器的综合运用，通用软件的多模分析，可移动的实验平台，可共享的实验数据，让PBL的探究学习突破传统实验室的时间、空间和课题限制，成为名副其实的真探究。由此可见，数字化信息系统是PBL科学实验室的核心配置。在通用测量分析软件的基础上，数字化实验系统还应该广泛吸纳数学建模工具，形成定量分析加建模的实验信息处理模式。
EC：多渠道的公共分享? PBL的真实性决定了其主题方案和工程作品有公共传播价值，不局限于课堂、校园之内。如本案例中利用旅行中随身携带的物资来求生的问题，都是在现实生活中可能遇到的有现实借鉴意义的。为将项目学习的成果进行公共分享，PBL科学实验室应按小组配备摄录系统和便捷的视频剪辑软件系统，以适用流媒体时代的信息传播形式。在实验室内还应设置专门的展示功能区，在充分利用实验室空间的同时，实现PBL公共分享的教育功能，展示不局限于实物作品，可以是影像方案展示、创意演讲等。
【案例】任务一：以求生主题为单位，将你们的求生方案拍摄成展示视频，在实验室展览墙上放映展示，同时将视频上传到线上社区。（经其他成员同意后，也可上传到个人的小视频平台。）
任务二：在线上社区中征询改进意见，完善你们方案中的制作作品，将完善后的制作作品放在实验室实物展览区展示，为期一周。
任务三：组建剧组，仿照贝尔·格里尔斯的节目分工拍摄一集《荒野求生》，上传至学校PBL科学实验室公众号平台。
PBL科学实验室要在每个小组的实验平台配备多角度的摄录系统，这套摄录系统的作用一是记录学生探究制作的过程作为实验日志，二是记录小组成员在项目学习中的表现和贡献作为评价依据。上例中的任务一不需要在制作探究环节之后再行录制，只需剪辑实验日志中的部分场景，稍做加工即可生成展示视频。实验室就是展示视频录制、制作和上传的场地。借鉴steam教育理念，在科学、技术、工程和数学的跨学科教育中渗入人文艺术的教育，任务三就是一个很好的体现。学生在实验室完成的项目学习成果最终可以以艺术的形式传播出去，感染和影响现实世界。
ER：全程与多元的评价? 在以上各个PBL活动中已经渗透了多方位的评价，只需在PBL科学实验室加装基于大数据的评测系统，就可以部分地完成项目活动评价[8]。评测系统从学生在线上社区、视频日志、数字化实验系统中分析，就可自动获取小组及其成员的关注度、参与度、理解度等信息，实现标准可调控的实时自动智能评价。目前，国内该项大数据分析技术已日臻成熟，应该整合到PBL科学实验室的设计中来。当然，实验室系统评价只是多元评价的一部分，除教师评价外，由于学习成果的多渠道公开化，来自实验室外部的家长评价、社区评价、专家评价以及网络评价都将相对简便地纳入多元评价。
PBL科学实验室如何帮助学生进行有效的自我反思并对学生习得的知识和技能进行测评呢？
1）如图3所示，大数据评测系统对小组及其成员各环节活动过程的数据统计就可作为学生自我反思的参考。
2）实验室要按照各学科的核心概念（core idea）建立知识树系统[9]。在PBL学习过程中让学生从知识树的主干——核心概念出发，找到自己习得的知识——枝。教师在系统的建议下，根据测评意向和学生自己点亮的知识枝，针对学生出具测评方案。知识树系统应该是开放的，允许学生添加自己认为重要的知识枝。类似的可以建立技能树系统。
综上，对PBL科学实验室设计架构的分析可以看出，新的科学实验室将为适应时代发展的新的学习方式提供必要的环境支撑，实现基于现实的情境创建、基于核心概念的学科统整、基于问题和产品的深度探究、基于信息技术的互动协作、基于云数据的多元过程评价等传统实验室难以实现的学习功能。
4 结语
教育信息化进入2.0时代，互联网+、人工智能、大数据、物联网、区块链等与教育息息相关的信息技术迅猛发展。如何将这些信息技术有效应用到日常教學中，如何实现多种信息技术在教学中的有效整合，依然是当前教育信息化工作面临的难题。基于PBL学习模式的中学科学实验室是实现信息技术整合，适应新的教育发展趋势的可行方案，PBL科学实验室的探索实践必定会给中学实验教学改革和中学教育信息化发展带来双重契机。
参考文献
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[2]教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见[EB/OL].[2019-11-30].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-11/30/content_5457115.htm.
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[4]Buck Institute for Education. What is PBL[EB/OL].
[2019-12-31].https：//www.pblworks.org/what-is-pbl.
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