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基于STEM理念下的项目式学习课例设计

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申燕陈尚宝邹志谱姚毅锋

摘要：以“探秘人体的呼吸”的项目式学习为例，对其教学实施流程、设计意图以及评价方式进行分析，通过教学结果及反馈对教学具体过程进行总结和反思，为此类教学设计提供参考和借鉴。

关键词： STEM理念; 项目式学习; 课例设计; 人体的呼吸

文章编号： 10056629（2019）9005006? ? ? ? ? ? 中图分类号： G633.8? ? ? ? ? ? 文献标识码： B

1? 背景介绍

项目式学习（Project Based Learning，简称“PBL”）最早出现在美国，随着我国各地教学改革的深入，项目式学习在教育教学的各个领域得到了蓬勃发展[1]。PBL是一种以学生为中心的教学方法，强调学生在真实的情境中，通过问题驱动组织开展探究活动，学生通过交流合作的学习方式解决问题，最终展示分享研究成果[2]。

基于STEM理念的PBL，是解决现实问题的有效方法，该方法既强调工程的价值，又保证学生数学和（或）科学相关知识的学习，并在过程中让学生体会学科之间的关系。为培养适应新时代的创新型人才，各国展开了STEM教育探索，旨在将原本分散的科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）教育进行有效融合，以促进学生综合素养的发展[3]。项目式学习课例的开发可以以某一学科的概念和原理为中心，通过设置问题驱动，融合其他相关学科，引导学生在真实的生活情境中开展探究。

“探秘人体的呼吸”学习项目源于人教版九年级《化学》上册第14页标题为“人体吸入的空气与呼出的气体有什么不同”的探究活动。学生根据教材中的探究活动开展实验，能够定性地了解人体吸入与呼出气体成分的差异，掌握气体的收集方法以及常见气体如O2、CO2、水蒸气的检验方法。在人教版七年级《生物》下册第三章也出现过关于“人体的呼吸”的学习内容，而物理学科中的速度、压强等知识与人体的呼吸也密切相关。若能将这些与同一主题相关度较高的多学科学习内容进行有效融合形成学习项目，让学生通过查阅资料了解相关的呼吸知识以及呼吸速率的计算方法，结合工程思维设计人体呼吸模型，再应用检验方法总结呼吸过程气体成分的差异，就可使学生对人体的呼吸形成更全面的认识。这样不仅打破传统单一的、纵向学习知识的壁垒，引导学生将碎片化的知识进行演绎归纳、融会贯通，培养他们驾驭纵横交错的知识网络的能力，而且通过基于真实情境的问题设计，让学生在问题驱动中多感官参与，激发内在学习动机，在解决问题的过程中潜移默化地学习和建构，使深度学习、合作探究等高阶思维发展过程在课堂上真实地发生。此外，评价方式中关注学生在解决实际问题中的过程性表现，从而促进教、学、评模式的转变。

笔者对上述设想进行大胆尝试，通过设置基于真实情境的问题链对不同学科知识进行有效整合。

2? 教学过程设计

2.1? 教学目标

本项目教学建议通过2课时（共90分钟，可视实际教学情况灵活调整）完成，适用于七年级学生。通过完成本课例的学习实践，学生应达到以下三个维度的目标要求（见表1）。

2.2? 教学流程

本节课的教学环节、驱动任务的问题链设计以及时间安排如图1所示，下文对其具体设计以及设计意图进行阐述。

环节一：测量呼吸速度，构建速度概念

教师通过我们每天都在进行的呼吸引入课程，引发学生对呼吸速度的关注，引导学生以小组为单位，合作测量3分钟的呼吸次数。学生用秒表计时，同时测量三位学生的呼吸次数，测量完毕后汇报测量结果。教师总结3分钟的呼吸次数约为50次，并继续提问触发思考，“如果不用测量的方法我们怎么知道每分钟的呼吸次数”，从而引导学生得出速度的计算公式。学生阅读教师提供的资料素材1“运动的快慢”，逐步建立并应用速度的概念。

设计意图：本环节以学生每时每刻都在进行的呼吸为情境载体，逐步引导学生从对呼吸速度的感性认识上升为理性认识，最终建构速度的概念。熟知的生活场景引入便于学生产生共鸣和关联，激发学生对随后的探究产生兴趣，使其更好地参与到项目中。

环节二：模型制作分享，了解呼吸原理

教师通过“既然我们每时每刻都在进行呼吸，那么呼吸是怎么发生的呢”的提问，顺利地从上一环节过渡到本环节的探究。接着，教师引导学生自主阅读提供的资料素材3“发生在肺内的气体交换”中的“肺与外界的气体交换”部分，了解呼吸运动的原理。随后，教师引导学生根据自己对呼吸运动原理的理解，經小组合作讨论绘制模型图（图2左），并制作人体呼吸的模型。

小组之间通过合作设计并制作模型进一步加深对呼吸原理的认知，并认识到压强与气体体积的关系。在制作展示模型的过程中，学生普遍发现，所制作的模型中“肺”（心形气球）很容易在“呼气”时冲出“胸腔”（塑料瓶），不能较真实地反? ??映实际情况。接着，学生分组讨论，进一步设计改进模型（图2右），并展示改进后的模型。

设计意图：学生自主设计、制作呼吸原理模型，通过生动形象的模型展示改变传统的机械式记忆学习方式。在发现模型缺陷后，他们积极讨论、共谋策略改进模型，在模型解说的过程中进一步加深对文本阅读的理解，以及对呼吸原理知识及压强相关概念的建构。此环节中，小组研讨和动手实践充分调动学生的学习兴趣，模型的改进触发他们深层次的思考，发展创新思维，培养创造能力。与此同时，学生在相互认可、质疑中锻炼了表达能力和合作能力。

环节三：设计实验探究，明确成分变化

学生通过教师引导了解吸入气体（空气）的主要成分，阅读素材资料2《气体的收集及检验方法》，摸索呼出气体的收集方法，运用常见气体的检验方法设计实验检验两次收集的气体成分的差异，小组合作完成实验后分享实验结果。教师对学生实验设计及探究过程进行必要的指导，强调实验的规范操作，规避实验的潜在危险，培养学生正确的实验方法、科学的实验思维以及严谨的实验态度。

设计意图：学生在获取、选择、加工、整理素材资料中相关实验方法的信息后，进一步设计实验开展气体成分的检验，这些都是学生真正实现从“记忆信息”向“应用信息”转型的抓手。在此环节中，学生寻找能够支撑他们实验结论的证据，在实证和伪证的辨别中，进一步证实结论，从而培养学生将所学知识逐渐内化为解决实际问题的能力，发展学生科学探究、证据推理的学科核心素养。

环节四：自主学习讨论，理解物质变化

教师从上一环节中对人体吸入和呼出气体成分的探究，引导学生自主阅读素材资料3《发生在肺内的气体交换》中的“肺泡与血液的气体交换”部分。学生阅读后经过讨论、归纳和总结，了解人体内伴随着呼吸作用的发生，相关物质的变化及内在的生理原因。

设计意图：相关物质的变化及内在的生理原因分析，源于学生对呼吸过程的系统认识。在此环节中，学生基于呼吸原理以及他们了解到的呼吸前后气体成分变化的证据，总结、归纳呼吸的过程为有机物和O2反应生成CO2和H2O的过程。该生理过程的得出是对气体检测结论的升华，也是学生实现多学科知识关联的关键。

环节五：绘制呼吸图表，总结归纳项目

小组合作根据自己对本项目学习的体会和理解绘制人体呼吸项目总结图（图3），教师组织分享并进行点评。

设计意图：学生通过设计项目总结图，使多学科知识与学生综合能力的发展呈现出系统化的特征。学生在解决问题的过程中建构的多学科知识网络，更能帮助他们从本质上认识和理解问题。此外，图形的设计和文字编排增强了他们对艺术和美的感知。

在整个项目实施过程中，学生置于课程实施中认知活动的主体地位，自主解决具有一定挑战性的问题，将知识与生活实际相关联，促使他们在解决真实问题的过程中建构知识、发展能力。

3? 教学成效反馈

项目式学习的评价应侧重过程性评价、注重自评和他评相结合，以判断学生掌握了哪些知识与技能，以及整个项目学习参与过程的表现，力求全面、客观地评价学生的学习结果和学习过程。

3.1? 反馈方式

教学完成后，对该班级30名初一学生以纸笔测试的形式进行问卷调查。问卷调查包括三部分。第一部分为自评表，分别从“知识与技能”“综合能力”及“情感态度”三个方面调查学生对本节课的反馈与评价;第二部分是他评表，从学生参与项目积极性、合作性、持续性、方法性和成效性五个维度进行小组成员之间的相互评价。第三部分则是总结与建议，引导学生罗列出本项目学习中他们喜欢的或觉得比较困难的环节，并提出建议、总结收获。自评和他评均采用李克特式5点量表计分法[4]，选项包括：非常同意、同意、一般、不同意和非常不同意，分别记为5、 4、 3、 2、 1分。发放问卷30份，回收问卷30份，回收率100%。

3.2? 反馈结果分析

3.2.1? 学生自评

采用SPSS 19.0进行数据分析，本次调查问卷有效数据30，其Alpha值为0.811，信度良好，说明各学生的问卷结果内在一致性较好，可信度高。

由问卷反馈可知（表2），学生答题均分介于4～4.5。“知识与技能”中得分最高的是学生对呼吸运动原理的了解，进一步说明模型的制作有助于学生对抽象原理的认识更加清晰化;得分最低的是气体检验方法的掌握，说明对于尚未接触化学的初一年级学生在进行此部分的探究活动时难度略大，究其原因可能是学生对于为何选择此方法检验以及检验原理是什么存在困惑，这些将在以后的学习过程中或者课下进一步自主深入研究中得到有效改善。“综合能力”中得分最低的是学生关于信息分析、解释或解决问题能力的提升，这可归因于学生初步尝試自主提取、加工和分析陌生信息，仍处于适应、摸索阶段，导致部分学生迷茫失措，同样，这也是导致“情感态度”中学生觉得该项目式学习“过于复杂而无法参与”的得分较高的原因。相信在以后更多的项目式学习中学生应用信息解决问题的能力能够得到更好的发展，也能在项目式学习中发挥自如。

3.2.2? 组内成员他评

学习小组是以六人为一组，因此每位学生只需对组内其他五名成员进行评价（图4）。

将30份他评表中数据进行汇总（图5），每人评价为5次，由30人可得出评价总次数为150次。从统计结果中可以看出，能够积极参与项目的学生占总数的84%（非常同意的次数+同意的次数评价总次数×100%，下同）;能够与小组其他成员互助与合作的学生为总数的72%;能够稳定持续地完成各项活动任务的学生占66%;能够在活动中找到问题解决办法的学生约占65%;能够高效、高质量地完成各项活动任务的学生为总数的60%。这说明学生对于此项目学习的开展较为满意，愿意积极、认真参与学习和探究。此外，五个比例数值逐渐下降，可归因于这五个检测维度所检测的学生能力和素养的层次水平是逐级提升的，说明学生能够较为客观地进行相互评价。

3.2.3? 学生的建议

在学生所写的总结与建议中，他们最喜欢的项目环节主要集中在气体的收集与检验、呼吸原理模型的制作与改进;觉得困难最大的环节是气体的检验，这与前面的自评表结果是一致的。对此项目的建议中，不少学生建议增加活动时间、增加学习资料或者增加相应的题目练习;有的学生在“我的收获”中写道“很有乐趣、收获了团队合作”“掌握了很多实验技能”“学习到很多关于呼吸的知识”“用轻松的方式学习呼吸是如何进行的”等。从学生的总结中可以看出，学生对通过动手实验加工应用信息来建构知识的学习方式是十分认可的，他们表示希望获得更多探究活动的机会，这无疑给今后的教学指明了方向。各学科教师之间应通过合作开发更多适合学生学习的项目式课程，为学生搭建一个多学科、多视角解决实际问题的综合发展平台。

4? 总结与反思

4.1? 真实问题驱动，激发内在动机

本项目通过清晰的、逻辑关联紧密的、真实的问题链设计，将抽象的课本知识与学生熟悉的生活情境有效关联，为学生构建了学习和联想的空间，使学生在解决真实问题的驱动和刺激下，积极参与探索，主动合作，大胆展示交流，认真思索改进。整个过程中，学生的学习兴趣不断被激发，他们通过查找资料、信息加工、迁移应用、创意设计、实验验证、总结反思，逐步加深对人体呼吸的理解，彻底改变了传统教学中学生被动接受的局面，使学生成为获取知识的主动参与者，激发了他们内在的学习动机，形成了内在的驱动力。

4.2? 发展高阶思维，培养综合能力

项目式学习是学生综合运用知识解决问题的深层次学习的过程。在此过程中，学生通过实践获得对知识的理解性学习，而非停留在知识表面的浅表性学习。学生不仅运用到“认识记忆”“理解掌握”“模仿应用”等低阶思维，还在小组合作完成任务时发展了“分析评价”“创新创造”等高阶思维。学生经历了事实性材料的收集、实证与伪证的推演等过程，不断地发展反省思维。与此同时，学生在参与科学、技术、工程探究的过程中，思考更多的是如何获取有效信息、加工信息、综合应用信息等，从而培养了他们实验操作技能、分析和解决问题的能力。

4.3? 调动多维感官，提升合作意识

学生在各环节的实践中，充分调动手、脑、目、口等多维感官，通过观察、实验、探究、设计、创作、解说等活动解决问题，深挖潜力，促进综合素养全面提升。此外，项目各环节需要多人明确分工、共同参与、合作攻关，无疑增强了学生的合作意识，培养了沟通交流的技巧和艺术，从而发挥团队合力，提升协作水平。

4.4? 现状问题分析，斟酌加以完善

在执教的过程中发现了一些问题，如学生从传统课堂向自主探究课堂转化时的困惑和茫然，当教师提出问题并进行适当引导之后，个别学生不知道自己需要做什么，怎么做？这样的转变需要一个过程;同时也出现了一些小组成员合作不顺畅的情形，如在人体呼出吸入气体成分的探究时，需要小组成员合作用排水法收集气体，个别小组出现反复收集不成功的情况等。這些都需要在以后的项目式学习课程的开展中进一步强化，让学生逐渐适应这类自主探究的课堂，并能在如此的学习模式中获取真知，感受乐趣。

致谢：向对本课教学给予指导和学科支持的深圳市盐田区物理教研员吉宁虎老师、深圳市田东中学林茗茵老师表示衷心感谢！

参考文献：

[1]陈尚宝. 项目式学习引导课堂改革——以深圳市盐田区学校实践为例[J]. 中小学校长， 2018，（6）： 61～63.

[2]侯肖，胡久华. 在常规课堂教学中实施项目式学习——以化学教学为例[J]. 教育学报， 2016，（4）： 39～44.

[3]韩叙虹. 基于STEM项目式学习的实践和探索——以研究性学习“钻木取火”课题为例[J]. 中学物理， 2018，（19）： 18～20.

[4]申燕，杨显江，李迪. 在实验探究中发展化学核心素养和关键能力——以深圳市公开展示课《金属的化学性质》为例[J]. 化学教学， 2019，（2）： 46～50.

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