项目式学习教材IQWST特色分析与启示

韩思思 罗莹

摘 要：美国科学教育改革促使项目式学习备受关注，项目式学习教材指导教学实施具有关键作用和重要地位。因此本研究以美国主流的项目式学习教材IQWST为分析对象，选取有关能量大概念的一册书为样例，发现其教材的三个特点：以国家课程标准为依据，设计国家课程的项目化教材；以大概念为设计主线，通过科学实践促进概念连贯和迭代发展；在真实情景中以问题驱动项目式学习。在此基础之上对我国研发项目式学习教材提出两点启示：首先，依据新课标要求，在真实情景中设计项目式学习，注意概念与能力协同发展；其次，应注重以科学教育研究成果为支撑开展教材的设计。

关键词：项目式学习 教材分析 能量

基金项目 丰台区促进学生学科核心素养和关键能力发展的教学改进研究（SKHX2019031）

大概念是对英文big idea的翻译，为强调与日常教学中的“概念”的区别，这里使用了“大概念”一词，也有学者翻译成“观念”。

一、教材产生背景

为解决科学教育存在的诸多问题，如国际测评中表现不佳，课程未能面向全体学生，学生对从事科学事业兴趣低下，国家标准与地区的课程、评估和教学不一致等[1]，美国率先对幼儿园到12年级（以下简称K-12）的科学教育进行了改革。教育理念和形态发生变化从而产生许多新型的教学模式，主要以杜威的“做中学”、问题导向的探究学习为指导思想，以促进STEM教育。其中基于问题解决的，知识建构融入科学探究与实践的项目式学习成为当前科学教育中备受关注的研究内容[2]。项目式学习的教材是项目式学习理论的实践，体现项目式学习特征，遵循项目式学习的原则，指导项目式学习的实施，因此项目式学习的教材无疑极为重要。

美国较为主流的项目式学习教材Investigating and Questioning our World through Science and Technology（以下简称IQWST）[3]基于科学教育的研究成果并得到美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）的资助，依据美国科学课程标准开发制定，牢牢把握住项目式学习的内涵与原则，注重采用科学教育中的大概念 组织教材，在学生科学探究和实践中促进学习科学内容，旨在提升科学素养，在美国基础教育一线和科学教育研究中都起到了重要作用。IQWST全套教材围绕能量、运动和力、物质等科学大概念设计，共有12册书，适用于六年级到八年级（这与美国课标对幼儿园到高中的学段划分一致）的课程中（包括物理学、地球学、生物学、化学）。这是一套基于真实生活问题，将概念发展和科学能力相融合的项目式学习的教材。下面以有关物理学科能量大概念的一册书为例进行教材的样例分析，在此基础之上分析IQWST教材特点和对我国的启示。

二、教材样例分析

IQWST全套教材中物理学科教材有三册（如图1），第一册《我可以相信我的眼睛吗？》（“Can I Believe My Eyes ” ）开展光学的学习，第二册《为什么有的物体停止运动而有的物体持续运动？》（“Why Do Some Things Stop While Others Keep Going ”）是关于能量的学习，第三册《它会如何运动？》（“How Will It Move ”）围绕力与运动的学习设计。第二册书共11章，介绍了能量的多种形式以及能量的转化与转移、守恒、耗散等，构建了初中生对能量大概念的认识。由于篇幅限制，样例分析围绕机械能及其守恒展开，涉及本册书第一章到第五章（如图2）。

在第一章，设置情景让学生们近距离探索成对的两个钟摆和两个陀螺。每一对中的一个很快停止，另一个继续运动，初期没有停止的迹象。教材紧接着提出问题，让学生基于观察到的差异提出自己需要解决的问题，来弄清楚不同仪器的工作原理，以解释不同的现象。学生生成的原始问题多种多样，如钟摆材料不同，钟摆是否装有电池，金属陀螺是不是受到磁铁的影响等等。陷入问题中的学生在阅读材料中了解永动机的知识，引发学生脱离一般事例开始对于物体运动或者停止缘由的真正思考。

第二章开始动能的学习，借助第一章中钟摆与陀螺均是运动的物体，教材设问让学生容易发现这些物体的共同点，即都在运动，引入动能的概念。从第二章的教材结构（如图3）可以看到，在构建学生对动能的认识上，教材首先提供充分的生活现象和事实经验，如运动的大巴、运动的自行车、飘动的树叶等一系列运动的物体。然后设置问题：这些物体是否具有能量？要求给出原因，并让学生对运动的大巴、自行车、树叶、篮球的能量排序。这一问题的设置可以让学生暴露出生活经验带来的判断，如学生根据开始运动的难易程度来排序，实际上具备了质量影响动能大小的意识。并且由这个问题过渡到了项目任务探究动能大小的影响因素的实验上，学生会自然形成“速度/质量对物体动能有什么影响”的问题。

学生阅读介绍陨石坑形成的材料，思考陨石坑為什么会形状各异，以及为什么一颗很小的流星也能造成很大的陨石坑。这样的问题是学生容易联想到的问题。其中第二个问题让学生对“速度也能影响动能的大小”形成初步认识。紧接着，教材要求学生用平底锅、沙子和弹珠模拟流星撞击月面形成陨石坑。让学生进一步直观感受“速度”“质量”对动能大小确实具有影响。并且，为了促使学生进行完整的科学探究，教材设置了一系列问题，如：探究目的是什么？哪些变量保持不变？在控制部分变量不变的情况下，更改哪些变量？用什么测量这些改变的变量产生的影响？

在以上情景与问题的铺垫下，正式开始动能的探究实验。实验中，学生通过改变下落可装水的小罐的速度和质量改变其撞击黏土块的形状。实验直接设置四个问题，关注质量和速度两个变量：描述因变量（黏土块的大小）如何随着第一个自变量（速度）变化；描述因变量（黏土块的大小）如何随着第二个自变量（质量）变化；速度对物体动能大小有什么影响，请说明理由；物体的质量对物体的动能有什么影响，请说明理由。经历探究后的学生对 “速度/质量对物体动能有什么影响”的问题建立准确、定性的动能大小影响因素的模型。

第三章延续第二章采用可装水的小罐下落撞击黏土块的情景，开展重力势能的学习（如图4）。

首先提出问题“从高一点或低一点的位置向黏土块扔小罐会造成什么不同的影响”，进而再问“高度和能量有什么关系”。学生通过对这两个问题的思考和回答发展“高度与某种能量有关”的认识。接着，教材给出任务，让学生探究操场上仪器设备的重力势能的变化和哪些因素有关，如滑梯、秋千、篮筐等。教材对于重力势能影响因素的探究着力较少，一方面是因为前期对动能的探究已打下良好基础，另一方面，学生对“质量（重力）和高度会影响重力势能的大小”具有较为丰富的认识。重力势能这一能量形式的提出是需要为学生做好铺垫的，这是重力势能和动能教学的明显差异之一。

接着，在后续的阅读材料中介绍过山车，围绕动能与重力势能的相互转化设置系列提问：过山车没有引擎，如何做到自己运动？从起点到终点的过程中，过山车的重力势能和动能的总和如何变化？重力势能最大的点、最小的点、在减小的点、在增大的点分别在哪里？对于学生标注的点，过山车上人的运动方向重要吗？如果过山车在外太空行驶，将会出现什么现象？用饼状图表示物体能量形式和数量。这些问题的设置，从学生的生活经验开始（如学生在平时生活中会观察到过山车的加速运动发生在下坡阶段），联系所学习的科学概念（涉及动能和重力势能）。紧接着，引导学生从数量上思考，并用图表的表征形式直观地呈现。而提问太空情境，则是引入理想化模型，为后续的机械能守恒埋下伏笔。提问动能和势能的转化与运动方向是否有关系，则是在帮助学生厘清学习初期能量和力、运动难以区分的错误认识。在最后，提问学生在生活中还有什么例子包含动能和重力势能的相互转化，让学生把握机械能内部转化模型的本质，自己从生活经验中举例，并完整地运用所学习的科学知识进行科学解释。

第四章对于机械能及其转化进一步加深认识，并且延伸到弹性势能的学习（如图5）。

延续上一章，第四章开始以弹性小球的反弹往返运动为分析对象，要求学生画出球下落撞击地面并反弹过程中各种形式能量的饼状图，初步完成饼状图后观看小球撞击地面时的慢镜头。慢镜头展现了小球在撞击地面时，发生明显的弹性形变，随后恢复原状，之后小球没有回到原始高度。这也是一个后续待解释的现象。接着，教材安排阅读材料，介绍身体肌肉和软组织的弹性势能在机体运动过程中发挥的作用和包含的能量形式的转化，这充分将学生的生理感受和物理知识建立联系。之后，展示系列观察对象，如弹簧、吉他弦、网球鞋，寻找共同点，促使学生发现这些物体都能发生形变并且恢复原来的形状，初步构建了只有弹性形变的物体具有弹性势能的认识。而在弹性势能的影响因素上，本章弱化处理，仅提问弹性势能、重力势能和动能三种形式的能量具有什么特点和不同。对异同的讨论让学生有机会思考影响因素上的差异，但是教学对于弹性势能的影响因素不作过多要求。

第五章学习机械能守恒，教材设置有三个情境，分别是上一章的弹性小球往返运动（竖直方向）、棒球运动（水平方向）和多米诺骨牌。

回顾到弹性小球的往返运动，提出具有复习作用的问题，如小球在1～7七个点（如图6）包含哪些形式能量？位置4的能量与位置1的重力势能相比如何？在1，4，5，6哪个位置小球动能最大？位置1，4，5，6具有弹性势能吗？在位置3（第一次撞击地面）有能量消失吗？为什么最后小球停止运动？在问题引导下学生逐步从已有的对动能、重力势能、弹性势能的认识开始，分析弹性小球运动过程中各点具有的能量，通过不同点之间各种形式能量大小的比较，让学生发现机械能总量在减小。这其中，学生需要将直观的高度变化和重力势能变化相映射，然后分析出高度降低代表机械能减小，进而联系到减小的机械能损耗在与地面的撞击和与空气的摩擦中。系列問题引发的学习增进了学生对能量的守恒和耗散的认识。

接着提供阅读材料，让学生观察和思考棒球这一美国受欢迎的运动项目。提问：为什么当一个人更快速挥动球棒时会让棒球飞得更远？如果运动员没有挥动球棒，那么棒球撞到球棒时会发生什么？具体观察棒球运动，棒球击中运动的球棒时运动的远还是击中静止的球棒时运动的远？这一情境和弹性小球情境均是撞击，但运动方向各异，更重要的是棒球被撞击后能量可能增加。两个情境对比强烈又相互呼应，共同指向是否有外界的能量的转化和转移到系统内。这为原有的系统带来了不同的影响。

接着学生观察和思考多米诺骨牌的联动过程，其中涉及的能量形式和能量转化表现得更为直观和明显。阅读多米诺骨牌的能量转化后教材设问：将棒球和球棒看成独立的个体，二者撞击时各自的能量有什么变化？如果将棒球和球棒看成一个整体，那么撞击后能量有什么变化？这些问题引导学生关注到系统的概念。最后，面对棒球、球棒、空气、地面，他们如何组成系统，该系统的能量会减小、增加还是不变呢？给学生机会，让他们把对多种形式的能量、能量的转化和守恒、系统的认识综合运用于科学的论证中。

三、教材特色分析

本教材是一套基于真实生活问题，将概念发展和科学能力相融合的项目式学习的教材，具体来说有以下三点特色：

1. 以国家课程标准为依据，设计国家课程的项目化教材

IQWST项目式学习教材，依据美国科学课程标准设计教学活动，开发教学内容，不仅实现课程标准的全部知识内容的覆盖，还重视发展学生丰富多样的科学实践能力。因此它在美国课堂中能够取代其他教材用于日常教学，研究证明它有效促进了学生的科学素养。以初中阶段机械能的学习为例，美国科学课程标准对机械能的相关要求（表现期望）[4] 包括：

MS-PS3-1：构建和解释数据的图形显示，以描述动能与物体质量和物体速度的关系。

MS-PS3-2：开发一个模型来描述当相互作用的物体位置发生变化时，系统中存储势能的大小。

MS-PS3-5：论证当物体的运动能变化时，一定有能量转移。

美国科学课程标准构建出科学概念、科学实践能力和贯通概念相融合的表现期望。从前文分析可以看到，IQWST教材机械能部分依据以上课程标准要求，在总领性问题“为什么有的物体停下来了但是有的物体继续运动”驱动下，设计了5章教学内容（圖2），包括动能、重力势能、弹性势能、能量的转移与机械能守恒。例如，针对科学核心概念“物体由于运动具有的能量称为动能，它与运动物体的质量成正比，与速度的平方成正比”，美国课标要求学生能够达到要求MS-PS3-1。这一表现期望是将对动能的概念发展与数据展示和分析能力相整合。IQWST为实现这一课程标准的要求，在项目中设计了观察思考、阅读理解和实验探究等多种多样的活动，如“活动1.1：观看鲁布·戈德堡视频”“活动1.2：观察令人惊讶的装置”“阅读1.1：永动机”“活动2.1：运动中的物体”“阅读2.1：撞击坑”“家庭作业2.1：动能”“活动2.2：研究动能”“活动2.3：预测动能大小”“活动3.1：探究高度和能量关系”。在发展学生对动能概念逐渐理解的同时发展学生数据表征和数据处理能力甚至科学解释能力。

2. 以大概念为设计主线，通过科学实践促进概念连贯和迭代发展

本套教材聚焦大概念，以大概念发展为主线，用“物质”“运动与相互作用”“能量”贯通整个教材，注重用大概念统领教材。教材设计上从事实经验出发，逐渐关联到科学认识，让学生参与多种科学实践获得概念的连贯和迭代发展，整合形成科学观念，奠定了科学素养中最重要的知识内容基础。如能量一册书，全书以能量这一大概念为设计主线，设计了11章教学内容，章节安排上依序包括动能、势能、动能和势能的转化、机械能守恒、内能、化学能、电磁能等。从能量的形式、转化与转移、守恒、耗散等多个维度共同构建学生对能量的全面认识。

本套教材在发展学生概念认识上，以学生解决问题、推进项目为重要抓手。多种科学思维与实践构成教材活动，实现了能力与概念的整合协同发展。全书的众多栏目和各式活动促使学生经历多种多样的科学实践与探究活动，具体包括提出科学的问题、使用模型、构建科学解释、参与科学论证、分析数据，以及向同龄人汇报展示等。以往的教学关注学习的知识性内容，往往是学习以后将科学知识运用到探究与实践活动中。这样的教学效果在国内外已经证实是不佳的。因此，从本套教材的编排上可以看到，学生必须通过参与科学探究和实践来学习科学概念，这样获得的概念认识更为深刻也更利于使用，并且学生在进行科学实践活动的时候才产生了学习科学的需求与兴趣。

3. 在真实情境中以问题驱动项目式学习

每个项目都以真实问题为引导，驱动项目发展，设计的任务和问题都是真实有意义的贴近学生生活的情境，以此吸引学生兴趣，激发学生学习动机。教材最开始设计了总领性任务，统领全书各个章，令全书结构完整，相互联系。许多场景反复使用，学生在感到熟悉的同时，新问题的生成不断激发学生深入思考和学习。

例如，能量一册书所涉及情境和问题都紧密联系本册书的项目问题“为什么有的物体停止运动而有的物体持续运动？”。首先第一章，学生近距离探索成对的钟摆和陀螺提出疑问，在教学引导下形成科学问题，引发学生脱离一般事例而开始对于物体运动或者停止的缘由产生真正思考，明确项目问题。之后第二章延续使用第一章的研究对象，教材设问让学生容易发现这些物体的共同点，即都在运动，引入动能的概念。第三章延续第二章采用可装水的小罐下落撞击黏土块的情景，开展重力势能的学习。而弹性小球的反弹往复运动更是出现在了教材的多处，既承接重力势能的学习，又作为弹性势能分析的对象，之后又重点讨论了这一模型的机械能转化与守恒问题。在真实生活情景中这些对象的动与停之间，对同一情境相同模型的不断挖掘，驱动学生在项目式学习中构建科学概念，经历科学思维的培养过程。

四、启示

我国新的课程标准的颁布，对基础教育方方面面提出挑战。本文对我国研发项目式学习教材有以下两点启示。

首先，依据新课标要求，在真实情景中设计项目式学习，注意概念与能力协同发展。真实的问题情境激发学生兴趣，促使学生主动学习。学生在学习过程中将转变成学习的主人，自主构建认知的知识与方法。并且，项目式学习所倡导的实际上是一种所知与所能相融合的学习方式，项目式学习过程中包括有问题解决、自我决策、解释真实世界的现象、构建新的知识内容等要素和环节。项目式学习转变了过去以知识内容为中心的学习方法，成为概念和能力协同发展。学习者通过参与科学的思维和实践来学习知识内容，对科学内容建立更深刻的理解；另一方面通过使用科学知识来理解生活现象或设计项目的解决方案，顺利实施科学的学习实践活动。

其次，应注重以科学教育研究成果为支撑开展教材的设计。新时代基础教育改革背景下的新教材的理念应该更先进，理论应该更扎实，目标应该更高远。教育发达国家的主流教材都是大批的教育研究者长期系统研究的成果。因此，积极开展我国的科学教育研究，积累我国的研究成果，将国外优秀经验本土化，这些是开发出适合我国学生项目式学习教材的关键所在。实际上，科学教育研究影响在方方面面，不只是教材，还有课程设计、教学方法、测评研制等，这些都需要以深入、科学的研究为保障。

参考文献

[1] Achieve.The Need for New Science Standards[EB/OL].[2019-04-20].https：//www.nextgenscience.org/resources/why-k-12-standards-matter.

[2] 王磊. 项目式学习实验教科书《化学》教材整体介绍[J]. 教育， 2016（40）：4-7.

[3] KRAJCIK J S，REISER B J.Investigating and questioning our world through science and technology[M].SASC LLC，2013.

[4] NGSS Lead States.Next generation science standards：For states，by states.Washington，D.C.：National Academies Press，2013.