“基于展品的问题、项目双驱动制学习”教学模式实践———以“玩具总动员”之“齿轮传动”课程教案为例

陈 叙 刘蓉蓉①

一、 项目概况

“玩具总动员”项目(1)“玩具总动员”教育项目获第五届科普场馆科学教育项目展评一等奖。对接《小学科学课程标准》中技术与工程领域，结合合肥科技馆20余件相关展品以及教育活动资源开发实施。相较于学校的类似课程，“玩具总动员”项目更加全面具体，同时给予学生时间、空间上的探索自由。

近年来，科技馆界基于展品的优秀教学活动层出不穷，笔者在研究大量案例后发现，驱动式学习日渐成为科学教育实践中的重点，活动开发者利用项目或者问题设计探究活动[1]。但单一式的驱动学习容易造成受众为了完成某个真实的作品, 而缺少围绕核心问题的系统思考，同时学生自主选择、能动性探究过少，综合科学素养很难提升[2]。

针对以上问题，笔者在“齿轮传动”教案中结合5E学习法、PBL等教育理念和方法，大胆尝试“基于展品的双驱动式学习”教学模式。齿轮传动作为玩具常见的传动机构，需要连贯、进阶式的课程体系帮助学生对其形成系统性的认知[3]。所以，本教案的教学过程分为六个阶段：展示现象，问题导入——观察展品，初步探究——提出任务，深度探究——新的挑战，拓展探究——学以致用，制作项目——交流评价，巩固成果。以问题、项目双驱动，引导学生自主完成科学探究的一般过程，掌握分析、推理、归纳、验证等思维方法，通过“展品、实验→设计、制作”实现“知识→应用”。

二、 教学对象与学情分析

教学对象：本课程的具体教学对象为9～12岁的学生。考虑到教师指导难度以及学生的学习环境，每个班级招收人数为20～30人。

学情分析：该阶段的学生认知发展正处于“具体运算阶段”[4]，已具备一定的自主探究能力和集中思维，对未知事物充满好奇心，但缺少分析、推理、归纳、验证等思维意识及方法，以及发散性思维，很难从多角度去解决问题。处于科技馆这一开放式的教学环境下，学生往往只能完成浅显的参观，难以形成深入且系统的认知。在学校教育中，该年龄段的学生已学习了与本教案教学内容相关的“简单机械是人运动力的基本机械元件”，认识了杠杆、滑轮、轮轴、斜面等常见简单机械[5],小学科学课“齿轮传动”带领学生初步了解了齿轮，但只停留在对课件中图片(如自行车、坦克等)的简单观察和对生活经验的简单认知，无法将知识应用于实际问题。

三、 教学目标与教学重难点

(一) 教学目标

科学知识：了解不同的结构可以实现不同的功能；了解齿轮的基本特点；掌握齿轮传动的作用以及在生活中的应用。

科学探究：依托科技馆展品和实验材料，通过观察、分析、比较等方式探究齿轮传动；学会从多方面完成探究任务，从多角度认识齿轮；面对齿轮探究过程中的难题，不轻易放弃，尝试多途径解决问题；学会用整体的眼光看问题，既能发现传动结构的特点，也能掌握传动机构在机械系统中的作用；有效表达探究结论，采用小组合作的形式，敢于对别人的观点提出质疑。

科学态度：对齿轮传动保持浓厚的探究兴趣；根据观察、实验得出的具体数据做出结论，实事求是；学会多角度、多方法完成探究、设计和制作，培养创新精神；学会团结协作，尊重配合他人。

科学、技术、社会与环境目标：了解人类的需求是影响科学技术发展的关键因素；科学技术影响人类生活、思维方式和社会的发展。

(二) 教学重点与难点

教学重点：齿轮传动的特点、作用；不同的机械结构可以实现不同的功能；根据观察到的齿轮现象，推理总结相关结论；齿轮传动在生活中的应用。

教学难点：学生自主观察，发现齿轮结构与传动功能的关系，分析特点、总结规律；运用齿轮传动实现玩具的运动；学生自主探索，完成对齿轮传动由学习到运用、由知识到设计、由问题探究到完成项目的过程；学会质疑，在交流讨论中产生新方法、新创意。

四、 教学场地、教学准备、教学时间

教学场地：合肥科技馆内的科普教室、一楼“机械博览”展区、三楼“WE”展区、五楼“奇妙的传动”展区等。

教学准备：根据不同课程的内容，设计准备相应的教学环境及教具、器材。除每节课常使用到的计算机、网络、投影仪、PPT、教案、学习单、灯光、操作台、音响话筒外，课程“动手做”环节需用到部分耗材及展品(见表1)。

表1 “齿轮传动”课程耗材及展品准备

教学时间：本课程在周末以及节假日进行，每节课时长为120分钟。

五、 教学过程

“齿轮传动”课程重点探究齿轮传动。在之前的课程中，学生已经掌握了玩具的种类与基本构成，能够说出玩具的材料、动力源、传动部分、执行部分、控制部分、连接方式，并详细掌握了一些动力源结构，但对于如何将动力源中的能量继续传递下去，也就是玩具中传动部分(即齿轮)的工作原理尚未掌握。在本节课的后续课程中，还包含凸轮、连杆等传动机构的学习，旨在让学生了解并掌握玩具中几种最常见的传动方式与传动机构，为最终设计玩具提供理论与技能的支撑。

在课程实施过程中，充分利用科技馆展品及市面多种类型玩具，利用齿轮传动的相关问题以及“动手做”项目同时驱动学习，贯穿教学始终。笔者在“基于项目/问题的学习”(PBL教学法)以及“5E教学法”教学流程的启发下，设计出“基于展品的问题、项目双驱动制学习模式”，包含六个教学环节(见图1)。

图1 基于展品的问题、项目双驱动制学习模式

(一) 展示现象，问题导入

阶段目标：通过制造认知冲突来激发学生对齿轮传动的学习兴趣，了解齿轮传动在玩具上的应用，引导学生体验观察、对比、描述的一般过程，提出探究问题。

学情分析：学生对于齿轮有一定的了解，但对于齿轮结构在玩具传动部分的运用知之甚少。对于视频中齿轮在玩具中的应用会产生一定的兴趣，促进学生自主探究的开展。同时，该阶段的学生具备一定的自主观察能力，能够描述物体运动的关键现象。

设计意图：通过视频播放、制造认知冲突等方式创设“问题情境”，实现学生自主观察玩具，进行对齿轮传动的初步探究，形成一定认知经验的目的。根据玩具结构的设计步骤，应是从动力源再到传动机构。再根据玩具设计的基本要求和通用化原则，齿轮传动为玩具的主要传动方式之一，与上节课“液压传动”的课程内容平行。

教学策略：1.视频导入：通过观看视频，使学生在视觉、听觉上形成多方位的感受，引发学生自主思考、解决问题。2.实物观察：不同于多以图片展示的教学，利用玩具直观展示运动现象。学生通过直接体验，形成认知冲突。

教师活动1：播放视频《会飞的小猪》。

视频演示内容1：手摇动把手带动齿轮作圆周运动，通过齿轮组传递动力，最终实现小猪翅膀做上下运动这一过程。

学生活动1：对于齿轮传动在小猪玩具中的应用感到新奇，并且直接观察到小猪运动的过程，产生认识冲突：原本摇动把手呈圆周运动，为什么最后小猪的翅膀会是上下运动呢？与同学交流讨论。

教师活动2：再次播放视频，引导学生具体描述视频中的小猪玩具是如何运动的。

视频演示内容2：同“视频演示内容1”。

学生活动2：认真观看视频，小组讨论并描述小猪运动的过程。

教师活动3：1.总结学生对于小猪运动的描述；2.分发电动汽车、咬手鳄鱼、拉线飞机三种齿轮传动玩具；3.播放《会飞的小猪》视频。

视频演示内容3：小猪的两只翅膀上下运动。

学生活动3：操作三种齿轮玩具，重点对比观察几种齿轮玩具的运动方式。

教师活动4：提问学生：几种玩具都利用齿轮传动，为何最终呈现的运动方式都不一样？哪些因素有可能对其产生影响？

(二) 观察展品，初步探究

阶段目标：以问题为导向，通过展品体验、比较观察等环节，引导学生自主探究不同的齿轮传动方式与哪些因素有关。

学情分析：学生对直接现象比较敏感，对于有趣的现象充满好奇，具有强烈的探索欲望。

设计意图：利用问题引发学生思考，通过展品体验，初步探究齿轮传动。

教学策略：以问题驱动，让学生有目的、有方向地观察展品，体验科学探究的一般过程；小组合作探究，交流意见，促进学生进一步思考，完善自身观点。

教师活动1：带领学生进入展厅，在相关展品中寻找与电动汽车、咬手鳄鱼、拉线飞机三种玩具运动方式相似的齿轮结构。

学生活动1：以小组的形式进入展厅，寻找与三种玩具相匹配的齿轮传动展品：蜗杆齿轮传动、齿轮齿条传动、手动变速箱。

教师活动2：引导学生注意观察几件展品的外观形态、运动轨迹，启发学生探究影响齿轮传动方式的因素。

学生活动2：小组交流讨论，在学习单(见表2)中记录三种齿轮传动的运动方式是通过何种形态、结构以及组合方式的齿轮完成的。

表2 齿轮机构记录表

教师活动3：结合学生探究记录，归纳总结齿轮的运动方式与齿轮形态、结构、组合有关。

(三) 提出任务，深度探究

阶段目标：从问题驱动转变为任务驱动，带领学生将探究结果与动手实践相结合，加深对齿轮传动的理解。

设计意图：学生在了解齿轮传动方式的主要内容后，通过动手拼搭齿轮组，验证探究环节的结论，体验实证的科学方法和过程。

学情分析：经过观察、探究、分析、对比等环节，学生已对齿轮传动产生进一步的认识，可自主思考、选择完成探究任务。

教学策略：在学生的探究基础上提供多种齿轮材料，让学生充分发挥主观能动性，通过动手做验证探究结论。

教师活动1：发布任务，根据老师提供的各种形状的齿轮，动手拼搭齿轮组，使得齿轮组传动由圆周运动转变为往复直线运动，且齿轮的传动速度由快变慢。

学生活动1：小组合作，根据任务要求，自主选择适合的齿轮，动手拼搭。

制作过程：部分学生选择试错法，大致选择几个齿轮拼搭，如果符合要求则完成任务，如果不符合要求则拆开重新选择齿轮组装。少部分学生会参考玩具和展品中所运用的齿轮形态，直截了当选择齿轮并完成拼搭。

教师活动2：总结学生拼搭作品使用的齿轮形态，肯定利用所学知识完成任务的学生，同时，引导学生在确保完成任务的前提下懂得利用多种科学方法，多角度解决问题。

教师活动3：引导学生根据拼搭的成果，思考并验证第二部分探究结果是否准确。

学生活动3：完成第二阶段探究结果的验证，齿轮的运动方式确实与齿轮形态、结构、组合有关。与小组成员讨论过程中发现运动速度的变化似乎也与这些因素相关

教师活动4：引导学生观察玩具和展品，提出探究问题：齿轮传动速度的变化与哪些因素有关？

(四) 新的挑战，拓展探究

阶段目标：拓展传动比的知识，进一步锻炼学生的动手能力和思维能力。

学情分析：经过前面的学习，学生已掌握齿轮传动相关知识，并且能够根据实验数据总结归纳。

设计意图：通过观察玩具以及展品，记录数据，理解传动比的概念。

教学策略：通过实验，收集分析数据，讨论归纳出传动比的概念，理解传动比在齿轮传动中的重要作用，同时，强化科学探究的实践过程。

教师活动1：引导学生再次观察几种齿轮传动的玩具，提出问题：齿轮是如何实现由快变慢、由慢变快的速度变化的？找出影响因素及其关联。

学生活动1：观察玩具和展品，小组讨论，根据上一阶段的探究结果提出猜想：齿轮转速的变化可能与齿轮的大小、组合方式等因素相关。

教师活动2：提供各种不同种类的齿轮，引导学生通过制作验证猜想。

学生活动2：小组合作制作探究，用齿轮拼搭各种不同转速的齿轮组。

制作过程：学生发现小齿轮带动大齿轮可实现减速的效果，大齿轮带动小齿轮可以实现加速的效果。

教师活动3：引入主动轮与从动轮的概念。引导学生观察大小不同的齿轮还存在哪方面的区别。

学生活动3：小组讨论猜想：齿轮转速的变化可能与齿轮的直径、齿牙数有关。

教师活动4：引导学生记录相关因素的数据，根据数据分析。

学生活动4：各小组选择一类齿轮组，利用表格记录数据，并进行分析比较(见表3)，发现各因素间存在比值关系。

表3 数据记录

教师活动5：根据学生的发现，总结齿轮传动的作用，同时拓展传动比：传动比=从动轮齿数/主动轮齿数=主动轮转速/从动轮转速。

(五) 学以致用，制作项目

阶段目标：小组合作完成变速风车的搭建与改造，将所学齿轮传动方式以及传动比内容学以致用。

学情分析：传统教育注重学生知识的积累，学生在知识的正确应用上能力不足；通过前几阶段的学习，学生已掌握了相关知识，亟需通过相关项目加深理解。

设计意图：基于前四阶段的探究成果，学生通过变速风车的搭建与改造加深对知识的理解，体验学以致用的过程。

教学策略：1.任务驱动(见图2)：引导学生通过观察、思考、设计、制作等环节，形成对齿轮传动相关知识的完整建构；2.学生通过项目制作形成直接经验；3.小组合作：学会尊重、理解别人的观点，敢于提出自己的想法。

图2 任务驱动流程图

教师活动1：提供变速风车的相关材料，发布任务：小组合作完成变速风车的搭建。

学生活动1：小组合作，相互配合完成变速风车的初步搭建任务。

教师活动2：进一步提出要求：根据之前所学对风车进行改造，达到变换齿轮形态以及组合方式，改变变速风车的运动方式和运动速度。

学生活动2：观察变速风车的运转过程，制定改造计划，同时利用相关材料，完成对变速风车的改造。

教师活动3：点评学生作品，要求学生再次收集改造后的齿轮数据，利用传动比公式验证第四阶段的探究结果是否正确。

学生活动3：收集数据，进行验证；分享小组间相互配合的探究过程，形成对齿轮传动的完整认知。

(六) 交流评价，巩固成果

阶段目标：通过交流讨论，巩固和深化学习成果。

学情分析：经过一系列的自主探究过程，学生逐渐建立起齿轮传动知识体系，但难以意识到自身的科学认知和完成项目的过程和方式，容易在课后淡忘。

设计意图：通过唤醒、提炼、归纳、升华“科学知识”“科学探究”“科学态度”的学习成果，学生经历这一过程，学会用辩证的眼光看待问题，树立正确的科学观。

教学策略：通过探究——认识过程、改变过程的六大问题设计和“填表→发言讨论→再填表”的过程和方法，促进学生产生新认识、新感悟，将教学过程中的“隐性收获”转变为“显性收获”。

教师活动1：盘点学习探究过程，从以下几个方面发表学习心得体会：齿轮传动初印象；自主探究产认知；追根溯源谈认知；前后对比多变化；探究过程有方法；分析探讨有启发。

学生活动1：根据教师提供的几个方面提示，一一填写，并交流齿轮传动探究过程的心得体会，之后依据该表选择探究六环节中印象深刻的例子，进行发言。

教师活动2：引导学生将听取其他同学发言后产生的新认识和感悟，总结精炼，第二次填表。

学生活动2：仔细聆听同学发言，吸纳更多的科学方法、科学态度、科学知识等内容，总结归纳后再次填写《“齿轮传动”学习成果交流表》(见表4)。

表4 “齿轮传动”学习成果交流表

六、 实施情况与效果评估

(一) 实施情况

“玩具总动员”课程共实施3期，受众人数97人。其中，85%以上学生能够通过课程学习，自主完成玩具的设计与制作；10%左右的学生在制作过程中发现无法实现玩具的动作，进而采用简单结构代替；5%左右的学生能对已有玩具进行模仿制作。相较前两期，第三期课程有所改进，学生接受度较高，整体制作水平显著提升。

(二) 效果评估(2)本项目采用以动态评价为主的综合性评价方式。

1. 动态评价[6]

“玩具总动员”课程项目评价从课程招生环节开始，关注学生在学习过程中不同时间段的发展变化、能力提升。关注到学生已具备的能力的同时，着眼于其能够通过教学所获得的潜力。从认识玩具到设计制作玩具，内容设计从易到难、层层递进，不断调动学生学习的积极性，引导学生发挥潜能。以学习单为例，问题设计由浅入深，有通过观察、操作可以直接得出答案的问题，也有需要利用所学知识，设计、计算、制作的问题。教师通过学生的课堂听讲、学习单、思维创新、玩具设计制作等情况，进行记载评价。在“齿轮传动”一课的学习过程中，教师设计《“齿轮传动”学习成果交流表》引导学生填写。通过“填表→发言讨论→再填表”这一过程，教师不仅清晰的看到学生在探究实践中学习掌握的“科学探究”“科学态度”成果，也能帮助教师接收“唤醒、提炼、归纳、升华”教学设计效果的反馈。

2. 诊断性评价

“玩具总动员”课程通过线下考试统一招募学员。招生试卷主要考察学生与课程主题相关的科学知识水平、使用工具能力、创新设计能力以及逻辑思维能力等等。招生测试结果分析可知(见表5)，学生综合能力居于中等，其中使用工具能力、绘图表达能力偏弱。经过课程学习，85%的学生能够自主设计制作玩具，10%的学生能制作简单作品，5%的学生完成模仿制作。

表5 测试结果分析

3. 多主体评价

“玩具总动员”课程将学生自评与学生互评相结合，再综合教师评价、家长评价。课前，学生家长统一进入“玩具总动员”家长交流群；课程期间，家长就学生的学习情况以及自己对于课程的见解，在群中讨论分享；课程结束后，统一发布调查问卷，由学生和家长共同完成。作为课程评价的重要部分，教师就家长的意见进行收集、整理、分析，无论是对学生的学习、教师的教学以及课程的完善，都起到了非常大的促进作用。多元化的评价主体有效地避免了因评价主体单一而造成的片面的，甚至是错误的评价，结合教师、学生、家长的多主体评价反馈的信息具有真正借鉴、指导的价值。

“玩具总动员”课程自2018年9月推出以来，已经成功实施三期。与第一期课程相比，第三期课程内容逐渐系统化，评价机制也越来越完善。学员的综合能力也有了大幅度的提升。第一期课程从设计到制作，65%左右的学生能够顺利完成，第三期课程提升到85%以上，教学效果的显著提高，在课程中，学生敢于质疑、不轻言放弃的科学精神也得到增强。

七、 总结与反思

“玩具总动员”课程融合数学、物理、历史、美术等多学科知识，帮助学生掌握科学方法，锻炼学生的创新思维、动手能力、语言表达能力等综合能力，有助于培养学生勇于质疑的科学态度和百折不挠的科学精神，提高学生的科学素养。在活动实施的过程中，我们也发现了一些值得改进的地方。主要是大部分学生在前两个环节的学习后，依然没有建立起“什么样的齿轮结构实现什么样的功能”的概念，针对这种现象，可以对教学过程进行以下修改：第一，在第二阶段活动的“齿轮机构记录表”中增加一栏“功能(作用)”，强化不同齿轮结构对应不同的功能作用的概念并建立对应的联系，提高学习效率，培养理性思维，减少盲目试错。第二，第三阶段学生收到的任务是“动手拼搭齿轮组，使得齿轮组传动由圆周运动转变为往复直线运动，且齿轮的传动速度由快变慢”，一次叠加了“改变运动形式”和“改变运动速度”两项任务，易引起学生思维混乱和畏难情绪。针对这种情况，可以在课程实施过程中进行分步设计，先分别完成单项功能，再作组合设计。