STEM理念下的项目式学习设计

刘晴

摘要：以制作暖宝宝为例进行STEM理念下的项目式学习案例设计和评价设计，通过制作暖宝宝和改进暖宝宝的2个学习任务完成案例设计，通过建立项目式学习评价模型进行学习评价设计，利用科学、技术、工程和数学跨学科知识，在真实情境下解决实际问题，激发学生学习热情，为我们的课堂提供一种新的思路。

关键词：STEM;项目式学习;暖宝宝;跨学科知识

文章编号：1008-0546（2022）04-0057-04

中图分类号：G632.41

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.012

文献标识码：B

STEM是科学、工程、技术、数学四门学科的简称。STEM起源于美国上个世纪90年代，迫于科学教育与工程技术的脱节和培养创新性人才的需要，为提高科技教育的质量，美国提出了STEM教育，以培养具有STEM素养的人才。STEM教育关注现实生活中真实的情境，引导学生进行问题解决，发展批判性思维和创新能力。目前，项目式学习在STEM教育中获得广泛的关注，其学习特点是以学生为中心，设计驱动性问题，促使学生对真实的专题进行深入探究，学生在学习过程中表现得更具内在动机[1]。本文通过有关STEM的主题开展项目式学习，设计以学生为中心的实践性学习活动并进行评价。

 一、STEM理念下的项目式学习案例设计

1.STEM理念下的项目式学习内容分析

STEM教育培养学生解决真实世界问题的能力，人体健康、能源效率、自然资源、环境品质、危害减缓以及新知等都可以作为STEM的切入点[2]。根据《普通高中化学课程标准（2017版）》必修主题3“物质结构基础与化学反应规律”，以制作暖宝宝为例设计STEM理念下的项目式学习活动。该项目涉及STEM的学科知识如表1。

2.学习目标、评价目标与项目流程

本项目以化学反应中能量转化为核心概念，引导学生探讨化学能与热能转化在生活中的运用，并完成制作暖宝宝的项目任务。通过驱动问题的层层深入，项目任务逐步推进，使得学生加深对知识的理解与迁移，构建更有深度的知识体系。项目学习目标为：（1）了解暖宝宝的发热原理，认识物质具有能量，初步建立化学反应与能量转化的认识模型。（2）通过制作暖宝宝学会利用知识应用于生活实践解决实际问题。（3）通过暖宝宝的改进培养自己的反思能力和提高自身的问题解决能力。评价目标为：（1）通过对暖宝宝发热原理的解释与发热过程描述，诊断并发展学生对化学反应与能量转化的认识水平。（2）通过对暖宝宝物质成分的实验探究和暖宝宝的改进优化，诊断并发展学生的实验探究水平和问题解决水平。（3）通过对暖宝宝产品展示与点评，诊断并发展学生获取信息、沟通交流的能力。

本项目的具体实施流程如图1所示。

3.教学过程

任务一：请利用化学方法为户外作业人员制作暖宝宝

[创设情境]热能是人类生活中经常使用的能量。人类、动物的活动，食物的蒸煮等等都需要热能。从古至今人类取暖的方式多种多样，烧柴取暖、使用暖水袋，利用空调制热等等。请同学们利用物质的化学变化，为户外作业人员设计一款具有不同功能的暖宝宝。请从发热速度，发热量，经济效益，是否易于携带几个方面考虑你所要设计的暖宝宝。

[调查研究]

问题：（1）哪些反应可以放热，怎样加快反应速率？（2）计算暖宝宝的配比。

学生活动：通过数据比较，铁与氧气反应放出的热量最多。反应物氧气来自源源不断的大气，铁的价格又很便宜，且易于携带。铁与氧气反应十分缓慢，为了加快反应速率在铁粉中加入碳粉形成原电池可以加快化学反应速率。根据化学反应方程式计算暖宝宝的成分配比为铁粉至少为总质量的56%，食盐水至少为总质量的18%，碳粉为总质量26%。

[确立方案]问题：确定了暖宝宝的主要成分，我们把铁粉、碳粉与水的混合物称为发热剂A，氧气为发热剂B，如何将发热剂A和B隔开，避免未使用就发生反应呢？

学生活动：将发热剂A放在真空袋中密封，待到需要时剪开真空袋，直接与空气接触便可反应。设计实验方案如表2所示。

[进行实验]问题：哪些因素会影响发热剂的发热效果呢？学生活动：小组讨论并初步尝试制作暖宝宝，记录实验数据如图2所示。

实验反思：铁粉与碳粉，饱和食盐水混合后，迅速放出大量的热，温度持续时间较短。1加入水的量会影响暖宝宝发热效果，太多水会导致吸热2原料的粒度会影响发热效果，原料如果结块会减小与空气接触的面积。

设计意图：利用生活中常见的暖宝宝设置任务情境，通过实验探究和定量计算探究暖宝宝的组成和发热效果，引导学生从方案设计，模型确立，实验探究逐步形成正确的探究思路，锻炼实验操作能力，提高学生的核心素养。

任务二：改进优化暖宝宝设计

[测试修改]

問题：经过刚才的测试，你认为暖宝宝发热越快越好吗？怎么控制暖宝宝的发热速度？

学生活动：将发热剂A包装打开，迅速与大量空气接触，短时间内会放出大量的热。发热速度太快容易灼伤，并且发热时间很短。如果氧气能慢慢渗透到发热剂A中，这样就可以避免暖宝宝发热过快。改进暖宝宝的实验方案如表3所示，改进的暖宝宝设计如图3所示。

实验反思：通过无纺布包装发热剂A，这样可以控制透氧的速度，不至于反应升温太快，还可以延长发热时间。

[优化设计]设置限制条件调控温度制作专用于手部的暖宝

宝。冬天户外作业人员手部温度由最低温度15°C升高至正常体温37°C，所需发热剂多少？

资料：如果我们知道手指的比热容，根据Q=cmΔt就能很快算出手指从15°C升高至37°C所需要的热量，得出数据Qd，然后再用ΔH=Qd/M（Fe），从而得出所需发热剂中铁粉的质量。

学生活动：根据公式Q=cmΔt计算，首先需要知道手指的比热容。我们用香肠模拟人的一根手指，将加热过的香肠放入室温下的水里。保证香肠的温度全部传递给水即Q水=Q香肠。测量水的初始温度记为t0，当温度达到一个高原区后，再测定温度记为ti，得出Q水;已知香肠质量为m，初始温度为t1，最终温度为tii，计算得出C香肠的值。

问题：那么怎样保证香肠的温度全部传递给水呢？

学生活动：保证盛放水和香肠的容器绝热，可以给容器外加上绝热材料。

小组讨论用什么绝热材料减小热量的损失。方案一可以在容器外加泡沫塑料，方案二可以用纸咖啡杯多套几层。学生设计实验方案进行实验（表4）。

设计意图：进一步提高情境的复杂性和问题的难度，引发学生深入思考，加深对知识的理解和迁移。使用温度传感器等数字化实验仪器，让学生体会信息技术在实验探究中的重要应用。通过螺旋上升式问题和驱动性任务，培养学生的问题解决能力和创新能力。

二、STEM理念下的项目式学习评价设计

项目式学习使得我们对学生的评价有了新的思路，学生可以得到比一个简单成绩更多的反馈。学生可以在一个项目上获得多个成绩，从而更好地将注意力集中在他们需要改进的地方[3]。学生在学习过程中学会了反思，获得了个人成长，这正是教育者所期待的结果。因此，本次教学活动更适合采用过程性评价、形成性评价等评价方式。笔者根据王珏研制STEM课堂教学评价量表[4]设计了项目式学习评价模型，并依据此模型對本活动进行评价。

笔者在课前给每个小组分发了工作日志表，要求学生从研究计划，设计模型，复盘反思，实验结果，产品功能以及评价交流这6个方面进行记录，并给学生做了一定的解释，活动结束后笔者收集工作日志表，从这6个维度对小组绩效表现进行评价（图4）。

从收集的反馈情况看，大多数学生都能较好地完成研究计划，设计各种暖宝宝模型，实验结果记录与分析也较为详实，产品功能多样化。有的学生还查阅了文献，了解到利用化学反应放热原理还能做出其他物质的暖宝宝，例如醋酸钠发热暖手宝，有的还设计专门为女生使用的暖宝宝以及可以装在手套里的暖宝宝。但在复盘反思和评价交流模块学生缺少记录，只有少数同学进行记录，有同学写到“暖宝宝卖贵了”，考虑到暖宝宝的经济效益;有同学写到“提高了设计实验和查阅资料的能力”，也有同学认为“这样的学习活动很有意思，动手实践体会更深刻”总结了自己的学习收获。制作暖宝宝的项目式学习活动获得了学生的普遍认可，使学生获得了不同的学习体验。

三、教学反思

STEM理念下的项目式学习使学生从生活角度了解暖宝宝，从科学、技术、工程和数学角度认识暖宝宝，从实际应用创新暖宝宝，通过驱动性问题，自主进行实验设计，由简到繁逐个突破任务难题，面对疑难问题主动复盘反思，不断批判思考最终建立问题解决的正确方案;在小组合作学习中相互学习，形成深度思维，提高学生核心素养，获得了学习的成就感，感受到学习的快乐。

项目式学习也使教师重新变成学习者，不再是仅仅向学生灌输知识，而是引导学生掌握重要的学科思想和学习方法。教师要为学生设计有效的项目，使学生接触具有真实性的、挑战性难题或问题，形成持续性探究，引导学生复盘反思，让学生在学习过程中更积极主动，更有信心。学生在每完成一个任务的时候，都能自主学习并运用学科知识解决问题，培养了批判性思维能力，锻炼了合作和自我管理能力。STEM理念下的项目式学习对教师和学生都是一种有益的尝试，它为我们的课堂提供一种新思路，让我们的课堂绽放更多精彩。

参考文献

[1]许华红.基于项目的学习文献综述[J].教师博览（科研版），2014（5）：8-10.

[2]范斯淳，游光昭.科技教育融入STEM课程的核心价值与实践[J].教育科学研究期刊，2016，61（2）：153-183.

[3]苏西·博斯，简·克劳斯.PBL项目制学习[M].北京：中国纺织出版社，2020.

[4]王珏，邓嫦圆.基于小组合作探究模式研制STEM课堂教学评价量表[J].生物学通报，2017，52（12）：12-15.