初中科學指向深度學習的STEAM理念下PBL（項目）的開發和實踐

許陽英 高敏娜

(杭州市余杭區仁和中學 浙江杭州 311100)

一、緣起

近幾年，STEAM教學理念下的課程熱火朝天地開展著，很多初中以社團活動中3D打印、空模等形式展開，但是這種課程需要專任的技術教師，學校在建設等方面的投入也會很大，一般學校無法實現。

基于以上兩種現狀，在STEAM理念下開發高效廉價的PBL（項目）能更好地激發學生的興趣，讓學生主動探究，彌補課堂教學中難以做到的長時間的深入探究，促進學生進入深度學習，發展學生的核心素養[2]。

二、核心概念

Steam教學：是科學、技術、工程、人文（美術）、數學教育的融合。主要以基于項目的學習、問題的學習為主要教學方式，引導學生通過實踐性的工程教育，培養學生的實踐、創新能力，從而提高學生的綜合素養。

深度學習：從一個真實的情境問題中，學生在教師的引導、促進下，積極主動地學習，并能學以致用，是一種高認知、高表現、個人化學習的學習。

基于問題的PBL（項目）學習：以解決一個情景或者研究中的問題為驅動，在解決問題時學生反復考慮，仔細推求，多方討論，呈現方案，并實施，尋找現象背后的真相（性質或規律）或問題的答案的學習，是一場持續性的深入探究的學習[3]。

三、設計思路

四、基于問題解決的PBL項目實施案例

（一）“火山爆發”噴發效果的探究

1.發現問題

七上科學的學習中，學生有學習到關于火山及火山噴發的相關知識，有學生提出想親身“感受”火山爆發時的壯觀。如圖：

用什么材料才能較大程度模擬火山噴發的過程呢？學生在網上尋找到不同的“配方”，整理如下：

實驗方案的匯總

實驗方案的匯總方法 材料 效果1 雪碧（可樂）和曼妥思images/BZ_7_1692_2356_1801_2498.pngimages/BZ_7_1835_2355_1949_2496.pngimages/BZ_7_2031_2355_2120_2493.pngimages/BZ_7_2159_2355_2241_2498.png2 雙氧水、洗潔精、酵母粉（大象牙膏實驗）images/BZ_7_1680_2510_1961_2646.pngimages/BZ_7_2076_2513_2182_2660.png3 水、泡騰片、色素、食用油images/BZ_7_1690_2680_1961_2823.pngimages/BZ_7_2076_2675_2170_2829.png4 醋、水、小蘇打、色素、洗手液images/BZ_7_1689_2846_1961_2976.pngimages/BZ_7_2070_2841_2176_2976.png

照片顯示，實驗效果很好，但哪個更方便了解火山噴發的全過程？組員選擇實驗1、3、4進行探究。

2.制定方案

項目名稱 用什么材料能較大程度模擬火山噴發的過程？任務目標 了解火山爆發的全過程、火山的基本結構等團隊分工 技術總監：仲童樂 創意總監：余凱 財務總監：馬駿項目實施第一階段（第2周-第3周）：信息收集整理（具體見實驗方案匯總）第二階段（第4周-第5周）：分工、各自完成自己實驗部分的實驗設計并完善第三階段（第6周）：購買材料或設計制作所需材料第四階段（第7周-第9周）：項目實施，并記錄結果第五階段（第10周-第12周）：分析結果，交流評估實驗一：1瓶可樂、1瓶雪碧、兩包曼妥思實驗二：80mI清水、20滴色素、160mI食用油、1片泡騰片實驗三：小蘇打、白醋、紅墨水、礦泉水瓶、洗潔精或洗發水實驗四：小蘇打、白醋、水、2個礦泉水瓶、洗潔精或洗手液、2根攪拌棒、盤子、秒表所需材料、工具images/BZ_8_343_1075_529_1323.pngimages/BZ_8_554_1095_771_1317.pngimages/BZ_8_794_1087_963_1320.pngimages/BZ_8_981_1087_1205_1299.png成本預算 60元

3.產品實施

實驗一

實驗設計

成品制作

數據收集

實驗二

實驗設計成品制作

數據收集

實驗三

實驗設計

數據收集

洗潔精組：

實驗四

實驗設計

成品制作

數據收集

洗潔精組：6秒

洗衣液組：9秒

4.項目評估

①泡騰片實驗效果明顯，清晰地模擬巖漿噴出的過程，還能看到類似火山錐、巖漿通道、火山口等結構。

②小蘇打和白醋混合實驗效果較弱。不同材料會影響“爆發”速度。加洗潔精比加洗手液更能促進“火山噴發”。

5.交流與評價

做完實驗后，筆者與組員一起分析各實驗的原理。

實驗一：可樂中含大量高壓壓入的二氧化碳，打開瓶蓋的瞬間，壓強減小，二氧化碳從可樂中緩慢溢出。氣體產生通常要附著在某種表面或是顆粒上，稱為“成核現象”，如果把曼妥思放大百倍，可以看到糖的表面存在很多小孔，多孔的結構使它變成一個很好的產氣“核”，二氧化碳可以大量附著在糖表面，促使溶解的二氧化碳迅速釋放。并且曼妥思的密度大，加進去立刻沉底，在底部迅速形成氣泡，將頂部液體頂出，產生噴發甚至小型爆炸的效果。該過程沒有新的物質生成，不是化學變化。

實驗二：泡騰片中含有碳酸鈉和檸檬酸，接觸到水時發生反應，放出二氧化碳，而二氧化碳又導致藥片崩裂，反應更加劇烈。產生的二氧化碳部分溶于水，部分溢出，當積攢到一定程度后，氣泡帶動含色素的水到油的上方，甚至沖出油層，最終因為水的密度比油大，所以水又會下沉。

實驗三、四：小蘇打是碳酸氫鈉（NaHCO3），呈堿性，白醋中含有醋酸（CH3COOH），呈酸性。小蘇打與白醋能（復分解）反應生成醋酸鈉和碳酸，而碳酸及不穩定，繼續分解為二氧化碳和水。二氧化碳氣體遇到混了水的洗潔精后，產生了很多泡泡，并使瓶內氣壓變大，將泡泡從瓶中壓出。

6.新的火花

在實驗過程中，所有材料都有“火山噴發”的效果，但他們材料是無固定的用量的，我們想這不能直接得出是哪一種材料的影響更大。根據這種情況我選用小蘇打與白醋來做研究，想知道小蘇打與白醋的比例是否會影響“火山爆發”的強烈程度[4]。

實驗設計

準備實驗材料

水、一袋小蘇打、一瓶白醋、礦泉水瓶、墨水、洗衣液

產品實施

數據收集

從實驗結果中可以知道，實驗①的實驗反應比較劇烈，效果比較好

項目評估：說明當白醋與小蘇打比例為1:1時反應較強。

（二）可樂做冰沙系列探究

1.發現問題

夏天，我們常會吃冰沙，但冷飲店的冰沙往往是將一整塊冰磨碎后制作的，筆者發現在網上有種簡易方法：可樂大概冰凍1-2個小時，直接搖晃就能做出冰沙，但哪些因素會對做出的冰沙效果有所影響？組員展開探究。

2.制定方案

項目名稱 可樂做冰沙系列探究任務目標 掌握物體的三態變化，液體的凝固點，并了解凝固點受氣壓影響。團隊分工 技術總監：孫豐濤 創意總監：陳俐輝 財務總監：王玲瓏項目實施第一階段（第1周）：建立猜想、分工第二階段（第2周-第5周）：個人完成實驗設計、小組討論完善方案、提出新構想第三階段（第6周-第10周）：準備實驗材料、項目實施，并記錄結果第四階段（第7周-第8周）：反饋結果、交流評估第五階段（第9周-第12周）：實驗改進、重復實驗所需材料、工具 可樂、碗、冰箱成本預算 80元

3.產品實施

實驗一：汽水體積是否會影響做出的冰沙效果實驗設計

數據收集

實驗組別 A（300ML） B（500ML） C（680ML）images/BZ_9_1527_2718_1779_2904.pngimages/BZ_9_1782_2718_2034_2904.pngimages/BZ_9_2037_2718_2288_2904.png冰沙效果images/BZ_9_1527_2907_1779_3111.pngimages/BZ_9_1782_2907_2034_3111.pngimages/BZ_9_2037_2907_2288_3111.png很少 較多 很多

項目評估

汽水體積與做出的冰沙效果有關，體積越大，冰沙效果越好。

實驗二：汽水種類是否會影響做出的冰沙效果

實驗設計

數據收集

組別 可樂 雪碧 芬達冰沙效果images/BZ_10_332_1087_554_1417.pngimages/BZ_10_557_1087_778_1417.pngimages/BZ_10_781_1087_991_1417.png較多 較少 幾乎沒有images/BZ_10_994_1040_1208_1480.png

項目評估

不同種類的碳酸飲料會影響做冰沙的效果，其中可樂效果最好。

實驗三：汽水冰凍時間是否會影響做出的冰沙效果

實驗設計

數據收集

時間 1.5小時 2小時 2.5小時冰沙效果images/BZ_10_332_2469_554_2857.pngimages/BZ_10_557_2469_778_2857.pngimages/BZ_10_781_2469_991_2857.png基本沒有 有少許 很多images/BZ_10_994_2417_1208_2913.png

項目評估

可樂冰凍時間會影響做出的冰沙效果。在一定時間內，冰凍時間越長，冰沙效果越明顯。

實驗四：在冰凍前、后分別搖晃（撞擊）可樂是否會影響實驗效果

實驗設計

收集數據

組別 A瓶（冰凍前搖晃） B瓶（冰凍后搖晃） C瓶（冰凍前后都搖晃）冰沙效果images/BZ_10_1419_859_1699_1228.pngimages/BZ_10_1702_859_1995_1228.pngimages/BZ_10_1998_859_2288_1228.png較明顯 最明顯 很明顯

產品評估

在冰凍前后搖晃可樂會影響實驗效果，且“冰凍后再搖晃”實驗效果最好。

4.交流與評價

做完實驗后，筆者與組員一起分析實驗的原理，發現氣體壓強的大小影響液體的凝固點，可樂冰沙利用“壓強越大，凝固點越低”的原理來制作。具體的原因是：可樂生產過程中高壓壓入大量的二氧化碳，使瓶內壓強很大，可樂凝固點降低，所以在冰箱冷凍室1-2.5個小時也能保持液態。搖晃或撞擊可樂可以加快氣體溢出，當擰開瓶蓋的瞬間，二氧化碳就會迅速冒出，氣壓瞬間降低，凝固點隨之上升，使可樂從原來的液體變成了固體狀的沙冰。

五、收獲與展望

（一）收獲

對于學生：

對于教師：

因為科學是一門綜合性的課程，希望通過項目的開展，更好地融合學科的關系。借此也能更有方向性地提升教師的專業能力和核心素養。在此過程中，也能深入挖掘課程內容，讓教師保持對學科教學、探索的熱情。

（二）展望

筆者現在的項目設置已有初步的進展，課程仍有待繼續挖掘。并且筆者希望將其做成拓展性課程，接下來仍需要開發更多的案例。希望在不久的將來，可以有一套較成熟的課程內容。