“做一把仿生燒瓶刷”項目學習實踐

科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任是科學課程的核心素養內涵，探究實踐是主渠道，科學思維是核心。項目學習能滿足思維型探究的需求，引領學生在真實情境下融合多個學科知識，圍繞項目主題經歷設計、修改、再設計、建模來完成項目，解決實際問題。

在“做一把仿生燒瓶刷”項目學習中，教師創設項目情境，提出問題，引導學生形成探究需求，根據項目要求初步設計、建模，對初次建構的模型進行比較分類，在批判解釋的過程中引發求異思維，促進對項目方案的再設計，進而在教師提供學習支架的基礎上進行迭代設計，凝聚思維，對模型進行重組和創造，建構生活模型解決問題。

一、提出問題，明晰項目任務

前期研究是項目實施的重要環節，能夠激發學生開啟思維之門。圍繞做仿生燒瓶刷這個項目，學生要先思考做這把刷子所需的材料、大致結構和功能等信息，然后利用文獻檢索、探究實驗等方法獲取所需要的知識、信息和經驗，對所收集的材料進行判斷和分析，為以后的項目實施奠定基礎。

1.創設情境，提出問題

在實驗室清洗燒瓶時，學生發現燒瓶的瓶頸細長、瓶肚較大，這樣瓶肚里的臟東西用水沖不掉，用抹布又塞不進，這可怎么辦？幾個學生清洗許久，依舊不能清洗干凈，因此主動提出：“需要一個適合清洗燒瓶的工具。”結合五年級“仿生”單元，學生已經學習了《生物的啟示》《蛋殼與薄殼結構》《海豚與聲吶》三課，初步認識到工程師利用生物的啟示，發明了許多有利于生活生產的產品來解決生活中的問題。在此基礎上，教師引導學生結合自然界事物的結構、功能及相互關系，設計制作一把可以刷燒瓶的仿生刷子。這樣融入生活情境，引發思維，聯結已有經驗，產生解決問題的需求，自然生發項目。

課堂上，教師出示5種生活中常見的刷子，讓學生從中選擇合適的刷子。大多數學生選擇了奶瓶刷和試管刷，給出的理由是：奶瓶刷和試管刷的長度與寬度比較適宜，而且奶瓶刷的海綿和試管刷的刷毛具有一定的彈性，能夠在一定空間里壓縮，既可以伸進瓶內，又可以起到清潔作用。從學生的回答中，原型的刺激使他們更進一步關注到了刷子的尺寸與材料性能的關系。

2.拆解問題，形成進階式任務

當用奶瓶刷和試管刷嘗試刷圓底燒瓶時，學生發現還是刷不到位，因為燒瓶的瓶肚比較大，刷子不能彎曲，刷不到瓶肚的每個地方。這時，教師引導學生系統考慮“做一把仿生燒瓶刷”的項目要素，把項目進行拆解，并尋找相關的學科知識與技能的支撐，使學生思維逐步由抽象走向具象，形成環環相扣的進階式任務（如圖1）。

圖1就是對本項目進行問題拆解，引導學生思考這把刷子的功能、材料、結構和設計，從而形成了進階式任務：調查需求、分析材料、結構分析、技術支撐。學生逐步明確項目中需要用到哪些學科知識與能力，在感知與探究主題有關的總體信息中明確一個或多個要素信息，并有效分析信息來源與類型，從而持續有效地解決問題。

二、模型分析，形成評價標準

模型分析能夠促使學生進一步理解模型的要素與結構，是對事物本質屬性的一種系統思考。學生通過對以上問題的分析與討論，想到可以用木棍、鐵絲等作為刷子把手，用海綿、魔術貼等作為刷毛，同時借助橡皮筋、雙面膠、扭扭棒等作為連接工具，對腦海中的燒瓶刷進行第一次制作，并進行清洗測試。待所有小組完成1.0版的刷子制作后，教師將學生遇到的問題寫在便利貼上，并貼在問題展板上，進行分類匯總，引導他們討論解決問題的方法（見表1）。

表1中的問題充分暴露了學生對原有設想產生的思維碰撞，教師引導他們對這些問題進行分類整理，明確解決問題的方法。學生明確地感受到，在制作這把仿生燒瓶刷前需要制訂一套評價標準，因此在師生合作的基礎上學生制訂了產品評價水平等級（如圖2）。

從圖2可以看出，學生以1.0版的刷子制作時發現的問題為目標，在思考交流中形成相對應的四個評價標準，再根據評價標準對模型進行螺旋式設計和修改，直至達到理想水平。其中水平1表現為優秀等級，四項標準均能達成，刷子刷燒瓶效果好；水平2表現為良好等級，基本能達成，產品有一些缺陷；水平3和水平4分別是基本合格等級和不合格等級。這樣的評價標準是學生制訂，促使他們針對評價標準不斷修改自己的產品，體現教、學、評一體化。

三、豐富資源，促進螺旋設計

通過1.0版的刷子模型制作，學生已經意識到普通的刷子并不能起到很好地清洗燒瓶的作用，需要針對評價標準設計一款新型的工具。教師組織學生進行頭腦風暴，鼓勵他們積極討論，尋找解決問題的辦法，并回憶學習過的“仿生”單元，看能否從中獲得啟示，尋找設計的突破口。同時，教師為學生提供“蝸牛腹足吸附玻璃表面、人體舌頭在口腔里旋轉、植物枝條分叉狀、河豚遇敵鼓氣”四種生物特點，引導學生從外形、結構、功能、行為方式等方面重新設計這把仿生燒瓶刷，促使學生思維螺旋發展。學生通過小組討論，在充分征集意見基礎上開展了再設計的項目過程，創新設計出4種2.0版本的刷子（如圖3）。

設計1

根據蝸牛能夠吸附在光滑的玻璃表面，聯想到磁鐵隔著物體也具有吸力的特點，在瓶內放入一個裹著刷毛的小磁鐵，瓶外用一個磁力大點的磁鐵，移動瓶外大磁鐵，在就可以帶動瓶內的小磁鐵移動，清洗瓶肚。

設計2

根據河豚遭遇攻擊時往往會使身體充氣變成球狀的特點，思考用氣球作為刷子的內部結構之一，只要在氣球上粘一些刷毛，不充氣時放入瓶內，充氣后，帶刷毛的氣球鼓起來，旋轉晃動就可以清洗瓶肚，如需從瓶內取出，只要將氣球放氣即可。

設計3

根據樹杈既可以展開又可以在一定程度內彎曲的特點，聯想到借助木棍來模擬樹杈，用橡皮筋捆綁兩根木棍來模擬樹杈，這樣的好處是進入瓶口時兩根木棍并攏，進入瓶子后，木棍交叉展開，可以清洗瓶肚。

設計4

根據人體舌頭以舌根為基點，在口腔里旋轉的特點，想到把海綿的一端綁在木棍上模仿舌頭在口腔內活動，轉動木棍，帶動海綿清洗瓶肚。

這些小組受到學習單的啟發，對刷子進行再設計，不斷地主動獲取生物世界的信息，并將輸入的信息進行加工提煉，通過設計再將內化的信息進行有效的輸出，建構平面模型，讓學生不斷地對仿生學概念、原理、流程有了更清晰的認識，促使他們不斷產生思維的火花。

四、檢驗模型，初步改進產品

模型檢驗是學生利用設計、制作的思維模型解釋真實事物（原型）的關系或結構，對學生的思維起到監控和調節作用。本項目從平面圖紙到立體模型，考查學生的空間轉化能力和動手實踐能力。學生以“產品評價水平等級”為指引，在不斷調試檢驗和修正的過程中發現問題，并進行迭代改進。

設計1的改進

學生發現放入瓶肚的磁鐵要盡可能小一些，否則包裹海綿后就無法放進瓶肚，而瓶外的磁鐵要盡可能大一些，否則抓握時很費力。又有學生考慮到“價格”這一指標，想把內部的磁鐵換成價格更加便宜的鋼珠，測試后發現，隔著玻璃相吸時，包裹了海綿的鋼珠容易掉落，最后在權衡之下還是選擇了較貴的磁性巴克球。這樣調整后，就可以利用瓶外的磁鐵吸引瓶內包裹海綿的磁性巴克球進行滾動，從而清洗瓶肚（如圖4）。

設計2的改進

學生發現利用河豚鼓氣原理制作的刷子，氣球外部海綿不能太厚，否則就受到瓶口直徑的限制。因此，學生在氣球的頂部和氣球柄處粘貼適量海綿，根據瓶口的直徑多次實驗，確保沒充氣的氣球能裹著海綿進入瓶肚。他們想到用長尾夾作為氣球充氣和放氣的閥門，這樣氣球充氣時就能帶動海綿清洗瓶肚（如圖5）。

設計3的改進

學生受樹杈結構的啟示，用橡皮筋捆綁兩根木棍，將木棍伸進瓶內后進行交叉從而清洗瓶肚，但通過測試發現，木棍交叉的角度受瓶頸粗細的限制，并不能張開很大。如果這時只考慮是否可以進入瓶肚，而卷上較薄的海綿，是無法刷到瓶肚的，而增大包扎的海綿，又塞不進去。幾次測試后，學生想到用皮筋捆綁的木棍，高度是可以調節的，將兩根木棍處于不齊平的狀態，先后進入瓶肚，再將兩根木棍拉至齊平，然后張開，便可以刷到瓶肚了（如圖6）。

設計4的改進

學生通過測試發現海綿太軟了，雖然能夠觸碰瓶肚但是清洗效果并不好。學生想到需要增加刷子的硬度，又必須具有一定的彈性，能夠比較自由地在瓶肚內彎曲。后來經過改進，在海綿舌頭中間加了一根細鐵絲，這樣海綿不至于太軟使不上勁，又可以輕松地彎曲，進而清洗瓶肚（如圖7）。

以上四種燒瓶刷就是學生在實際測試檢驗中發現問題，并且利用這種思維改進形成的最終模型，解決清洗瓶肚這一項目任務，凝聚了小組成員的智慧，將思維引向深處。

五、展示交流，優化升級產品

本項目采用“漫步畫廊”的展示交流方式，即每組留1人介紹，其余3人參觀其他組的產品。學生在寬松、和諧的環境中展示自己的產品，介紹設計理念與測試后的功能分析，同時也能聽到其他同學的評價和建議，這樣做有利于后續的產品升級。

一是對刷子材料選擇的再優化。例如，學生測試鼓氣式燒瓶刷時，發現當氣球被吹大時，有些地方刷毛覆蓋不了，而且氣球皮較軟，在瓶內旋轉力度不夠，并不能像設想時那樣順利地清洗瓶肚。有學生建議用硬度較大的硅膠氣球代替普通氣球，將模擬刷毛的魔術貼裁剪得更小，用點點膠粘牢。

二是對刷子結構的再改進。例如，樹杈式燒瓶刷一開始得票率也很高，學生都覺得此款刷子操作簡單、使用方便。但是展示時，他們發現，由于燒瓶的瓶頸很細，兩個刷柄受到限制，展開的角度很小，并未達到預期效果。在后期改進中，海綿的用量還得反復調試，既要防止海綿過厚塞不進去，又要保證海綿用量足夠，使得樹杈式刷子在適當張開的情況下依舊可以清洗瓶肚，同時兩根木棍連接處（即交叉點）也需要在測試中反復調整至合適位置。

三是對刷子功能的再提升。例如，舌體式燒瓶刷雖然測試效果良好，但有一些小問題，舌體式燒瓶刷內部插有鐵絲，鐵絲可以在受力的情況下隨意彎折，其結構較軟，導致清洗力度不夠。每一次問題的暴露又給了學生新的挑戰，大家集思廣益，提出了組合型刷子的設想，如在舌體式燒瓶刷前端加上磁鐵小球，將舌體式燒瓶刷和吸附式燒瓶刷進行組合使用，進一步提升刷子的清潔功能。這樣“漫步畫廊”式的展示交流，既是針對探究標準的學習效果展示，又是思維的高強度碰撞，每次交流都暗含著思維的發展和遞進，最終促進資源共享。

小結

一次制作仿生燒瓶刷的實踐，學生經歷了情境關聯遞推，活動螺旋進階、思維深度發展的學習歷程。學生對產品的思考與評價，一次次推動他們向深度學習邁進，真正實現科學素養的提升。

[課題：江蘇省中小學教學研究第十四期立項課題“螺旋設計：小學生科學探究活動的實踐研究”，編號：？2021JY14-L190]

（作者單位：江蘇省溧陽市教師發展中心）

參考文獻

[1]胡衛平，劉守印.義務教育科學課程標準（2022年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2022.