初中科学指向深度学习的STEAM理念下PBL（项目）的开发和实践

许阳英 高敏娜

(杭州市余杭区仁和中学 浙江杭州 311100)

一、缘起

近几年，STEAM教学理念下的课程热火朝天地开展着，很多初中以社团活动中3D打印、空模等形式展开，但是这种课程需要专任的技术教师，学校在建设等方面的投入也会很大，一般学校无法实现。

基于以上两种现状，在STEAM理念下开发高效廉价的PBL（项目）能更好地激发学生的兴趣，让学生主动探究，弥补课堂教学中难以做到的长时间的深入探究，促进学生进入深度学习，发展学生的核心素养[2]。

二、核心概念

Steam教学：是科学、技术、工程、人文（美术）、数学教育的融合。主要以基于项目的学习、问题的学习为主要教学方式，引导学生通过实践性的工程教育，培养学生的实践、创新能力，从而提高学生的综合素养。

深度学习：从一个真实的情境问题中，学生在教师的引导、促进下，积极主动地学习，并能学以致用，是一种高认知、高表现、个人化学习的学习。

基于问题的PBL（项目）学习：以解决一个情景或者研究中的问题为驱动，在解决问题时学生反复考虑，仔细推求，多方讨论，呈现方案，并实施，寻找现象背后的真相（性质或规律）或问题的答案的学习，是一场持续性的深入探究的学习[3]。

三、设计思路

四、基于问题解决的PBL项目实施案例

（一）“火山爆发”喷发效果的探究

1.发现问题

七上科学的学习中，学生有学习到关于火山及火山喷发的相关知识，有学生提出想亲身“感受”火山爆发时的壮观。如图：

用什么材料才能较大程度模拟火山喷发的过程呢？学生在网上寻找到不同的“配方”，整理如下：

实验方案的汇总

实验方案的汇总方法 材料 效果1 雪碧（可乐）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 双氧水、洗洁精、酵母粉（大象牙膏实验）images/BZ_7_1680_2510_1961_2646.pngimages/BZ_7_2076_2513_2182_2660.png3 水、泡腾片、色素、食用油images/BZ_7_1690_2680_1961_2823.pngimages/BZ_7_2076_2675_2170_2829.png4 醋、水、小苏打、色素、洗手液images/BZ_7_1689_2846_1961_2976.pngimages/BZ_7_2070_2841_2176_2976.png

照片显示，实验效果很好，但哪个更方便了解火山喷发的全过程？组员选择实验1、3、4进行探究。

2.制定方案

项目名称 用什么材料能较大程度模拟火山喷发的过程？任务目标 了解火山爆发的全过程、火山的基本结构等团队分工 技术总监：仲童乐 创意总监：余凯 财务总监：马骏项目实施第一阶段（第2周-第3周）：信息收集整理（具体见实验方案汇总）第二阶段（第4周-第5周）：分工、各自完成自己实验部分的实验设计并完善第三阶段（第6周）：购买材料或设计制作所需材料第四阶段（第7周-第9周）：项目实施，并记录结果第五阶段（第10周-第12周）：分析结果，交流评估实验一：1瓶可乐、1瓶雪碧、两包曼妥思实验二：80mI清水、20滴色素、160mI食用油、1片泡腾片实验三：小苏打、白醋、红墨水、矿泉水瓶、洗洁精或洗发水实验四：小苏打、白醋、水、2个矿泉水瓶、洗洁精或洗手液、2根搅拌棒、盘子、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成本预算 60元

3.产品实施

实验一

实验设计

成品制作

数据收集

实验二

实验设计成品制作

数据收集

实验三

实验设计

数据收集

洗洁精组：

实验四

实验设计

成品制作

数据收集

洗洁精组：6秒

洗衣液组：9秒

4.项目评估

①泡腾片实验效果明显，清晰地模拟岩浆喷出的过程，还能看到类似火山锥、岩浆通道、火山口等结构。

②小苏打和白醋混合实验效果较弱。不同材料会影响“爆发”速度。加洗洁精比加洗手液更能促进“火山喷发”。

5.交流与评价

做完实验后，笔者与组员一起分析各实验的原理。

实验一：可乐中含大量高压压入的二氧化碳，打开瓶盖的瞬间，压强减小，二氧化碳从可乐中缓慢溢出。气体产生通常要附着在某种表面或是颗粒上，称为“成核现象”，如果把曼妥思放大百倍，可以看到糖的表面存在很多小孔，多孔的结构使它变成一个很好的产气“核”，二氧化碳可以大量附着在糖表面，促使溶解的二氧化碳迅速释放。并且曼妥思的密度大，加进去立刻沉底，在底部迅速形成气泡，将顶部液体顶出，产生喷发甚至小型爆炸的效果。该过程没有新的物质生成，不是化学变化。

实验二：泡腾片中含有碳酸钠和柠檬酸，接触到水时发生反应，放出二氧化碳，而二氧化碳又导致药片崩裂，反应更加剧烈。产生的二氧化碳部分溶于水，部分溢出，当积攒到一定程度后，气泡带动含色素的水到油的上方，甚至冲出油层，最终因为水的密度比油大，所以水又会下沉。

实验三、四：小苏打是碳酸氢钠（NaHCO3），呈碱性，白醋中含有醋酸（CH3COOH），呈酸性。小苏打与白醋能（复分解）反应生成醋酸钠和碳酸，而碳酸及不稳定，继续分解为二氧化碳和水。二氧化碳气体遇到混了水的洗洁精后，产生了很多泡泡，并使瓶内气压变大，将泡泡从瓶中压出。

6.新的火花

在实验过程中，所有材料都有“火山喷发”的效果，但他们材料是无固定的用量的，我们想这不能直接得出是哪一种材料的影响更大。根据这种情况我选用小苏打与白醋来做研究，想知道小苏打与白醋的比例是否会影响“火山爆发”的强烈程度[4]。

实验设计

准备实验材料

水、一袋小苏打、一瓶白醋、矿泉水瓶、墨水、洗衣液

产品实施

数据收集

从实验结果中可以知道，实验①的实验反应比较剧烈，效果比较好

项目评估：说明当白醋与小苏打比例为1:1时反应较强。

（二）可乐做冰沙系列探究

1.发现问题

夏天，我们常会吃冰沙，但冷饮店的冰沙往往是将一整块冰磨碎后制作的，笔者发现在网上有种简易方法：可乐大概冰冻1-2个小时，直接摇晃就能做出冰沙，但哪些因素会对做出的冰沙效果有所影响？组员展开探究。

2.制定方案

项目名称 可乐做冰沙系列探究任务目标 掌握物体的三态变化，液体的凝固点，并了解凝固点受气压影响。团队分工 技术总监：孙丰涛 创意总监：陈俐辉 财务总监：王玲珑项目实施第一阶段（第1周）：建立猜想、分工第二阶段（第2周-第5周）：个人完成实验设计、小组讨论完善方案、提出新构想第三阶段（第6周-第10周）：准备实验材料、项目实施，并记录结果第四阶段（第7周-第8周）：反馈结果、交流评估第五阶段（第9周-第12周）：实验改进、重复实验所需材料、工具 可乐、碗、冰箱成本预算 80元

3.产品实施

实验一：汽水体积是否会影响做出的冰沙效果实验设计

数据收集

实验组别 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 较多 很多

项目评估

汽水体积与做出的冰沙效果有关，体积越大，冰沙效果越好。

实验二：汽水种类是否会影响做出的冰沙效果

实验设计

数据收集

组别 可乐 雪碧 芬达冰沙效果images/BZ_10_332_1087_554_1417.pngimages/BZ_10_557_1087_778_1417.pngimages/BZ_10_781_1087_991_1417.png较多 较少 几乎没有images/BZ_10_994_1040_1208_1480.png

项目评估

不同种类的碳酸饮料会影响做冰沙的效果，其中可乐效果最好。

实验三：汽水冰冻时间是否会影响做出的冰沙效果

实验设计

数据收集

时间 1.5小时 2小时 2.5小时冰沙效果images/BZ_10_332_2469_554_2857.pngimages/BZ_10_557_2469_778_2857.pngimages/BZ_10_781_2469_991_2857.png基本没有 有少许 很多images/BZ_10_994_2417_1208_2913.png

项目评估

可乐冰冻时间会影响做出的冰沙效果。在一定时间内，冰冻时间越长，冰沙效果越明显。

实验四：在冰冻前、后分别摇晃（撞击）可乐是否会影响实验效果

实验设计

收集数据

组别 A瓶（冰冻前摇晃） B瓶（冰冻后摇晃） C瓶（冰冻前后都摇晃）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较明显 最明显 很明显

产品评估

在冰冻前后摇晃可乐会影响实验效果，且“冰冻后再摇晃”实验效果最好。

4.交流与评价

做完实验后，笔者与组员一起分析实验的原理，发现气体压强的大小影响液体的凝固点，可乐冰沙利用“压强越大，凝固点越低”的原理来制作。具体的原因是：可乐生产过程中高压压入大量的二氧化碳，使瓶内压强很大，可乐凝固点降低，所以在冰箱冷冻室1-2.5个小时也能保持液态。摇晃或撞击可乐可以加快气体溢出，当拧开瓶盖的瞬间，二氧化碳就会迅速冒出，气压瞬间降低，凝固点随之上升，使可乐从原来的液体变成了固体状的沙冰。

五、收获与展望

（一）收获

对于学生：

对于教师：

因为科学是一门综合性的课程，希望通过项目的开展，更好地融合学科的关系。借此也能更有方向性地提升教师的专业能力和核心素养。在此过程中，也能深入挖掘课程内容，让教师保持对学科教学、探索的热情。

（二）展望

笔者现在的项目设置已有初步的进展，课程仍有待继续挖掘。并且笔者希望将其做成拓展性课程，接下来仍需要开发更多的案例。希望在不久的将来，可以有一套较成熟的课程内容。