項目式學習教材IQWST特色分析與啟示

韓思思 羅瑩

摘 要：美國科學教育改革促使項目式學習備受關注，項目式學習教材指導教學實施具有關鍵作用和重要地位。因此本研究以美國主流的項目式學習教材IQWST為分析對象，選取有關能量大概念的一冊書為樣例，發(fā)現(xiàn)其教材的三個特點：以國家課程標準為依據(jù)，設計國家課程的項目化教材；以大概念為設計主線，通過科學實踐促進概念連貫和迭代發(fā)展；在真實情景中以問題驅動項目式學習。在此基礎之上對我國研發(fā)項目式學習教材提出兩點啟示：首先，依據(jù)新課標要求，在真實情景中設計項目式學習，注意概念與能力協(xié)同發(fā)展；其次，應注重以科學教育研究成果為支撐開展教材的設計。

關鍵詞：項目式學習 教材分析 能量

基金項目 豐臺區(qū)促進學生學科核心素養(yǎng)和關鍵能力發(fā)展的教學改進研究（SKHX2019031）

大概念是對英文big idea的翻譯，為強調(diào)與日常教學中的“概念”的區(qū)別，這里使用了“大概念”一詞，也有學者翻譯成“觀念”。

一、教材產(chǎn)生背景

為解決科學教育存在的諸多問題，如國際測評中表現(xiàn)不佳，課程未能面向全體學生，學生對從事科學事業(yè)興趣低下，國家標準與地區(qū)的課程、評估和教學不一致等[1]，美國率先對幼兒園到12年級（以下簡稱K-12）的科學教育進行了改革。教育理念和形態(tài)發(fā)生變化從而產(chǎn)生許多新型的教學模式，主要以杜威的“做中學”、問題導向的探究學習為指導思想，以促進STEM教育。其中基于問題解決的，知識建構融入科學探究與實踐的項目式學習成為當前科學教育中備受關注的研究內(nèi)容[2]。項目式學習的教材是項目式學習理論的實踐，體現(xiàn)項目式學習特征，遵循項目式學習的原則，指導項目式學習的實施，因此項目式學習的教材無疑極為重要。

美國較為主流的項目式學習教材Investigating and Questioning our World through Science and Technology（以下簡稱IQWST）[3]基于科學教育的研究成果并得到美國國家科學基金會（National Science Foundation，簡稱NSF）的資助，依據(jù)美國科學課程標準開發(fā)制定，牢牢把握住項目式學習的內(nèi)涵與原則，注重采用科學教育中的大概念 組織教材，在學生科學探究和實踐中促進學習科學內(nèi)容，旨在提升科學素養(yǎng)，在美國基礎教育一線和科學教育研究中都起到了重要作用。IQWST全套教材圍繞能量、運動和力、物質(zhì)等科學大概念設計，共有12冊書，適用于六年級到八年級（這與美國課標對幼兒園到高中的學段劃分一致）的課程中（包括物理學、地球學、生物學、化學）。這是一套基于真實生活問題，將概念發(fā)展和科學能力相融合的項目式學習的教材。下面以有關物理學科能量大概念的一冊書為例進行教材的樣例分析，在此基礎之上分析IQWST教材特點和對我國的啟示。

二、教材樣例分析

IQWST全套教材中物理學科教材有三冊（如圖1），第一冊《我可以相信我的眼睛嗎？》（“Can I Believe My Eyes ” ）開展光學的學習，第二冊《為什么有的物體停止運動而有的物體持續(xù)運動？》（“Why Do Some Things Stop While Others Keep Going ”）是關于能量的學習，第三冊《它會如何運動？》（“How Will It Move ”）圍繞力與運動的學習設計。第二冊書共11章，介紹了能量的多種形式以及能量的轉化與轉移、守恒、耗散等，構建了初中生對能量大概念的認識。由于篇幅限制，樣例分析圍繞機械能及其守恒展開，涉及本冊書第一章到第五章（如圖2）。

在第一章，設置情景讓學生們近距離探索成對的兩個鐘擺和兩個陀螺。每一對中的一個很快停止，另一個繼續(xù)運動，初期沒有停止的跡象。教材緊接著提出問題，讓學生基于觀察到的差異提出自己需要解決的問題，來弄清楚不同儀器的工作原理，以解釋不同的現(xiàn)象。學生生成的原始問題多種多樣，如鐘擺材料不同，鐘擺是否裝有電池，金屬陀螺是不是受到磁鐵的影響等等。陷入問題中的學生在閱讀材料中了解永動機的知識，引發(fā)學生脫離一般事例開始對于物體運動或者停止緣由的真正思考。

第二章開始動能的學習，借助第一章中鐘擺與陀螺均是運動的物體，教材設問讓學生容易發(fā)現(xiàn)這些物體的共同點，即都在運動，引入動能的概念。從第二章的教材結構（如圖3）可以看到，在構建學生對動能的認識上，教材首先提供充分的生活現(xiàn)象和事實經(jīng)驗，如運動的大巴、運動的自行車、飄動的樹葉等一系列運動的物體。然后設置問題：這些物體是否具有能量？要求給出原因，并讓學生對運動的大巴、自行車、樹葉、籃球的能量排序。這一問題的設置可以讓學生暴露出生活經(jīng)驗帶來的判斷，如學生根據(jù)開始運動的難易程度來排序，實際上具備了質(zhì)量影響動能大小的意識。并且由這個問題過渡到了項目任務探究動能大小的影響因素的實驗上，學生會自然形成“速度/質(zhì)量對物體動能有什么影響”的問題。

學生閱讀介紹隕石坑形成的材料，思考隕石坑為什么會形狀各異，以及為什么一顆很小的流星也能造成很大的隕石坑。這樣的問題是學生容易聯(lián)想到的問題。其中第二個問題讓學生對“速度也能影響動能的大小”形成初步認識。緊接著，教材要求學生用平底鍋、沙子和彈珠模擬流星撞擊月面形成隕石坑。讓學生進一步直觀感受“速度”“質(zhì)量”對動能大小確實具有影響。并且，為了促使學生進行完整的科學探究，教材設置了一系列問題，如：探究目的是什么？哪些變量保持不變？在控制部分變量不變的情況下，更改哪些變量？用什么測量這些改變的變量產(chǎn)生的影響？

在以上情景與問題的鋪墊下，正式開始動能的探究實驗。實驗中，學生通過改變下落可裝水的小罐的速度和質(zhì)量改變其撞擊黏土塊的形狀。實驗直接設置四個問題，關注質(zhì)量和速度兩個變量：描述因變量（黏土塊的大小）如何隨著第一個自變量（速度）變化；描述因變量（黏土塊的大?。┤绾坞S著第二個自變量（質(zhì)量）變化；速度對物體動能大小有什么影響，請說明理由；物體的質(zhì)量對物體的動能有什么影響，請說明理由。經(jīng)歷探究后的學生對 “速度/質(zhì)量對物體動能有什么影響”的問題建立準確、定性的動能大小影響因素的模型。

第三章延續(xù)第二章采用可裝水的小罐下落撞擊黏土塊的情景，開展重力勢能的學習（如圖4）。

首先提出問題“從高一點或低一點的位置向黏土塊扔小罐會造成什么不同的影響”，進而再問“高度和能量有什么關系”。學生通過對這兩個問題的思考和回答發(fā)展“高度與某種能量有關”的認識。接著，教材給出任務，讓學生探究操場上儀器設備的重力勢能的變化和哪些因素有關，如滑梯、秋千、籃筐等。教材對于重力勢能影響因素的探究著力較少，一方面是因為前期對動能的探究已打下良好基礎，另一方面，學生對“質(zhì)量（重力）和高度會影響重力勢能的大小”具有較為豐富的認識。重力勢能這一能量形式的提出是需要為學生做好鋪墊的，這是重力勢能和動能教學的明顯差異之一。

接著，在后續(xù)的閱讀材料中介紹過山車，圍繞動能與重力勢能的相互轉化設置系列提問：過山車沒有引擎，如何做到自己運動？從起點到終點的過程中，過山車的重力勢能和動能的總和如何變化？重力勢能最大的點、最小的點、在減小的點、在增大的點分別在哪里？對于學生標注的點，過山車上人的運動方向重要嗎？如果過山車在外太空行駛，將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？用餅狀圖表示物體能量形式和數(shù)量。這些問題的設置，從學生的生活經(jīng)驗開始（如學生在平時生活中會觀察到過山車的加速運動發(fā)生在下坡階段），聯(lián)系所學習的科學概念（涉及動能和重力勢能）。緊接著，引導學生從數(shù)量上思考，并用圖表的表征形式直觀地呈現(xiàn)。而提問太空情境，則是引入理想化模型，為后續(xù)的機械能守恒埋下伏筆。提問動能和勢能的轉化與運動方向是否有關系，則是在幫助學生厘清學習初期能量和力、運動難以區(qū)分的錯誤認識。在最后，提問學生在生活中還有什么例子包含動能和重力勢能的相互轉化，讓學生把握機械能內(nèi)部轉化模型的本質(zhì)，自己從生活經(jīng)驗中舉例，并完整地運用所學習的科學知識進行科學解釋。

第四章對于機械能及其轉化進一步加深認識，并且延伸到彈性勢能的學習（如圖5）。

延續(xù)上一章，第四章開始以彈性小球的反彈往返運動為分析對象，要求學生畫出球下落撞擊地面并反彈過程中各種形式能量的餅狀圖，初步完成餅狀圖后觀看小球撞擊地面時的慢鏡頭。慢鏡頭展現(xiàn)了小球在撞擊地面時，發(fā)生明顯的彈性形變，隨后恢復原狀，之后小球沒有回到原始高度。這也是一個后續(xù)待解釋的現(xiàn)象。接著，教材安排閱讀材料，介紹身體肌肉和軟組織的彈性勢能在機體運動過程中發(fā)揮的作用和包含的能量形式的轉化，這充分將學生的生理感受和物理知識建立聯(lián)系。之后，展示系列觀察對象，如彈簧、吉他弦、網(wǎng)球鞋，尋找共同點，促使學生發(fā)現(xiàn)這些物體都能發(fā)生形變并且恢復原來的形狀，初步構建了只有彈性形變的物體具有彈性勢能的認識。而在彈性勢能的影響因素上，本章弱化處理，僅提問彈性勢能、重力勢能和動能三種形式的能量具有什么特點和不同。對異同的討論讓學生有機會思考影響因素上的差異，但是教學對于彈性勢能的影響因素不作過多要求。

第五章學習機械能守恒，教材設置有三個情境，分別是上一章的彈性小球往返運動（豎直方向）、棒球運動（水平方向）和多米諾骨牌。

回顧到彈性小球的往返運動，提出具有復習作用的問題，如小球在1～7七個點（如圖6）包含哪些形式能量？位置4的能量與位置1的重力勢能相比如何？在1，4，5，6哪個位置小球動能最大？位置1，4，5，6具有彈性勢能嗎？在位置3（第一次撞擊地面）有能量消失嗎？為什么最后小球停止運動？在問題引導下學生逐步從已有的對動能、重力勢能、彈性勢能的認識開始，分析彈性小球運動過程中各點具有的能量，通過不同點之間各種形式能量大小的比較，讓學生發(fā)現(xiàn)機械能總量在減小。這其中，學生需要將直觀的高度變化和重力勢能變化相映射，然后分析出高度降低代表機械能減小，進而聯(lián)系到減小的機械能損耗在與地面的撞擊和與空氣的摩擦中。系列問題引發(fā)的學習增進了學生對能量的守恒和耗散的認識。

接著提供閱讀材料，讓學生觀察和思考棒球這一美國受歡迎的運動項目。提問：為什么當一個人更快速揮動球棒時會讓棒球飛得更遠？如果運動員沒有揮動球棒，那么棒球撞到球棒時會發(fā)生什么？具體觀察棒球運動，棒球擊中運動的球棒時運動的遠還是擊中靜止的球棒時運動的遠？這一情境和彈性小球情境均是撞擊，但運動方向各異，更重要的是棒球被撞擊后能量可能增加。兩個情境對比強烈又相互呼應，共同指向是否有外界的能量的轉化和轉移到系統(tǒng)內(nèi)。這為原有的系統(tǒng)帶來了不同的影響。

接著學生觀察和思考多米諾骨牌的聯(lián)動過程，其中涉及的能量形式和能量轉化表現(xiàn)得更為直觀和明顯。閱讀多米諾骨牌的能量轉化后教材設問：將棒球和球棒看成獨立的個體，二者撞擊時各自的能量有什么變化？如果將棒球和球棒看成一個整體，那么撞擊后能量有什么變化？這些問題引導學生關注到系統(tǒng)的概念。最后，面對棒球、球棒、空氣、地面，他們?nèi)绾谓M成系統(tǒng)，該系統(tǒng)的能量會減小、增加還是不變呢？給學生機會，讓他們把對多種形式的能量、能量的轉化和守恒、系統(tǒng)的認識綜合運用于科學的論證中。

三、教材特色分析

本教材是一套基于真實生活問題，將概念發(fā)展和科學能力相融合的項目式學習的教材，具體來說有以下三點特色：

1. 以國家課程標準為依據(jù)，設計國家課程的項目化教材

IQWST項目式學習教材，依據(jù)美國科學課程標準設計教學活動，開發(fā)教學內(nèi)容，不僅實現(xiàn)課程標準的全部知識內(nèi)容的覆蓋，還重視發(fā)展學生豐富多樣的科學實踐能力。因此它在美國課堂中能夠取代其他教材用于日常教學，研究證明它有效促進了學生的科學素養(yǎng)。以初中階段機械能的學習為例，美國科學課程標準對機械能的相關要求（表現(xiàn)期望）[4] 包括：

MS-PS3-1：構建和解釋數(shù)據(jù)的圖形顯示，以描述動能與物體質(zhì)量和物體速度的關系。

MS-PS3-2：開發(fā)一個模型來描述當相互作用的物體位置發(fā)生變化時，系統(tǒng)中存儲勢能的大小。

MS-PS3-5：論證當物體的運動能變化時，一定有能量轉移。

美國科學課程標準構建出科學概念、科學實踐能力和貫通概念相融合的表現(xiàn)期望。從前文分析可以看到，IQWST教材機械能部分依據(jù)以上課程標準要求，在總領性問題“為什么有的物體停下來了但是有的物體繼續(xù)運動”驅動下，設計了5章教學內(nèi)容（圖2），包括動能、重力勢能、彈性勢能、能量的轉移與機械能守恒。例如，針對科學核心概念“物體由于運動具有的能量稱為動能，它與運動物體的質(zhì)量成正比，與速度的平方成正比”，美國課標要求學生能夠達到要求MS-PS3-1。這一表現(xiàn)期望是將對動能的概念發(fā)展與數(shù)據(jù)展示和分析能力相整合。IQWST為實現(xiàn)這一課程標準的要求，在項目中設計了觀察思考、閱讀理解和實驗探究等多種多樣的活動，如“活動1.1：觀看魯布·戈德堡視頻”“活動1.2：觀察令人驚訝的裝置”“閱讀1.1：永動機”“活動2.1：運動中的物體”“閱讀2.1：撞擊坑”“家庭作業(yè)2.1：動能”“活動2.2：研究動能”“活動2.3：預測動能大小”“活動3.1：探究高度和能量關系”。在發(fā)展學生對動能概念逐漸理解的同時發(fā)展學生數(shù)據(jù)表征和數(shù)據(jù)處理能力甚至科學解釋能力。

2. 以大概念為設計主線，通過科學實踐促進概念連貫和迭代發(fā)展

本套教材聚焦大概念，以大概念發(fā)展為主線，用“物質(zhì)”“運動與相互作用”“能量”貫通整個教材，注重用大概念統(tǒng)領教材。教材設計上從事實經(jīng)驗出發(fā)，逐漸關聯(lián)到科學認識，讓學生參與多種科學實踐獲得概念的連貫和迭代發(fā)展，整合形成科學觀念，奠定了科學素養(yǎng)中最重要的知識內(nèi)容基礎。如能量一冊書，全書以能量這一大概念為設計主線，設計了11章教學內(nèi)容，章節(jié)安排上依序包括動能、勢能、動能和勢能的轉化、機械能守恒、內(nèi)能、化學能、電磁能等。從能量的形式、轉化與轉移、守恒、耗散等多個維度共同構建學生對能量的全面認識。

本套教材在發(fā)展學生概念認識上，以學生解決問題、推進項目為重要抓手。多種科學思維與實踐構成教材活動，實現(xiàn)了能力與概念的整合協(xié)同發(fā)展。全書的眾多欄目和各式活動促使學生經(jīng)歷多種多樣的科學實踐與探究活動，具體包括提出科學的問題、使用模型、構建科學解釋、參與科學論證、分析數(shù)據(jù)，以及向同齡人匯報展示等。以往的教學關注學習的知識性內(nèi)容，往往是學習以后將科學知識運用到探究與實踐活動中。這樣的教學效果在國內(nèi)外已經(jīng)證實是不佳的。因此，從本套教材的編排上可以看到，學生必須通過參與科學探究和實踐來學習科學概念，這樣獲得的概念認識更為深刻也更利于使用，并且學生在進行科學實踐活動的時候才產(chǎn)生了學習科學的需求與興趣。

3. 在真實情境中以問題驅動項目式學習

每個項目都以真實問題為引導，驅動項目發(fā)展，設計的任務和問題都是真實有意義的貼近學生生活的情境，以此吸引學生興趣，激發(fā)學生學習動機。教材最開始設計了總領性任務，統(tǒng)領全書各個章，令全書結構完整，相互聯(lián)系。許多場景反復使用，學生在感到熟悉的同時，新問題的生成不斷激發(fā)學生深入思考和學習。

例如，能量一冊書所涉及情境和問題都緊密聯(lián)系本冊書的項目問題“為什么有的物體停止運動而有的物體持續(xù)運動？”。首先第一章，學生近距離探索成對的鐘擺和陀螺提出疑問，在教學引導下形成科學問題，引發(fā)學生脫離一般事例而開始對于物體運動或者停止的緣由產(chǎn)生真正思考，明確項目問題。之后第二章延續(xù)使用第一章的研究對象，教材設問讓學生容易發(fā)現(xiàn)這些物體的共同點，即都在運動，引入動能的概念。第三章延續(xù)第二章采用可裝水的小罐下落撞擊黏土塊的情景，開展重力勢能的學習。而彈性小球的反彈往復運動更是出現(xiàn)在了教材的多處，既承接重力勢能的學習，又作為彈性勢能分析的對象，之后又重點討論了這一模型的機械能轉化與守恒問題。在真實生活情景中這些對象的動與停之間，對同一情境相同模型的不斷挖掘，驅動學生在項目式學習中構建科學概念，經(jīng)歷科學思維的培養(yǎng)過程。

四、啟示

我國新的課程標準的頒布，對基礎教育方方面面提出挑戰(zhàn)。本文對我國研發(fā)項目式學習教材有以下兩點啟示。

首先，依據(jù)新課標要求，在真實情景中設計項目式學習，注意概念與能力協(xié)同發(fā)展。真實的問題情境激發(fā)學生興趣，促使學生主動學習。學生在學習過程中將轉變成學習的主人，自主構建認知的知識與方法。并且，項目式學習所倡導的實際上是一種所知與所能相融合的學習方式，項目式學習過程中包括有問題解決、自我決策、解釋真實世界的現(xiàn)象、構建新的知識內(nèi)容等要素和環(huán)節(jié)。項目式學習轉變了過去以知識內(nèi)容為中心的學習方法，成為概念和能力協(xié)同發(fā)展。學習者通過參與科學的思維和實踐來學習知識內(nèi)容，對科學內(nèi)容建立更深刻的理解；另一方面通過使用科學知識來理解生活現(xiàn)象或設計項目的解決方案，順利實施科學的學習實踐活動。

其次，應注重以科學教育研究成果為支撐開展教材的設計。新時代基礎教育改革背景下的新教材的理念應該更先進，理論應該更扎實，目標應該更高遠。教育發(fā)達國家的主流教材都是大批的教育研究者長期系統(tǒng)研究的成果。因此，積極開展我國的科學教育研究，積累我國的研究成果，將國外優(yōu)秀經(jīng)驗本土化，這些是開發(fā)出適合我國學生項目式學習教材的關鍵所在。實際上，科學教育研究影響在方方面面，不只是教材，還有課程設計、教學方法、測評研制等，這些都需要以深入、科學的研究為保障。

參考文獻

[1] Achieve.The Need for New Science Standards[EB/OL].[2019-04-20].https：//www.nextgenscience.org/resources/why-k-12-standards-matter.

[2] 王磊. 項目式學習實驗教科書《化學》教材整體介紹[J]. 教育， 2016（40）：4-7.

[3] KRAJCIK J S，REISER B J.Investigating and questioning our world through science and technology[M].SASC LLC，2013.

[4] NGSS Lead States.Next generation science standards：For states，by states.Washington，D.C.：National Academies Press，2013.