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[追踪]“科技馆活动进校园”项目案例:基于混合式理念的PBL学习——设计夏日避暑装置

文_冯子娇/黑龙江省科学技术馆

2022-06/总第315期

阅读数3

科技创新项目式学习符合青少年认知发展与教育发展的趋势,是一种教学方式的变革,更是青少年科学素养培养的新实践。基于项目的学习是通过安排围绕项目的真实学习任务,综合各学科已学的知识,在合作学习的环境下,设计、实施一系列探究活动,并把探究成果进行表达和交流的学习方式。提出问题、分析问题、解决问题是项目学习的核心。典型的项目式学习更具跨学科的本质,从多学科的角度研究问题,以满足从学生需要和兴趣出发的个人学习目标和标准。基于混合式理念的科技创新项目式学习包括学习理论的混合、学习资源的混合、学习环境的混合和学习方式的混合,需要多种学习理论的指导,使学习者参与多个正式、非正式的学习活动,围绕网络学习和课堂活动开展自主学习、讨论学习、协作学习,倡导以学习者为中心,开展主动探索式的学习,以适应不同的学习者、不同类型的学习目标、不同学习环境和不同学习资源的要求。


学习环境准备,问题引入

确定问题  

酷暑天气,草原上的动物没有地方避暑,作为动物保护志愿者,你需要为动物设计搭建避暑装置,所需材料可在所提供的材料中进行选择,注意考虑材料的隔热功能;可以利用紫外线测试卡、紫外线辐射照度计和紫外线变色珠子充当的“动物”,检测遮阳装置阻挡紫外线的效果;同时,温度计可用来检测遮阳装置隔绝高温的效果。

头脑风暴

太阳光中含有哪些射线?紫外线和可见光有什么区别吗?这些光线是如何影响地球的?通过观看视频或查阅资料说出对上述问题的理解。

人们能从太阳获得什么能量?这些能量对人类生活有什么影响?

说一说你在太阳下是如何保持凉爽的?生活中有哪些防晒降温的装置?隔热、防晒是一回事吗?讨论二者的区别。

颜色是否影响热量吸收?你在生活中有哪些经验或常识?

了解太阳能和太阳光中的射线,以及对人类生活的影响

通过视频(图1)和PhET仿真软件演示(图2)(https://phet.colorado.edu/sims/html/blackbody-spectrum/latest/blackbody-spectrum_en.html),带领学生了解什么是太阳辐射,什么是太阳能吸收、转换和储存。


项目初探——前置探究环节铺垫 

活动1:探究黑、白布料吸热能力的区别

活动简介 2块质量和厚度相同的布料,一块是白色的,另一块是黑色的,同时放入同一盆水中,浸湿后同时拿起,绞在一起拧水(使它们保留等量水分),然后同时挂在阳台上晾晒,观察随着时间的变化,不同颜色布料晾干的程度和状态。

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图1

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图2

设计意图 从不同颜色布料晾干时间不同,迁移到不同颜色布料吸热能力不同。通过填写记录表格,比较在相同条件下,浸湿的黑色布料和白色布料吸热能力的大小。

引出新问题  黑色布料比白色布料吸热能力强,那么其他物体的吸热能力又如何呢?

活动2:探究不同颜色的其他物体吸热能力的区别

活动简介 除颜色外,其余完全一样的黑、白2个盒子,盒内装了等量的水,将初始温度相同的2支温度计分别伸入盒内,在顶楼阳光充裕或温度较高的地点进行实验,填写记录表格,详细记录不同时间点温度计读数的变化。

设计意图 利用控制变量法,引导学生通过观察和记录,分析不同颜色盒子里水温的变化规律,并能归纳总结出不同颜色的物体吸热能力不一样这一结论。 

活动3:理解辐射和如何反辐射

材料 灯泡(每组1个)、铁环架(每组1个)、若干张铝箔纸、棉布等其他材质的布料。

活动简介 多层铝箔纸压在一起有利于反射光线、防止热传递,是感受光线效果比较明显且便捷的方法(应确保学生与灯保持安全距离)。

教师活动 准备铝箔纸和其他棉布等多种不同的材料,让学生轮流体验。

学生活动 轮流将手放在灯下的台子上,然后将光滑的铝箔纸放在灯和手之间,会立即感觉到热量的传递减少了,再试一下其他材料的效果。

设计意图 这项活动可帮助学生理解辐射是一种几乎发生在瞬间的热传递,而且光很容易被光滑的材料反射,让学生深刻体会热传递立刻被阻隔的现象。

学生活动 讨论铝箔纸为什么能隔绝热量,隔绝的热量去哪儿了?想一想,其他材料为什么没有铝箔纸隔热效果好?


项目探究——建构模型,测试改进

认识活动材料,形成想法

活动目标 识别技术中使用材料的性质,理解在技术中使用合适材料的重要性。

活动材料 弹性绳5米、UV紫外线变色小珠子500颗、松紧线绳、紫外线测试卡10张、挂钩10个、纸杯20个、 温度计10支(放置安全不易打破)、纸盘、胶带、黑色和白色的厚纸板、枯草、蜡纸、纸板、铝箔、毛毡、透明的塑料片、不同防晒系数的防晒霜等;热成像仪、紫外线辐射照度计。

教师活动 介绍备选材料的特性。

学生活动 通过教师介绍,了解这些材料的属性,确定自己要选择的遮光材料。

探讨可行性,确定方案

教师引导 选择材料前,鼓励学生预测哪种材料效果最好或最差。

学生活动 说一说哪些材料最适合用在模型建造及屋顶遮阳中;画出设计草图,也可用图形化仿真软件LEGO Digital Designer进行设计;确定用于遮阳装置结构的材料,构思搭建方法。

建立模型或原型

教师为学生提供制作说明、图解或者网络资源,帮助学生更好地建立动物模型。

学生利用所选择的材料,参照结构图设计出遮阳装置的结构。遮阳装置需要独立站立,高度应高于“动物”,棚顶要能遮住“动物”。

测试设计的产品

学生通过观察UV变色珠子的颜色变化、热成像仪和紫外线辐射照度计数据,判断所选遮阳材料对紫外线和温度的阻隔效果,并做好记录(图3)。

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图3

完善设计

改进或替换遮阳材料,重新测试遮阳装置下紫外线和温度的数值,与之前的结果进行比较,判断哪组材料效果更好。同时,还可进一步加固原来的模型。

解释讨论

让学生了解现实生活中工程师为住房、学校和其他建筑设计创新材料,用于防止热传递,不仅能够节约能源,还能降低对环境的负面影响。


拓展设计——理解空气中的对流和光的辐射

你能设计出2层的遮阳装置吗?上、下2层空间的温度有什么区别吗?记录数据并用曲线图对结果进行展示。

结合图表,试着说一说为什么阁楼温度比一楼高?

如何改进装置,才能让遮阳装置实现自动开合?


评估

在项目式学习中采用过程性评估可让学生及时得到反馈,激发学生持续学习的动力;总结性评估可以从整个项目的角度,了解学生哪些方面表现优异,哪些方面需要加强;同时,学生也可通过总结性呈现发现自己的优势和不足。


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