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[专题]科学与工程实践类科技教育活动案例

文_黄 晓 胡璟怡/《科技类校外培训机构开展科技教育活动指南》编写组

2022-09/总第318期

阅读数23

基于多学科整合的教育理念对真实情景问题解决的重视,科学与工程实践类活动强调学生能使用科学、技术与工程等知识/概念研究复杂的问题并创新解决方案。

科学与工程实践类活动的开展,离不开跨学科与实践性的主题内容,离不开教学中对科学与工程实践环节设计的关注,要求学生能像科学家一样研究,像工程师一样设计与制造,即要求科学教育“还原”科学家与工程师工作的本来模样,让学生亲历科学与工程实践,在真正意义上实现“做中学”。科学与工程实践是平行且互补的,科学提出关于自然世界的问题,并以询证解释的形式给出答案;工程实践确定人类的需求与愿望,并以新的产品或过程的形式提出解决方案。

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科学与工程实践强调“实践”和“科学教育与工程教育的融合”,在“实践”过程中,关注于科学思维、工程设计与技术应用。科学与工程实践一般包含8个实践环节,即提出问题,开发和使用模型,规划和实施探究,分析和解释数据,利用数学思维和计算思维,构建解释与设计解决方案,参与证据论证,获取、评估和交流信息[1]。这8个环节凝练了科学家与工程师工作的过程,既是实践的内容,又是实践的序列性步骤。表1列出了科学与工程实践的环节及其内涵。在科学与工程实践活动中,需依据主题内容与学生学习特点,选择相应的环节开展教学。下面以源于社会生活应用、突显工程设计与实践的“血液离心机”为例,开展科学与工程实践的活动设计(见表1)。


【活动案例】

血液离心机


教学目标

根据科学与工程实践的特点,基于《义务教育科学课程标准(2022年版)》核心素养在5—6年级学段的具体要求,制订了4个方面的教学目标(见表2)。

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活动步骤及具体内容

第1课时

真实情境引入 以偏远贫困地区医疗现实情况作为引入情景:缺少如血液离心机等现代医疗设备;一些患者无法支付血液检查费用,从而延误病情。

提出核心任务 基于真实情景,引出项目主线:制作简易(或省电)血液离心机,解决现实问题。

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明确问题 制作血液离心机前必须要了解血液离心机的工作原理。引导学生提出问题:离心机的工作原理是什么?

建立猜想 学生需要认真阅读离心机的相关资料,对离心机的作用、结构有一定的了解(资料由教师提前选取、整理,在课前发放给每个小组)。引导学生通过小组讨论的方式,提出猜想:血液离心机之所以能够分离血液是因为它能使血液进行圆周运动,从而分离出血液的不同成分。

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开发和使用模型 学习血液离心机的原理,简化血液离心机结构,抽象出圆周运动的理论模型。

探究1:探究圆周运动与力的关系 教师引导学生完成实验,实验器材包括手套、绳子、矿泉水瓶和水。将绳子、皮筋和水瓶组装作为基本的实验装置“水流星”,通过不断加水改变水瓶的重量,比较在竖直平面(尽力每次保持一样的速度)转动不同重量水瓶,记录手感受到的力的大小。学生通过亲身实验感受,定性地得出实验结论:在圆周运动中,水瓶越重,转动的时候手受到的力就越大,说明水瓶更想要“脱离束缚”。根据圆周运动与力的关系得出实验结论,并结合血液成分,进一步分析血液离心机分离血液的科学原理。

教学评价 教师评价,小组自评与互评,学生自我评价,不断修改方案使其最优化。

第2课时

探究2:对“圆周运动能够分离物体不同成分”猜想进行验证 为了模拟血液离心机的工作过程,将泥水装入水瓶中进行实验。①准备手套、绳子、空的矿泉水瓶、泥沙、新鲜的猪血或鸭血;②准备2组实验A、B,每组在矿泉水瓶中加入适量泥沙和水,边加边搅拌(使液体处于悬浊液状态),之后用绳子将矿泉水瓶牢固地捆绑住;③A组用力甩动绳子,B组同一时间开始静置,持续一定时间;④观察2组瓶中液体的情况,完成实验观察表。

探究3:猪血(鸭血)分离实验 在探究2的基础上,将泥水换成猪血、鸭血或人体血液的替代物,再次进行分离实验,观察实验现象。

获取、评估和交流信息 学生以小组的形式上台展示自己小组的实验成果,并与其他小组进行讨论与交流,综合各小组的实验结果得出结论:圆周运动可以分离物体的不同成分。

发现新问题 在各小组的讨论交流中,学生发现新的问题“猪血无法通过圆周运动分离”,这又是为什么呢?

分析和解释数据 教师引导学生仔细阅读血液离心机的简介,重点强调离心机的转动速度,启发学生对比血液离心机的转速和实验中瓶子的转速,发现用绳子绑住塑料瓶转动的速度并不能达到血液离心机的转速,因此我们制作的血液离心机的转速必须要达到能够分离血液成分的速度。

课堂总结和课后思考 布置课后作业:查阅资料,思考如何提高“离心机”转速。

教学评价 教师评价,小组自评与互评,学生自评学习单。

第3课时

设计工程解决方案 小组分享提高“离心机”转速的方法,基于离心机的基本原理和提高转速的方法,每个小组设计一套新型血液离心机方案。介绍工程中绘制设计图的方法,提示用三视图绘制设计图,即从正面、侧面、上面或背面等角度观察、绘制产品。提出设计要求,如:①绘制新型血液离心机的三视图,尽量绘制清晰;②明确各结构部位,并标注各部分结构的尺寸和大小;③根据材料的性能和新型离心机的结构特征,确定所需材料的种类和数量;④设计时还要注意产品的美观程度,提高产品的艺术性等。

展示设计方案 完成设计图绘制后,各小组成员上台展示本组的设计图,分享自己协助团队完成了哪些设计任务,并介绍设计离心机的各组件功能,在设计过程中遇到了哪些问题,以及是如何解决的等。

交流与研讨 每个小组在展示完成自己的设计方案之后,教师与其他小组对展示小组的设计方案可行性进行讨论,并提出问题与改进建议。

完善设计方案 教师总结课堂内容,鼓励学生课后继续完善设计方案、选择最优方案,并准备制作新型血液离心机所需材料。

教学评价 教师评价,小组自评与互评,学生自评学习单。

第4课时

制作血液离心机 根据设计方案,小组分工制作新型血液离心机(提出制作要求:①明确每个成员的分工情况;②尽量按照设计图进行制作,发现问题时及时调整修改;③合理使用工具,注意安全问题)。

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展示产品 初步制作完成后,小组轮流对他们的产品进行展示和介绍,并分享他们在实际制作过程中遇到的困难,以及是如何解决这些困难的。针对产品仍然存在的问题,需要有初步的解决方案和改进计划。

交流与研讨 教师和其他小组的学生对展示小组的方案提出建议或提供适当的帮助,各小组继续对自己的产品进行优化与完善。

评估产品与拓展 教师组织开展产品发布会,邀请家长及其他教师组成评委团。每个小组介绍产品,评委可提出疑问。评委团对各小组的产品进行评选,选出最具创意奖、最佳设计奖、最佳外观奖、最佳合作奖等奖项。评选结果作为教学评价的一部分,并结合教师评价、小组自评和互评,对每位小组成员的表现进行评定和反馈。教师可进一步拓展,介绍美国斯坦福大学的生物工程科学家马努·普拉卡的发明:以拉线飞轮玩具为灵感,成本仅为2元的纸质离心机。这种简易廉价的离心机一定程度上解决了贫困地区的血液离心机资源缺乏的现状,并鼓励学生像普拉卡一样多观察生活,从生活中发现科学,创造发明,树立起通过科技成果造福社会的崇高理想。


教学评价

学生自评:每课时下课后填写

见表3。

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第2—3课时:小组自评和互评表格(教师、学生版)

见表4。

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第3课时评价量规

见表5、表6。

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第4课时评价量规(教师、学生版)

见表7。

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参考文献

[1] NGSS Lead States. Next Generation Science Standards: For States, by States[M]. Washington DC: The National Academies Press,2013:384.


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