馆校协同的科学教育项目式课程设计——以“南水如何北调”为例

　　馆校结合开展科学教育活动，可以发挥其正规教育场所与非正规教育场所的互补作用；科技博物馆的科学资源与学校的科学课程有机结合，能很好地促进科学教育的发展^[1]。项目式学习被认为是促进学生核心素养发展的有效教学模式，因此，基于馆校结合的项目式学习设计可以很好地促进核心素养的落实。但如何更好地实现结合，需要进一步深入研究。本文以南水北调的项目式学习设计为例，尝试提炼出基本思路。

1.1　关联主题与场馆资源　确定展品

　　利用场馆资源开发项目式学习课程时，可以采取不同的路径：一是围绕某一场馆，选定某一件展品或几件相互关联的展品展开项目的设计；二是围绕研究主题，找寻适合主题的场馆资源，同一主题在不同场馆中有不同资源，因此可以筛选合适的资源整合起来开展主题式学习。有时候也会根据场馆特点，对所选主题进行优化或者改进，以期更契合馆校结合的项目式学习。

　　如笔者团队在确定开展“南水北调”主题的项目式学习后，有意识地在各个场馆资源中找寻与之相关的内容，发现中国科技馆、北京科学中心、北京市南水北调团城湖管理处(简称团城湖管理处)等场馆中都有相关资源，各个场馆特色各异。最终选定了团城湖管理处的相关资源，主要原因是：第一，团城湖管理处有南水北调工程中北京段唯一一段明渠(见图1)，学生可以在此处明确看到进京的南水，围绕这段明渠还修建了明渠纪念广场，体现了很多传统文化要素。第二，团城湖管理处的南水北调工程展室中详细展示了南水进京的配套展示、南水在京的利用、北京与水源地的互动等内容。第三，团城湖的室外调节池和实施中用到的大型器械能很好地帮助学生理解水利工程中调节池的重要作用，以及南水北调工程的重要价值和意义。

图1　南水进北京后唯一一段明渠

　　因本项目式学习课程在北京实施，所以基于场馆特点、学生的学习，将原本认识整个南水北调工程的目标聚焦到只认识中线工程，暂不讨论东线和西线工程。在团城湖的展品中，直径4米的PCCP管等都属于南水北调的施工部分内容，暂不体现在本项目设计中。

1.2　提出并优化驱动性问题

　　南水北调工程属于工程设计与建造类的任务。在这个工程中，需要解决的实际核心问题是“如何将南方的水调至北方缺水地区”，真实世界中的研究者是南水北调的水利工程师，研究出的成果是南水北调设计方案和南水北调水利工程。整个南水北调工程的东线、中线、西线三条调水线路，与长江、黄河、淮河、海河(以卫河为源)四大江河相互联结，构成了“四横三纵、南北调配、东西互济”的水资源配置格局。

　　学生不可能完成宏大工程的设计与建造，需要将其简化为学生对于南水北调方案的理解及其对于工程师设计过程中用到的思路的微设计。因此，项目式学习的设计框架为：让学生模拟南水北调的水利工程师，在认识现状问题的基础上，类比工程师认识形成南水北调的设计方案，以及在地图上展示南水北调的实物模型。结合场馆资源特色，优化驱动任务，将其聚焦于中线工程上，且只讨论设计环节，尽量不涉及施工环节(见图2)。

图2　南水北调驱动任务的设计框架

1.3　表达驱动性问题　确定作品呈现形式

　　在将真实任务转化为驱动性问题的过程中，可设计递进式的问题来帮助学生思考，其核心是明确“在什么样的限定条件下”“由什么样的人来做”“如何做”“做到什么程度”等。这其中包含了在真实生活中解决问题的逻辑。不同人做事考虑的方面不同、限制条件也不同，因此，强调在限定条件下，即什么样的人、做到什么程度等，能更好地实现学生在真实生活中的能力迁移^[2]。

　　以本项目为例，可以归纳为：作为南水北调的工程设计师，模拟工程师设计与规划南水北调的中线工程，通过对团城湖管理处的参观与学习，完成南水北调任务的设计方案简介，并在3D地势图中用模型来介绍方案，说明设计理由。驱动性问题表达的过程，其实就包含了对学生作品呈现形式的描述，也明确了作品评价的方向。

1.4　确定项目式学习目标

　　馆校结合的项目式学习目标的确定，其实是在分析课程标准和场馆资源的过程中被确定下来的。与课程标准相关的项目目标，教师在选择项目主题、确定项目承载素材的过程中已经考虑清楚；但同时，在场馆资源的激发下，也会生成新的项目目标。在表达项目目标时，可以从家国情怀与社会责任、观念建构与职业认知、实践创新与学会思考三个方面展开。“南水北调”项目式学习目标见表1。

表1 “南水北调”项目式学习目标

2.1　梳理问题的实际解决过程　提炼问题解决思路

　　为开发落实学生核心素养、实现学生“学会思考”育人目标的项目式课程资源，本研究倡导关注真实世界中解决问题的“真人”，挖掘其解决问题的思路，并将其转化为教育教学的思路^[3-6]。因此，在设计项目式课程时，第一步就是要找到该项目的核心问题在真实世界里对应的人和事，即真人真事；并说清“真人做真事的过程”，即问题解决过程。这里的“真人”可以是一个人，也可以是一群人、一个团队；可以是历史上的人物，也可以是当今社会中的人；可以是著名“大人物”，也可以是身边的普通人。这里的“真事”即“真人”在真实世界中的任务和“做事”的过程，要求具体、翔实、明确，且要说清楚做事的目标是什么，这一目标直接或经简化后，可以成为学生项目式学习的目标“产品”^[7]。此阶段明确了南水北调工程师解决问题思路的步骤如下。

　　第一步：分析水资源现状，了解调水的必要性。初步了解我国北方水资源使用情况，发现无法通过水资源的自然补充来满足使用需求，进而产生调水的必要性。

　　第二步：充分调研，概念设计。设计调水路线以解决全国的水资源利用问题，实现水资源综合效益最大化。

　　第三步：充分调研，选择可能的调水源头与调水终点。从调水源头、调水方式、调水路线等角度通过实地走访，开展工程论证。

　　第四步：基于可利用的资源、动力、周边环境的相互影响，评估可能的调水路线。

　　第五步：基于调水源头、调水方式、调水路线，评估其可能遇到的技术难题，权衡选择方案。

　　第六步：基于方案实施，不断遇到新的难题，进一步解决遇到的新技术难题。

　　从工程师解决问题的角度出发，提炼学生认识南水北调工程的重点，进而形成问题解决思路模型：即从起点、路线、动力、终点及相互关联思考维度认识水利工程(见图3)。

图3　问题解决思路模型

2.2　模拟学生的问题解决过程

　　在理清真人真事及其问题解决思路的基础上，教师基于学生的知识基础和认知水平，将“原型”(真人真事)的问题解决思路转化为适合学生的问题解决思路，继而基于该思路搭建起项目框架，确定教学活动的开展顺序，从而实现由原型思路向教学思路的转化。具体步骤如下。

　　第一步：分析水资源现状，了解调水的必要性。

　　第二步：由于学生的知识经验有限，因此为概念设计搭建台阶，形成思考路径(起点、路线、动力、终点)，基于“简单设计+真实路径”的相互对比，实现思路理解。

　　第三步：将前述第三至五步以方案理解、方案评估、方案优化论证、方案部分设计等不同的开放度展开，实现学生对南水北调的理解。一是选择输水起点与终点；二是讨论可能的调水路线，对调水路线中的核心要素进行考量，比对真实的中线工程调水路线，理解其影响因素；三是利用实验模拟中线总干渠穿黄工程(穿越黄河)中的科学原理，利用实物模型体会其蕴含的科学原理。

　　第四步：基于调水源头、调水方式、调水路线，评估其可能遇到的技术难题，权衡选择方案，列出其所用到的核心技术，通过整理分析资料，理解并权衡。

　　第五步：因工程的复杂性，所以聚焦于让学生理解工程实际实施的结果，并用3D模型来模拟。

　　因此，结合问题解决思路对项目进行规划，将起点、路线、动力、终点的问题解决思路融入项目中。同时，将明确需求、概念设计、具体设计、成品呈现等产品设计的基本思路体现其中^[8]。项目实施过程如表2所示。

表2　“南水北调”项目式学习实施过程

3.1　项目导引

　　在项目导引中，带领学生利用资料交流研讨，分析并认识到北京是一个极度缺水的城市，明确调水的必要性。在活动2中，以“作为南水北调工程师需要考虑哪些问题”为驱动性问题，先让学生独立思考，尽可能地写出考虑的方面，用卡片式关键词的形式来呈现，接着进行小组研讨。小组研讨既是汇总原有结果的过程，也是进一步产生新观点的过程。在全班汇总的过程中，教师要基于学生的发散思考，帮助学生在黑板上形成外显的问题解决思路，然后将学生考虑的具体关键词贴在黑板上对应的位置，让学生逐渐归纳出要从“起点、路线、动力、终点”四个方面去考虑问题，并意识到问题之间有相互关联性(见图4、图5)。

图4　项目导引的活动设计

图5　项目导引中师生拆解任务形成的板书设计

3.2　任务1　认识南水北调工程的中线

　　在任务1的活动1中，学生带着认识南水北调中线工程的任务参观团城湖的工程展室，收集场馆中的信息，对参观信息进行整理，形成对于南水北调工程的整体认识，并在3D地势图上标出路线。在此过程中，结合明渠纪念广场，学生会产生很多问题，例如：为何明渠广场上不同的地方会有倒虹吸的标识?教师适时让学生把这些问题记录下来，同时组织学生提炼中线工程的特点：如自流、与沿途的河流道路立体通过互不干涉等(见图6)。

图6　明渠纪念广场的倒虹吸标识(左)和南水北调中线工程示意展图(右)

　　在活动2中，从“起点”的角度引导学生通过资料阅读整理得出选择丹江口作为起点的原因：地理位置靠北、蓄水量足、水质好、地势落差可实现水的自流解决动力问题。紧接着，通过场馆互动，引导学生找到丹江口水库，研究其地理位置，进而思考：为什么要在河南省这样的地方进行渠首开挖?进一步体会到输送距离更近一些会更加节省工程成本。此过程会大幅提升学生的现场感和认识深度(见图7)。

图7　任务1的整体活动设计

3.3　任务2　当长江水遇到黄河水

　　任务2围绕调水路线的设计展开，学生模拟工程师在真实工程中遇到的实际问题，认识到南水北调中线以穿黄工程为核心展开。在活动1中，引导学生通过对调水方式的资料阅读提出可行方案，进而用模拟实验体会倒虹吸(入地)和渡槽(上天)的科学原理，在此基础上，让学生体会两种方案各自的优缺点，进行方案论证；给出工程师的实际方案并给出工程师在研究中的权衡过程，让学生意识到他们和工程师经历了相同的设计与权衡过程，更深入地体验工程师的工作。

　　在活动2中，通过资料阅读的方式让学生认识到原来真实的工程中遇到了这么多的难题，并通过整理分析资料，引导学生认识到技术在解决问题过程中的重要作用，技术服务于工程、工程是技术的集成，由此充分体会工程与技术之间的相互关系(见图8)。

图8　任务2的整体活动设计

3.4　任务3　南水润京城

　　任务3围绕南水北调的终点展开。通过场馆参观，让学生在问题的引领下，收集和整理参观信息，在头脑中形成认识，而不只是走马观花地看完而已，然后基于对真实事件—“超采水导致水位下降，现已回升10米左右”，让学生结合场馆的信息进行分析解释。同时，让学生在参观调节池后，通过交流研讨认识到调节池在水利工程中的重要作用，形成对于水利工程的再认识(见图9)。

图9　任务3的整体活动设计

　　在成果展示中，学生系统整理得出对于“南水如何北调”的思路方法，讲解3D地势图上呈现方案的设计过程，在评价表的引领下，对学习成果和项目成果进行总结。通过反思梳理，培养自主学习能力。

4.1　深入挖掘场馆资源　将场馆中的行为嵌入问题解决中

　　在本项目式学习中，学生所有的场馆行为都是为了解决项目中的具体问题而展开的，如展厅参观与互动、寻找中线工程取水口等，学生通过此过程能更好地理解选择取水口的各种因素，并还原了工程师在权衡利弊时对各种要素的考量。如参观明渠纪念广场，既为了了解中线工程整个路线中学生记录的问题，也为了奠定任务2展开的基础。

4.2　依托场馆资源　梯度设计教学活动　体现不同层次水平

　　在进行基于场馆的项目式学习设计时，教师要先去场馆参观考察，对场馆资源形成比较好的了解。在参观时，大量陌生信息涌入，此时教师要以教学的视角审视各种资源，遏制单纯信息输出的冲动，梯度化地设计教学活动。以南水北调设计为例，在方案设计与理解方面，可以是从无到有的具体设计，也可以是给定方案的部分优化，还可以是基于支架的模块间的组装与拼接，或者是不同方案的评价筛选，教师要结合学生的实际情况设计不同开放度与难度的活动。

4.3　凸显对兴趣和责任的培养

　　场馆课程资源最大的特点就是实物性。教师要利用好场馆资源和场馆环境，凸显场馆课程资源的实物性，激发学生的学习兴趣。由收藏而发展起来的场馆，拥有丰富的真实物件，这是其存在的基础，也是场馆课程资源开发的前提条件[9]。因此，在结合场馆进行选题、利用场馆实物进行教学时，教师要让学生在与真实物件的接触中，促进认知发展，获得其他学习方式所无法达到的效果。如选择南水北调场馆资源时，确定利用团城湖管理处的场馆资源进行学习就是因为学生只有在此处才可以看到南水北调中线工程北京段的唯一一段明渠，当看着明渠中的滚滚长江水在眼前奔流时，学生便会对南水北调工程之宏大产生真切的感受，学生心中那种油然而生的自豪感是单纯的课本教学所无法比拟的。

4.4　重视对问题解决思路的培养　落实核心素养目标

　　在对场馆资源的参观中，教师要与专业人士不断探讨问题解决思路，充分挖掘“真人真事”中的“真”方法^[7]，提炼适合相应阶段解决的问题，基于问题解决的思路系统设计教学。如本项目式学习中提炼出了基于“起点、路线、动力、终点”的思路模型，师生要在项目导引中归纳形成问题解决思路，并在子任务中不断深化对其中各要素的具体认知，从而使学生在不断建构中形成认识。