3A-STEM项目课程——《朱来船舶工程师》-小学科学+生活融合实践研究

015 第一部分　项目课程 A-STEM 项目课程——《未来船舶工程师》 重庆市江北区玉带山小学校　周娟 一、项目概述 1. 项目背景一：重庆地域特点 重庆是长江上游地区最大的港口城市，位于长江和嘉陵江的交汇处，处于中 国西部最富饶的四川盆地与长江中下游交往的必经之路，由于居于水运中心的位 置，码头多，对船的需求量也大。船的运行速度虽不如汽车、飞机那么快，但是 它一次的运货量远远超过了汽车、飞机和火车。例如，一艘载重十万吨的天然气 运输船，一船天然气能供整个上海市市民使用一个月。据统计，国际贸易中 87% 的货运是靠船舶来运输的，可见船是非常重要的交通工具。 2. 项目背景二：中国造船业现状 中国造船业虽然已经取得举世瞩目的成就，但是我国船舶制造企业配套能力 落后。配套设备国产化率低下，严重影响了船舶产品的市场竞争力，已成为制约 我国船舶制造未来发展的最大障碍。世界船用设备生产主要集中在东亚、欧洲及 美国，欧洲是船用设备研发、制造中心，几乎覆盖所有船用设备，占世界市场份 额 40%~50%，并掌握主要船用设备、高端产品的设计和核心部件的制造；东亚主 要是产品制造中心和部分设备的设计中心：日本船舶的配套业居世界领先地位， 规模大、品种全、体系完整，占世界市场份额 35%~40%；韩国经过 20 多年的迅 速发展，中速柴油机、甲板机械、舱室机械、螺旋桨等研制已达到国际水平；我 国主要负责船用设备制造，设计主要依赖国外，国产设备装船率 40%~50%，舱 机械、通信导航自动化设备基本依赖进口。 掌握高精尖技术，国家才能更强大，中国造船产业要得到更好的发展，归根 结底需要有更多高精尖技术人才，中国需要培养属于祖国的船舶工程师。 3. 项目目标 本项目以家乡重庆的地域特点创设情境导入（重庆是港口城市，是长江流域 016 小学科学 + 生活融合实践研究 重要的水上交通枢纽站，货运量大，对船只的需求量大），以中国远洋海运集团 船长的现实说法，让学生感知中国造船业的现状，以培养中国“未来船舶工程师” 为项目主题，培养学生为祖国而学习的爱国情怀和使命感。 该项目设计融合 PBL 项目学习与 STEM 理念，以富于挑战性的驱动性问题 为导向，调动学生的高阶思维，通过知识建构、实践操作达成深度学习，综合运 用科学、数学等多学科的知识解决工程设计问题，建立提出解决方案、设计并制 作原型，测试原型，提出新方案，设计制作新原型的工程思维。通过对船的设计 制作、论证改进、测试迭代、成果展示，在探究性实践、技术性实践、调控性实践、 社会性实践、审美性实践中形成合作、互助、共享的学习品质，提高动手实践能力、 分工协调能力和合作探究能力。 科学：了解船的发展历史、船舶的种类、船舶安全行驶的相关因素：吃水线、 载重量、排水量、动力、结构、船的体积大小等相关知识，并应用这些知识造一 艘功能独特、能在特定水域安全行驶、载重量不少于 1 kg 的船。 技术：能操作和使用美工刀、锯子、热熔胶枪、电热丝切割机、激光切割机 等工具，对材料进行简单的加工、测量、切割等，知道技术设计的一般过程。 工程：能将创意转化为模型或实物，了解工程设计、制作的过程，体验造一 艘船的工程设计和制作过程。 数学：初步建立数学建模思维，能用计算的方法应用。 艺术：结合船舶的用途，造出性能与艺术美感兼具的船。 4. 项目课时计划 24 课时。 二、任务规划 项目核心任务： 制造一艘具有某种特殊功能、外观独特、有一定载重量且能在特定水域独立 航行的船。 017 第一部分　项目课程 阶段驱动性问题 核心任务 学习要点与项目整体关系 你想造一艘具备什么功能的 船？ 了解船的发展史和现状，确定 船的功能设计方向和理念 基于真实情境的入项活动 造一艘船，需要具备哪些知 识和技能？ 学习造一艘船需具备的知识和 技能 基于实践活动的知识与能 力建构 造一艘船要经历哪些步骤？ 首要步骤是什么？ 船设计图的迭代 基于工程设计的探索与成 果形成 你能根据设计图纸，制作船 的模型吗？ 船的模型制作、测试和改进 基于产品迭代的修订与成 果改进 如何让更多的人知道我们船 的优势？ 举 行 船 舶 展 览 会 并 反 思 项 目 学习 成果推广、反思与迁移 三、学习活动安排 为了更有效地进行深度学习，培养合作解决问题能力，在学习活动方式上， 本项目采用“拼图教学法（The Jigsaw Method）”，其原理为“各小组将学习任 务进行分解，拆分给不同的组内成员。各组承担相同子任务的成员重新分组学习， 开展同领域的探究研讨。完成子任务学习后，组员又回到原组，将学习成果进行 分享。每位组员将分解的子任务进行整合，通过各自掌握的知识点，共同开展合作， 完成教学任务”。因此，每个学生会同时具备两个身份：一是拼图组成员，二是 专家组成员。以下是对“拼图组”和“专家组”的具体阐述。 1. 拼图组（船的设计和模型制造团队组） 学生在开展项目活动过程中，小组合作完成船的设计、模型制作、测试等任 务。学生在专家组完成相应知识储备和技术学习后，回到拼图组进行船的设计和 模型制作，最终以团队合作的形式，完成船模型的测试、改进和展示。 2. 专家组（造船技术支持专家组） 学生在进行船的设计过程中，根据船的设计需求，分为动力设计组、结构设 计组、外观设计组、成本精算组 4 个专家组。学生根据自己的兴趣特长选择一个 身份开展“专家”学习，每个拼图组拥有 5 位不同专业方向的“小专家”。他们 在专家组通过探究学习，贮备船设计和制造的基础知识和基本技能，确保回到拼 图组后能共同解决核心任务。 018 小学科学 + 生活融合实践研究 在本项目的学生活动中，设置了不同比例的拼图组活动时间和专家组活动时 间：学生在专家组中完成知识储备、进行动手实践、随时提问求助，以建构知识 与能力。该过程更关注深度学习的能力发展；在拼图组中讨论设计方向和理念、 进行设计图的绘制与改进、实现实物模型的制作测试与迭代，对项目成果不断探 索修订直至公开发布，该过程更关注学习成果的综合推进。“专家组”和“拼图组” 活动方式的最终目的是解决核心问题，完成核心任务。 第一阶段（3课时） 学习目标： ①通过团队建设，认识同伴，了解同伴。 ②通过观看项目招募令，了解核心任务。 ③通过了解船的发展史和现状，确定船的功能设计方向和理念。 核心问题：我想造一艘具备什么功能的船？ 所需材料：学生活动手册、彩色卡纸、PPT、视频、马克笔。 学习活动： 活动一：团队建设 1.【热身活动】破冰游戏 游戏名称：快速反应。学生通过简单的热身游戏，营造轻松的课堂氛围，促 进学生之间的相互了解。 2.【自我介绍】绘制写有自我介绍的手掌（认识自我），带上手掌去了解他人 （增进同学之间的进一步了解）。 3.【团队组建】自由组合寻找组员。 组成 4 人小队，确定队名、口号。 活动二：迎接挑战 一、整体感知，引发共情 1.【感知】了解重庆的码头现状，感知船作为运输工具的重要性。 2.【共情】了解中国造船业的现状，船长发布项目招募书，倡议同学们加 入“未来船舶工程师”项目。 019 第一部分　项目课程 二、头脑风暴 1.【核心任务】造一艘具有某种特殊功能、外观独特、有一定载重量且能在特 定水域独立航行的船。 2.【头脑风暴】开展头脑风暴，讨论造一艘船需要考虑哪些因素？ 3.【聚焦】在现实生活中，造一艘船是一个庞大的工程，需要考虑的因素有很 多，如船的大小、载重量、材料、动力、外形等，将其归类整理成 4 个部分。 4.【分工合作】按照聚焦的设计因素，将小组内成员分为：动力设计师、外观 设计师、结构设计师、成本精算师，讨论并完成小组内成员分工。 职　务 岗位职责 负责人 5.【初步设想】你想造一艘具备什么功能的船？尽情发挥我们的奇思妙想吧。 初步造船方案： 020 小学科学 + 生活融合实践研究 第二阶段（4课时） 学习目标： 1. 通过对船的功能设计、结构设计、外观设计、成本计算、图纸绘制、材料 属性等多方面知识的学习，了解造一艘船需具备的工程和技术基础。 2. 小组内讨论并形成船的设计方案，尝试绘制图纸、制定材料预算清单。 3. 通过组间交流分享，启发灵感，发现问题，完善对方案的修改。 核心问题：造一艘船，需要具备哪些知识和技能？ 所需材料：课程资源包、身份徽章、平板电脑、编程套装、马克笔、学生活 动手册等。 学习活动： 一、专家组学习 ①学习拼图法。 ②根据组内分工，拼图组内成员带上身份徽章，到相应的专家组区域就座， 开展学习并做好学习记录。 动力设计师：了解船的动力装置、动力方式，各种动力的优劣，马达与螺旋 桨的安装方法，学习掌控板的使用与编程。 结构设计师：了解船设计过程中如何实现结构与功能的结合，如船的大小、 形状、吃水线等与船舶载重量的关系。 外观设计师：了解船的外观设计需要考虑哪些因素，如何实现外观与船功能 的结合。 成本精算师：了解造船成本构成，保证船性能的前提下兼顾成本效益，初步 建立成本控制思维。在成本和船的性能之间寻找更好的性价比。 （专家组学习，分 3 课时进行，每次学习完后，小组内交流学习心得。） 二、分享、交流与修改 从专家组回到拼图组学习区域，组内分享学习内容，并提出对设计方案的思考。 ①拼图组内讨论设计方向和理念，形成统一的设计方案。 ②全班交流设计方案，搜集修改意见及建议。 021 第一部分　项目课程 ③根据交流后的意见，修改设计方案，形成方案定稿。 第三阶段（3课时） 学习目标： ①了解造一艘船的步骤，学会分工合作。 ②学会图纸绘制，包括俯视图、侧视图、分结构图。 ③通过船舶展览会的方式，分享小组的设计方案与图纸，培养学生善于合作 表达和倾听的能力。 ④感知工程设计的重要性。 核心问题：造一艘船要经历哪些步骤？首要步骤是什么？ 所需材料：4K 素描纸、绘图工具、船舶俯视图、侧视图、分结构图等。 学习活动： 一、能量补给站（拼图组学习） ①工程建造知识学习：造船的步骤有哪些？ ②识图学习：以“远福洋”轮的图纸为例，学习船舶图纸的设计和绘制。 二、图纸绘制 根据小组的设计方案，绘制船舶俯视图、侧视图和分结构图。 三、分享、交流与修改 班级内分享设计方案与图纸，论证设计的可行性与合理性，搜集修改意见与 建议，形成设计方案与图纸定稿。 第四阶段（12 课时） 学习目标： ①通过模型的制作，培养学生动手实践和解决问题的能力。 ②通过对不同材料的处理，学会多种工具的使用。 ③通过模型测试，发现本组模型的优劣，找到模型改进方向。 ④通过组内头脑风暴分析测试结果，小组讨论，根据设计标准改进模型，培 养解决真实问题的能力。 ⑤通过组内思辨，学会倾听，培养小组合作表达观点的能力。 022 小学科学 + 生活融合实践研究 核心问题：根据设计图纸，你能将设计图转变成模型吗？ 所需材料：材料超市各类材料及价格清单、各类工具及价格清单、学生活动 手册、材料采购清单、船舶建造计划表等。 学习活动： 一、材料及工具购买 ①根据设计图纸，制订材料清单并到材料超市购买所需材料。 ②到超市管理员处预定工具使用时间，如激光雕刻机、泡沫切割机、热熔胶 枪等。 ③成本精算师做好材料采购清单记录。 二、模型制作 ①制订船舶建造计划表。 ②小组成员分工合作，制作船体模型并组装（尽量高度还原设计图）。 三、产品测试与迭代 1. 模型测试 将做好的模型放入水池中测试，观察存在的问题，小组讨论并形成修改意见。 2. 模型改进 根据测试结果，修改设计图纸，改进模型测试中存在的问题。 3. 再次测试与修改 多次测试并改进模型，使其达到预期设计效果。 第五阶段（2课时） 学习目标： ①多种方式展示各小组设计制作的模型，激发学生个性潜能，培养团队合作 精神，提升学生综合素养。 ②了解其他小组设计制作的模型，对比聚焦亮点，在平等、开放、互动的学 习环境中产生获得感，形成持续的学习生长力。 核心问题：如何让更多的人知道我们船的优势？ 所需材料：大型水池、颁奖奖牌。 023 第一部分　项目课程 学习活动： 一、船舶展览会准备 围绕核心任务，从结构、动力、外观、成本控制等角度展示小组船模。 ①小组内确定中心发言人，主讲船的设计亮点与理念。 ②根据组内成员的分工，各自梳理发言内容。 ③制作项目过程短视频。 二、船舶展览会和评奖颁奖 ①各组配合宣传短视频依次汇报，班级内举行船舶展览会。 ②师生之间相互观摩并根据评价表选出最佳设计奖、最佳合作奖。 三、回顾项目历程 ①学生从拼图组和专家组两个维度围绕核心任务进行设计制造和知识技能学 习方面的反思，并在拼图组内互评小组合作的得失。 ②学生总结交流项目学习过程中的收获与感言。