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项目式学习空间的概念模型构建与分析
作者:程林 上海市上海中学 来源:来源丨《中国现代教育装备》 点击:313次 评论:0

项目式学习是基础教育领域的一种重要学习方式,是面向真实世界问题解决的深度学习与基于实践环境的经验学习的结合。项目式学习是一种围绕项目组织的体验式、主动式学习模型,旨在使学生获取知识以解决出现在项目中的问题,从而实现有意义的学习。项目式学习强调问题的真实性、知识的建构性、过程的实践性、结果的开放性,以及跨学科研究性学习。

2020年,教育部对2017年版的《普通高中课程方案》以及普通高中各学科课程标准进行了修订,更加注重学生核心素养、空间感、关联力、想象力和批判性思维等方面的能力培养。项目式学习以其天然的跨学科属性越来越受到重视。特定的学习空间会激发和促进特定的学习活动。本研究结合我校工程类项目式学习实践,提出了项目式学习空间的概念模型,并分析了学习者在学习空间中的学习行为。本文提出的项目式学习主要针对中学阶段以学生为中心、以学期或学年为单位的长期研究性学习项目。

一、项目式学习空间的特点及概念模型

1.项目式学习的特点

项目式学习的关键在于“项目”,相较于其他学习方式,具有特殊性。从中学阶段学生发展需求和学习环境角度出发,可以得出项目式学习的两个显著特点。

其一,在真实或者模拟真实的场景中展开,旨在提升学生面向真实世界的问题解决能力。其二,项目实施的过程需要连续的时间积累,虽然遵循一定的研究步骤,但步骤之间的序列并不严格,具有灵活性。

一般来说,项目式学习过程大致可分为构思、设计、实施、运作四个阶段。在实际实施过程中,还可以具体细分为:生成研究问题、制订研究计划、撰写研究方案、原型制作、调试与改进、交流展示、评价反思等阶段,后续还可能涉及产品化构想等。

每个阶段都可能出现多个循环往复,学生的学习过程呈现为螺旋式上升轨迹。

2.项目式学习空间的概念模型

“空间”是一个古老的课题,与人类的生活密切相关,人类对空间的认识经历了从古希腊的自然空间观念,到近代的物理空间观念,再到现代的社会空间观念的过程,并逐步趋向于将空间看作人类活动的产物,而个人感知的空间、个人的社会关系空间、个人在社会中的位置都是空间的组成部分。

目前,对于学习空间的界定尚未形成共识,其中与空间理论结合较为紧密的定义为:学习空间是以学习者为实践、体验主体,以知识的生产、传承、传播和消费为中介,以学习活动广度的拓展与深度的挖掘为旨归的特殊场域。

结合空间理论和上述对学习空间的定义及项目式学习的特点,笔者将项目式学习空间描述为图2所示的概念模型。模型中的外环为交叠的物理学习空间、交互学习空间和自我学习空间;内环是以学习者为中心的项目式学习过程;中间环是学习者在三个空间叠加作用下的学习行为与自我建构。(1)物理学习空间

物理学习空间是可见的学习环境,对于项目式学习来说,包括正式的(如教室、图书馆、实验室)和非正式的(如校园各区域、讨论室、加工厂、材料市场、展示厅、项目相关的公共场所等)物理实体空间。以往的物理学习空间更多地作为师生信息传递的空间来发挥作用,随着信息技术的发展,学生获取信息的渠道越来越多,物理学习空间逐步向两个方向拓展。

其一,通过现代信息技术的应用拓展物理空间的功能,例如在普通的教室或实验室等场所,通过增加智能手机、平板电脑、交互式电子白板等设备,以及录屏软件、可视化工具、课堂教学辅助平台等,进行物理空间重构。

其二,通过现代交通工具和物联网技术等拓展物理空间的范围,例如学生可以通过各种交通工具,到各高校实验室开展实验,或通过物联网对异地实时实物实验系统进行操作。

(2)交互学习空间

交互学习空间是学习者自身和“他者”的交互环境。这里的“他者”包括在场的与不在场的“人”和“物”(包括实体物与虚拟物)。对于项目式学习来说,“人”包括校内指导教师、实验室管理人员、专家学者、工程师、用户群体、材料供应商等。现实世界的实体物包括实验设备、材料、场地设施、交通工具等;虚拟物包括软件、电子资料等。

学习者是交互的触发条件,影响交互的方式与结果,并在交互中获得学习体验,促进意义建构。随着云计算、物联网、虚拟现实、人工智能等技术的发展,互动的形式和深度都得到了扩展。如物联网实现了物与物、物与人之间的泛在连接;人工智能将这种连接变得更自然和深入;虚拟现实则是将这种交互空间深入分子内部,甚至扩展到太空。

(3)自我学习空间

项目式学习是一种面向真实问题的学习,其本质是一种劳动实践。黑格尔曾指出:劳动不只是在消耗物,更是在塑造物,并且在塑造物的同时就在塑造着人自身。项目式学习从最初的一个想法到最终形成作品原型有一定的时间延迟性。

这种时间上的延迟带来的空间拓展形成了学生自我建构的空间。物理空间和交互空间是自我空间形成的基础,学生在自我空间中会反思自己的行为和想法,反思自己与项目团队和其他群体的沟通方式,从而不断重构自身的知识和能力,重塑价值观念,促进工程思维的形成。

二、学习者在项目式学习空间中的学习行为

学习行为是指学习者在某种动机的指引下,为获得某种学习结果而与周围环境进行的双向交互活动的总和。

在项目研究的不同阶段,学习者在不同学习空间中的行为表现不同。系统地分析其行为表现,有助于更有针对性地设计和营造学习空间。我校面向科技、工程实验班学生展开了为期一年半的项目式学习,学生需要在课程学习的基础上,提出一项课题并利用校内的创新实验室和相关高校的专家学者及实验室资源,经历工程项目研究的全过程,最终完成项目并参加各类展示与科技比赛活动。现以我校智能工程领域的项目式学习为例,分析学习者在项目研究的不同阶段、不同学习空间的行为表现。

1.构思阶段

在项目构思阶段,学生需要组建项目团队,根据真实工程问题,进行社会调研和市场调研,在调研分析的基础上结合各种数据与信息,初步进行设计方案的多因素分析,了解技术的特性和细节,明确制约条件和各种影响因素。

以“盲人智能手杖”项目为例,学生需要在教室、实验室等物理空间中学习基础知识;到图书馆查阅资料,并走上街头,在城市公共空间中对盲人出行的需求和已有的城市公共设施进行实地调研;使用手机、笔记本电脑等接入网络数据库,了解现有的研究成果和产品。

在交互空间中,学生需要组建项目团队,明确分工,与校内指导教师沟通交流,联系理论专家学者、工程师等专业人士进一步分析项目的可行性。最重要的是,学生需要走入盲人群体,了解他们真正的需求。学生要基于用户需求、现有产品和技术,综合考虑安全性、便携性、成本、可行性、可获得的技术支持等。结合已有的基础知识以及通过学习可以掌握的专业知识、项目实施时间和设备等条件,学生逐步形成对项目的明确认知。在这个过程中,学生需要不断自我建构,其中包括调整自我、与不同人群进行有效沟通以获得所需要的信息、深入理解工程与社会的联系等。

2.设计阶段

在项目设计阶段,学习者团队需要结合构思阶段的调查和分析,应用工程语言描述用户特定需求,确定所要解决的技术问题,提出多个符合一般设计原则和规范的方案,并能够应用数学和工程方法,结合社会文化因素进行比较和权衡,用较为复杂的草图(利用手绘或计算机辅助设计)表达设计构想,并根据方案综合选择材料和工具。

学生需要结合实验室已有的材料并征求指导教师和专家学者的建议来准备材料;采购过程中需要与供应商就材料的价格、性能、售后、技术资料等问题进行沟通。以“基于深度学习的老年人摔倒保护装置”项目为例,学生在市场调研和社会调研的基础上,提出了多个方案。

在项目设计阶段,学生在教室参与了工程设计课程的学习,在工程实验室完成了控制器、传感器的测试,在讨论室、会议室进行小组讨论,并到高校实验室向专家学者进行咨询。最终确定的方案为:装置在检测到老人跌倒之后,会启动戴在老人腰部的轻巧气囊自动充气,以减少身体落地时对髋关节等部位的冲击,从而保护摔倒时最易受伤的髋关节等脆弱部位,减小摔倒对老年人的伤害。

结合在购物平台上与商家的交流,最终选择Arduino 101开发板、加速度传感器、山地自行车紧急充气阀、束腰式气囊等材料,并初步完成设计图。在这一阶段,学生的自我建构包括:系统性、创造性思维逐步形成,开始关注设计中的人本主义思想和审美原则,并通过在不同材料和成本之间进行权衡等来体验一名工程师所需要考虑的细节。

3.实施阶段

在项目实施阶段,学生团队需要利用实验室的工具和设备、项目配备的材料编写程序,完成机械部分、传感器部分和控制部分的组装,制作出产品原型。该过程是项目式学习过程中持续时间最长的阶段,可能会经历多次反复,需要不断调整设计方案。

这个阶段对学生的专注力、抗挫折能力、计算思维、时间规划和管理、人际交往能力等提出了很高的要求,学生需要不断反思、调整自己,获得自我提升,并不断思考与不同人群的高效沟通技巧。以“基于SLAM(同步定位与地图构建)的移动垃圾桶”项目为例,该项目在实施阶段持续了将近一年时间。

该项目涉及ROS平台、SLAM技术等专业知识,对于高中学生来说是很大的挑战,因此学生除了在教室、实验室学习基础知识外,还需要到高校的博士研究生课题组学习算法,向SLAM技术专家进行咨询,与实验平台和传感器供应商的技术人员沟通了解数据和系统搭建细节,并在校内各种环境中进行大量测试。虽然测试失败了很多次,最终也没有完全实现预想的功能,但学生的抗挫折能力、与不同人群交往的能力、时间管理能力等均获得了提升。

4.运作阶段

运作阶段是工程类项目式学习的最后一个阶段,学生团队需要对搭建好的产品原型进行技术测试,撰写技术测试方案和实验报告,并从效率、形式、流程等方面进行方案的评价与优化。学生需要撰写研究报告、设计制作展板,并在各类平台向社会公众展示和讲解自己的设计,并接受公众的质询。学生在反思整个项目的过程中,能进一步理解科学理论与工程现实的差异,并认识到现有工具和材料的局限性。

以“面向斜拉索桥检测的螺旋式爬行作业机器人设计”项目为例,学生对搭建的作品原型进行了大量测试和调试,不断与高校专家学者、工程师讨论,根据测试数据改进结构。在参与英特尔国际科学与工程大奖赛(Intel ISEF)的过程中,学生通过与国外的课题组交流得知,后者采用了大量的专业分析软件,例如MatLab,Simulink等,由此更加深刻地认识到应用各种数字化工具对工程研究具有巨大的促进作用,并逐步理解了工程项目研究是一个不断迭代的过程,并且科学理论与工程实践存在很大差距,需要接受无法预期的“阻碍”,从高中课题研究到真正落实于生产实践的机器人,中间还有很长的路要走。

三、项目式学习空间构建的几个关键点

1.物理学习空间需具备灵活开放性

项目式学习过程可能会出现多次循环往复,是逐步迭代的过程,相应地需要讨论空间、设计空间、实验室、运作空间来支持项目开展的全周期。在校内物理空间设计方面,需要重点关注灵活开放性。灵活富于变化的空间布局可以促进更多类型的学习行为的发生,推进交流学习。在项目式学习中,每个学习群体在同一时间可能处于项目的不同阶段,对于物理空间的需求也不同,可以在较大空间中合理布置大小不同的全开放或半开放空间,以满足使用者不同的需求。

未来,项目式学习空间设计还需要考虑基于物联网等技术的物理学习空间的拓展。

2.交互学习空间需要关注泛在性和沉浸式交流

项目式学习需要构建以学生为中心的泛在性交互空间,使得学习者可以在任何地方、任何时间,以其随手可用的设备和最简单的方式与人或物互动,从而交换信息。项目式学习需要学生面对真实复杂的环境,在不断交流中激发认知矛盾,形成探究动力,完成知识、技能、价值观的内化。

因此,交互学习空间还需要关注面对面的沉浸式交流。例如与专业人员的面对面深度交流,不仅可以学习到专业的知识和研究方法,还能从专业人员的习惯、言行中体会卓越工程师的素养和大师风范,让学生产生精神层面的深刻认知。

3.自我学习空间需要学习者提升信息分析和独立思考能力

快速迭代的信息技术在为高中工程项目研究带来便利的同时,也给学生的自我建构带来了不利影响。

其一,信息的即时性、易得性会造成迷失感,使学生必须在项目研究过程中面对海量繁杂的信息进行辨别和取舍。因此,在项目式学习过程中,需要学生有效利用科学的信息分析方法与工具,不断聚焦问题,获得真实有用的信息,以免迷失方向。

其二,标准化的信息获得方式及同质化的信息来源导致思路的趋同性,使得学习者思考的方向被相似的信息牵引,形成个体和团队知识结构的同质化,阻碍了创新能力的发展。

对此,教师应在工程类项目式学习过程中通过物理空间内部区域的设计、研究轨迹的留痕、交互空间中的面对面交流等,为学习者提供促进独立思考的空间,让学习者经历具有个人风格、蕴含个人认知轨迹的项目研究过程,以激发其创新思维和创造力。



更新:2022/6/27 5:44:39 编辑:fengyefy
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