仿生学是人们从自然中学习，进而应用到工程技术的一门学科。从潜艇、雷达，到人工冷光、纸币防伪，大自然总是带给人们无限惊奇和创作灵感。本项目以“基于实物的体验式学习、基于实践的探究式学习”为教学理念，以生活中的薄壳结构建筑为切入点，以“从鸟蛋到薄壳结构建筑，仿生学研究的一般过程与方法是怎样的？”为驱动问题，以形成一份科学探究报告为任务导向，启发学生从建筑的外形和结构出发，综合运用观察记录、动手实验、游戏体验等手段，自主探究仿生建筑原型——蛋壳的形状、结构、颜色之谜，进而加深对薄壳结构建筑的仿生原理的理解，同时鼓励学生将所学到的研究方法运用于探究其他仿生学情境。

项目目标

科学观念目标

了解仿生学研究方法和工程问题的整体性、系统性特点；能基于薄壳结构建筑的特点，建立与自然界生物形态结构的联系；探究蛋壳形态结构中蕴含的数理奥秘和生物学意义，知道生物体功能、结构、环境密切相关。

科学思维目标

掌握分析与综合、比较与分类、归纳与演绎等思维方法；能将实际生活中的建筑学问题情境与生物模本之间进行类比、模拟，能基于证据与逻辑，从不同角度提出合理的见解、新颖的观点及解决问题的办法。

探究实践目标

掌握科学探究的一般步骤，能够基于真实情境提出科学问题，通过对比观察、收集资料、制订探究计划、动手实验开展科学探究，分析结果并得出结论，撰写科学探究报告并展示探究成果。

态度责任目标

保持好奇心，善于观察和思考生活现象背后的规律，乐于探究和实践；乐于小组合作，能基于科学探究结果发表自己的见解；初步理解科学、技术、社会、环境之间的关系，能认识到师法自然的重要性，并理解生物属性与工程属性间的差异。

项目实施

阶段1：项目引入——仿生建筑初探

本阶段分为“建筑面面观”与“思考与讨论”2个环节。以学习单为主要载体和任务驱动，通过呈现著名仿生建筑组图，引导学生以小组为单位，围绕建筑基本信息、外形特点、分类及理由、与自然界生物的关联性等方面进行资料收集、观察记录和讨论分享，从而了解薄壳结构建筑的仿生模本（种子外壳、蛋壳、贝壳、龟壳等）及分类（圆顶薄壳、筒壳、双曲扁壳、双曲抛物面壳等）。以世界上著名的仿生建筑为例，强化探究任务与实际生活的关联，激发学生的探究积极性；以完成小组任务为驱动，引导学生观察薄壳结构建筑的基本特征。

阶段2：明确任务——小小建筑师的设计清单

本阶段分为“发现、发明从何而来”和“仿生设计头脑风暴”2个环节。前者通过阅读分析“牛顿发现万有引力”“爱迪生发明电灯”等科学史相关文字素材，归纳总结科学探究的一般过程。后者创设“小小建筑师”角色，引导学生基于任务情境“设计一座别致的圆顶薄壳结构建筑”开展头脑风暴，用思维导图的形式罗列出圆顶薄壳建筑需满足的实用性需求维度、蛋壳结构的探究维度，并尝试在二者之间建立起映射联系（如建筑的结构牢固性对应蛋壳结构的承重能力探究）。通过讨论与分享，使学生聚焦承重能力、形状、颜色3个维度开展探究，多角度揭秘生物模本——蛋壳蕴含的数理奥秘和生物学意义，并明确项目任务：以小组为单位完成1份科学探究报告，通过PPT演讲等形式展示探究成果。

阶段3：开展探究——仿生建筑原型之蛋壳承重能力、形状、颜色探秘

本阶段分为承重能力探秘、形状探秘、颜色探秘3个平行探究方向，小组可选择任意1项任务开展探究。结合形成探究报告的项目任务与上一阶段掌握的科学探究的一般过程，小组需要在实施实验探究之前，先针对探究主题完成“仿生原型探究方案”整体规划设计，包括猜想与假设、实验设计、数据记录、分析与讨论及结论等模块。

“承重能力探秘”小组对应建筑的牢固需求，在仿生模本上表现为薄壳结构的牢固度问题。以日常生活中常见的薄壳结构——鸡蛋蛋壳为实验材料，通过握蛋实验、蛋壳承重测定实验等定性、定量结合的方法，探究蛋壳的坚固程度与承重能力，初步认识到蛋壳的承重能力与曲面结构有关（拱形曲面可以把受到的压力均匀地分散到物体的各个部分，结构更加坚固）。

“形状探秘”小组对应建筑的外形需求，在仿生模本上表现为自然界常见蛋壳结构的形状特征。通过“形状各异的鸟蛋”（到超市、菜场、博物馆、户外观察记录各式各样的鸟蛋）、“鸟蛋骨碌碌”（实验探究不同形状的鸟蛋从斜坡上滚落的速度、距离、路线）和“鸟蛋形状与环境的关系”（“糟糕，会不会跌落悬崖”科普游戏体验）3个环节，了解鸟蛋形状的多样性（卵形蛋、椭圆形蛋、圆形蛋、梨形蛋）及其生物学意义，并通过“鸟巢鸟蛋连连看”环节，对前述知识进行迁移运用。

“鸟蛋的秘密”科普游戏“糟糕会不会跌落悬崖”

“颜色探秘”小组主要探究仿生模本的颜色、纹理特征，通过“多变的鸟蛋色彩”（透过不同颜色的滤光片观察底色）、“鸟蛋颜色与环境的关系”（“竟然狸猫换太子”科普游戏体验）环节，了解鸟蛋颜色与花纹的多样性（蛋壳上不同色素的比例使得鸟蛋拥有了不同颜色，鸟蛋在输卵管内的不同滚动方式造就了鸟蛋的不同花纹）、保护色的功能，通过“鸟蛋的保护色”环节（根据生境特点利用保丽龙球和彩笔制作能“隐身”的鸟蛋），以创意手工的形式对前述知识进行迁移运用。

通过小组分工合作、动手实验，帮助学生体验不同程度的科学探究。通过观察讨论、动手制作等方式，加深学生对鸟蛋特征与功能的理解，引导他们完成对知识的迁移运用。

“鸟蛋的秘密”科普游戏“竟然狸猫换太子”

阶段4：成果展示交流

本阶段引导学生回顾仿生学问题探究的过程，以小组形式讨论薄壳结构建筑的哪些实用功能得到了检验，哪些功能有待进一步探究，思考各个功能问题的解决能否解决整体问题。并将科学探究报告的内容以PPT、视频等可视化形式与教师、同学分享交流。通过小组合作、文献调研、讨论交流、展示汇报等形式，拓展学生对已有信息的认识和思考，引导学生了解工程问题具有系统性、综合性的特点。

阶段5：学生评价

本阶段注重学生项目式学习效果的过程性评价和形成性评价。过程性评价指标包括完成并上传10份探究任务学习单、科普游戏体验、资料收集与问题讨论分享等。形成性评价是基于科学探究报告撰写与展示环节，从能力发展与展示交流2个维度，对学生的学习态度、合作意识、信息处理能力、认知能力、实践创新、语言表达与整体形象进行定量评价，同时引导学生开展自评与互评，以帮助学生在项目式学习后改进与提升。

项目总结

本项目将实际的建筑问题转化为仿生生物原型的探究问题，在工程与模型、技术问题与科学问题之间建立联系，鼓励学生思考、交流。通过4个实验探究和3项观察任务，引导学生开展基于实物的探究，进而学习科学探究方法；结合科普游戏、科学实验、动手制作等形式，引导学生开展体验式学习，充分调动学习积极性。以薄壳建筑探究为“形”，以仿生学研究乃至科学研究的一般过程、方法论为“神”，传达观察自然、师法自然的理念，培养学生的知识迁移能力。