運(yùn)用PBL教學(xué)法開(kāi)展STEM教育活動(dòng)的思考與實(shí)踐
——以長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館科學(xué)教育活動(dòng)為例

韓瑩瑩 朱赫宇 賈曉陽(yáng)

一、 關(guān)于STEM教育

STEM(Science，Technology，Engineering，Mathematics)教育的理念可追溯到20世紀(jì)80年代的美國(guó)，它強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。21世紀(jì)初，STEM教育成為美國(guó)國(guó)家教育戰(zhàn)略，其代表性標(biāo)志是2009年美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)的“教育創(chuàng)新”運(yùn)動(dòng)和美國(guó)2013年發(fā)布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》。[1]近年來(lái)，STEM教育理念在中國(guó)乃至亞洲迅速崛起，在世界范圍內(nèi)也是教育發(fā)展的熱點(diǎn)。

《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)三個(gè)要素：“實(shí)踐”“跨學(xué)科概念”和“學(xué)科核心概念”，亦稱為科學(xué)教育的“3個(gè)維度”。有美國(guó)學(xué)者認(rèn)為“3個(gè)維度”也適用于STEM教育，指出“在每一個(gè)學(xué)科中，這些維度都緊密聯(lián)系在一起，每一個(gè)維度的缺失都將影響整個(gè)學(xué)科。也就是說(shuō)，為了讓學(xué)習(xí)活動(dòng)能夠真實(shí)，3個(gè)維度的內(nèi)容都必須清楚明白地體現(xiàn)在活動(dòng)設(shè)計(jì)中”。[2]

(一) 科學(xué)與工程實(shí)踐

STEM教育中的“實(shí)踐”特指“8種科學(xué)與工程的實(shí)踐”，這是科學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，其宗旨在于通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)，檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)知識(shí)，促使學(xué)生將知識(shí)用于解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而提高科學(xué)實(shí)踐和創(chuàng)新能力。[3]

(二) 跨學(xué)科概念

STEM教育中的“跨學(xué)科”，不僅僅是“跨學(xué)科”的知識(shí)與技能，還包括“跨學(xué)科概念”。筆者將前者稱為對(duì)STEM教育的第一層次理解：解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題根本不會(huì)在孤立的領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)展，而是在STEM領(lǐng)域的交疊處進(jìn)行，即跨學(xué)科的知識(shí)與技能。關(guān)于STEM有個(gè)簡(jiǎn)單而形象的比喻：如果能夠把科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)想象為人體的不同部位，那么科學(xué)是肌肉骨骼系統(tǒng)，工程是大腦，技術(shù)是手，數(shù)學(xué)是心臟和血液。這些分離的學(xué)科之間事實(shí)上有很緊密的關(guān)系。

第二層次的理解即跨學(xué)科概念，關(guān)于跨學(xué)科概念，Hubert Duasi和Derek Bel對(duì)其解釋是：“有一些概念在所有STEM各學(xué)科中都會(huì)出現(xiàn)，甚至出現(xiàn)在其他學(xué)科中……不論是科學(xué)家、工程師、技術(shù)專(zhuān)家，還是數(shù)學(xué)家，這些跨學(xué)科概念在看待世界上各種現(xiàn)象時(shí)可作為有力且全面的框架。因?yàn)樗鼈兂搅瞬煌琒TEM學(xué)科之間的邊界，它們也被稱為統(tǒng)一的概念?！盵2]從美國(guó)《K-12科學(xué)教育框架》所列的“跨學(xué)科概念”內(nèi)容看(見(jiàn)表1)，它含有某些適用于各個(gè)學(xué)科甚至社會(huì)生活、個(gè)人發(fā)展的科學(xué)的認(rèn)識(shí)論、方法論和價(jià)值觀(即科學(xué)方法、科學(xué)思想和科學(xué)精神)的內(nèi)容，并且它們是通過(guò)“實(shí)踐”獲得的“直接經(jīng)驗(yàn)”。

表1 科學(xué)、工程、技術(shù)領(lǐng)域中的跨學(xué)科概念[2]

(三) 學(xué)科核心概念

“學(xué)科核心概念”是聚焦在各門(mén)學(xué)科內(nèi)的核心主題，為學(xué)生理解復(fù)雜的“跨學(xué)科概念”和解決問(wèn)題提供工具與支持，一般涉及物質(zhì)、生命、地球與空間科學(xué)、工程、技術(shù)和科學(xué)運(yùn)用?？鐚W(xué)科概念和學(xué)科核心概念的學(xué)習(xí)是相互聯(lián)系的，是需要通過(guò)多次反復(fù)學(xué)習(xí)逐步深化的。[2][4]

由此可見(jiàn)，STEM教育強(qiáng)調(diào)以“學(xué)科核心概念”和“跨學(xué)科概念”為主線的科學(xué)研究和工程實(shí)踐，最終目標(biāo)是提高國(guó)民科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)綜合素養(yǎng)和解決問(wèn)題的能力。

二、 PBL教學(xué)法在科技館STEM教育活動(dòng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

(一) PBL教學(xué)法與STEM教育的匹配

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(Project Based Learning，縮寫(xiě)為PBL)是將分散的學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行融合，以便應(yīng)對(duì)具有挑戰(zhàn)性的課題的學(xué)習(xí)方式。這一方式強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)期的、跨學(xué)科的、以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)活動(dòng)，利用問(wèn)題驅(qū)使學(xué)生理解學(xué)科核心概念，與STEM教育3個(gè)維度中的“科學(xué)與工程實(shí)踐”相吻合。

為了完整、準(zhǔn)確地理解STEM教育的基本特征，有文章將STEM教育歸納為“基于科學(xué)與工程實(shí)踐的跨學(xué)科探究式學(xué)習(xí)”。[5]對(duì)此，筆者深以為然，并認(rèn)為基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)本身就是探究式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法之一，是通過(guò)“實(shí)踐”的過(guò)程設(shè)計(jì)完成項(xiàng)目和探索解決問(wèn)題，從中獲得知識(shí)和技能(“直接經(jīng)驗(yàn)”)的教學(xué)法。

當(dāng)代科學(xué)教育的目標(biāo)已不局限于知識(shí)與技能了，而是追求更高層次的“過(guò)程與方法”“情感態(tài)度價(jià)值觀”，這正是STEM教育中強(qiáng)調(diào)的第三個(gè)維度“跨學(xué)科概念”，即科學(xué)的認(rèn)識(shí)論、方法論和價(jià)值觀。PBL創(chuàng)造了“現(xiàn)象/任務(wù)/問(wèn)題→判斷/假說(shuō)/設(shè)計(jì)→驗(yàn)證→發(fā)現(xiàn)/結(jié)論/實(shí)施方案”的過(guò)程，并通過(guò)這一過(guò)程使學(xué)生從實(shí)踐中體驗(yàn)、領(lǐng)悟、掌握這些抽象的認(rèn)識(shí)論、方法論和價(jià)值觀，與灌輸式教學(xué)和“偽探究”有著本質(zhì)的不同。因此，PBL既匹配了STEM教育的“3個(gè)維度”，也是實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)教育高層次目標(biāo)的有效教學(xué)方法。

(二) 科技館中的STEM教育

科技館的英文表述science and technology museum直譯為科學(xué)技術(shù)博物館，在我國(guó)則特指那些相當(dāng)于國(guó)際上的“科學(xué)中心”(science center)或以科學(xué)中心展示教育方式為主的科技博物館。[6]2013年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)館研究員王恒等人提出：科技館教育的基本特征是“通過(guò)模擬再現(xiàn)的科技實(shí)踐，為觀眾營(yíng)造探究式學(xué)習(xí)的情境，從而使其獲得直接經(jīng)驗(yàn)”。[7]

科技館展品多以科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究、科學(xué)考察、技術(shù)發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置或?qū)ο鬄樵?，操作體驗(yàn)展品不僅可以再現(xiàn)科學(xué)家通過(guò)“探究”獲得“直接經(jīng)驗(yàn)”的“實(shí)踐”過(guò)程，還能夠體驗(yàn)到其背后隱含的科學(xué)方法、科學(xué)思想和科學(xué)精神。這些信息，均可通過(guò)展示和教育活動(dòng)傳遞給觀眾。因此，科技館的展品及基于展品的教育活動(dòng)，不僅為觀眾提供了通過(guò)“實(shí)踐”和“探究”獲得科技知識(shí)“直接經(jīng)驗(yàn)”的條件，同時(shí)也為觀眾了解掌握“跨學(xué)科概念”提供了便利。[5]這也是長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館(以下簡(jiǎn)稱“光學(xué)館”)開(kāi)展科普教育活動(dòng)的開(kāi)發(fā)思路之一。

上述科技館中的實(shí)踐條件和信息載體是其他教育機(jī)構(gòu)所不具備的，因此利用科技館展品開(kāi)展教育活動(dòng)與STEM教育的基本特征相吻合，而且具有天然的資源優(yōu)勢(shì)。[5]二者相得益彰，使科技館教育本應(yīng)具有的功能得以充分實(shí)現(xiàn)，成為提升科技館教育效果的突破口。

(三) 運(yùn)用PBL教學(xué)法進(jìn)行科技館STEM教育活動(dòng)設(shè)計(jì)

光學(xué)館教育活動(dòng)的模式是由科技館教育的目的決定的，而教學(xué)過(guò)程則是基于學(xué)生解決問(wèn)題的方式和對(duì)新知識(shí)的掌握程度確定的。教育活動(dòng)期望獲得穩(wěn)定的教學(xué)質(zhì)量、對(duì)館內(nèi)科普資源的優(yōu)化配置和利用，以及活動(dòng)面對(duì)不同類(lèi)型受眾的更大適用性。筆者總結(jié)了幾點(diǎn)運(yùn)用PBL教學(xué)法設(shè)計(jì)STEM教育活動(dòng)的原則，作為教育活動(dòng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。下面為了便于討論將各項(xiàng)原則分開(kāi)列出，但在實(shí)踐中它們是融為一體的。

首先，活動(dòng)提出的問(wèn)題應(yīng)與學(xué)生已有的相關(guān)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，為學(xué)生提供回答問(wèn)題的機(jī)會(huì)，使學(xué)生不至于產(chǎn)生挫敗感；另外，要與學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效互動(dòng)。著名發(fā)展心理學(xué)家讓·皮亞杰提出的認(rèn)知發(fā)展理論中提到：人的認(rèn)識(shí)發(fā)展，不僅表現(xiàn)在知識(shí)的增長(zhǎng)上，更表現(xiàn)在認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完善和發(fā)展上。個(gè)體會(huì)同化和順應(yīng)新鮮刺激以便發(fā)展和豐富已有圖式，認(rèn)識(shí)永遠(yuǎn)是外物同化于內(nèi)部圖式、內(nèi)部圖式順應(yīng)于外物這兩個(gè)對(duì)立統(tǒng)一過(guò)程的產(chǎn)物。[8]實(shí)踐時(shí)，我們可以參考最近發(fā)展區(qū)理論并綜合以上原則設(shè)計(jì)教育活動(dòng)的情境。

其次，堅(jiān)持思維可視化?？梢岳眉舛丝萍?，如電腦動(dòng)畫(huà)演示、建模制作項(xiàng)目、動(dòng)態(tài)描寫(xiě)和科學(xué)信息顯示，給學(xué)生提供多種表達(dá)方式，讓學(xué)生能夠看到科學(xué)思維過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展自身的科學(xué)思維；輔導(dǎo)教師應(yīng)該對(duì)學(xué)生的前概念進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)和理解，為學(xué)生搭建良好的“腳手架”，給學(xué)生提供清晰觀察自己的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)過(guò)程中的反思。

最后，要引導(dǎo)學(xué)生之間的社交互動(dòng)?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)是一種合作性的學(xué)習(xí)方式，小組內(nèi)的互動(dòng)幫助學(xué)生培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)工作技能和有效的溝通技能，這些技能對(duì)于他們步入社會(huì)、踏上工作崗位都是必備的。小組討論時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生的批判性思維與合作精神，可以自由表達(dá)自己的觀點(diǎn)，也可以批判對(duì)方的觀點(diǎn)。鼓勵(lì)學(xué)生有意識(shí)地進(jìn)行反思，整合他人的觀點(diǎn)，認(rèn)真做出自己的貢獻(xiàn)。學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)置個(gè)人目標(biāo)，從他人那里得到反饋，并據(jù)此調(diào)整行為及評(píng)估自己的觀點(diǎn)，這就是自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)。

三、 運(yùn)用PBL教學(xué)法實(shí)施科技館STEM教育項(xiàng)目

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)是以小組的形式共同解決現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)任務(wù)，解決途徑不需要趨同，事實(shí)上有多種可能。教師對(duì)真實(shí)任務(wù)給予限制，使學(xué)生掌握目標(biāo)、明確標(biāo)準(zhǔn)，在自主探究的過(guò)程中獲得知識(shí)，完成任務(wù)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)的實(shí)施步驟分為：選定項(xiàng)目、制定計(jì)劃、活動(dòng)探究、作品制作、成果交流、活動(dòng)評(píng)價(jià)六個(gè)基本步驟(見(jiàn)圖1)。[9]這個(gè)過(guò)程的本質(zhì)是迭代的，是閉環(huán)的，另外，在解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題時(shí)，也不會(huì)在這些步驟中線性地工作，而是在明確最后設(shè)計(jì)方案之前，在不同步驟之間轉(zhuǎn)換。

圖1 基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(PBL)實(shí)施步驟

筆者將基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)的6個(gè)實(shí)施步驟與8種科學(xué)與工程實(shí)踐進(jìn)行了對(duì)比分析(見(jiàn)圖2)，從中可以看出相互之間的某些對(duì)應(yīng)關(guān)系，雖不完全對(duì)應(yīng)，但流程基本吻合，可見(jiàn)在STEM教育活動(dòng)中引入PBL教學(xué)法是合理的。下面就按照PBL教學(xué)法的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流程，以光學(xué)館開(kāi)展的科普教育活動(dòng)為例，闡述如何運(yùn)用PBL教學(xué)法開(kāi)展STEM教育活動(dòng)。

(一) 選定項(xiàng)目

強(qiáng)動(dòng)機(jī)的引入對(duì)于項(xiàng)目順利開(kāi)展的重要性不言而喻，除了激活先前的知識(shí)和形成興趣以外，更需要從概念方面讓學(xué)生做好準(zhǔn)備，思考活動(dòng)涉及的科學(xué)“大概念”。教師需利用視覺(jué)元素融合各種各樣的情態(tài)向?qū)W生提供一些有關(guān)主題或內(nèi)容的背景信息。本案例中，讓學(xué)生自主參觀光學(xué)館第六展廳“光彩世界”中的“精彩光生活”展區(qū)，了解光學(xué)技術(shù)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用，之后為學(xué)生播放精心準(zhǔn)備的關(guān)于能源緊缺和環(huán)境惡化的視頻短片，通過(guò)現(xiàn)實(shí)生活中的背景故事讓學(xué)生對(duì)將要完成的任務(wù)有一個(gè)初步的認(rèn)知。給予學(xué)生的任務(wù)，應(yīng)兼具挑戰(zhàn)性和可行性；而對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題顯然是一項(xiàng)極具吸引力和啟發(fā)性的任務(wù)和挑戰(zhàn)。最后，教師向?qū)W生們展示一份包含明確設(shè)計(jì)目標(biāo)、制約因素和項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的摘要(見(jiàn)表2)。其中的制約因素包括時(shí)間、團(tuán)隊(duì)和資源等；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是指最后成品應(yīng)具備的特征，如外形美觀、節(jié)能高效等，而不是整體教學(xué)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 PBL教學(xué)法標(biāo)準(zhǔn)流程與8種科學(xué)與工程實(shí)踐的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 光電小家居的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和制約因素

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制約因素? 使用安全? 可調(diào)節(jié)? 可靠性(月故障率為零)? 經(jīng)久耐用(保證正常使用1年)? 視覺(jué)上美觀? 時(shí)間:必須在30天內(nèi)完成模型制圖? 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì):必須3個(gè)人一起工作來(lái)完成項(xiàng)目? 檔案:會(huì)議記錄、草圖、計(jì)算和筆記必須有記載,并標(biāo)明日期? 成本:控制在1000元及以下? 材料:環(huán)保

(二) 制定計(jì)劃

制定計(jì)劃包括時(shí)間安排和活動(dòng)計(jì)劃。時(shí)間安排指學(xué)生對(duì)完成項(xiàng)目所需的時(shí)間做一個(gè)總體規(guī)劃，即詳細(xì)的時(shí)間流程安排?；顒?dòng)計(jì)劃是指對(duì)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中所涉及的活動(dòng)預(yù)先進(jìn)行計(jì)劃，如請(qǐng)教哪些專(zhuān)家，人員的具體分工，通過(guò)哪些途徑獲取資料等。[9]

在整個(gè)STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，有效管理時(shí)間對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是比較困難的一件事，教師可以對(duì)進(jìn)度提供頻繁且清晰的反饋；對(duì)于長(zhǎng)期項(xiàng)目，學(xué)生可能還沒(méi)有體驗(yàn)到成就感就失去了動(dòng)力，教師可協(xié)助其將長(zhǎng)期任務(wù)拆分為小任務(wù)，在一次次的小成功中獲取持續(xù)動(dòng)力。

(三) 活動(dòng)探究

這一階段是整個(gè)STEM項(xiàng)目課程實(shí)施的主體，包括調(diào)查研究和形成概念。

1. 調(diào)查研究

調(diào)查研究為形成設(shè)計(jì)觀點(diǎn)并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行批判性分析提供了必要的信息，是決定產(chǎn)品成敗的決定性因素。工程師最常用的工作方式就是在設(shè)計(jì)之前對(duì)主題進(jìn)行調(diào)查，例如有沒(méi)有已經(jīng)做過(guò)的工作，避免重復(fù)勞動(dòng)；對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析，明確步驟，以及對(duì)相關(guān)法律、法規(guī)的調(diào)查。如今，學(xué)生可以借助網(wǎng)絡(luò)方便快捷地獲得信息，從原來(lái)過(guò)度強(qiáng)調(diào)記憶信息的狀態(tài)，轉(zhuǎn)移到學(xué)會(huì)獲得有效信息并根據(jù)自己的觀察分析來(lái)創(chuàng)造新信息，這就使學(xué)生分析概念和應(yīng)用概念的能力變得非常重要。

調(diào)查研究是教師為學(xué)生完成任務(wù)而搭建腳手架非常關(guān)鍵的一步。教師必須尋找每一個(gè)機(jī)會(huì)提供智力挑戰(zhàn)并應(yīng)用具體的教學(xué)策略，促進(jìn)學(xué)生的高階思維的發(fā)展。學(xué)生必須充分理解目標(biāo)產(chǎn)品的相關(guān)理論和所需材料的特性，例如學(xué)生想利用太陽(yáng)光制作太陽(yáng)能臺(tái)燈，首先要懂得什么是光電效應(yīng)，繼而確定所選材料應(yīng)該是較容易產(chǎn)生光電效應(yīng)的金屬或半導(dǎo)體材料。這其中還要考慮經(jīng)費(fèi)的問(wèn)題。如果教師發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對(duì)知識(shí)內(nèi)容的理解并不令人滿意，那么應(yīng)該停下來(lái)，給予協(xié)助。資源應(yīng)該在學(xué)生能夠接觸到的環(huán)境內(nèi)提供，因?yàn)椴⒉皇撬袑W(xué)生都有條件使用互聯(lián)網(wǎng)或者有成人的幫助。

2. 形成概念

創(chuàng)新性是這個(gè)過(guò)程的核心。這時(shí)需要輔導(dǎo)教師為學(xué)生提供創(chuàng)造性練習(xí)或者趣味活動(dòng)，幫助學(xué)生放松大腦，鼓勵(lì)他們?cè)诔Ｒ?jiàn)的思維框架以外思考，這就是進(jìn)行頭腦風(fēng)暴的過(guò)程。學(xué)生們不用關(guān)注新點(diǎn)子是否完美、是否具有可行性，只需要把想到的全部記錄下來(lái)。經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程后，學(xué)生最終得到的觀點(diǎn)經(jīng)常是所有想法的混合，有時(shí)候那些看起來(lái)不可能的觀點(diǎn)卻有可能在優(yōu)化后成為最好的觀點(diǎn)。事實(shí)證明，學(xué)生們的想象力很強(qiáng)。在這個(gè)過(guò)程中，教師可以適時(shí)地引導(dǎo)，但一定不能給學(xué)生列出具體的步驟讓他們來(lái)跟隨，最好提出開(kāi)放式的問(wèn)題，這是很重要的一點(diǎn)。

(四) 作品制作

作品的制作方案即項(xiàng)目的解決方案。要想識(shí)別出一個(gè)問(wèn)題的最佳解決方案，要求學(xué)生對(duì)備選方案進(jìn)行細(xì)心而客觀的評(píng)價(jià)，要求學(xué)生考慮那些經(jīng)常頻繁地相互沖突的多項(xiàng)目標(biāo)、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和制約因素。不是提出單一的正確答案，而是在幾個(gè)可能的方案中識(shí)別出最好的方案，這是頗具挑戰(zhàn)性的一件事。例如，明確太陽(yáng)能臺(tái)燈等光電家居的最低級(jí)別工作效能要求，必須在至少一年內(nèi)不出任何故障地正常運(yùn)行，同時(shí)又要考慮經(jīng)費(fèi)對(duì)材料的制約。分析出最佳解決方案后，開(kāi)始嘗試著構(gòu)建一個(gè)完整的模型或者原型。

學(xué)生會(huì)基于測(cè)試的結(jié)果優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)方案。這個(gè)過(guò)程需確保學(xué)生就自己的觀察作具體詳實(shí)的筆記，包括預(yù)測(cè)、測(cè)試的條件、測(cè)試過(guò)程和結(jié)果。例如，利用能量轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)腳踏車(chē)給家用照明發(fā)電，學(xué)生應(yīng)該測(cè)試他們所設(shè)計(jì)的作品在可行性方面的設(shè)想，比較自己的預(yù)測(cè)和測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行批判性思考，識(shí)別出改善設(shè)計(jì)的新信息。之后，回到起點(diǎn)來(lái)修改內(nèi)容并開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，建立新的模型，重新測(cè)試、優(yōu)化。在最終結(jié)果確定之前，這個(gè)優(yōu)化過(guò)程是不斷循環(huán)的，但是時(shí)間和經(jīng)費(fèi)制約著這一優(yōu)化過(guò)程可能達(dá)到的效果。

這一過(guò)程需要鼓勵(lì)學(xué)生重新審視前面的步驟。起初，學(xué)生可能會(huì)把它視為設(shè)計(jì)過(guò)程的回頭路，甚至認(rèn)為這是失敗的設(shè)計(jì)，教師需非常清晰而有意識(shí)地強(qiáng)化一個(gè)概念，那就是設(shè)計(jì)過(guò)程是迭代的，并非是完全線性的過(guò)程。

(五) 成果交流

工程設(shè)計(jì)需要有效的溝通，尤其在團(tuán)隊(duì)合作過(guò)程中，需要依據(jù)個(gè)體間實(shí)力強(qiáng)弱的不同分配工作任務(wù)，需要有效的確認(rèn)和交接過(guò)程。這些環(huán)節(jié)能夠培養(yǎng)每位成員解釋自己設(shè)計(jì)的技能，而且是用大家都能聽(tīng)懂的語(yǔ)言清楚地解釋。鼓勵(lì)學(xué)生使用插圖、圖形、圖表或其他視覺(jué)輔助方式把困難的概念與團(tuán)隊(duì)溝通。每個(gè)人喜好不同，溝通形式可多種多樣。如果設(shè)計(jì)的是物質(zhì)產(chǎn)品，有必要將詳細(xì)的尺寸和量度單位標(biāo)注清楚，避免混淆。

優(yōu)質(zhì)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)提供收尾總結(jié)、述職或反思的機(jī)會(huì)。自己為整個(gè)項(xiàng)目的完成貢獻(xiàn)了什么、學(xué)到了什么、有哪些問(wèn)題需要反思、存在哪些后續(xù)問(wèn)題，都可以在收尾環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)。

發(fā)現(xiàn)式或者解決問(wèn)題式的學(xué)習(xí)方式，是讓學(xué)生做好準(zhǔn)備完成那些未知工作的最好辦法。進(jìn)入21世紀(jì)后，技術(shù)和問(wèn)題都在以前所未有的速度變化，學(xué)生必須具備發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。工程領(lǐng)域的項(xiàng)目本質(zhì)上比較復(fù)雜，且跨學(xué)科較多，設(shè)計(jì)過(guò)程鼓勵(lì)創(chuàng)造性，同時(shí)也提供了解決問(wèn)題的結(jié)構(gòu)框架。此類(lèi)項(xiàng)目通過(guò)調(diào)整評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、限制條件和整體持續(xù)時(shí)間，可以適應(yīng)不同人群不同階段的不同要求，讓學(xué)生在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)學(xué)習(xí)，從自己的錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)。此外，項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，不論將來(lái)的職業(yè)規(guī)劃如何，這一點(diǎn)對(duì)于所有學(xué)生都是非常重要的。

(六) 活動(dòng)評(píng)價(jià)

STEM教育有關(guān)評(píng)價(jià)的嶄新視角要求教師和學(xué)生改變自己對(duì)評(píng)價(jià)的原有觀點(diǎn)，即評(píng)價(jià)重點(diǎn)由終結(jié)性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬尚栽u(píng)價(jià)，給學(xué)生提供定期的反饋來(lái)調(diào)節(jié)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，是一種批判性評(píng)價(jià)，關(guān)注的是擁有知識(shí)而不是測(cè)試結(jié)果。如果項(xiàng)目的目標(biāo)是手工制品，那么最終作品便是學(xué)生所學(xué)知識(shí)的總結(jié)，是一幅關(guān)于所學(xué)內(nèi)容豐富而完整的圖景。[10]

評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中推薦以下策略：策略之一是同伴評(píng)價(jià)，能讓教師洞察小組智慧中的個(gè)人貢獻(xiàn)。策略之二是反思，能鼓勵(lì)個(gè)人的責(zé)任感，有策略地使用反思，可以使學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的改進(jìn)做出回應(yīng)。策略之三是讓學(xué)生融入評(píng)價(jià)過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)層面的自我調(diào)控：①當(dāng)學(xué)生共同參與評(píng)價(jià)時(shí)，會(huì)樹(shù)立主人翁意識(shí)并清楚理解該評(píng)價(jià)什么、怎么評(píng)價(jià)，對(duì)評(píng)價(jià)規(guī)則的深入理解可以引導(dǎo)學(xué)生實(shí)施自我調(diào)控，使學(xué)習(xí)活動(dòng)達(dá)到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)；②通過(guò)自我評(píng)價(jià)和同伴評(píng)價(jià)，能收集到其他同伴學(xué)習(xí)方面的信息，從而了解到自己的強(qiáng)項(xiàng)和弱項(xiàng)，并根據(jù)自身情況做出調(diào)整。

評(píng)價(jià)過(guò)程中，教師不必預(yù)先決定評(píng)價(jià)方法的每個(gè)方面，隨著學(xué)習(xí)環(huán)境的改變可選擇與其匹配的評(píng)價(jià)方法。例如，相同的評(píng)價(jià)方法會(huì)因?yàn)獒槍?duì)小組或個(gè)人而有所不同，所以教師可以根據(jù)學(xué)習(xí)情況而調(diào)整評(píng)估方法。

四、 關(guān)于STEM教育的幾點(diǎn)思考

STEM項(xiàng)目課堂的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)(見(jiàn)表3)，和所有其他教學(xué)方法一樣，STEM項(xiàng)目課堂也有一些局限。但凡事都具有兩面性，分析其局限性的同時(shí)筆者也受到了幾點(diǎn)啟發(fā)：

表3 傳統(tǒng)課堂和STEM項(xiàng)目課堂的比較

(一) 時(shí)間方面的限制

普通課堂時(shí)間短較易把控，而STEM項(xiàng)目課堂時(shí)間長(zhǎng)且難把控；對(duì)于一線教師，并非都認(rèn)為有足夠的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)和實(shí)踐跨學(xué)科的項(xiàng)目課程，安排共同的時(shí)間集體備課更是頗具挑戰(zhàn)性的一件事。相比之下，科技館、博物館等社會(huì)機(jī)構(gòu)具有更豐富的教育資源，館校合作等教育模式應(yīng)運(yùn)而生。[11,12]

(二) 缺乏教科書(shū)和課堂秩序

在STEM項(xiàng)目課堂中，學(xué)生不是坐在指定位置的，而是不停地來(lái)回走動(dòng)。另外，并不是所有的教師都能習(xí)慣不遵從教科書(shū)教學(xué)這種情況。筆者認(rèn)為，基于項(xiàng)目的STEM教育興起，并非是要完全取代傳統(tǒng)課堂。一種先進(jìn)學(xué)習(xí)方法的推廣，除了提高教師水平和增加相應(yīng)的研究投入，也需要一定時(shí)間。尤其在中國(guó)，需要結(jié)合我國(guó)教育現(xiàn)狀尋求一種具有中國(guó)特色的STEM教育。[13]

(三) 學(xué)生的迷惑

未曾體驗(yàn)過(guò)跨學(xué)科項(xiàng)目課堂的學(xué)生會(huì)有消極的反應(yīng)：“為什么在科學(xué)課上做數(shù)學(xué)題？”因此，教育者沒(méi)有必要在項(xiàng)目實(shí)施初期就過(guò)于激進(jìn)，項(xiàng)目整合的學(xué)科不一定越多越好。更不要為了跨學(xué)科而跨學(xué)科，牽強(qiáng)地將各學(xué)科整合在一起，這是對(duì)STEM教育極大的誤解。

(四) 個(gè)體差異

同一課堂上的學(xué)生具有不同的成熟度和智力水平，會(huì)給緊張的課堂或獨(dú)自教學(xué)的教師造成壓力，這就需要開(kāi)發(fā)一種有意義的方式針對(duì)不同的學(xué)生，以利于個(gè)體特長(zhǎng)得到發(fā)揮和利用。既然多樣性的課堂是不同能力和特征的集合，學(xué)生就有機(jī)會(huì)與不同語(yǔ)言、不同智力、不同情感和身體發(fā)展水平的同學(xué)共同學(xué)習(xí)，能獲得這些技能和體驗(yàn)正是STEM項(xiàng)目課堂的優(yōu)勢(shì)所在。

五、 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用PBL教學(xué)法開(kāi)展STEM教育活動(dòng)的本質(zhì)特征是開(kāi)發(fā)基于實(shí)踐的教育項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生利用對(duì)不同概念的綜合理解自主完成探究任務(wù)?；顒?dòng)的核心目的是要求學(xué)生融合運(yùn)用屬于相對(duì)獨(dú)立領(lǐng)域的概念和技能，以便解決難題和挑戰(zhàn)；而這些難題又會(huì)促使學(xué)生進(jìn)一步理解“跨學(xué)科概念”與“學(xué)科核心概念”。筆者在本文中沒(méi)有固化具體的案例，初衷是要融合更多不同的想法。無(wú)論讀者的觀點(diǎn)如何，總能找到適合自身的STEM教育方式。希望本文的拙見(jiàn)能夠?qū)ψx者理解、設(shè)計(jì)和實(shí)施STEM項(xiàng)目課程提供一定幫助。