STEM跨學(xué)科視域下的項(xiàng)目設(shè)計(jì)分析

鄒綺雯　梁斌

摘 要：STEM教育作為信息時(shí)代的教育熱點(diǎn)之一，已逐漸融入中小學(xué)教育當(dāng)中。為了使STEM教育與中小學(xué)教育進(jìn)行更好地融合，更有效地培養(yǎng)符合時(shí)代需求的具有核心素養(yǎng)的人才，文章基于STEM跨學(xué)科的相關(guān)概念，分析STEM教育的項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，并以STEM課堂實(shí)錄為例進(jìn)行詳述分析。

關(guān)鍵詞：STEM教育;跨學(xué)科;項(xiàng)目設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2019）14-0039-04

教育部2016年出臺(tái)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中指出要依托信息技術(shù)營(yíng)造信息化教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)教學(xué)理念、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容改革，推進(jìn)信息技術(shù)在日常教學(xué)中的深入、廣泛應(yīng)用，適應(yīng)信息時(shí)代對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)人才的需求，需要積極探索信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力[1]。其中跨學(xué)科學(xué)習(xí)教育模式即當(dāng)下所發(fā)展的STEM教育模式。

一、STEM教育

1.STEM教育及其發(fā)展

STEM強(qiáng)調(diào)Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)）四門學(xué)科的內(nèi)容可進(jìn)行跨學(xué)科之間的融合，從而形成整體。STEM教育對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、問(wèn)題求解能力、批判性思維、信息素養(yǎng)等高階能力具有很好的效果，是信息時(shí)代下培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑之一。

2012年《上海教育·環(huán)球教育時(shí)訊》雜志開(kāi)設(shè)了STEM教育欄目，STEM教育開(kāi)始進(jìn)入人們視線，同時(shí)國(guó)家也在大力推進(jìn)STEM教育的發(fā)展。2015年教育部發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》明確了STEM發(fā)展的任務(wù)。如今STEM教育逐漸在中小學(xué)一線普及，如江蘇省在2015年就率先啟動(dòng)STEM教育試點(diǎn)項(xiàng)目并出臺(tái)了相關(guān)文件，上海市實(shí)驗(yàn)中學(xué)創(chuàng)辦了STEM實(shí)驗(yàn)室，等等。種種實(shí)例顯示STEM教育作為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的主要內(nèi)容之一在我國(guó)呈上升發(fā)展趨勢(shì)。

2.STEM教育包含的素養(yǎng)

STEM教育的四門學(xué)科分別代表著四類素養(yǎng)：科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

科學(xué)學(xué)科，是指關(guān)注自然界研究的學(xué)科，其中包括與物理、化學(xué)、生物有關(guān)的事實(shí)、原則等概念的掌握與運(yùn)用?？茖W(xué)學(xué)科注重通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)與科學(xué)探索獲取知識(shí)，為進(jìn)行工程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。而科學(xué)素養(yǎng)則指具有運(yùn)用物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的知識(shí)理解自然界并能做出相關(guān)決策的能力，主要包括生命與衛(wèi)生科學(xué)、地球與環(huán)境科學(xué)、技術(shù)科學(xué)三大領(lǐng)域[2]。

技術(shù)，嚴(yán)格上來(lái)說(shuō)并不屬于一門學(xué)科，是人類在生產(chǎn)活動(dòng)、社會(huì)發(fā)展和科學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了達(dá)到預(yù)期的目的而根據(jù)客觀規(guī)律對(duì)自然和社會(huì)進(jìn)行認(rèn)識(shí)、調(diào)控和改造的物質(zhì)工具、方法技能和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)等的綜合體[3]。而技術(shù)素養(yǎng)則指選擇、運(yùn)用、評(píng)價(jià)技術(shù)的能力。

工程學(xué)科，是指將自然科學(xué)的理論應(yīng)用于具體生產(chǎn)部門而形成的學(xué)科總稱，例如“化學(xué)工程”“遺傳工程”等?，F(xiàn)代社會(huì)，“工程”一詞狹義定義為“以某組設(shè)想的目標(biāo)為依據(jù)，應(yīng)用有關(guān)的科學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，通過(guò)有組織的一群人將某個(gè)（或某些）現(xiàn)有實(shí)體（自然的或人造的）轉(zhuǎn)化為具有預(yù)期使用價(jià)值的人造產(chǎn)品過(guò)程”[4]。而工程素養(yǎng)則指對(duì)工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施的理解能力。

數(shù)學(xué)學(xué)科，是研究數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化、空間以及信息等概念的一門學(xué)科，在人類歷史發(fā)展和社會(huì)生活中，數(shù)學(xué)發(fā)揮著不可替代的作用，也是學(xué)習(xí)和研究現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)必不可少的基本工具[5]。數(shù)學(xué)素養(yǎng)則指運(yùn)用數(shù)學(xué)中的邏輯運(yùn)算、推理、統(tǒng)計(jì)等知識(shí)解決問(wèn)題的能力。

二、STEM教育下的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.相關(guān)理論

（1）建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義認(rèn)為：學(xué)習(xí)者的知識(shí)是在一定的情境下，借助他人的幫助，如人與人之間的協(xié)作、交流、利用必要的信息等，通過(guò)意義的建構(gòu)而獲得的[6]，“情境”“協(xié)作”“會(huì)話”“意義建構(gòu)”是其四大要素，教學(xué)應(yīng)在與現(xiàn)實(shí)情境相類似的情境中發(fā)生，以解決學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中遇到的問(wèn)題為目標(biāo)。學(xué)習(xí)的內(nèi)容要選擇真實(shí)性任務(wù)，不能對(duì)其做過(guò)于簡(jiǎn)單化的處理，使其遠(yuǎn)離現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題情境[7]。STEM教育的核心特點(diǎn)之一正是基于真實(shí)情境的問(wèn)題解決[8]。STEM教育中，學(xué)生并不是被動(dòng)地接受教師傳遞的知識(shí)，而是在教師創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境中成為了課堂的主體，在與同學(xué)協(xié)作中對(duì)真實(shí)情境問(wèn)題進(jìn)行合作、設(shè)計(jì)、解決，在此過(guò)程中學(xué)生之間相互啟發(fā)，進(jìn)行有意義的知識(shí)建構(gòu)。

（2）“做中學(xué)”理論

“做中學(xué)”是杜威提出的教育理論，其主要觀點(diǎn)認(rèn)為知識(shí)源于生活，學(xué)習(xí)應(yīng)以學(xué)生為中心，學(xué)習(xí)的開(kāi)展應(yīng)在學(xué)生解決日常生活問(wèn)題的過(guò)程中收獲知識(shí)、形成能力，強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)和實(shí)踐在教育中的深度參與，使學(xué)生經(jīng)歷在做中思考、在做中探究、在做中研習(xí)的學(xué)習(xí)歷程[9]。STEM教育注重教學(xué)過(guò)程與學(xué)生實(shí)際生活的聯(lián)系，其教學(xué)內(nèi)容以貼近學(xué)生生活實(shí)際為主，圍繞某個(gè)知識(shí)點(diǎn)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，在教學(xué)過(guò)程中，教師提供導(dǎo)學(xué)單、工具、3D打印機(jī)、平板電腦等材料與設(shè)備，由學(xué)生主導(dǎo)并借助所學(xué)知識(shí)完成教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，獲得真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生學(xué)會(huì)主動(dòng)、積極參與，其動(dòng)手能力、合作能力、創(chuàng)新能力以及分析、解決問(wèn)題的能力都能得到很好的鍛煉。同時(shí)學(xué)生經(jīng)過(guò)親身實(shí)踐，對(duì)知識(shí)也有了更深一步的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)了知識(shí)建構(gòu)的有效性。

（3）生活視野理念

STEM教育認(rèn)為在教學(xué)過(guò)程中，教科書(shū)傳授的間接經(jīng)驗(yàn)不能全面滿足學(xué)生獲取知識(shí)的需要，即學(xué)生不應(yīng)只關(guān)注和學(xué)習(xí)教科書(shū)上設(shè)定的內(nèi)容，而是應(yīng)該把眼光拓寬于生活視野中，從生活實(shí)際發(fā)現(xiàn)知識(shí)，參與知識(shí)生產(chǎn)與獲取的學(xué)習(xí)過(guò)程，體驗(yàn)由直接經(jīng)驗(yàn)引發(fā)的知識(shí)建構(gòu)。STEM教育中，教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)生活化的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生基于生活實(shí)際來(lái)理解學(xué)科知識(shí)的價(jià)值和意義，從而更好地掌握知識(shí)。教學(xué)過(guò)程中的真實(shí)問(wèn)題成為貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的主線，把核心問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)高投入的實(shí)踐探索，達(dá)到對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)和深層次理解[10]。同時(shí)學(xué)生在實(shí)踐的過(guò)程中，還能親身感受和體驗(yàn)知識(shí)生產(chǎn)的過(guò)程，有助于學(xué)生加固相關(guān)知識(shí)的記憶以及培養(yǎng)良好的自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的習(xí)慣。

（4）跨學(xué)科理念

信息時(shí)代，學(xué)生發(fā)展要面臨的問(wèn)題是基于生活實(shí)際的、綜合多方面領(lǐng)域的復(fù)雜多樣的問(wèn)題，難以單純運(yùn)用某一學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行解決，因此當(dāng)前分科式教學(xué)的弊端之一就是會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法將所學(xué)知識(shí)很好地運(yùn)用到實(shí)際生活中，出現(xiàn)了“高分低能”現(xiàn)象。針對(duì)于此，STEM教育基于跨學(xué)科理念，打破學(xué)科界限，尋找學(xué)科知識(shí)之間的契合點(diǎn)，為學(xué)生提供多門學(xué)科解決問(wèn)題的思考方向的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)、科學(xué)等知識(shí)，以教師創(chuàng)設(shè)的實(shí)際問(wèn)題情境為主進(jìn)行問(wèn)題的分析與解決，有助于增強(qiáng)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)中知識(shí)與知識(shí)、知識(shí)與復(fù)雜問(wèn)題的聯(lián)系，在培養(yǎng)學(xué)生邏輯性思考能力與發(fā)散思考能力的同時(shí)，也有助于增強(qiáng)學(xué)生未來(lái)的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力與適應(yīng)力，成為能順應(yīng)時(shí)代發(fā)展、符合時(shí)代發(fā)展的人才。

2.項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)在STEM教育中占據(jù)著重要的地位，教學(xué)中的情境與問(wèn)題如何設(shè)計(jì)直接影響著學(xué)生的教學(xué)體驗(yàn)與知識(shí)建構(gòu)的效果。圍繞項(xiàng)目與問(wèn)題，STEM教育的項(xiàng)目設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：[11]

（1）教學(xué)分析

包括教學(xué)目標(biāo)分析、教學(xué)內(nèi)容分析、學(xué)情分析。分析教學(xué)目標(biāo)是對(duì)教學(xué)活動(dòng)預(yù)期所要達(dá)到的結(jié)果的規(guī)劃，規(guī)定著教學(xué)活動(dòng)的方向、進(jìn)程和預(yù)期結(jié)果，同時(shí)分析教學(xué)目標(biāo)也是評(píng)價(jià)教學(xué)效果的基本依據(jù)。分析教學(xué)內(nèi)容是對(duì)知識(shí)內(nèi)容、知識(shí)內(nèi)容間的結(jié)構(gòu)以及跨學(xué)科知識(shí)間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行明確的梳理，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)選擇合適的教學(xué)模式。分析學(xué)情是了解掌握學(xué)生的已有知識(shí)基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)狀態(tài)，按照學(xué)情分析的結(jié)果設(shè)計(jì)符合學(xué)生當(dāng)前發(fā)展階段的情境與問(wèn)題。

（2）工具與資源分析

是指對(duì)課堂上可用的教學(xué)工具與資源進(jìn)行分析。信息時(shí)代，教學(xué)工具與資源應(yīng)包括硬件與軟件，其中硬件是指可用于教學(xué)活動(dòng)的設(shè)備、器材等，例如廣泛應(yīng)用于STEM教育中的3D打印機(jī);軟件是指幫助學(xué)生設(shè)計(jì)、分析、交流等的認(rèn)知工具，例如用于建模的3Dmax，用于分析數(shù)據(jù)的SPSS。

（3）學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程設(shè)計(jì)

基于不同的教學(xué)模式，學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程也會(huì)有所不同，但任何的學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程都應(yīng)包含有益的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，以促進(jìn)學(xué)生有效建構(gòu)自己的知識(shí)體系，達(dá)到教學(xué)目的。例如，探究式教學(xué)模式的學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程就包括了創(chuàng)設(shè)情境、啟發(fā)思考、自主學(xué)習(xí)探究、協(xié)作交流、總結(jié)提高5個(gè)實(shí)施步驟。

（4）評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

常用的教學(xué)評(píng)價(jià)有形成性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)。在STEM教學(xué)中，兩種評(píng)價(jià)方式可以選擇混合使用，例如在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)量表、行為觀察等形式了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并通過(guò)有效強(qiáng)化使學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)行為做出保持或修正。在課后，通過(guò)知識(shí)測(cè)試等形式了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，有助于教師及時(shí)對(duì)教學(xué)過(guò)程的安排進(jìn)行反思。

三、案例分析

本案例選自2018年1月15-16日浙江嘉興實(shí)驗(yàn)小學(xué)舉辦的全國(guó)小學(xué)STEM課堂教學(xué)觀摩研討會(huì)中吳建偉老師的STEM展示課《輪子》。

1.案例教學(xué)過(guò)程（見(jiàn)表1）

2.案例設(shè)計(jì)分析

對(duì)于該教學(xué)案例的項(xiàng)目設(shè)計(jì)分析，按照上述項(xiàng)目設(shè)計(jì)的四個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）教學(xué)分析

該案例的教學(xué)目標(biāo)可按三維目標(biāo)進(jìn)行分析，首先在知識(shí)與技能教學(xué)目標(biāo)上，要使學(xué)生掌握輪子的特點(diǎn)并學(xué)會(huì)制作一個(gè)輪子;在過(guò)程與方法教學(xué)目標(biāo)上，學(xué)生經(jīng)歷、體驗(yàn)作品制作的過(guò)程，學(xué)會(huì)表達(dá)自我的觀點(diǎn)，合作交流思想以及培養(yǎng)全面思考的習(xí)慣，便于遷移到今后的學(xué)習(xí)中;在情感態(tài)度與價(jià)值觀教學(xué)目標(biāo)上，通過(guò)小組合作，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力以及協(xié)作精神，養(yǎng)成積極主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣，以及通過(guò)對(duì)具體作品的分析評(píng)價(jià)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)美的認(rèn)知。

該教學(xué)案例的教學(xué)內(nèi)容主要圍繞著輪子進(jìn)行，分別為認(rèn)識(shí)輪子和學(xué)會(huì)制作輪子，因此教師用于導(dǎo)入新課的支架需選用既符合學(xué)生身心發(fā)展特點(diǎn)又緊扣教學(xué)主題的內(nèi)容，使學(xué)生能運(yùn)用到數(shù)學(xué)計(jì)算、美術(shù)構(gòu)圖等跨學(xué)科的知識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。該教學(xué)案例的教學(xué)對(duì)象為小學(xué)四年級(jí)的學(xué)生，該時(shí)期的學(xué)生學(xué)習(xí)能力與情感能力快速發(fā)展，意志發(fā)展開(kāi)始從他律向自律過(guò)渡，開(kāi)始具有自覺(jué)克服困難的意志，同時(shí)也渴望與同伴合作交流，因此該階段是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、情感能力、學(xué)習(xí)恒心以及合作交流習(xí)慣的關(guān)鍵期。

（2）工具與資源設(shè)計(jì)

該教學(xué)案例中的工具與資源包括有常規(guī)的投影儀、教師課件、展示資料，測(cè)量用的輪子計(jì)圈數(shù)器，學(xué)生制作作品的材料（超輕黏土、小木棒、牙簽、竹簽、剪刀）、導(dǎo)學(xué)案以及測(cè)試用的斜坡。這些資源都是與學(xué)生生活相貼近的，資源的選擇從學(xué)生的生活視野出發(fā)，符合四年級(jí)學(xué)生身心發(fā)展階段的需求與特點(diǎn)。

（3）學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程設(shè)計(jì)

教師首先提出貼近學(xué)生生活實(shí)際的問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而導(dǎo)出教學(xué)內(nèi)容，在學(xué)生自行觀察發(fā)現(xiàn)輪子的特點(diǎn)后以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，讓學(xué)生組成小組自行制作一個(gè)輪子，賦予學(xué)生設(shè)計(jì)師、工程師的角色，促使學(xué)生將頭腦中的知識(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)手能力。教師提供的導(dǎo)學(xué)案實(shí)際上為學(xué)生的設(shè)計(jì)方案提供了方向，因?yàn)樗哪昙?jí)的學(xué)生思維尚未足夠成熟，需要教師的提點(diǎn)作為引領(lǐng)，以更好地完成設(shè)計(jì)。學(xué)生按照設(shè)計(jì)好的方案進(jìn)行制作，在制作的過(guò)程中運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)，動(dòng)手能力得到訓(xùn)練，在測(cè)試后不斷改進(jìn)創(chuàng)新，訓(xùn)練了創(chuàng)新思維。

（4）評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

該課堂實(shí)例以形成性評(píng)價(jià)為主，包括學(xué)生之間的評(píng)價(jià)、教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)。學(xué)生之間的評(píng)價(jià)體現(xiàn)在輪子制作完成后，組內(nèi)成員分享感受以及小組與小組之間展示作品、分享討論經(jīng)驗(yàn)這兩個(gè)環(huán)節(jié)。進(jìn)行學(xué)生之間的評(píng)價(jià)有助于活躍課堂氛圍，培養(yǎng)學(xué)生傾聽(tīng)、交流的習(xí)慣，也有助于培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的形成。教師在學(xué)生制作作品的過(guò)程中給予的評(píng)價(jià)，有助于學(xué)生從教師的經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)中獲得解決問(wèn)題的靈感，促進(jìn)學(xué)生思考的能力。教師的評(píng)價(jià)不宜將直接解決方案告訴學(xué)生，而是應(yīng)該引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行思考，培養(yǎng)學(xué)生自行尋找解決方案的能力。

學(xué)生是研究的參與者，是學(xué)習(xí)過(guò)程的主體，在研究過(guò)程中，主動(dòng)地運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決選定的真實(shí)問(wèn)題，運(yùn)用知識(shí)設(shè)計(jì)解決方案，動(dòng)手操作實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，在親身體驗(yàn)中對(duì)知識(shí)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、探究、創(chuàng)新。

四、結(jié)束語(yǔ)

STEM目前在我國(guó)發(fā)展迅速，不少中小學(xué)課堂也積極融入STEM教育理念或教學(xué)方式，例如重慶市九龍坡區(qū)謝家灣小學(xué)實(shí)行的課程改革，將11門獨(dú)立學(xué)科整合成5門新課程，修正了學(xué)科分科過(guò)細(xì)、學(xué)科知識(shí)分離的不足，使學(xué)生在相融合的知識(shí)環(huán)境下構(gòu)建個(gè)人的知識(shí)架構(gòu)，同時(shí)基于真實(shí)情境，思考能力也大大增強(qiáng)，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新性思維進(jìn)步。而項(xiàng)目設(shè)計(jì)是使STEM教育理念能充分發(fā)揮作用的基礎(chǔ)步驟，全面完善的項(xiàng)目設(shè)計(jì)不僅能體現(xiàn)STEM教育跨學(xué)科、趣味性、協(xié)作性等特點(diǎn)，還有助于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移，培養(yǎng)發(fā)展性的人才，而項(xiàng)目設(shè)計(jì)的繼續(xù)完善還需要不斷研究，思考與借鑒國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，不斷實(shí)踐與探索，積極創(chuàng)建更完善的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

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