STEM教育背景下小學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)課程設(shè)計(jì)

王蕊　詹鏡　焦新月　范淑文　王培鑫

我國發(fā)布的《中國STEM教育白皮書》將STEM教育納入國家創(chuàng)新性人才培養(yǎng)戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)構(gòu)建系統(tǒng)化的STEM課程。[1]STEM教育注重學(xué)生學(xué)習(xí)與實(shí)際生活之間的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”“學(xué)中做”的教學(xué)理念，注重開展基于真實(shí)問題情境的探索式學(xué)習(xí)。[2]雖然STEM立足于真實(shí)問題情境，但是現(xiàn)有的STEM課程缺乏對學(xué)生問題解決能力的培養(yǎng)。因此，本文結(jié)合王一敏等人提出的STEM理念下中小學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)模型，設(shè)計(jì)主題為“神奇的航海尋寶之旅”的STEM課程，以期通過實(shí)際課程培養(yǎng)小學(xué)生問題解決能力。

● 文獻(xiàn)綜述

1.STEM教育

STEM教育旨在通過科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的有機(jī)整合，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，即讓學(xué)生能夠綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域知識解決生活中的實(shí)際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐應(yīng)用能力。[3]從特點(diǎn)來看，余勝泉強(qiáng)調(diào)STEM以整合的方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識和技能，能讓學(xué)生靈活遷移應(yīng)用解決真實(shí)世界的問題，并提出了STEM教育的九個(gè)核心特征：跨學(xué)科性、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性。[4]

2.問題解決與問題解決能力

從問題解決的含義來看，問題解決是指學(xué)生在特定的情境下，按照一定的目標(biāo)，運(yùn)用所學(xué)的知識對面臨的問題采取一系列措施，使問題得以解決的過程。[5]從問題解決能力的培養(yǎng)來看，方慧惠結(jié)合中小學(xué)生核心素養(yǎng)，制訂了中小學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)目標(biāo)，從教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)情境，引起學(xué)生問題意識，加強(qiáng)問題解決實(shí)踐，促進(jìn)中小學(xué)生養(yǎng)成問題解決能力。[6]

3.基于STEM教育培養(yǎng)問題解決能力

STEM教育中，強(qiáng)調(diào)利用多學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識解決問題，實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科界限，從多學(xué)科知識綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力的教育目標(biāo)，這些問題往往是真實(shí)的，并將問題轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的任務(wù)，讓學(xué)生通過協(xié)作完成學(xué)習(xí)任務(wù)并外化學(xué)習(xí)結(jié)果。[4]根據(jù)目前在跨學(xué)科真實(shí)情境中解決問題的實(shí)踐研究，可以看出STEM教育對中小學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)有以下支持作用：①創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，聚焦學(xué)習(xí)目標(biāo);②提供多元工具、交叉學(xué)科知識;③群組互補(bǔ)交互，促進(jìn)互動(dòng)協(xié)作。[7]因此，STEM教育對學(xué)生問題解決能力的培養(yǎng)有積極作用，讓學(xué)生通過協(xié)作，切身感受問題解決流程，完成教學(xué)任務(wù)并切實(shí)學(xué)習(xí)跨學(xué)科知識。

目前STEM教育在我國蓬勃發(fā)展，在理論研究、跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)以及課程建設(shè)等方面取得了豐碩成果。在STEM教育背景下學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)的研究也有一定進(jìn)展，如樊雅琴等人通過分析問題解決的學(xué)習(xí)機(jī)制，設(shè)計(jì)了問題解決模型[8];秦瑾若等人提出基于真實(shí)問題情境的跨學(xué)科式STEM教育的應(yīng)用模式設(shè)計(jì)[2];王一敏等人構(gòu)建了基于STEM理念的中小學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)模型。[7]但是，將STEM教育融入我國基礎(chǔ)教育還存在很多挑戰(zhàn)，如何在實(shí)際課程中基于STEM教育培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力仍然值得我們探索。

● 基于問題解決能力培養(yǎng)的STEM課程設(shè)計(jì)模式

STEM教育是一種典型的建構(gòu)主義教學(xué)實(shí)踐：為學(xué)生提供學(xué)習(xí)情境，讓他們積極地建構(gòu)知識，從而強(qiáng)化對知識的記憶和促進(jìn)遷移;以小組為單位進(jìn)行活動(dòng)，為知識的社會(huì)建構(gòu)提供優(yōu)越條件。[9]因此，STEM課程的教學(xué)活動(dòng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)需要滿足建構(gòu)主義教學(xué)實(shí)踐的幾個(gè)基本要求：①學(xué)習(xí)情境;②待學(xué)習(xí)的知識或待解決的問題;③小組合作探究。

問題解決是一系列的心理認(rèn)知過程，為了尋找解決問題的途徑，學(xué)生需要經(jīng)過一系列思維活動(dòng)，運(yùn)用多學(xué)科知識，將其應(yīng)用到具體的問題情境中。[7]因此，在培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力時(shí)，應(yīng)面向每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，注重情境的創(chuàng)設(shè)和跨學(xué)科知識的融合，這與STEM教育的教學(xué)理念相輔相成，將二者有效融合，能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和跨學(xué)科整合學(xué)習(xí)能力。

本文將STEM跨學(xué)科項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式中的學(xué)習(xí)活動(dòng)過程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與學(xué)生問題解決能力的培養(yǎng)緊密聯(lián)系，結(jié)合STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式[4]以及STEM理念下中小學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)模型[7]，得出一種基于問題解決能力培養(yǎng)的STEM課程設(shè)計(jì)模式（如圖1）。本模式在“教學(xué)分析”的基礎(chǔ)上，以“問題”為核心立足點(diǎn)，設(shè)計(jì)問題解決過程中的學(xué)習(xí)資源與工具、學(xué)習(xí)支架、學(xué)習(xí)評價(jià)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并參考問題解決能力培養(yǎng)模型設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)過程，同時(shí)關(guān)注項(xiàng)目完成后，學(xué)生獲得知識的系統(tǒng)化與結(jié)構(gòu)化遷移，并有相應(yīng)的強(qiáng)化練習(xí)與總結(jié)提升，引導(dǎo)學(xué)生做中學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中運(yùn)用知識解決問題的能力。

● 基于問題解決能力培養(yǎng)的STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)案例

1.確定項(xiàng)目主題

（1）項(xiàng)目主題闡述

本套課程以“神奇的航海尋寶之旅”為主題，共設(shè)計(jì)6個(gè)課時(shí)的系列課程。結(jié)合科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)知識，將學(xué)生置身于真實(shí)的情境中，利用編程學(xué)習(xí)中的“順序結(jié)構(gòu)”“條件判斷語句”和“循環(huán)結(jié)構(gòu)”知識，同時(shí)結(jié)合位置、坐標(biāo)、方位角等知識，組織學(xué)生合作探究，讓學(xué)生解決問題，完成尋寶任務(wù)，在此過程中逐步培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力。

（2）跨學(xué)科知識地圖分析（如下頁圖2）

（3）學(xué)生特征分析

本套課程面向小學(xué)六年級學(xué)生，首先，學(xué)生具有一定的圖形化編程基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)態(tài)度端正，養(yǎng)成了一定的學(xué)習(xí)習(xí)慣;其次，學(xué)生對實(shí)際的探究問題有濃厚的興趣，愿意嘗試新奇的課程;最后，部分學(xué)生動(dòng)手操作能力較差，獨(dú)立解決問題的能力偏弱，需要教師和同伴的引導(dǎo)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.分解教學(xué)任務(wù)

（1）最優(yōu)路線選擇

學(xué)生通過教師給定的寶物位置和行駛起點(diǎn)，根據(jù)mBlock平臺的積木代碼，編程實(shí)現(xiàn)理想化狀態(tài)下起點(diǎn)與寶物之間的最短路線。

（2）礁石問題

學(xué)生通過學(xué)習(xí)礁石的形成原因，分析如何在行進(jìn)過程中躲避礁石，得出躲避礁石路線，并使用mBlock編程平臺實(shí)現(xiàn)礁石的躲避路線。

（3）臺風(fēng)問題

學(xué)生通過學(xué)習(xí)臺風(fēng)的形成原因及危害，利用數(shù)學(xué)知識解決臺風(fēng)躲避問題，運(yùn)用編程實(shí)現(xiàn)小船的信息傳遞行駛路線。

3.教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）活動(dòng)一：最優(yōu)路線選擇（80min）

本環(huán)節(jié)通過最優(yōu)路線的選擇，讓學(xué)生應(yīng)用知識，將知識與實(shí)際問題的解決聯(lián)系起來，根據(jù)問題的實(shí)際情況提出相應(yīng)的解決方案，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

①發(fā)現(xiàn)問題。教師為學(xué)生陳述問題情境：假設(shè)你在海上航行時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)寶物，請?jiān)O(shè)計(jì)兩種方法讓你的船到達(dá)寶物所在處。學(xué)生通過教師的講述了解了問題情境，明確了要解決的問題。

②分析問題，合作探究。學(xué)生通過分析問題，分解教學(xué)任務(wù)，指出小船到達(dá)寶物所在處的兩種路線。通過教師的問題引導(dǎo)，學(xué)生思考如何讓小船按照一定的距離和方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并嘗試通過編程實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

③確定問題解決方案，修訂方案。學(xué)生按照小組討論的方法進(jìn)行編程，使小船按照兩種路線抵達(dá)寶物所在處。在規(guī)定時(shí)間到達(dá)后，教師展示正確的代碼，讓學(xué)生思考哪種路線更短，并討論實(shí)現(xiàn)最短路徑的編程方法，修改完善問題解決方案，以拓展學(xué)生的思維能力。

④總結(jié)反思。教師帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)本節(jié)課所學(xué)知識，并明確兩點(diǎn)之間線段最短。學(xué)生獨(dú)立完成課堂反思記錄表，來及時(shí)反思本節(jié)課的問題解決過程。

（2）活動(dòng)二：礁石問題（80min）

本環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生整合各學(xué)科知識解決實(shí)際問題，學(xué)生通過獨(dú)立思考、小組合作的方式，探究問題的解決方案，教師在這一過程中為學(xué)生提供必要的幫助，逐步引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的顏色傳感器、條件判斷語句解決實(shí)際問題，以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力、交流能力、問題分析能力。

①發(fā)現(xiàn)問題。教師請學(xué)生觀看礁石形成視頻，然后陳述問題情境，學(xué)生觀看完視頻后，傾聽教師的陳述，獨(dú)立思考問題。

②分析問題，合作探究。教師幫助學(xué)生分析問題，構(gòu)建問題解決的思路，學(xué)生合作探究問題，分析礁石的特點(diǎn)以及如何實(shí)現(xiàn)小船在行進(jìn)過程中的礁石識別。學(xué)生通過獨(dú)立思考，發(fā)現(xiàn)可以使用顏色傳感器判斷礁石的出現(xiàn)。小組討論，得出判斷是否可以使用條件判斷語句躲避行進(jìn)途中的礁石。

③確定問題解決方案，修訂方案。各小組為小船連接顏色傳感器，設(shè)置黑色為預(yù)警顏色，當(dāng)顏色傳感器識別出黑色時(shí)，代表行進(jìn)前方有礁石出現(xiàn)。編寫條件判斷語句，并將程序輸入小船，以達(dá)到當(dāng)顏色傳感器識別到黑色時(shí)，小船立即停下的目的。在確定方案之后，小組各自進(jìn)行實(shí)踐，確保小組所設(shè)計(jì)的程序能夠?qū)崿F(xiàn)小船車躲避障礙物并停下。最后，根據(jù)教師給出的范例進(jìn)行解決方案的修改、調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)最終的問題解決方案。

④總結(jié)反思。教師總結(jié)條件判斷語句知識點(diǎn);學(xué)生將自己小組的方案與教師呈現(xiàn)的方案進(jìn)行對比，復(fù)盤整個(gè)問題解決過程，并完成課堂反思表。

（3）活動(dòng)三：臺風(fēng)問題（80min）

本環(huán)節(jié)是上一環(huán)節(jié)的遞進(jìn)，也是將數(shù)學(xué)（位置與方向）、科學(xué)（臺風(fēng)）、編程等知識融合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)將實(shí)際知識與真實(shí)問題結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生問題解決的主體作用，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的傳感器、順序結(jié)構(gòu)、條件判斷語句解決實(shí)際問題，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

①發(fā)現(xiàn)問題。教師讓學(xué)生觀看臺風(fēng)的危害視頻，然后陳述問題情境，學(xué)生觀看視頻，傾聽教師的陳述，思考問題。

②分析問題，合作探究。教師引導(dǎo)學(xué)生分解問題，合作探究問題，分析其中所需的知識。通過小組討論，得出小船行進(jìn)方案，并利用礁石判斷程序檢測行進(jìn)途中的礁石。

③確定問題解決方案，修訂方案。首先計(jì)算出小船的臨界速度，然后檢測行進(jìn)途中的礁石。之后編寫程序，并輸入小船，使小船按照臨界速度行駛。最后，小組交流，各小組針對教師提出的修改建議進(jìn)行解決方案的修改、調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)最終的問題解決方案。

④總結(jié)反思。學(xué)生復(fù)盤問題解決過程，小組成員之間進(jìn)行交流討論，總結(jié)各自的意見觀點(diǎn)并完成課堂反思表。

4.教學(xué)支持文檔設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)活動(dòng)指導(dǎo)資源：Mbot小船的構(gòu)件、組裝參考材料、坐標(biāo)紙、寶藏模型、組裝好的小船。

學(xué)生學(xué)習(xí)記錄文檔：活動(dòng)中的小組合作任務(wù)單及課堂記錄反思表。

學(xué)生自主學(xué)習(xí)評價(jià)表格：問題解決能力調(diào)查問卷、問題解決能力調(diào)查量表、數(shù)學(xué)方向角及位置坐標(biāo)基礎(chǔ)知識測驗(yàn)、小船基礎(chǔ)出行語句模塊測試。

● 結(jié)語

本文結(jié)合STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式以及STEM理念下中小學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)模型，得出了一種基于問題解決能力培養(yǎng)的STEM課程設(shè)計(jì)模式，在問題解決過程中貫徹跨學(xué)科整合理念，引導(dǎo)學(xué)生做中學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中運(yùn)用知識解決問題的能力。

根據(jù)此模式，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，立足于真實(shí)的航海問題，設(shè)計(jì)需要整合各學(xué)科知識內(nèi)容解決的問題，通過mBlock編程平臺，融合各學(xué)科教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合問題解決能力培養(yǎng)模型的步驟，設(shè)計(jì)相應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)，形成本套課程。整套課程的設(shè)計(jì)過程與STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式相符，將各學(xué)科的知識進(jìn)行整合，促進(jìn)學(xué)生知識運(yùn)用能力、問題思考能力、協(xié)作探究能力的提升。

本團(tuán)隊(duì)在后續(xù)研究中會(huì)繼續(xù)將此模式應(yīng)用于實(shí)踐中，并針對實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，不斷進(jìn)行完善與修改，從而將STEM教育與各學(xué)科課程內(nèi)容的整合落到實(shí)處。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國教育科學(xué)研究院.中國STEM教育白皮書[EB/OL].http：//www.ict.edu.cn/uploadfile/2018/0507/20180507033914363.pdf， 2017-06-20.

[2]秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實(shí)問題情境的跨學(xué)科式教育[J].中國電化教育，2017（04）：67-74.

[3]蔡蘇，王沛文.美國STEM教育中社會(huì)組織的作用及對我國的啟示[J].中國電化教育，2016（10）：74-78.

[4]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（04）：13-22.

[5]Paris（France）.The PISA 2003 Assessment Framework： Mathematics， Reading， Science and Problem Solving Knowledge and Skills[M].The PISA 2003 assessment framework： mathematics， reading， science and problem solving knowledge and skills. Organisation for Economic Co-operation and Development， 2003：199.

[6]方惠慧，覃兵.核心素養(yǎng)視野下中小學(xué)生問題解決能力審視與培養(yǎng)策略[J].科教導(dǎo)刊（下旬），2017（06）：153-154.

[7]王一敏，姚昕雨.基于STEM理念的中小學(xué)生問題解決能力培養(yǎng)模型研究[J].中國教育信息化，2018（19）：16-20.

[8]樊雅琴，黃若琳，崔迎，等.STEM教育背景下學(xué)生問題解決能力的培養(yǎng)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2019，29（01）：114-119.

[9]Sanders，M.（2009）.STEM，STEM education，stemmania[J].The Technology Teacher，68（04）：20-26.