學(xué)科融合在STEM教育中的創(chuàng)新應(yīng)用

◆許增盈 王麗媛

0 前言

“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)教育的重構(gòu)與構(gòu)建提供了新的思維方式，也為應(yīng)試教育到創(chuàng)新教育的變遷提供了有利環(huán)境。2013年以來，美國(guó)的創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)發(fā)展得如火如荼，多地多所中小學(xué)開始實(shí)施創(chuàng)客教育。經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，創(chuàng)客教育逐步成為創(chuàng)新教育的主要形式。

我國(guó)所采用的教學(xué)模式，大都是以教師為主導(dǎo)，以教參為指導(dǎo)，完成對(duì)應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)。這種教學(xué)模式下的教學(xué)過程，基礎(chǔ)理論和實(shí)踐應(yīng)用是分開的，學(xué)生學(xué)習(xí)大都是脫離實(shí)際的。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在這種學(xué)習(xí)方式下，學(xué)習(xí)的知識(shí)或者技能很容易遺忘。

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的新興事物不斷出現(xiàn)在人們的視野中，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的產(chǎn)生，不斷刺激著學(xué)生的認(rèn)知，傳統(tǒng)陳舊的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，無法滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需要。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，PBL）成為創(chuàng)客教育的主要學(xué)習(xí)方式，是與傳統(tǒng)教學(xué)模式完全不同的教學(xué)方法，被定義為：“一套設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境的、以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，是基于現(xiàn)實(shí)世界的以學(xué)生為中心的教學(xué)活動(dòng)?！?/p>

1 項(xiàng)目引導(dǎo)，了如指掌：PBL教學(xué)模式介紹

時(shí)下STEM教育被更多的教育學(xué)者所認(rèn)識(shí)，PBL教學(xué)模式非常適用于STEM教學(xué)，主要包含五個(gè)方面的內(nèi)容：改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式；打破學(xué)科之間的界限；引導(dǎo)學(xué)生自主探究問題；合理利用有效的工具來解決問題；最終展示和分享有價(jià)值的研究成果。該模式切實(shí)維護(hù)了教學(xué)中學(xué)生的主體地位。下面就PBL教學(xué)模式的幾個(gè)特點(diǎn)詳細(xì)展開。

理論與實(shí)踐結(jié)合PBL教學(xué)模式以現(xiàn)實(shí)生活為背景，讓學(xué)生借助生活中的各種資源進(jìn)行問題探索。區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是在事實(shí)基礎(chǔ)上建立一個(gè)立體的知識(shí)體系并引導(dǎo)學(xué)生解決問題的教學(xué)模式。如初中信息技術(shù)八年級(jí)下冊(cè)第四課“靈活的線條——鉛筆工具的使用”，這節(jié)課讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用Flash軟件中的直線和鉛筆工具繪制一些圖案。筆者把教材內(nèi)容與現(xiàn)今社會(huì)提倡的“垃圾分類STEM”主題相結(jié)合，利用Flash工具中的直線工具繪制垃圾桶元件，利用鉛筆工具繪制垃圾圖標(biāo)，并要求學(xué)生能夠正確區(qū)分垃圾類型。筆者的處理很好地將書本中的Flash軟件工具的使用與現(xiàn)實(shí)生活中的“垃圾分類STEM”相結(jié)合，將課本的知識(shí)與技能運(yùn)用于生活中。

打破學(xué)科界限STEM涉及數(shù)學(xué)、物理、技術(shù)、工程、設(shè)計(jì)等科目，所以教學(xué)內(nèi)容其實(shí)是圍繞各種問題所編制的綜合課程，這就要求學(xué)生通過跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的學(xué)習(xí)來解決問題。如小學(xué)科學(xué)教材中有“用紙?jiān)煲蛔鶚颉边@一課程，即利用一張報(bào)紙、少量的膠帶建造一座“橋”，要求“橋”能跨越35厘米寬的“峽谷”，寬度大于10厘米，能承載200克重的“車輛”。學(xué)生要完成“紙橋”這一項(xiàng)目，則需要了解物理中改變紙張形狀以提高“紙橋”的抗彎曲能力的知識(shí)；考慮到橋梁的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要使用生活中常見的斜拉橋等結(jié)構(gòu)，加入“紙橋”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中；為了使得制作的“紙橋”美觀，則需要加入藝術(shù)設(shè)計(jì)等元素；最后在實(shí)施建造“紙橋”之前，要用數(shù)學(xué)精準(zhǔn)計(jì)算得出“紙橋”結(jié)構(gòu)需要用的原材料長(zhǎng)寬、數(shù)量等。

自主探究問題在整個(gè)項(xiàng)目過程中，學(xué)生提出問題，確定自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，隨后獨(dú)立進(jìn)行資料收集、整理、研究等工作，最后在團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行討論。這些行為將充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，讓他們?cè)谔岢鰡栴}、解決問題以及尋找答案的過程中獲取知識(shí)、有效運(yùn)用知識(shí)。

如上述“紙橋”項(xiàng)目，學(xué)生在討論過程中遇到如下問題：

問題一：什么樣的形狀抗彎曲能力最強(qiáng)？

問題二：采用怎樣的橋梁工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以使得承重能力最強(qiáng)？

學(xué)生需要通過實(shí)踐來得出以上兩個(gè)問題的答案，解決問題，繼續(xù)提出問題，再尋求問題的答案，不斷地自主探究，在過程中獲取知識(shí)、有效運(yùn)用知識(shí)。

如問題一，紙張可以是堆疊、彎折、卷筒等形狀，通過三種形狀分別嘗試得出適合于本項(xiàng)目組“紙橋”的最終結(jié)構(gòu)，學(xué)生從中了解到材料的不同形狀能夠承受不同大小的力量。

而在研究問題二的過程中，學(xué)生了解了橋梁設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)到不同的結(jié)構(gòu)所適用的范圍和承受的強(qiáng)度都有所不同，自主研究得出一種適合于本項(xiàng)目組“紙橋”的橋梁結(jié)構(gòu)。

合理運(yùn)用工具很多學(xué)生養(yǎng)成了等待答案的習(xí)慣，當(dāng)問題提出之后，由教師灌輸正確的結(jié)果，而不是通過各種渠道獲取答案。而在完成項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生將學(xué)會(huì)使用多種信息檢索工具去搜索資料，進(jìn)行研究分析和溝通合作。如手工畫圓與圓規(guī)畫圓的精度對(duì)比，卷尺測(cè)量與千分尺測(cè)量結(jié)果的誤差問題，測(cè)量一幢高樓的高度，這些例子都需要學(xué)生運(yùn)用合理的工具來尋求問題的答案，面對(duì)不同的問題使用合理的工具，面對(duì)平時(shí)無法快速測(cè)量的問題則需要利用數(shù)學(xué)上所學(xué)的三角形知識(shí)來解決。

獲得研究成果項(xiàng)目式學(xué)習(xí)會(huì)幫助學(xué)生解決生活中的實(shí)際問題，因此具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益。在采用PBL教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)制作了很多小作品，如“反作用力小車”“指尖陀螺”“曲柄連桿機(jī)構(gòu)”等。

2 教學(xué)實(shí)踐，完美結(jié)合：PBL教學(xué)模式實(shí)施

下面以“旋轉(zhuǎn)的科技”項(xiàng)目為例，介紹筆者已經(jīng)開展的STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)施過程。

項(xiàng)目背景日常生產(chǎn)生活中的汽車、火車、工程機(jī)械、家用電器的機(jī)械結(jié)構(gòu)中都要用到“旋轉(zhuǎn)”，旋轉(zhuǎn)的科技含量不僅影響這些產(chǎn)品的性能，更體現(xiàn)了國(guó)家的科技實(shí)力。世界各國(guó)科學(xué)家都在不停地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)科技的頭腦風(fēng)暴，普通人也可以借助科技手段以創(chuàng)客的形式開展科學(xué)家式的頭腦風(fēng)暴。

“旋轉(zhuǎn)的科技”項(xiàng)目選取來自現(xiàn)實(shí)生活的問題，項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于：

一是理解旋轉(zhuǎn)的概念；

二是能運(yùn)用所學(xué)，驗(yàn)證與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的知識(shí)；

三是開展想象，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)造發(fā)揮，制作與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的創(chuàng)意作品。

項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目計(jì)劃如表1所示。

表1 “旋轉(zhuǎn)的科技”項(xiàng)目計(jì)劃

項(xiàng)目實(shí)施“旋轉(zhuǎn)的科技”項(xiàng)目以自主性學(xué)習(xí)為主線，在項(xiàng)目實(shí)施中，學(xué)生和教師的角色一定要不同于傳統(tǒng)教學(xué)。由此，設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施的六個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。

環(huán)節(jié)一：項(xiàng)目前設(shè)，知識(shí)儲(chǔ)備。以項(xiàng)目計(jì)劃中的“1.木板材料的有效分割設(shè)計(jì)”為目標(biāo)前設(shè)，通過這個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生基本具備創(chuàng)意設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，初步掌握金工木工、3D打印與激光切割、利用信息技術(shù)收集獲取資料等知識(shí)與技能，為引出“旋轉(zhuǎn)的科技”項(xiàng)目任務(wù)提供理論知識(shí)和基本條件。

環(huán)節(jié)二：設(shè)定目標(biāo)，啟動(dòng)項(xiàng)目。在完成上述前設(shè)后，組織項(xiàng)目啟動(dòng)，提出項(xiàng)目問題。

項(xiàng)目問題：使用工具制作一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)的物件。

材料：A4紙、卡紙、小木片、小木棒、圖釘、小電機(jī)、導(dǎo)線、光盤、水筆、圓珠筆芯、乒乓球、礦泉水瓶、軸承、牙刷。

要求：選取上述材料中的部分材料，制作一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)的物件。

環(huán)節(jié)三：分析問題，討論方案。學(xué)生制定的實(shí)施計(jì)劃可以各組不同，但解決問題目標(biāo)相同，充分發(fā)揮學(xué)生自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。通過討論、網(wǎng)絡(luò)查詢和相關(guān)資料的收集整理、初步實(shí)踐印證等，確定項(xiàng)目問題的內(nèi)容、實(shí)施的步驟以及組員的職責(zé)分工，做出具體執(zhí)行計(jì)劃。

該過程要以學(xué)生為主、教師為輔。教師要幫助學(xué)生制訂切實(shí)可行的計(jì)劃，為學(xué)生提供解決問題的線索，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)；但不必面面俱到，而要點(diǎn)到為止，要留給學(xué)生自己思考的空間。

這一環(huán)節(jié)的實(shí)施策略應(yīng)注意：

1）全過程自主學(xué)習(xí)研究；

2）學(xué)生通過討論交流來找出解決問題所需要的知識(shí)和方法；

3）不懂時(shí)與教師一起學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和技能。

環(huán)節(jié)四：實(shí)踐操作，驗(yàn)證方案。以項(xiàng)目計(jì)劃中的“3.旋轉(zhuǎn)的研究及創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作”為主線開展。這一過程的學(xué)習(xí)鼓勵(lì)學(xué)生自己做決定，教師應(yīng)適當(dāng)放手，讓學(xué)生自己實(shí)踐，所有的問題和疑惑讓學(xué)生自己商討并研究解決。要求學(xué)生扮演現(xiàn)實(shí)世界中的角色，通過工作研究問題、得出結(jié)論，就像成人工作一樣。他們常會(huì)遇到社區(qū)或真實(shí)世界中的問題，會(huì)使用科技手段研究、分析、協(xié)作和通信。教師要成為指導(dǎo)者、幫助者和合作者，給予點(diǎn)撥、建議。教師就是一個(gè)監(jiān)管員，監(jiān)管項(xiàng)目進(jìn)行的方向、進(jìn)度和最后的結(jié)果。

這一環(huán)節(jié)的實(shí)施策略應(yīng)注意：

1）學(xué)生需要同自己的項(xiàng)目組成員分享交流“我是如何解決這個(gè)問題，如何找到這個(gè)問題答案的”；

2）學(xué)會(huì)分享自己所學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)是本環(huán)節(jié)最重要的一部分，也是學(xué)生今后走上人生道路的必備技能。

環(huán)節(jié)五：遇到問題，修正不足。讓學(xué)生在獨(dú)立與協(xié)作中完成項(xiàng)目任務(wù)，遇到問題的時(shí)候，項(xiàng)目組協(xié)作完成問題的分析，修正所學(xué)的不足。在這個(gè)過程中，教師的角色是引導(dǎo)者、幫助者，主要做好以下工作：

1）對(duì)知識(shí)與技能的不足和錯(cuò)誤進(jìn)行糾正；

2）對(duì)新知識(shí)與技能技巧進(jìn)行講解和示范，及時(shí)提供相應(yīng)的幫助，讓學(xué)生接觸各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，使他們?cè)趯?shí)踐印證中理解知識(shí)與技能，明白不同學(xué)科是如何相互聯(lián)系和相互支持的。

這一環(huán)節(jié)的實(shí)施策略應(yīng)注意：

①學(xué)生要通過開展實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證知識(shí)，遇到問題并修正不足，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)修正，直至獲得最終答案；

②在實(shí)踐過程中，學(xué)生結(jié)合當(dāng)前解決的問題，提出新的問題。

環(huán)節(jié)六：得出概念，分享經(jīng)驗(yàn)。在完成項(xiàng)目計(jì)劃中的“4.旋轉(zhuǎn)小車的創(chuàng)意制作”后，通過項(xiàng)目展示形式，讓學(xué)生自己得出知識(shí)概念，并互相交流學(xué)習(xí)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，讓學(xué)生自己指出作品中值得學(xué)習(xí)和借鑒的地方，總結(jié)出創(chuàng)作過程中出現(xiàn)的問題，說出成功經(jīng)驗(yàn)和失敗原因。

此環(huán)節(jié)教師的工作包括：

1）匯報(bào)PPT制作，語言表達(dá)能力、回答問題能力、組織協(xié)調(diào)能力、總結(jié)能力等指導(dǎo)；

2）根據(jù)各項(xiàng)目組完成過程的具體情況，指出做得好的地方，同時(shí)要指出問題所在，另對(duì)學(xué)生進(jìn)行多方位評(píng)價(jià)；

3）對(duì)沒完成或完成得不成功的，鼓勵(lì)學(xué)生繼續(xù)運(yùn)用多種方法完成項(xiàng)目。

結(jié)合實(shí)際情況選出幾個(gè)具有代表性的作品鼓勵(lì)學(xué)生開展模仿、改造、創(chuàng)新，使項(xiàng)目學(xué)習(xí)繼續(xù)深化、不斷拓展，實(shí)現(xiàn)新的創(chuàng)新。

3 模式創(chuàng)新，收獲頗豐：PBL教學(xué)模式收獲

STEM目標(biāo)初達(dá)成初步達(dá)成STEM的教育目標(biāo)：

一是學(xué)生養(yǎng)成了“為什么”的問題思維，學(xué)會(huì)印證所學(xué)知識(shí)，鍛煉自己的創(chuàng)新能力；

二是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提高了對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力；

三是學(xué)生以項(xiàng)目主題為核心，努力達(dá)成課本知識(shí)印證、操作技能實(shí)踐、與生活實(shí)際貼合、創(chuàng)意創(chuàng)新培養(yǎng)四方面的結(jié)合，提高解決實(shí)際問題的能力；

四是重點(diǎn)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施過程中打破傳統(tǒng)教育常規(guī)，減少教師的教學(xué)人為控制，讓學(xué)生人人參與創(chuàng)造性的實(shí)踐活動(dòng)，重點(diǎn)是注重學(xué)習(xí)過程體驗(yàn)與知識(shí)分享；

五是培養(yǎng)了理論知識(shí)扎實(shí)、實(shí)踐技能精湛的師資隊(duì)伍。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)迎挑戰(zhàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)使學(xué)習(xí)有了新的挑戰(zhàn)，貼近學(xué)生的生活，使學(xué)習(xí)更有魅力。學(xué)生學(xué)習(xí)更有動(dòng)力，并能始終保持良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)成就感更足；學(xué)習(xí)的自主性、積極性極大提高，由以前的“要我學(xué)”變?yōu)楝F(xiàn)在的“我要學(xué)”。

創(chuàng)新項(xiàng)目促完整項(xiàng)目學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生形成較完整的知識(shí)、技能體系，改變了以往學(xué)科課程間相互獨(dú)立、不相往來的局面，提高了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，因?yàn)橥瓿梢粋€(gè)項(xiàng)目需要學(xué)生掌握不同專業(yè)、不同工種的知識(shí)與技能。

傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)模式被打破，實(shí)現(xiàn)了三大轉(zhuǎn)變：

一是以教師為主體轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體；

二是以教材為主體轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目為主體，教學(xué)內(nèi)容更為豐富多彩，更貼近生活實(shí)際，更貼近綜合能力的培養(yǎng)與提升；

三是以課堂教學(xué)為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?shí)踐驗(yàn)證、修正所學(xué)之不足為中心。