跨學(xué)科整合導(dǎo)向的STEM項目學(xué)習(xí)設(shè)計與實(shí)踐

張雪 張靜 熊建文

[摘? ?要]全球科學(xué)技術(shù)和社會迅速發(fā)展所帶來的轉(zhuǎn)變與挑戰(zhàn)，催生了對跨學(xué)科整合型課程的迫切需求。具有跨學(xué)科核心特征的STEM教育已成為國內(nèi)外教育理論與實(shí)踐發(fā)展的潮流。當(dāng)前我國一線教師的STEM教學(xué)經(jīng)驗有限，迫切需要全面認(rèn)識整合理念、嘗試突破實(shí)踐困難。本研究梳理了國內(nèi)外跨學(xué)科整合的STEM教育研究現(xiàn)狀，以項目學(xué)習(xí)為實(shí)施方式構(gòu)建STEM項目學(xué)習(xí)模式，并在高中物理課程中順應(yīng)項目活動主線進(jìn)行實(shí)踐，旨在為跨學(xué)科整合理念的落實(shí)提供借鑒和參考。

[關(guān)鍵詞]STEM;跨學(xué)科;整合;項目學(xué)習(xí);物理

在第四次工業(yè)革命的時代背景下，信息技術(shù)的高度綜合化和現(xiàn)實(shí)問題的復(fù)雜多樣化，使得科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革呈現(xiàn)出交叉融合的態(tài)勢，社會各領(lǐng)域關(guān)鍵問題的解決都需要構(gòu)建跨學(xué)科的合作機(jī)制。社會現(xiàn)實(shí)的時代訴求同步影響著教育范式的變革，教育領(lǐng)域?qū)W(xué)科交叉和知識融合提出了新需求，越來越多的國家投入跨學(xué)科整合的課程改革浪潮。如中國、美國、加拿大等國家，均已將跨學(xué)科學(xué)習(xí)納入國家基礎(chǔ)教育課程標(biāo)準(zhǔn)，從傳統(tǒng)的分科立學(xué)走向跨學(xué)科整合教學(xué)成為教育發(fā)展的必然趨勢。

STEM被視為科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的集成，可以作為解蔽分科教學(xué)的突破口。STEM教育強(qiáng)調(diào)通過學(xué)科間的交叉滲透與融合培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型人才和全面發(fā)展的人，[1]因其高度的跨學(xué)科核心特征而備受推崇并引起教育界的重視。面對技術(shù)性、復(fù)合性、創(chuàng)新性人才的迫切需求，我國提倡在基礎(chǔ)教育階段組織STEM教學(xué)實(shí)踐的呼聲日益增高，但當(dāng)前對整合理念的有限認(rèn)識、改革突破的實(shí)踐困難，仍是一線科學(xué)教師面臨的重要挑戰(zhàn)。

一、跨學(xué)科整合的STEM 教育研究

1.跨學(xué)科整合：引領(lǐng)STEM教育的核心理念

STEM教育產(chǎn)生的動因和背景十分復(fù)雜，學(xué)界就其本質(zhì)展開了激烈的討論，在理解上也不盡相同。從廣義上講，它既可以指STEM所涉及的各個學(xué)科的總和，也可以指一種超越學(xué)科界限的教與學(xué)的方式。前者通常指傳統(tǒng)的理工科教育，不要求學(xué)科間的聯(lián)系和整合;[2]后者鼓勵將四門學(xué)科進(jìn)行有意義的整合，系統(tǒng)地解決真實(shí)世界中的問題，[3]這一理解符合綜合性科技人才培養(yǎng)的本質(zhì)要求，與美國建立STEM教育的初衷相一致。當(dāng)前，整合理念已經(jīng)獲得了大部分機(jī)構(gòu)和學(xué)者的支持，[4]即整合的策略和愿景引領(lǐng)了這種教育形態(tài)的持續(xù)發(fā)展。

隨著STEM教育的發(fā)展，整合性課程建設(shè)逐漸成為主流，在STEM教育推廣過程中，首先要厘清課程整合的內(nèi)涵和方法。綜合瓦斯奎茲（Vasquez）[5]和泰勒（Tytler）[6]等依據(jù)學(xué)科關(guān)聯(lián)度的研究，整合水平可劃分為多學(xué)科、學(xué)科交叉和跨學(xué)科三個層次（見表1）。聚焦STEM教學(xué)來看，在多學(xué)科關(guān)系中，學(xué)習(xí)內(nèi)容被分割為不同的學(xué)科模塊，但是可以通過一個主題聯(lián)系到一起。例如圍繞水這個主題，可劃分為水的物理性質(zhì)、水的凈化技術(shù)、水壩工程建設(shè)等模塊，但學(xué)科融合度不高。

學(xué)科交叉?zhèn)戎赜谥R和技能的深化，基于學(xué)科知識間的內(nèi)在聯(lián)系獲取相關(guān)的知識與技能;[7]跨學(xué)科是通過解決現(xiàn)實(shí)問題將STEM各學(xué)科內(nèi)容聯(lián)系起來，重點(diǎn)是真實(shí)問題或項目任務(wù)的解決，不再把問題分割為單獨(dú)的模塊，不只將問題置于單獨(dú)的學(xué)科中探討?？鐚W(xué)科的教育思想兼顧學(xué)科性以及統(tǒng)整性，引導(dǎo)學(xué)生在確定實(shí)際問題所涉及學(xué)科的前提下，嘗試打破不同學(xué)科知識體系的束縛，培養(yǎng)學(xué)生從容運(yùn)用課程整合知識應(yīng)對并解決問題的能力和品格。

2.項目學(xué)習(xí)：落實(shí)STEM整合理念的有效方式

為了促進(jìn)跨學(xué)科整合理念和課程內(nèi)容的深度融合，教學(xué)方式不應(yīng)再局限于傳統(tǒng)學(xué)科知識的接受式學(xué)習(xí)，而應(yīng)立足解決真實(shí)問題，圍繞一定的探究過程展開?；陧椖康膶W(xué)習(xí)聚焦真實(shí)情景中的整體學(xué)習(xí)任務(wù)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位和多學(xué)科知識的學(xué)習(xí)與運(yùn)用，是當(dāng)前學(xué)生發(fā)展跨學(xué)科素養(yǎng)最為重要[8]、整合課程開展數(shù)量最多[9]的學(xué)習(xí)模式。項目任務(wù)通常是具有一定挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品設(shè)計與制作，需要學(xué)生調(diào)動跨學(xué)科思維，綜合運(yùn)用多學(xué)科學(xué)習(xí)成就進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。[10]學(xué)生選擇最優(yōu)的學(xué)習(xí)資源，參與團(tuán)體互動以探尋項目解決方案并予以實(shí)施。項目學(xué)習(xí)綜合了跨學(xué)科性、情境性、協(xié)作性，立足于前沿的社會生活問題，可解決單科課程教學(xué)之弊。項目學(xué)習(xí)與STEM教育理念的有效契合，對于促進(jìn)STEM教學(xué)具有得天獨(dú)厚的突出優(yōu)勢。

基于項目的STEM學(xué)習(xí)（以下簡稱“STEM項目學(xué)習(xí)”）適宜跨學(xué)科學(xué)習(xí)。在此，STEM既是目標(biāo)也是手段，項目學(xué)習(xí)既是方式也是過程。從國際研究來看，STEM項目學(xué)習(xí)的整合過程多聚焦于工程和技術(shù)，科學(xué)及數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)常被忽略，對于科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的投入也多側(cè)重于零碎知識的應(yīng)用而非科學(xué)探究過程。[11]此外，教師在開展教學(xué)時，通常以真實(shí)情景問題為驅(qū)動、采取非結(jié)構(gòu)化教學(xué)設(shè)計，類似于有組織、有重點(diǎn)的經(jīng)驗學(xué)習(xí)。教師在設(shè)計整合性STEM項目學(xué)習(xí)時，一方面，要確保學(xué)科知識的均衡覆蓋和難易適度，平衡理論性探究和設(shè)計實(shí)踐制作;另一方面，還要將分學(xué)科的知識按項目邏輯進(jìn)行跨學(xué)科重組，把握課程內(nèi)容與學(xué)習(xí)過程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計。也就是說，在項目學(xué)習(xí)過程中，必須提前清晰規(guī)劃STEM知識和方法，將學(xué)科內(nèi)容系統(tǒng)地融入設(shè)計和制造階段，激勵學(xué)生創(chuàng)造性地解決問題。

二、整合型STEM項目學(xué)習(xí)模式的設(shè)計

為了準(zhǔn)確地將跨學(xué)科整合理念形象化和實(shí)用化，本研究提出了一種整合型STEM項目學(xué)習(xí)模式（見圖1），該模式以項目主題為核心，囊括跨學(xué)科內(nèi)容要素和項目學(xué)習(xí)過程兩個子元素，且二者相互關(guān)聯(lián)、相互作用。

1.跨學(xué)科內(nèi)容要素

跨學(xué)科內(nèi)容要素由科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)組成。STEM項目學(xué)習(xí)以科學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，理清項目主題中的科學(xué)原理，是學(xué)生展開探究設(shè)計的前提，也是貫穿整個學(xué)習(xí)過程的關(guān)鍵;技術(shù)是幫助學(xué)生完成實(shí)踐任務(wù)的工具或設(shè)備，如電工技術(shù)、三維建模技術(shù)等，學(xué)生可以通過使用技術(shù)找到問題解決的辦法，甚至創(chuàng)造新產(chǎn)品;工程被視為一個循環(huán)的、迭代的設(shè)計過程，與作品設(shè)計的反復(fù)試錯與重新審視相聯(lián)系，特別是在結(jié)構(gòu)建模、材料選擇、性能測試中，以尋找最佳方案為突出表現(xiàn)。數(shù)學(xué)是運(yùn)算與推理工具，能將事物的本質(zhì)、關(guān)系、規(guī)律可視化，數(shù)據(jù)分析、數(shù)學(xué)繪圖等內(nèi)容都是產(chǎn)品設(shè)計與制作的重要支撐。

2.項目學(xué)習(xí)過程

項目學(xué)習(xí)的順利實(shí)施離不開教師前期的充分準(zhǔn)備，包括分析學(xué)習(xí)者的知識儲備和能力水平;發(fā)掘社會資源，選擇與現(xiàn)實(shí)生活相接的項目主題;梳理其中蘊(yùn)含的STEM跨學(xué)科知識;提供適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境和豐富的學(xué)習(xí)資源與工具，如3D打印機(jī)、三維建模工具等。項目學(xué)習(xí)過程以工程設(shè)計任務(wù)為開端，通過探究活動逐一尋求解決問題的方案，著力促進(jìn)學(xué)生新知識和新經(jīng)驗的生成。其以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體，全程由“項目活動啟動—項目任務(wù)設(shè)計—項目實(shí)踐探究—項目作品評估”四個階段構(gòu)成。

（1）項目活動啟動

教師圍繞項目主題創(chuàng)設(shè)問題情境，提出具有開放性的、體現(xiàn)學(xué)科整合的驅(qū)動性問題。而學(xué)生則要明確項目設(shè)計任務(wù)，查閱資料，理解任務(wù)背后蘊(yùn)含的科學(xué)原理，并根據(jù)“組內(nèi)異質(zhì)、組同異質(zhì)”的原則組建學(xué)習(xí)共同體。

（2）項目任務(wù)設(shè)計

教師需要提供相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，承擔(dān)答疑解惑的任務(wù)，確保學(xué)生設(shè)計工作的穩(wěn)步推進(jìn)。而學(xué)生個人聚焦問題之后，要嘗試進(jìn)行理論探究、思考方法，以頭腦風(fēng)暴的方式分享各自觀點(diǎn)，同伴協(xié)商制定出最佳方案。任務(wù)規(guī)劃要具體，包括每個人需要完成哪些工作、怎么做等。

（3）項目實(shí)踐探究

教師在本階段是監(jiān)督指導(dǎo)的角色，要監(jiān)控和管理學(xué)生行為，跟進(jìn)學(xué)生工作，給予技術(shù)指導(dǎo)。學(xué)生根據(jù)前期知識儲備進(jìn)行實(shí)踐探究，分析各類數(shù)據(jù)，選擇合適的器材類型，采取有效的技術(shù)手段開始工程建造，循環(huán)測試與改進(jìn)產(chǎn)品效果。

（4）項目作品評估

教師組織小組成員展示研究過程與項目作品，并及時開展綜合評價，包括自評、互評、師評等。互評和師評要同時關(guān)注結(jié)果與過程評價，學(xué)生根據(jù)交流結(jié)果總結(jié)反思，完成自我評價。

三、整合型STEM項目學(xué)習(xí)的實(shí)踐

物理學(xué)是一門以實(shí)驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，也是一門精密的定量科學(xué)，其嚴(yán)密的理論體系廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)的各個部門，對現(xiàn)代工程科技的影響更是舉足輕重，因此，其具有承載STEM項目學(xué)習(xí)的天然優(yōu)勢。本研究選取社會熱點(diǎn)問題“無線電能傳輸設(shè)備”作為項目背景，考慮到高二學(xué)生雖掌握了電磁感應(yīng)等科學(xué)知識，但工程實(shí)踐和技術(shù)體驗有限，擬定課題為“制作無線點(diǎn)燈”，最終產(chǎn)品能體現(xiàn)電流的無線傳輸即可。協(xié)調(diào)智慧教室和實(shí)驗室保障學(xué)習(xí)環(huán)境，最終在湖北荊州市高中物理課堂中開展了為期一個月的實(shí)踐。

1.跨學(xué)科內(nèi)容要素的整合

“制作無線點(diǎn)燈”項目涉及豐富的跨學(xué)科內(nèi)容整合，具體內(nèi)容如圖2所示。

2.項目學(xué)習(xí)過程的設(shè)計

依據(jù)整合型STEM項目學(xué)習(xí)模式開展“制作無線點(diǎn)燈”項目，其學(xué)習(xí)過程共有四個階段，具體活動內(nèi)容和所涉及的跨學(xué)科要素如表2所示。

3.項目實(shí)踐效果的分析

從展示結(jié)果來看，80%的團(tuán)隊都嚴(yán)格遵循項目要求完成了作品。小燈泡被隔空點(diǎn)亮的結(jié)果，體現(xiàn)了學(xué)生對互感原理的理解程度、工程設(shè)計能力以及能量數(shù)據(jù)計算的嚴(yán)格性。外觀設(shè)計也百花齊放，如作品中荊州古城墻的地方特色、UFO的科幻色彩等（見圖3），學(xué)生的審美意識和設(shè)計思維在實(shí)踐中得以激發(fā)。對學(xué)生的訪談結(jié)果顯示：90%以上的學(xué)生對STEM項目課程是滿意的，當(dāng)被問及是否愿意繼續(xù)參加這類課程時，學(xué)生也表示愿意。自評結(jié)果顯示，學(xué)生普遍“深刻感受到物理知識與生活息息相關(guān)、掌握了科學(xué)探究的基本過程”“從內(nèi)部和外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計中體驗到了工程建筑的不易”“在處理各類數(shù)據(jù)時知道物理和數(shù)學(xué)的密不可分”“習(xí)得了3D建模這一技能”。學(xué)生在STEM項目學(xué)習(xí)過程中形成了整合知識和方法以應(yīng)對各種挑戰(zhàn)的意識，這也是跨學(xué)科整合理念得以落實(shí)的關(guān)鍵。

四、結(jié)語

整合型STEM項目學(xué)習(xí)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和針對性，不僅有助于教師破解分科之弊、引領(lǐng)教育創(chuàng)新，還有利于學(xué)生跨學(xué)科建立更完善的知識體系、發(fā)展實(shí)踐創(chuàng)新能力。整合型STEM項目學(xué)習(xí)模式以項目主題為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地將STEM跨學(xué)科內(nèi)容和學(xué)習(xí)過程合并，倡導(dǎo)學(xué)生通過協(xié)作探究，整合多學(xué)科知識來解決復(fù)雜問題?！爸谱鳠o線點(diǎn)燈”案例的開發(fā)在整合教育實(shí)踐范式上進(jìn)行了有益探索，可為一線教師設(shè)計跨學(xué)科整合課程提供理論和實(shí)踐方面的參考。

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（責(zé)任編輯 郭向和? ?校對 姚力寧）