STEAM理念下PBL課程在中學科技創(chuàng)新教育中的實踐
——以“構(gòu)建未來(月球)城市的智慧防疫系統(tǒng)”為例

趙嫣然 史承灼

(1.合肥上海世界外國語學校 2.合肥市望湖中學 安徽合肥 230051)

創(chuàng)新是科學技術(shù)發(fā)展的必由之路。中學時期是培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新意識和能力的重要時期，學校肩負培養(yǎng)和造就高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重任。因此，探索高效培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新能力的實施路徑，成為學校科技創(chuàng)新教育的當務(wù)之急。

一、基于STEAM理念的PBL課程的學習特點

基于STEAM理念下的科技創(chuàng)新教育，即是在課程的設(shè)計之初就將科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學學科融為一體，打破學科邊界，支持學生以跨學科的方式認識世界，以綜合創(chuàng)新的形式改造世界，從而培養(yǎng)學生解決問題的創(chuàng)新能力的教育方式。秦德增等人研究發(fā)現(xiàn)，STEAM教育實施的核心是開展項目式學習，即通過項目式學習(PBL)課程的教與學，為深奧難懂的科學問題賦予真實情境，將其轉(zhuǎn)化為多個可操作、可分解的探究項目，將需要學生掌握的知識、技能等融入真實情境的問題解決中，切實培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和能力。

二、“構(gòu)建未來(月球)城市的智慧防疫系統(tǒng)”項目實施

(一)課程設(shè)計背景

新型冠狀病毒肺炎疫情及嫦娥五號登月兩件重大社會事件引起了學生極大的關(guān)注與興趣。為了引導學生樹立正確價值觀，以社會性事件促使學生關(guān)注社會、理解社會，喚醒學生的責任意識，設(shè)計課程主題為“構(gòu)建未來(月球)城市的智慧防疫系統(tǒng)”。作為科技創(chuàng)新課程的載體，該課題兼具真實性、復雜性與趣味性，側(cè)重于學生想象力的激活和釋放，能引發(fā)學生強烈的探究欲望。

通過跨學科的探究，學生能夠在多學科融合背景下鍛煉解決真實復雜問題的能力，提升思考問題的主觀能動性，培養(yǎng)科技創(chuàng)新的能力，符合PBL課程的選題標準。同時，該課題所需的多學科背景能夠?qū)⒖茖W、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學等學科領(lǐng)域有機融合，將城市運行作為一個整體進行系統(tǒng)化的考量與重構(gòu)，體現(xiàn)了STEAM教育的綜合性與融合性。

(二)課程目標及實施方式

1.課程目標

PBL課程“構(gòu)建未來(月球)城市的智慧防疫系統(tǒng)”的目標如圖1所示。

2.實施方式

該課程采用STEAM教育與PBL教育相結(jié)合的實施方式，包括課程導入、確定核心驅(qū)動性問題、制訂時間計劃書、收集資料、實地調(diào)研、合作實踐、中期答辯、修改迭代、成果展示及自評互評等階段。下文將針對該課程實施的幾個重要階段進行詳述。

3.課程預(yù)期成果

根據(jù)PBL的成果展示及多維度評價原則，將課程預(yù)期成果確定為科技論文撰寫、制作科學展板、現(xiàn)場答辯、科普劇演繹等多項內(nèi)容。

(三)前期準備階段

1.課程導入

PBL的主要特點是學生占課堂的主導地位，教師在合適的時候提供知識腳手架，輔助項目的正常推進。筆者針對課題并結(jié)合項目式學習的教學特點，將課程導入階段確定為初識月球、病毒的防御與免疫機制兩個部分。

初識月球采用無領(lǐng)導的小組討論形式探討經(jīng)典問題——月球生存問題，病毒的防御與免疫機制采取常規(guī)學習方式。無領(lǐng)導的小組討論作為項目的第一課時，形式新穎，便于激發(fā)學生對項目的興趣，符合PBL課程學生主導課堂的原則。同時，教師能夠以觀察者的角色快速全面地了解學生的個性及專長，便于后續(xù)開展針對性地指導，該方式是PBL較為適合的教學形式。

2.確定驅(qū)動性問題

驅(qū)動性問題是PBL課程的核心，不同于項目主題的設(shè)計標準。雖然二者都具有開放性和挑戰(zhàn)性的特點，但項目主題更為宏觀復雜。驅(qū)動性問題應(yīng)當起到抽絲剝繭的效果，凝練項目主題與學習目標，直指項目中的核心問題，或是學生最感興趣的問題，或是與課程標準結(jié)合最緊密的問題，給予后續(xù)的學習探究以明確的目標導向。

本項目作為科技創(chuàng)新課程的載體，更注重學生的科研興趣引導及創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)，在前期設(shè)計時以學生最感興趣的問題作為探究核心，驅(qū)動性問題也由學生討論產(chǎn)生。學生對驅(qū)動性問題的界定如下：

無論是在未來的月球上，還是如今的地球，預(yù)防高傳染性疾病基本都存在一個問題——假如生活中出現(xiàn)新的病原體，我們該如何判斷它的毒性？如何在第一時間發(fā)現(xiàn)病毒并快速做出反應(yīng)？如果這兩個問題能夠解決，那么便能夠在疫情未造成大范圍傳播的情況下，將疫情扼殺在搖籃里，避免更多的損失。

因此我們最終確定驅(qū)動性問題為“如何利用科技手段快速阻斷病毒傳播？”

學生自主討論產(chǎn)生驅(qū)動性問題的過程，是從“教師讓學生探究什么”到“學生想要探究什么”的轉(zhuǎn)變過程，也是學生自主探究及深度學習的充分體現(xiàn)。

(四)中期實施階段

1.制訂項目計劃

制訂項目計劃是實施階段的重點，也是PBL中項目管理方法的核心所在。現(xiàn)階段，教師需要指導學生搭建系統(tǒng)雛形，確定關(guān)鍵任務(wù)及完成的時間節(jié)點，以及倒推分解各模塊子任務(wù)與分工。

項目實施中，學生首先確定了關(guān)鍵任務(wù)及時間節(jié)點，商定模塊任務(wù)負責人和其他輔助配合人員，如圖2。這種分工方式能夠?qū)崿F(xiàn)團隊成員之間的知識和能力互補，有助于培養(yǎng)學生的學習興趣，團隊協(xié)作、人際關(guān)系處理、問題解決等方面的能力和技能。

項目計劃書的嚴格執(zhí)行關(guān)乎項目的順利推進及團隊的有效溝通，但其內(nèi)容并非一成不變，實施過程中要根據(jù)實際情況進行評估，適時修改方案。

2.制作項目成果

該階段為目標順利達成的關(guān)鍵階段，涉及跨學科的知識較多，專業(yè)性及不確定性較高，因此要求指導教師發(fā)揮自己的專業(yè)經(jīng)驗，充分利用各種社會資源，以保障能夠及時應(yīng)對學生在項目實施過程中遇到的此前未能預(yù)見或當下無法解決的問題。

圍繞驅(qū)動問題“如何利用科技手段快速阻斷病毒傳播”，學生提取了關(guān)鍵詞“科技手段”和“快速阻斷”，并據(jù)此產(chǎn)生了很多看似“天馬行空”的想法，但因知識儲備所限無法將設(shè)計落地。教師此時應(yīng)積極引入社會資源，拓寬學生眼界，引導學生進一步深入思考、改進方案和落地實踐。根據(jù)實際情況，筆者聯(lián)系并帶領(lǐng)學生前往安徽創(chuàng)新館和卓越城中的科研單位參觀調(diào)研。前沿科技的體驗讓學生在創(chuàng)新性及可行性方面獲得了極大靈感。

制作項目成果的過程是學科知識向核心素養(yǎng)有效轉(zhuǎn)化的主要過程。因此，教師在指導過程中應(yīng)注重課程內(nèi)容與課標及核心素養(yǎng)的結(jié)合。圖文信息轉(zhuǎn)化能力作為學生應(yīng)具備的核心素養(yǎng)，也是本項目在該階段著力培養(yǎng)的重點。

學生圍繞主題“智慧防疫”設(shè)計了新型隔離房屋，并詳細描述了自主設(shè)計的清風與水處理一體機的工作流程：

月球房屋系統(tǒng)將熔融的月球土壤電解獲得氧氣，一部分供人們呼吸，產(chǎn)生的部分二氧化碳會由“玻璃”罩中的植物吸收。此外，植物也通過光合作用釋放出一部分氧氣，從而使房屋中的氧氣與二氧化碳比例維持在一定的區(qū)間。另一部分氧氣通過高壓電轉(zhuǎn)換成臭氧，用于房屋及循環(huán)水的消毒。房屋中的生活用水由月球兩極的冰塊融化后經(jīng)過離心、吸附、消毒等步驟后可以使用，生活廢水也會經(jīng)過以上步驟進行重新循環(huán)再利用。

此時，教師首先應(yīng)對學生的創(chuàng)新性、邏輯性表示認可與贊揚，同時進一步引導學生利用生物知識將上文描述的復雜工作流程繪制成清晰的流程示意圖。

學生通過繪圖，提取信息中的有效內(nèi)容和價值，并對其進行分析和整合，把復雜的文字條理化、提綱化、形象化，從而逐步達到準確運用知識、正確闡釋事物、完整論述問題的能力。

(五)展示與評價階段

對成果的公開展示是許多教育活動中容易忽視的一個環(huán)節(jié)。對學生成果進行公開展示可以在很大程度上提升學生的學習動力，增強學生學習科學的興趣，從而達成培養(yǎng)學生科學態(tài)度的目標。本項目設(shè)置了多元公開展示方式，包括撰寫科技論文、制作科學展板、現(xiàn)場答辯、出演科普劇等四個維度。多元能力培養(yǎng)和評價方式貫穿整個PBL實施過程，多元能力內(nèi)容框架來源于21世紀核心素養(yǎng)5C模型。多元展示方式逆向驅(qū)動多元評價模式，正向驅(qū)動多元能力培養(yǎng)，真正實現(xiàn)高階思維與深度學習的并軌踐行。

(六)項目反思

STEAM并不是科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學的簡單疊加，而是強調(diào)各科知識的自然融合。這種綜合性探究不可避免地需要涉及學生對各學科基礎(chǔ)知識的掌握與綜合運用，對各學科基礎(chǔ)知識的缺乏會阻礙學生進一步探究和創(chuàng)造。因此設(shè)計合適的驅(qū)動性問題，并提供螺旋上升式的問題鏈，適當?shù)貙唧w問題進行分析指導，從而達到學科知識滲透，才能在過程中實現(xiàn)知識和技能的掌握與遷移，提升學生核心素養(yǎng)。

教師在PBL課程實施過程中需要適應(yīng)角色及功能的轉(zhuǎn)變。雖然學習目標的實現(xiàn)很大程度取決于教師的引導，但教師在指導過程中一定要遵循PBL課程的理念，改變過去傳統(tǒng)授課方式，應(yīng)在學生學習過程中，根據(jù)具體情境給予恰到好處的知識腳手架，支持他們解決問題，并根據(jù)學生需求提供輔導和資源。如在論文撰寫過程中適時指導學生查閱文獻資料、規(guī)范論文格式；在論文寫作過程中，通過“圖、表、文字”三種表示方式的對比，讓學生自行確定科學可視化的形式。這種由需求與結(jié)果導向的學習過程，不僅能夠幫助學生建構(gòu)自己的知識體系，同時也培養(yǎng)學生的學習積極性與主動性，體現(xiàn)PBL課程的價值和意義。

三、結(jié)語

本文所闡述的基于STEAM理念的PBL課程在科技創(chuàng)新教育中的實施，通過真實情景解決問題，以產(chǎn)品化的成果培養(yǎng)學生理性思維和批判質(zhì)疑、勇于探究的科學精神。從結(jié)果來看，課程取得了良好的效果：該項目獲得2020～2021年度“未來之城”中國區(qū)總決選中學創(chuàng)意組全國冠軍、最佳展板設(shè)計獎；科技論文成果《未來之城Cozy Net溫馨防疫系統(tǒng)的設(shè)計》發(fā)表于《百科知識》。這得益于PBL課程以學生為主導，能夠充分調(diào)動學生的學習自主性和積極性，教師尊重學生的創(chuàng)意創(chuàng)造，只在學生有需求時提供資源與知識腳手架，使得最初的想法能夠落地實施為最終的產(chǎn)品成果。

PBL課程模式在科技創(chuàng)新教育中的嘗試，打破了以往的“小制作”模式，而STEAM教育理念的引入改變了以往只依托于競賽的單一評價模式，切實提高了學生工程思維能力、問題解決能力與創(chuàng)新實踐能力。