STEM教育理念下高中生基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的模式探究

李紅斌 裴永亮

一、背景

當(dāng)下，科技創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和創(chuàng)新型國家建設(shè)備受關(guān)注，越來越多的國家重視STEM教育并將其作為教育發(fā)展的新動向。面對新的科技突破和新問題的出現(xiàn)，以及新的教育變革，我們必須順應(yīng)時代變遷，順應(yīng)科技進(jìn)步，在教育方面應(yīng)用新的教育理念和模式，讓學(xué)生在未來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)中從容應(yīng)對。本文提出將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）納入到高中課程教學(xué)中，應(yīng)用STEM教育理念，培養(yǎng)學(xué)生具備系統(tǒng)的、全面的問題解決能力和問題處理方式，具備拔尖創(chuàng)新型人才的基本素養(yǎng)，抓住新的機(jī)遇，應(yīng)對新的挑戰(zhàn)，立足于人工智能時代。

二、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的意義

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是基于問題的教學(xué)法，是一種跨學(xué)科的，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。相較于傳統(tǒng)教學(xué)，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)具有更直接地與校外生活相聯(lián)系、有明確的目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。

美國教育學(xué)家克伯屈認(rèn)為，學(xué)校不是為生活而設(shè)立的，學(xué)校本身就是生活，有目的的行動是生活價值的典型單元，因此，有目的的行動也應(yīng)該成為學(xué)校教學(xué)過程中的典型單元?；谟心康?、有計(jì)劃、有行動的教育，是對生活最好的準(zhǔn)備，同時也是目前生活的本身?！霸杏齋TEM創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，打造人才戰(zhàn)略高地”是STEM教育研究中心在《中國STEM教育調(diào)研報告》中提出的，將關(guān)注點(diǎn)由局部轉(zhuǎn)變?yōu)檎w，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性，解決因零散、分裂造成的STEM學(xué)習(xí)中目標(biāo)和價值的喪失問題。因此，對于學(xué)生來說，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)具有深遠(yuǎn)的意義。

三、基于STEM的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)策略

目前，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)被廣泛應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)中，它在STEM教育理念下，注重多學(xué)科的融合，注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，注重團(tuán)隊(duì)協(xié)作。對教師而言，要提出好的項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能。

1.學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)要注重

讓學(xué)生接觸到所學(xué)內(nèi)容，即讓學(xué)生能夠把所學(xué)的知識融合到當(dāng)前的學(xué)習(xí)環(huán)境中，并應(yīng)用所學(xué)知識去拓展學(xué)習(xí)；可見性的學(xué)生思維，即利用視覺元素，來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)；從他人知識體系中學(xué)習(xí)，即通過小組合作學(xué)習(xí)來借鑒別人的觀點(diǎn)來整合學(xué)習(xí)；主張自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)，即通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)提高自身的學(xué)習(xí)能力。

2.STEM理念下PBL學(xué)習(xí)的重要性

把之前所學(xué)知識通過PBL學(xué)習(xí)進(jìn)一步加深理解并鞏固；在PBL學(xué)習(xí)模式中學(xué)會反饋、評價和反思；為了學(xué)生所學(xué)知識和可預(yù)見性知識開展PBL教學(xué)；促進(jìn)學(xué)生元認(rèn)知技能的發(fā)展，即讓學(xué)生意識到自己的思維并對之進(jìn)行反思的知識和技能。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)一般要經(jīng)歷“問題分析—調(diào)查設(shè)計(jì)—選擇評估—作品制作—測試改進(jìn)—現(xiàn)場演示—反思評價”七個環(huán)節(jié)，逐一展開，由淺入深。在整個教學(xué)過程中始終貫徹STEM教學(xué)理念，提高學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的綜合能力。

四、基于STEM的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)實(shí)踐

本文以“聰明的機(jī)器人”為例，研究并探索STEM教育理念下基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)流程。作品評分標(biāo)準(zhǔn)由以下五部分組成：目標(biāo)與創(chuàng)意占比30%，材料描述規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)性占比15%，設(shè)計(jì)制作占比25%，現(xiàn)場展示占比20%，團(tuán)隊(duì)協(xié)作占比10%。

（一）項(xiàng)目背景

國務(wù)院于2017年7月印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，將人工智能上升為國家戰(zhàn)略的高度。我?？萍紕?chuàng)新工作室主要以學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程、單片機(jī)、傳感器為主，在STEM教育理念下，應(yīng)用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)來開展教學(xué)，并在教學(xué)中應(yīng)用所學(xué)知識開展項(xiàng)目設(shè)計(jì)，創(chuàng)作出一些智能產(chǎn)品模型。以下為在省級比賽中獲得一等獎的項(xiàng)目研發(fā)過程，此作品主要由智能分類垃圾桶（原材料、單片機(jī)、傳感器、C語言程序）和手機(jī)App（基于Appinventor2平臺編寫）兩部分構(gòu)成。

（二）項(xiàng)目描述

首先分組圍繞“聰明的機(jī)器人”主題展開討論，各抒己見，統(tǒng)一意見。再由各小組開展調(diào)研工作，調(diào)研數(shù)據(jù)主要圍繞生活垃圾對環(huán)境造成的污染，對人類生活造成的影響，對自然生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞，以及如何有效地去應(yīng)對污染，如何從源頭解決等問題展開。最后形成可行性報告并確定項(xiàng)目名稱。

（三）項(xiàng)目主題及目標(biāo)

該項(xiàng)目的名稱為“智能垃圾分類機(jī)器人”，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)研及垃圾分類問題，學(xué)生以小組形式通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，應(yīng)用所學(xué)知識，在STEM教育理念下，選用生活中的常用工具和器材，綜合各學(xué)科知識，思考、設(shè)計(jì)并制作出智能垃圾分類機(jī)器人，以便人們將生活垃圾輕松歸類，減少對大自然的污染。

（四）項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

基于已有問題，項(xiàng)目通過語音識別功能來實(shí)現(xiàn)對垃圾的智能分類。開發(fā)小組采用C語言、Arduino UNO單片機(jī)、傳感器、App Inventor2設(shè)計(jì)，開發(fā)集語音識別、自動分類、環(huán)保積分等功能于一體的智能分類垃圾桶。

（五）項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程

根據(jù)項(xiàng)目所需，先用舵機(jī)來控制對應(yīng)垃圾種類的區(qū)域調(diào)整，再用語音識別模塊來調(diào)動舵機(jī)實(shí)現(xiàn)投入口的轉(zhuǎn)換，從而做到垃圾自動分類。然后將紅外傳感器固定在垃圾投放口處進(jìn)行檢測，最后使用藍(lán)牙模塊連接手機(jī)APP和OLED顯示屏查看垃圾種類。

1.設(shè)備清單

3.手機(jī)APP介紹

通過AppInventor2平臺開發(fā)手機(jī)APP，采用藍(lán)牙模塊與手機(jī)相連接，目的是使用“環(huán)保積分”項(xiàng)來調(diào)動用戶垃圾分類的積極性，加強(qiáng)對環(huán)境的保護(hù)意識。使用TinyWebDb網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，來實(shí)現(xiàn)用戶賬號注冊、登錄、積分排行及反饋等功能。

手機(jī)App主要功能為，用戶通過掃描二維碼注冊、登錄賬號，手機(jī)藍(lán)牙與“智能垃圾分類機(jī)器人”藍(lán)牙模塊相連接來獲取數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)儲存到該賬號，實(shí)現(xiàn)積分排名及用戶的反饋信息。

（六）項(xiàng)目測試及作品展示

成品“智能垃圾分類機(jī)器人”分為四個區(qū)，分別為金屬、紙張、塑料和其它，靠語音識別來啟動裝置并回收相應(yīng)的垃圾。當(dāng)有聲源說出對應(yīng)的垃圾時，單片機(jī)就會控制舵機(jī)將相應(yīng)的垃圾回收區(qū)域轉(zhuǎn)動到投放口，完成垃圾投放，同時手機(jī)APP端將完成數(shù)據(jù)的記錄與統(tǒng)計(jì)工作。

（七）反思評價

“智能垃圾分類機(jī)器人”項(xiàng)目以STEM教育理念為基礎(chǔ)，充分利用所學(xué)知識和日常生活技能，通過小組間討論交流、課外觀察調(diào)研、組內(nèi)總結(jié)等方法，經(jīng)歷確定主題、開發(fā)思路、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目測試及不斷完善等環(huán)節(jié)，既提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神，又增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。項(xiàng)目不足之處如選材盲目，作品較粗糙，缺乏美學(xué)元素等。整體來看，效果不錯，學(xué)生的積極性表現(xiàn)良好，項(xiàng)目執(zhí)行過程有條不紊，充分體現(xiàn)了STEM教育理念，為學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力打下了基礎(chǔ)。

作者單位：李紅斌 蘭州市第五十一中學(xué)

裴永亮 渤海大學(xué)歷史文化學(xué)院

基金項(xiàng)目：本文系甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題2020年度一般課題“STEM教育理念下高中科技創(chuàng)新類課程的開發(fā)與實(shí)踐研究”（GS〖2020〗GHB0220）的研究成果。