STEM跨学科视域下的项目设计分析*——以小学STEM课堂《轮子》为例

邹绮雯，梁 斌

（广州大学 教育学院，广东 广州 510006）

教育部2016年出台的《教育信息化“十三五”规划》中指出要依托信息技术营造信息化教学环境，促进教学理念、教学模式和教学内容改革，推进信息技术在日常教学中的深入、广泛应用，适应信息时代对培养高素质人才的需求，需要积极探索信息技术在跨学科学习等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力[1]。其中跨学科学习教育模式即当下所发展的STEM教育模式。

一、STEM教育

1.STEM教育及其发展

STEM 强调 Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）四门学科的内容可进行跨学科之间的融合，从而形成整体。STEM教育对于培养学生的创新能力、问题求解能力、批判性思维、信息素养等高阶能力具有很好的效果，是信息时代下培养创新型人才的有效途径之一。

2012年 《上海教育·环球教育时讯》杂志开设了STEM教育栏目，STEM教育开始进入人们视线，同时国家也在大力推进STEM教育的发展。2015年教育部发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》明确了STEM发展的任务。如今STEM教育逐渐在中小学一线普及，如江苏省在2015年就率先启动STEM教育试点项目并出台了相关文件，上海市实验中学创办了STEM实验室，等等。种种实例显示STEM教育作为创新型人才培养的主要内容之一在我国呈上升发展趋势。

2.STEM教育包含的素养

STEM教育的四门学科分别代表着四类素养：科学素养、技术素养、工程素养、数学素养。

科学学科，是指关注自然界研究的学科，其中包括与物理、化学、生物有关的事实、原则等概念的掌握与运用。科学学科注重通过实践活动与科学探索获取知识，为进行工程设计提供理论基础。而科学素养则指具有运用物理、化学、生物等学科的知识理解自然界并能做出相关决策的能力，主要包括生命与卫生科学、地球与环境科学、技术科学三大领域[2]。

技术，严格上来说并不属于一门学科，是人类在生产活动、社会发展和科学实验过程中，为了达到预期的目的而根据客观规律对自然和社会进行认识、调控和改造的物质工具、方法技能和知识经验等的综合体[3]。而技术素养则指选择、运用、评价技术的能力。

工程学科，是指将自然科学的理论应用于具体生产部门而形成的学科总称，例如“化学工程”“遗传工程”等。现代社会，“工程”一词狭义定义为“以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过有组织的一群人将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程”[4]。而工程素养则指对工程的设计和实施的理解能力。

数学学科，是研究数量、结构、变化、空间以及信息等概念的一门学科，在人类历史发展和社会生活中，数学发挥着不可替代的作用，也是学习和研究现代科学技术必不可少的基本工具[5]。数学素养则指运用数学中的逻辑运算、推理、统计等知识解决问题的能力。

二、STEM教育下的项目设计

1.相关理论

（1）建构主义学习理论

建构主义认为：学习者的知识是在一定的情境下，借助他人的帮助，如人与人之间的协作、交流、利用必要的信息等，通过意义的建构而获得的[6]，“情境”“协作”“会话”“意义建构”是其四大要素，教学应在与现实情境相类似的情境中发生，以解决学生在现实生活中遇到的问题为目标。学习的内容要选择真实性任务，不能对其做过于简单化的处理，使其远离现实的问题情境[7]。STEM教育的核心特点之一正是基于真实情境的问题解决[8]。STEM教育中，学生并不是被动地接受教师传递的知识，而是在教师创设的真实情境中成为了课堂的主体，在与同学协作中对真实情境问题进行合作、设计、解决，在此过程中学生之间相互启发，进行有意义的知识建构。

（2）“做中学”理论

“做中学”是杜威提出的教育理论，其主要观点认为知识源于生活，学习应以学生为中心，学习的开展应在学生解决日常生活问题的过程中收获知识、形成能力，强调体验和实践在教育中的深度参与，使学生经历在做中思考、在做中探究、在做中研习的学习历程[9]。STEM教育注重教学过程与学生实际生活的联系，其教学内容以贴近学生生活实际为主，围绕某个知识点创设真实情境下的项目式学习，在教学过程中，教师提供导学单、工具、3D打印机、平板电脑等材料与设备，由学生主导并借助所学知识完成教学实践活动，获得真实的学习体验。在学习的过程中，学生学会主动、积极参与，其动手能力、合作能力、创新能力以及分析、解决问题的能力都能得到很好的锻炼。同时学生经过亲身实践，对知识也有了更深一步的认识，加强了知识建构的有效性。

（3）生活视野理念

STEM教育认为在教学过程中，教科书传授的间接经验不能全面满足学生获取知识的需要，即学生不应只关注和学习教科书上设定的内容，而是应该把眼光拓宽于生活视野中，从生活实际发现知识，参与知识生产与获取的学习过程，体验由直接经验引发的知识建构。STEM教育中，教师通过创设生活化的学习情境，让学生基于生活实际来理解学科知识的价值和意义，从而更好地掌握知识。教学过程中的真实问题成为贯穿整个学习过程的主线，把核心问题转化为一系列的学习任务，学生通过高投入的实践探索，达到对知识的意义建构和深层次理解[10]。同时学生在实践的过程中，还能亲身感受和体验知识生产的过程，有助于学生加固相关知识的记忆以及培养良好的自主学习和动手实践的习惯。

（4）跨学科理念

在前文已经提到，校企合作是产教融合的前提，而在以往，很多学校只是进行了校企合作，并没有达到产教深度融合的理想状态。主要表现在高校在企业建立毕业生实习基地或实践教学基地，但在课程教学方面并没有结合企业的用人标准和实际需求，导致产教融合“两张皮”。在新工科建设中，将更加强调多方主体共同作用，协同育人。具体到产教融合来说，企业将参与高校人才培养方案的制定，包括课程的设置、教学方法的实施以及实践教学安排等具体活动。除此之外，企业的技术管理人才也会成为高校教师队伍中的一员，为产教融合发挥更大的作用。

信息时代，学生发展要面临的问题是基于生活实际的、综合多方面领域的复杂多样的问题，难以单纯运用某一学科的知识进行解决，因此当前分科式教学的弊端之一就是会导致学生无法将所学知识很好地运用到实际生活中，出现了“高分低能”现象。针对于此，STEM教育基于跨学科理念，打破学科界限，寻找学科知识之间的契合点，为学生提供多门学科解决问题的思考方向的同时，引导学生综合运用数学、工程、技术、科学等知识，以教师创设的实际问题情境为主进行问题的分析与解决，有助于增强学生知识结构网中知识与知识、知识与复杂问题的联系，在培养学生逻辑性思考能力与发散思考能力的同时，也有助于增强学生未来的社会竞争力与适应力，成为能顺应时代发展、符合时代发展的人才。

2.项目设计

项目设计在STEM教育中占据着重要的地位，教学中的情境与问题如何设计直接影响着学生的教学体验与知识建构的效果。围绕项目与问题，STEM教育的项目设计包括以下几个方面：[11]

（1）教学分析

包括教学目标分析、教学内容分析、学情分析。分析教学目标是对教学活动预期所要达到的结果的规划，规定着教学活动的方向、进程和预期结果，同时分析教学目标也是评价教学效果的基本依据。分析教学内容是对知识内容、知识内容间的结构以及跨学科知识间的关联进行明确的梳理，根据教学内容设计选择合适的教学模式。分析学情是了解掌握学生的已有知识基础与学习状态，按照学情分析的结果设计符合学生当前发展阶段的情境与问题。

表1 案例教学过程

（2）工具与资源分析

是指对课堂上可用的教学工具与资源进行分析。信息时代，教学工具与资源应包括硬件与软件，其中硬件是指可用于教学活动的设备、器材等，例如广泛应用于STEM教育中的3D打印机；软件是指帮助学生设计、分析、交流等的认知工具，例如用于建模的3Dmax，用于分析数据的SPSS。

（3）学习活动过程设计

（4）评价设计

常用的教学评价有形成性评价与总结性评价。在STEM教学中，两种评价方式可以选择混合使用，例如在学习过程中通过量表、行为观察等形式了解学生的学习情况，并通过有效强化使学生对自己的学习行为做出保持或修正。在课后，通过知识测试等形式了解学生对知识的掌握情况，有助于教师及时对教学过程的安排进行反思。

三、案例分析

本案例选自2018年1月15-16日浙江嘉兴实验小学举办的全国小学STEM课堂教学观摩研讨会中吴建伟老师的STEM展示课《轮子》。

1.案例教学过程（见表1）

2.案例设计分析

对于该教学案例的项目设计分析，按照上述项目设计的四个方面进行分析。

（1）教学分析

该案例的教学目标可按三维目标进行分析，首先在知识与技能教学目标上，要使学生掌握轮子的特点并学会制作一个轮子；在过程与方法教学目标上，学生经历、体验作品制作的过程，学会表达自我的观点，合作交流思想以及培养全面思考的习惯，便于迁移到今后的学习中；在情感态度与价值观教学目标上，通过小组合作，培养学生解决问题的能力以及协作精神，养成积极主动学习的习惯，以及通过对具体作品的分析评价培养学生对美的认知。

该教学案例的教学内容主要围绕着轮子进行，分别为认识轮子和学会制作轮子，因此教师用于导入新课的支架需选用既符合学生身心发展特点又紧扣教学主题的内容，使学生能运用到数学计算、美术构图等跨学科的知识，从而培养学生的核心素养。该教学案例的教学对象为小学四年级的学生，该时期的学生学习能力与情感能力快速发展，意志发展开始从他律向自律过渡，开始具有自觉克服困难的意志，同时也渴望与同伴合作交流，因此该阶段是培养学生学习能力、情感能力、学习恒心以及合作交流习惯的关键期。

（2）工具与资源设计

该教学案例中的工具与资源包括有常规的投影仪、教师课件、展示资料，测量用的轮子计圈数器，学生制作作品的材料（超轻黏土、小木棒、牙签、竹签、剪刀）、导学案以及测试用的斜坡。这些资源都是与学生生活相贴近的，资源的选择从学生的生活视野出发，符合四年级学生身心发展阶段的需求与特点。

（3）学习活动过程设计

教师首先提出贴近学生生活实际的问题，创设真实情境，引发学生学习兴趣，从而导出教学内容，在学生自行观察发现轮子的特点后以任务驱动的方式，让学生组成小组自行制作一个轮子，赋予学生设计师、工程师的角色，促使学生将头脑中的知识转化为动手能力。教师提供的导学案实际上为学生的设计方案提供了方向，因为四年级的学生思维尚未足够成熟，需要教师的提点作为引领，以更好地完成设计。学生按照设计好的方案进行制作，在制作的过程中运用跨学科的知识，动手能力得到训练，在测试后不断改进创新，训练了创新思维。

（4）评价设计

该课堂实例以形成性评价为主，包括学生之间的评价、教师对学生的评价。学生之间的评价体现在轮子制作完成后，组内成员分享感受以及小组与小组之间展示作品、分享讨论经验这两个环节。进行学生之间的评价有助于活跃课堂氛围，培养学生倾听、交流的习惯，也有助于培养学生批判性思维的形成。教师在学生制作作品的过程中给予的评价，有助于学生从教师的经验评价中获得解决问题的灵感，促进学生思考的能力。教师的评价不宜将直接解决方案告诉学生，而是应该引领学生进行思考，培养学生自行寻找解决方案的能力。

学生是研究的参与者，是学习过程的主体，在研究过程中，主动地运用跨学科知识解决选定的真实问题，运用知识设计解决方案，动手操作实现设计，在亲身体验中对知识进行发现、探究、创新。

四、结束语

STEM目前在我国发展迅速，不少中小学课堂也积极融入STEM教育理念或教学方式，例如重庆市九龙坡区谢家湾小学实行的课程改革，将11门独立学科整合成5门新课程，修正了学科分科过细、学科知识分离的不足，使学生在相融合的知识环境下构建个人的知识架构，同时基于真实情境，思考能力也大大增强，促进学生的创新性思维进步。而项目设计是使STEM教育理念能充分发挥作用的基础步骤，全面完善的项目设计不仅能体现STEM教育跨学科、趣味性、协作性等特点，还有助于学生进行知识迁移，培养发展性的人才，而项目设计的继续完善还需要不断研究，思考与借鉴国内外优秀经验，不断实践与探索，积极创建更完善的项目设计。