基于STEM的課堂教學實例淺析

趙超鴻

STEM是由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathmatics）四門學科整合而成的，它以設計和探索為目的，并對技術問題進行科學的探索。STEM課程的培養目標中包含了科學素養、技術素養、工程素養、數學素養等方面，這和新課改倡導的核心素養不謀而合。

STEM是在建構主義理論基礎上提出來的，它強調的是跨學科的課程融合，追求的是知識建構的過程。它認為學習是現實世界上萬事萬物在實踐過程中與頭腦中的知識體系的關聯，STEM摒棄知識灌輸逐漸形成了新的教學方式：讓學生通過教師的導引，以項目學習為載體，與同伴分享自己的想法；通過探究、合作等方式完成他們感興趣的、源于生活的項目，并從中構建各學科和跨學科的知識。由此可見，STEM教學具有跨學科、趣味性、情境性、合作性等特征，不僅能讓學生將結構化的知識應用到非結構化的項目設計中，完成知識的構建，還能激發學生的靈感，培養他們的創客思維。

作為一種綜合的教學模式，STEM教學不僅要求教師具備跨學科的知識融合能力，還要求學生具備跨學科合作學習的能力，在合作中互動，在探究中學習，所以STEM教學最能抹平知識理論與社會經驗之間的鴻溝。在STEM教學中，教師以STEM的項目教學作為載體，運用適當工具和配套資源，促進學生跨學科的學習。學生通過作品的生成來展示自己的學習成果，分享給教師、同伴。

作為STEM教學的載體，項目的設計要符合STEM的教學理念，具體來說，項目不僅要具有一定的情境性、趣味性，符合學生的生活體驗，具有跨學科知識融合的特征，更要使學生容易解構成S.T.E.M各門學科的子項目，以達到引領其開展意義學習的目的。在實際應用中，項目更類似于自然狀態下的實際應用，具有知識體系的劣構性，所以教師在選定項目的同時，還要關注項目的可解構性，將劣構的知識體系結構化，這樣有助于減輕學生的知識負擔，幫助學生良性地建構知識。下面以“設計Arduino音樂播放器”為教學案例，分別從教師和學生兩個角度論述STEM模型下的課堂設計。

● 教師的教學設計

圖1是筆者在使用STEM進行教學設計的流程圖。教師在實施STEM教學前，要做好學情分析、確定教學目標、編寫導學案、制作預設作品等環節。

1.學情分析

在STEM教學中，學生是學習的主體，他們的學習狀況會隨著時間、教師、環境的不同而呈現出差異，這就要求教師在備課的時候必須了解學生的具體情況，分析他們在課上可能出現的狀況，并找出相應對策，這是確定教學目標的重要依據。筆者所教的是高一年級的學生，他們是時代的弄潮兒，也是科技的發燒友，經常腦洞大開，呈現一些意想不到的創意。他們認為學習必須是有“意義”的，最好社會需要什么就學什么，甚至想，如果能通過眾籌的方式集資開發一個項目，解決一個社會問題，那該多么有趣啊。

2.確定教學目標

與傳統的知識體系教學不同，項目教學中的項目是劣構的，是源于現實世界的真實應用。項目中隱含的知識體系是非結構化的，這需要教師根據學情分析和教學進度確定教學目標，這個目標在教學過程中可能比較隱晦，但在教學設計中必須明確。此外，教學目標還應是學生階梯式向前跨一步的目標，是能在課堂上通過自己的努力和同伴的幫助達成的目標。考慮到STEM的教學模型，STEM的教學目標可以分解為S.T.E.M四個子目標。

在本案例中，筆者充分考慮學生特征，以STEM為理論依據，在不同學科設計了不同的S.T.E.M子目標，最后統一在“設計一個Arduino音樂播放器，播放器能實現隨機播放樂曲、隨時中斷播放、隨時啟動播放的功能”這個項目目標下。被分解的四個子目標具體為：①理解單片機的音符是如何產生的，會用頻率表示不同的音符（S）。②理解中斷技術的原理，能在Arduino IDE中編寫中斷程序（T）。③能根據科學組的研究寫出程序，控制Arduino隨時播放、停止音樂，還能隨機播放歌曲（M）。④將科學組、技術組、數學組的研究成果整合，協調整個項目的完成（E）。

3.編寫導學案

教師要以教學目標為線索，以分解出來的S.T.E.M子目標為引導，撰寫出適合學生使用的導學案。導學案是實施STEM教學策略的抓手，也是STEM教學模式的落腳點，它能將一個教學目標分解成四個子目標，又能將四個子項目合成一個完整的項目。因此，STEM的導學案應根據實際需求分成四個，即科學組導學案、技術組導學案、工程組導學案和數學組導學案，分別對應S.T.E.M的導學案。每個導學案都由自主學習、合作交流、設計制作和展示反饋四個環節構成，每個環節環環相扣，形成一個有機整體，最終為教學目標服務。每個環節又由導和學兩部分構成：導部分主要體現了教師在該環節對學生的要求，或者說是該環節的小目標；學部分是為了讓學生更好地學習而由教師為學生設計的學習支架，學生根據學習支架開展意義學習。如果說S.T.E.M四個導學案是在空間上對項目人員的安排，那么每個導學案的四個環節就是在時間上對項目作業流水的安排，而導部分和學部分則是對教師主導課堂、學生主體學習的安排。

下頁表是筆者設計的技術組導學案。該導學案包含了技術組學生的學習目標、學習重點、學習難點及學習步驟，其中學習步驟包括自主學習、合作交流、設計制作、展示反饋四個環節，每個環節通過“導”的要求告訴學生通過什么手段能完成，通過“學”的要求告訴學生該環節的學習內容是什么。在設計導學案時，還要多關注一些難點如何解決，如合作交流中使用偽代碼描述一個例子，筆者一般會在設計中預先隱含一個例子，然后通過學習支架的形式給出一個參考答案，讓學生模仿完成，這有利于降低學習的難度。

4.制作預設作品

為了使學生更好地理解項目要實現的目標，教師在備課時有必要制作一個成品，以便學生情境化地進入教師預設的狀態，更具體地理解教學目標。

● 巧妙的分組策略

在STEM教學中，一個項目需要綜合運用多個學科知識，所以我們根據STEM的學科特征，可以將學生分為科學組（S）、技術組（T）、工程組（E）、數學組（M）四個組，簡稱S.T.E.M組。這樣分組的巧妙之處在于，在合作交流環節，學生能形成團隊合作、同伴互助的氛圍。但這樣的同質分組不利于作品的設計，異質分組則可以解決這個問題。只要在同質分組的基礎上，在每個大組中抽出一位學生，以四個人為一組，那這個組中的每個人就必然是S.T.E.M組中的一員，這種分組方式有利于開展項目設計，因為每個人都有明確的課堂任務，都是項目設計中的重要角色。

由此可見，學生在STEM課堂中既有互為同伴、互相交流的并行分組，又有互為因果、流水線式的串行分組，這種同一個角色在不同的場景中出現的分組方式充分體現了STEM教學理念的優越性。筆者也在實際應用中將這一分組策略付諸實踐，下頁圖2是筆者采用的教室分布圖。教室里擺放著四張大圓桌，對應著S.T.E.M的四個大組；每個小組有四把椅子，分別貼著S、T、E、M字樣，對應著四位組員的座位，桌子上擺放著設計用的工具、器材等。學生會先以大組形式在討論區進行合作、交流，然后以小組形式在設計區進行項目設計。

● 學生的學習設計

下頁圖3是學生的學習設計流程圖。課堂上，教師先展示項目教學的成品，介紹本節課的學習目標，并根據分組情況將導學案分發給對應的學生。學生在明確S.T.E.M各小組的學習目標及任務后，進入自主學習環節，根據導學案的引導，借助教科書、學習資料、互聯網等完成自主學習的內容，如果在學習過程中遇到不能解決的問題，可以記錄下來，等到交流環節尋求同伴解決。

在合作交流階段，四大組的學生帶著各自的導學案和疑難問題，圍坐在圓桌前討論、交流，雖然四大組交流的主題、內容都不同，但都是為了項目學習。在本案例中，科學組重點討論了音符產生的原理，技術組重點討論了中斷的原理和中斷技術的應用，工程組重點討論了各種傳感器的極性和Arduino針腳使用方式，數學組重點討論了如何使用結構體表示簡譜。同伴間的互相學習，能最大限度地調動學生的主觀能動性，高效率地內化知識，構建出符合作品設計的結構化知識，從而為設計制作環節打下堅實的理論基礎。

同質分組的合作交流結束后，進入異質分組的設計制作環節。每個大組的一位成員與其他三個大組的三位成員（每組一位成員）組成一個小組，四個人通力合作，各負其責，互為聯系，互相協助，完成項目教學中作品的設計、制作。在本案例中，S同學負責音符的音頻設計、音長設計，T同學負責中斷技術的設計，M同學負責程序中數據結構的設計和算法的設計，E同學負責Arduino硬件接口的設計和統籌整個工程項目資源的分配。這個階段是整個STEM教學的高潮，它既能檢驗學生在自主學習和合作交流階段的成果，又能檢驗學生是否能學以致用。學生不但能享受制作過程的樂趣，還能體驗項目成功后的喜悅。

作品完成后，進入展示反饋環節。學生除了在同伴間展示自己的作品外，還會收集教師、同伴的意見，修改自己的作品，使其更完美。在本案例中，教師原本只預設了《兩只老虎》《粉刷匠》《一閃一閃亮晶晶》三首兒歌來實現隨機播放的功能，但有的學生從網上搜索了一些流行歌曲的簡譜，來增加隨機播放歌曲的數量，有位學生還聽取了教師的意見，用揚聲器代替蜂鳴器播放音樂，出眾的音質得到了全班同學的一致贊揚。

參考文獻：

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本文是全國教育信息技術“十三五”規劃重點課題“基于STEAM的高中跨學科課程整合教學研究——以中山市第一中學技術課程整合為例”（立項號：163622884）的研究成果之一。