以培養學生STEM素養為目標的項目化學習設計

吳曉紅+田小蘭+蔣思雪

摘要：項目化學習設計以跨學科知識為載體，以學生活動為中心，以問題情境為橋梁，在真實的實踐活動中培養學生的STEM素養。以“愛護水資源”為主題，從現實生活問題入手進行STEM項目學習設計。給出了項目設計思路及實施過程，包括“選定項目，激活舊知”、“活動探究，展示新知”、“作品制作，應用新知”、“融會貫通，成果交流”四個階段，涵蓋了“學習中心-水資源知識知多少”、“科學實驗-水質檢測”、“職業體驗-自制簡易凈水器”、“工程體驗-設計迷你水廠”四部分項目內容。

關鍵詞：STEM素養；項目化學習；STEM項目學習；愛護水資源

文章編號：1005–6629（2017）12–0038–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科之間的交叉融合，目標是培養學生的STEM綜合素養。STEM素養是在綜合把握科學、技術、工程和數學等理工科知識的基礎上具有的獨立提問、設計、分析、推斷和運算的能力，是一種獨立分析問題、解決問題的綜合素養[1]。STEM素養的培養方式主要以基于項目或基于問題解決為主。本研究將把項目學習作為核心，利用項目學習案例開發，探討如何開展STEM項目學習設計，藉此探索開展STEM素養培養的途徑和方式。

1 STEM項目學習概述

1.1 STEM項目學習的內涵

STEM項目學習是STEM和基于項目的學習模式相結合的產物。這種學習方式為學生提供了融入真實情境的體驗，鼓勵學生運用科學、技術、工程和數學等領域的知識與技能解決現實世界的問題[2]。基于項目的學習作為一種課堂活動的模式，強調長期的、跨學科的、學生中心的，且與現實世界問題和實踐相融合的學習活動。其核心組成部分就是將分散的學科領域融合于具有挑戰性問題的項目活動，這些問題驅使學生去面對并力爭理解學科的核心概念和原則。STEM尤其適合于使用基于項目的學習模式，因為在科學、技術、工程和數學之間本來就有很自然的交接[3]。因此STEM項目學習可以理解為以基于項目的學習為框架整合STEM內容的學習模式，是利用STEM領域的知識與技能解決現實問題的學習過程。

STEM項目學習的核心要素包括以學生為中心、充足的時間、明確的結果以及跨學科[4]。其中“以學生為中心”指在整個項目活動中，學生以小組的形式完成項目活動中的各個任務，而教師發揮組織、指導、監督、評價作用；“充足的時間”目的是使學生有充足的時間學習一系列的知識和技能；“明確的結果”包括對需要完成的任務有明確的期望和約束限制，保證所有學生都能學習并獲得成功，但達到目標的時間、方式可以不同；“跨學科”指學生有意識地參與并整合多個學術領域和多種學習方法來研究某個核心問題或項目。

1.2 STEM項目學習操作流程

STEM教育中的教學活動設計應遵循梅瑞爾的首要教學原理，又稱五星教學原理，具體結構概括為“一個中心+四個基本點”，即要求整個教學活動應該以問題為中心，進行從激活舊知、展示新知、應用新知、融會貫通四個階段循環往復的學習[5]。常見的基于項目的學習操作流程包括選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流、活動評價六個階段[6]。本項目的活動實施過程兼顧了五星教學原理與基于項目的學習模式，由“選定項目，激活舊知”、“活動探究，展示新知”、“作品制作，應用新知”、“融會貫通，成果交流”四個階段構成，如圖1所示：

（1）“選定項目，激活舊知”階段：STEM教育是以科學知識為核心，以跨學科知識為載體，依托技術、工程活動的跨學科教育體系，首先要對跨學科知識進行激活。教師通過創設情景（播放視頻、圖片等）的方式提出、確定項目，并以問題引導，啟發學生識別、回憶起有關舊知識，激發學習動機。該階段重在對科學知識的回顧檢索，為后面的技術、工程活動提供理論基礎。

（2）“活動探究，展示新知”階段：此階段是教師通過操作示范，提供視頻、圖片等學習資料展示新知，呈現需完成的挑戰。學生小組交流合作，運用所學科學、技術等知識開展測驗與探索等活動。該階段重在對技術方法的選擇以及技術工具的操作、技術數據的采集與解釋。

（3）“作品制作，應用新知”階段：作品制作是STEM項目學習活動的重要組成部分。在該階段教師引導學生探索真實的項目活動，學生小組協作，利用跨學科知識和技能完成作品的制作，作品形式多樣，如實物模型、圖畫作品等，并根據一定的評估標準對作品進行測驗與評估。該階段重在對作品的方案設計、優化以及動手制作能力的提升，將知識轉化為技能，實現現實問題的解決。

（4）“融會貫通，成果交流”階段：STEM教育的核心是多學科融合。該階段進一步強化所學知識，融會貫通。教師組織學生利用跨學科知識與技能綜合考慮問題，實現知識的遷移和進一步內化。該階段側重借助數學思維解決科學、技術、工程領域的某些問題，達到對各學科知識與技能進行整合與應用，實現對現實問題的解決。

以上四個階段以跨學科知識與技能為載體，以學生活動為中心，在充足的時間里學習一整套前后關系緊密的STEM知識與技能，最終實現對現實問題的解決。

2 案例設計思路及實施過程

本項目選取高中化學選修1《化學與生活》（人教版）中“愛護水資源”這一節內容。水是一種寶貴的自然資源，與我們的生活息息相關。隨著工業文明的誕生，人口急劇增長，生態平衡遭到破壞，淡水資源日趨緊張。中學生作為未來世界的主人，“愛護水資源”正是大家關心的實際問題。此外，該項目不僅蘊含著豐富的化學知識及其他學科相關知識，還為學生提供豐富而有趣的實踐活動，動腦學知識的同時也能動手學技能，解決書本問題的同時也能解決現實問題。endprint

本項目的實施過程由本文提出的STEM項目學習模式的四個階段構成，每個階段的項目內容借鑒了上海STEM研究中心“共用一江水”活動。具體設計思路如圖2所示。

2.1 選定項目，激活舊知：學習中心-水資源知識知多少

[問題情境]聯合國大會將每年的3月22日確定為“世界水日”，意在喚起人們加強水資源保護，緩解水資源短缺的問題。我們該為水資源的保護做些什么呢？今天我們以“愛護水資源”為主題進行項目學習活動。

[教師]播放視頻“愛護水資源-藍星上的生命之源”，視頻中涉及與水資源相關的一些化學、地理、社會、環境等知識，初步激起學生對舊知識的回憶，緊接著教師拋出一系列與水資源相關的問題（見表1）。

[學生]以小組為單位，通過查閱書本資料、網上檢索等，深入了解與水資源相關的一系列知識。

[設計意圖]由現實生活問題“愛護水資源”確定項目主題，播放視頻激發學生興趣，通過環環相扣的問題引導學生學習STEM項目中的科學知識，同時燃起學生愛護水資源的社會責任感，正確理解科學、技術與社會的關系。

2.2 活動探究，展示新知：科學實驗-水質檢測

[教師]水資源面臨著嚴峻的考驗，建立完善的水處理系統是非常有必要的。我們身邊的水體質量如何呢？

[學生]用水質檢測器對水質進行檢測。

[教師]布置任務：對學校周邊河流的水質進行檢測，并提醒學生在取水樣時應注意安全。

[學生活動]水質檢測，實施過程見表2。

[設計意圖]以手持技術為支撐的實驗探究，強調在實驗探究過程中注重技術知識的學習以及技術工具的使用；啟發學生學會利用數據、圖像等分析并解釋科學問題；對身邊的水質進行檢測活動，將學生置身于真實生活實踐，通過小組合作，體驗科學、技術知識在現實生活的運用。

2.3 作品制作，應用新知：職業體驗-自制簡易凈水器

[教師]展示水質較差的河水，提出問題：如何將水質較差的河水變得干凈呢？引導學生進行猜想。

[學生]加明礬、過濾。

[教師]布置任務：假如你是一名水質工程師，如何利用現有材料制作簡易凈水器？并提出要求：所制作的簡易凈水器要有明顯的過濾效果。

[學生活動]自制簡易凈水器，實施過程見表3。

[設計意圖]賦予學生水質工程師角色，將學生置身于未來職業選擇的視野之中，這也是STEM教育的目標之一；學生以化學實驗技能為基礎，親自制作簡易凈水器，增強學生動手能力；將科學知識運用實踐，訓練學生解決實際問題的能力。

2.4 融會貫通，成果交流：工程體驗-設計迷你水廠

[教師]同學們可以通過自制簡易凈水器獲取少量潔凈的水供自己使用，有沒有想過要為更多的人送去潔凈的水呢？中學生都有為社會作貢獻的愿望與雄心，回答都是肯定的。

[教師]布置任務：假如你是一名自來水廠的設計師，你準備如何設計一個城市自來水處理廠及水處理工藝流程，為千家萬戶送去健康、潔凈的水呢？

[學生活動]設計迷你水廠，實施過程見表5。

[教師]總結評估各小組方案的合理性，提出建議并指導學生進行優化。

[設計意圖]強調STEM項目中的工程素養，引導學生站在全局觀念的角度，識別工程領域的問題與制約因素，綜合運用科學、技術、數學等學科知識，體驗以工程思想為指導解決實際問題的過程。

整個項目實施結束后，進行成果展示與評估。教師組織學生以PPT的方式，結合數據、圖像、拍攝照片等對整個項目過程中所取得的成果進行匯報。匯報的內容包括“與水資源相關的跨學科知識掌握情況”、“三種不同水樣的水質情況分析”、“自制簡易凈水器的凈水效果”、“迷你水廠設計的合理性分析”等。匯報結束后，教師要求學生以自評、互評的方式進行評價，評價內容可從“團結協作”、“動手實踐”、“問題解決”、“跨學科知識掌握情況”等方面考慮。最后教師總結各小組在項目活動過程中的表現，肯定學生的項目成果，同時對出現的相關問題進行修正和補充，回歸主題“愛護水資源”，鼓勵學生從身邊的小事做起，養成良好的用水習慣，為保護水資源獻出自己的一份力量，培養學生社會、人文情懷。

3 案例所涉及的跨學科知識及STEM素養說明

本項目知識融合性強，實用性廣，切實培養了中學生的STEM綜合素養，涉及的跨學科知識及STEM素養體現如圖3。

通過該項目的實施，學生掌握了污水的主要成分、引起水體污染的原因以及鋁鹽的凈水原理等科學知識；正確理解科學與技術、社會的關系。其中化學知識涉及到鋁離子的水解反應，次氯酸的性質及用途等；地理知識涉及水的時間與空間分布、城市水處理廠建設規劃等；此外還涉及環境學、生態學等科學知識。

學生在項目體驗過程中學習如何操作技術工具，了解技術工具的操作、保管、維護等；會使用特定的技術方法解決科學、工程等現實問題并適當對技術進行價值判斷，培養學生技術素養。技術手段多樣，如在自制凈水的過程中會用到過濾、沉淀等化學實驗操作技術；在檢測水質過程中用到數字化傳感器技術，以及檢索資料、整理資料、數字化等信息技術。endprint

通過工程項目的設計，學生體會工程領域中的全局意識、成本意識、質量意識、環境意識、創新意識、團隊合作意識等，初步培養學生工程素養。其中工程領域知識既包含了水質檢測方案的設計、凈水系統的設計、方案的優化等以及自來水處理廠圖紙繪畫、選擇材料、成本估算等。

數學作為科學輔助手段，亦發揮著不可替代的作用。在STEM項目中，學生掌握一定的數學基本原理、計算方法，了解相關測量方法與測量工具，能夠對相關數據進行解釋，培養了學生的數學素養。數學知識包括常見的數學計算、測量知識，如在自來水廠設計過程中對水廠筑地面積的計算與規劃，設備材料運行費用等的計算；此外還用到數據、圖像的分析與解釋方面的知識，如在檢測水質過程中，對傳感器檢測到的主要成分含量的對比分析與解釋。

4 結語

以“愛護水資源”為主題的STEM項目化學習，融合了化學、地理、生態學、環境學等學科知識，運用多媒體技術、手持技術、實驗操作技術等相關技術手段，輔以數學思想中的計算、圖像分析，綜合考慮工程領域的全局意識、成本意識等解決現實問題。在項目實施的四個階段，按照學生認知水平層次由低到高布置任務，在層層遞進的實踐活動中培養學生的STEM綜合素養。STEM項目化學習注重知識與實踐相結合，教師應合理選擇教學內容，善于挖掘學科間交叉融合的部分，塑造真實的生活情景，開發與整合更多基于STEM的項目活動，為學生創造解決現實問題的機會，培養學生未來職業和終身學習所需要的能力和素養。

參考文獻：

[1]董宇.我國大學生STEM學習興趣調查研究[D].南京：東南大學碩士學位論文，2016：12.

[2]田潤，丁偉.基于化學實驗的STEM項目——設計檢測Co（2+）濃度的技術方案[J].化學教學，2016，（11）：43～47.

[3][4][美]羅伯特·M·卡普拉羅等著.王雪華譯.基于項目的STEM學習：一種整合科學、技術、工程和數學的學習方式[M].上海：上海科技教育出版社，2015：7～8，129～134.

[5]秦瑾若，傅鋼善. STEM教育：基于真實問題情景的跨學科式教育[J].中國電化教育，2017，（4）：72～73.

[6]劉景福.基于項目的學習模式（PBL）研究[D].南昌：江西師范大學碩士學位論文，2002：25～27.endprint