基于設計的跨學科STEM教學對小學生跨學科學習態度的影響研究

張屹 李幸等

摘要：作為一種跨學科式教育，STEM教育日益成為當前知識經濟社會關注的焦點。該研究提出包含“學科內容層、跨學科大概念層、教學設計層和學習目標層”的四層基于設計的跨學科STEM理論框架。該框架強調學習者基于真實的社會問題主題，開展田野學習形成跨學科大概念，利用“設計”迭代制作解決實際問題的產品，推進學習者大概念知識習得、跨學科態度的轉變以及問題解決能力、科學探究能力以及工程設計能力的提升。該研究通過單組前后測實驗，從跨學科的意識、能力感知、價值和傾向四個維度調查武漢經濟技術開發區實驗小學四年級學生的跨學科學習態度。研究表明，基于設計的跨學科STEM教學在以上四個維度上提升學生的跨學科學習態度，同時，對科學與數學單科的學習意識上有顯著提升，對信息技術與工程的能力感知上有顯著提升。該研究提供基于設計的跨學科STEM教學案例，以期對研究者和教師起到借鑒作用。

關鍵詞：基于設計；跨學科STEM；教學理論框架；跨學科學習態度

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

2016年教育部發布的《教育信息化“十三五”規劃》中提出“積極探索信息技術在跨學科學習（STEAM）教育、創客教育等新的教育模式中的應用，促進學生的全面發展”。隨后，2017年6月《中國STEM教育白皮書》指出，應將跨學科STEM（科學、技術、工程、藝術與數學）教育納入國家創新型人才培養戰略，是全社會共同參與的教育創新實踐。從中可以看出，跨學科STEM教育對當今知識經濟社會及其重要，如何開展跨學科STEM教育也成為教育工作者深思的問題。傳統分科式教育將課程按照具體學科劃分，不利于學生對知識體系部分到整體的把握和理解，更割裂了學生與真實世界的有機聯系。如何在融合學生與真實世界的聯系的同時，幫助學生打好扎實的科學、技術、工程與數學知識，培養學生問題解決、科學探究、創造發明與交流合作的能力，提升學生學習跨學科內容學習的興趣是本研究的重點，其教學模式創新成為STEM教育研究者亟需解決的關鍵問題。

二、文獻綜述

（一）跨學科STEM教育

STEM教育概念最初源于美國，是科學、技術、工程與數學的首字母縮寫。當前國內外的主流教育體系中，科學、技術、工程和數學四門學科在K12教育中通常作為分科課程進行教學。2017年2月，教育部頒布《義務教育小學科學課程標準》，我國首次以科學課為依托，提出STEM教育的標準。該標準強調STEM教育的核心是一種跨學科的學習方式。跨學科的學習方式的內涵在于通過四門學科的有機整合，培養學生能夠綜合運用科學、技術、工程和數學等相關領域知識解決生活中的實際問題，從而培養學生的問題解決能力、創新能力和綜合實踐應用能力。20世紀90年代，著名的新進步主義代表人物詹姆斯·比恩在杜威的教育思想的基礎上，提出了課程統整的理念，強調學習者經驗的重要性。學習應以兒童和社會問題為中心，由師生共同設計、建構意義，即通過選取自我和社會共同關注的主題或問題，形成基于主題的概念網，確定與大概念相關的活動，然后開展活動，呈現結果，共同制定評價規則與方法，開展評價。2016年9月，美國教育部發布《STEM2026：STEM教育中的創新愿景》。該報告提出了六大原則，強調跨學科STEM的教與學融合的重要性。六大原則為STEM的融合提出了指導性建議：網絡化且參與度高的實踐社區、設計的游戲和冒險的學習活動、包含跨學科方法解決“大挑戰”的教育經驗、靈活且包容的學習空間、創新且可操作的學習測量、多元化且多機遇的社會文化影像。美國《下一代科學教育標準》強調跨學科的大概念，指出不同科學領域統一的思維方式，需要明晰跨學科大概念，將不同學科領域中相互關聯的知識組織成連貫條理的客觀世界。因此，跨學科STEM教育強調以真實問題或主題為驅動，利用科學、技術、工程、數學以及藝術等多學科相互關聯的跨學科概念知識解決問題，實現從跨學科知識綜合應用的角度提高學生解決問題、探究和創造的能力。在實踐過程中，學生融人多元的社區實踐環境中，切實參與到實踐活動中，主動、積極地通過觀察與操作獲得真實的學習與動手體驗，深層次建構多學科知識，最終實現跨越學科邊界，運用多學科綜合知識解決問題，培養綜合能力。

（二）基于設計的跨學科STEM教學與課程項目

學科融合過程中，不同的理論框架和教學模式不斷涌現。其中，基于設計的學習一直得到廣泛的關注。基于設計的學習（Design-Based Learning），簡稱DBL，其課程項目最早于1996年由喬治亞技術學院Kolodner教授提出。STEM課程的雛形最初以科學與數學的整合為主，美國數學教育家John Perry提出應協調數學與科學的關系，更好整合兩者的教學。之后，以科學課為主導，工程設計作為實踐過程，同時少量融入信息技術或數學的課程迅猛發展。在此背景下，基于設計的學習應運而生。2004年密歇根大學Fortus教授提出基于設計的科學DBS（Design-based Science），DBS的學習環框架分為五部，第一步，鑒別與定義情境，提供學生與任務相對應的情境；第二步，背景研究，教師展示新的科學概念，告知學生閱讀材料，以及如何調查與收集相關信息；第三步是開發個人與集體觀念，學生結合調查的背景，自己設計解決方案，然后配對討論，在小組中展示他們的解決方案，將個人觀念與小組觀念融合；第四步，建構產品，每個設計小組分成兩對，每兩個學生一同建構模型，最終開發產品；第五步，反饋，學生相互進行評價，互相提供反饋。2015年斯坦福大學教育學院教授Kim開發基于設計的學習課程，該課程學生開發自己的實驗設計，利用推理與問題解決思路投入到問題的解決中，同時在主題式整合背景下利用腳手架評價與報告科學現象。2015年喬治亞大學高級創新學習研究中心的Ikseon Choi教授領導的團隊開發基于設計的整合STEM機器人學習課程，該課程面向五年級學生，使用基于情境與場景的學習環境，通過機器人應用工程設計過程、科學探究、數學思維與計算思維。總之，基于設計（DBL）的STEM課程強調從主題或真實問題出發，以科學為主導，融合數學與技術，以工程設計為載體，探究新的解決方案，最終迭代形成完善的作品。

（三）跨學科STEM學習態度

積極的跨學科態度可減少學習者面對跨學科STEM學習挑戰所產生的畏難情緒，幫助學習者在遷移的新環境中平穩過渡地學習高階STEM課程。因此，測量跨學科STEM學習態度是了解學習者STEM課程學習成果的重要指標之一。雖然許多測量工具都為測量學習態度提供了堅實的基礎，但將多學科的態度放在同一個尺度上進行測量的工具很少，能準確測量針對STEM課程或項目的學習者跨學科STEM態度的評價量規十分有限。在此背景下上，Mahoney專門為跨學科STEM教育開發了態度調查問卷，STEM課程項目較之于其他傳統的課程而言，學習者面臨著新的教育材料、形式和內容，因此，在課程實施中，學習者面對新的挑戰和變化，會有哪些意識？是否覺得STEM課程有價值？在學習的過程中，學習者對自我效能（能力感知）是否滿意？參與課程學習后，是否愿意進一步從事STEM相關職業？因此，《跨學科STEM問卷》結合前人開發的CBAM態度問卷和TEO態度問卷，融合STEM課程的特點，設計了跨學科STEM學習態度問卷的四個維度，即“意識”“能力感知”“價值”和“傾向”。該問卷經過STEM教育專家小組三輪審核。第一輪確保主成分分析和文獻綜述結果一致，有較好的效度。利用Cronbach系數分析得知每一個組成分的信度系數也非常高。隨后，問卷進行第二輪修改，隨后發放到一所開展STEM教學的高中和一個傳統的預科大學進行先行對比實驗，跨學科STEM教學的態度展現出高的信度與效度。

毫無疑問，跨學科STEM教育已成為我國重要發展戰略，目前我國小學STEM教育開展狀況方興未艾，正努力跨越傳統分科式教育的弊端，建立學生與真實世界的聯系，將多門學科知識進行深度融合，培養學習者高階思維能力和核心素養。但如何開展跨學科STEM教育，創新教學模式成為STEM教育研究者亟需深思的問題。基于此，筆者提出基于設計的跨學科STEM理論框架。研究問題如下：基于設計的跨學科STEM理論框架是怎樣的？由哪些層次要素組成？基于設計的跨學科STEM教學是否可以促進學習者的跨學科學習態度？

三、基于設計的跨學科四層STEM理論框架

本團隊提出的基于設計的跨學科STEM理論框架融合詹姆斯·比恩（James A.Beane）的“主題—概念—活動”的課程統整理念，David Fortus提出的基于設計的“科學環”教學流程，美國《下一代科學標準》NGSS提出的跨學科大概念，以及國際《STEM2026：STEM教育中的創新愿景》中的未來STEM發展要素，結合在兩所合作小學——武漢經濟技術開發區實驗小學和華中科技大學附屬小學兩年來指導STEM課程開發的實踐經驗，建構基于設計的跨學科STEM理論框架。該模型共有四層，如圖1所示，從內到外依次分別為：學科內容層、跨學科大概念層、教學設計層、學習目標層。

從學科內容層而言，以主題為人角點，融合科學（S）、技術（T）、工程（E），數學（M）等多學科（STEM）內容，歸納分析學科共性特征和內容，探究學科間交叉內容，實現學科與學科內容的跨越。其中，數學強調問題解決與知識本體，科學作為學習的情境和遷移的知識概念，科學探究過程與問題解決過程作為高階能力培養的基石。工程設計作為STEM內容的催化劑與整合器。工程設計將科學、數學、技術與藝術放在一個平臺上，給學生提供一個系統的流程解決問題。通過產品的設計與開發，將數學問題解決與科學探究融合其中，技術則是知識本體、工具，或者設計、生產與研究的過程。通過學科內容與過程的整合，實現學科與學科內容的跨越。

從跨學科大概念層而言，以凝練跨學科的核心概念作為核心，即凝練“抽象與具體、數量與比例、圖式與模式、結構與功能、原因與結果”等多對跨學科的核心大概念，對核心概念進行細化分解以及橫向聯結，實現學科大概念的跨越。

從教學設計層而言，該層是教學實施的核心，教學實施依次從五個核心要素依次按步驟實施，并迭代循環，實現跨學科學習過程的跨越。五個核心要素分別為：第一步，確定主題、鑒定情境；第二步，田野學習、形成概念問題；第三步，探究主題與開發觀念；第四步，開發原型與構建產品；第五步，評價反饋與分享展示。該過程的核心是基于主題隋境，設計產品。學生在設計過程中，將科學知識與真實世界的問題解決進行整合。學校教學被批判的原因之一在于學生的經驗與真實社會隋境是脫離的。通過設計過程，學生觀察真實社會與生活，選取“弱構”的主題，開展田野學習，在教師引導下深入社會，調查背景，逐步明晰跨學科的概念網，重新建構真實社會與學科知識的關系，對觀念進行深入的挖掘和探究，以問題解決為導向開始開發產品原型并不斷構建產品，然后與同伴相互反饋評價，迭代完善產品，最后分享展示，實現跨學科學習過程的跨：越。

從學習目標層而言，該層注重學生21世紀核心能力的培養，實現學生跨學科認知、情感與能力的跨越。受傳統課程觀影響，研究者和教師往往將教學視作知識的習得，只追求知識的結果，而不注重知識習得的過程，注重構建系統的知識內容而忽略知識探究的方式。該層強調在前三層的實踐中培養學生跨學科概念的習得，跨學科態度的轉變，以及問題解決能力、探究能力、工程設計能力以及協作能力的培養，實現學習思維的跨越。

四、基于設計的跨學科STEM課程《水之旅》教學設計與實施

（一）基于設計的跨學科STEM課程《水之旅》教學內容與目標分析

基于設計的跨學科STEM課程《水之旅》教學內容分為學科核心知識內容和跨學科大概念，教學目標從認知、能力與情感三維闡述，其中認知通過教學內容的“核心知識內容和跨學科大概念”呈現。課程《水之旅》是經濟技術開發區實驗小學四年級開展的STEM綜合實踐主題課。其教學內容與目標分析如表1所示。

（二）基于設計的跨學科STEM課程《水之旅》教學設計與實施

基于設計的跨學科STEM理論框架突出“跨學科”和“基于設計”的過程。跨學科強調通過主題打通學科與學科的界限，通過不同的學科視域透視關于“水”的多樣性問題，構成不同學科能力要求的STEM教學設計，即培養科學（S）的探究能力、技術（T）協作能力、數學（M）的問題解決能力以及工程（E）設計能力。結合基于設計的跨學科STEM理論框架第三層的教學設計，按照科學的思維步驟，開展學習活動。具體的教學設計與實施圖如圖2所示。

該教學在武漢經濟技術開發區實驗小學四年級實施應用。

1.學生確定“水”主題，鑒定“水浪費”以及“水污染”的社會情境，初步形成問題解決的能力

真實生活情境是指當地社區或者地域相關的社會與文化情境。將真實生活情境問題引入到中小學階段教育或課后項目活動中，整合STEM教育經驗和資源，解決真實世界的社會文化問題。跨學科STEM課程核心在于為學生營造—個真實的學習情境，學生在教師的引導下自發發現和提出一些社會生活中關注的重大主題，例如，生態失衡、環境污染、資源短缺等，這些均是STEM課程教育素材。學生選擇《水之旅》作為主題，“我覺得地球上大部分都是水，所以我想調查水”“我覺得水資源特別珍貴，我們住在長江邊，每天都能看見水，可是有些地方的小朋友很缺水，我覺得要珍惜水資源，所以我選擇水作為主題”。如圖3所示，學生選擇水作為自我和社會方面共同關注的焦點問題，通過畫海報的形式抒發自己對水為主題的相關問題的關注。

2.學生開展田野學習，形成“節約水”“凈化水”的問題概念，進一步形成問題解決的能力

學生到供水廠、污水廠開展田野學習，在學習過程中，逐步形成“節約水”“凈化水”的問題概念。實驗學校對供水廠和污水廠進行實地考察，與當地社區等組織進行資源整合，共同打造具有地方特色的實踐社區。首先將供水廠的專業人員請到學校里開展知識講座，隨后讓學生深入開展田野學習，到供水廠污水廠了解一手資料，了解水是如何供給市民的，以及工廠如何治理污水，對背景進行調查研究，在真實的環境和情境中學習，加深對知識的內化。學生在供水廠和污水廠的田野學習中，明確探究的問題“如何節約水”以及“如何凈化水”，學生在供水廠按照“取水—沉淀_過濾—人請水庫”的過程參觀了水是怎么凈化后送到家家戶戶的。學生在參觀過程中，提出多樣化問題“家里停水是不是因為水廠沒水了？”感嘆家用水來之不易，“天哪，原來我們平時喝的水這么不容易得到啊！”“治理污水真的好復雜，我們要愛惜水”。如圖4所示，學生在供水廠開展田野學習。學生在參觀完供水廠和污水廠后，按照教師要求畫出自來水廠凈水過程流程圖和污水處理流程圖，設計智能污水處理系統，為后期制作污水凈化裝置做準備。如圖5所示。

3.學生探究“每天生活用水量式多少”“如何節約用水”，開發“節約水”的觀念，促進科學探究和問題解決能力的培養

學生根據田野學習產生的問題“如何節約水”，以小組為單位開展問題分析、提出假設、搜集證據、即搜集數據、分析和處理數據，最后驗證假設得出結論的科學探究活動。如圖6、圖7所示，學習者協作開展科學探究活動，探究“每天生活用水量是多少”“如何節約水”，學習者根據自己的生活經驗提出問題“一家人每天要使用多少生活用水”，提出假設，“假設每日基本用水量為多少”，然后制定觀察計劃，在家收集“洗菜、洗碗、刷牙、洗臉”等多元用水量數據，然后分析與解釋數據，最終得出結論和解決問題的建議，“淋浴時間應該減少一些，洗碗的時候應把水龍頭調小一點”。

4.學生開發污水凈化裝置原型，建構制作凈水裝置產品，以期“凈化水”，促進工程設計的能力

美國科學教育標準（NRC）中定義設計過程為鑒定和定義問題，收集分析數據，定義解決問題的標準，制作原型，評價和選擇合適的解決方案，實施方案，最終評價結果。該實踐活動共6課時，依托課程為科學課和信息技術課。首先，學生定義待解決的問題，即如何進行污水處理，凈化水資源。隨后，學生利用網絡收集和分析信息：“治理污水的工具有哪些？需要采購哪些設備和工具？這些材料和工具需要滿足哪些標準？如何利用科學的方法設計制作解決水污染問題的產品？”如圖8所示，學生協作制定解決方案和確定解決方案的標準。制定基本解決方案和材料標準后，學生完成教師布置的設計任務單，設計構建污水凈化器的原型。學生進行小組合作，將前期參觀污水廠獲取的信息、網絡獲取到的信息以及科學課學習到的知識進行整合，繪制污水凈化器的原型。圖9是學生設計的污水凈化器，該設計注重分層處理污水，將物理與化學方法相結合，通過將污水進行聚集、凈化、檢驗、聚集的方式對污水進行處理，并寫到“這樣就不用浪費水了，污水可以變成純凈水，二次利用咯”。

學生繪畫污水凈化裝置設計圖后，在教師指導下，不斷優化設計。其后，結合設計圖，實施制作污水凈化器，并測試污水凈化裝置并評估。圖10為學生制作污水處理凈化器的實施過程。

5.學生結合教師、同伴與自我評價反饋，分享展示“節水報告”“污水凈化器”等產品與作品，最終促進問題解決能力和協作能力的培養

學生將所學的知識運用到《水之旅》的主題學習中，設計制作以科學探究、數學問題解決為內核的多元產品，學生最后以報告的形式展示和分享得到的結論和建議。展示“節水報告”“污水凈化裝置”等產品與作品。在STEM+A（藝術）的分享與展示中，學生還將設計的海報、圖畫、書法、編排的戲劇、定格動畫融入，將自身情感與知識經驗融入，形成各具特色的設計報告、方案和成果作品，在創造過程中體驗快樂和學習的樂趣。

五、基于設計的跨學科STEM教學效果測評

（一）研究目標

本研究設計單組前后測實驗，選取武漢經濟技術開發區實驗小學四年級參與跨學科STEM課程的265名小學生為研究對象，其中男生133人，女生132人。以基于設計的跨學科STEM教學為自變量，以學生的跨學科學習態度為因變量，采用《跨學科STEM態度量表》為測量工具，探討全校范圍的基于設計的跨學科STEM教學對學生跨學科學習態度的影響。

（二）測量工具

問卷改編自Mahoney開發的基于STEM的學生態度問卷。該問卷從意識（Awareness）、價值（Value）、能力感知（Pereeived Ability）、傾向（Commitment）四個維度調查學習者對跨學科STEM的學習態度。每個維度共7道題，共28道題目，分別調查學生對STEM課程以及對科學、數學、信息技術與工程的態度。問卷采用李克特五分量表，每題陳述有“非常同意”“同意”“不一定”“不同意”“非常不同意”五等選項。問卷具有良好的信度，在意識維度上，Cronbach的Alpha值為0.864，在價值維度上，Cronbach的Alpha值為0.86，在能力感知維度上，Cronbach的Alpha值為0.80，在傾向維度上，Cronbach的Alpha值為0.82。均在0.7以上，問卷具有較好的信度。學生在參與以水為主題的STEM課程前填寫前測問卷，在結束STEM課程后填寫后測問卷。

（三）實驗研究數據分析

為了檢驗基于設計的跨學科STEM教學對學生跨學科學習態度的影響，在該教學開展的前后對學生進行了問卷前后測量，數據分析使用SPSS與Excel軟件進行描述性統計分析與推斷性統計分析。

1.學生在開展跨學科STEM學習之前跨學科學習態度均值較高，在經過基于設計的跨學科STEM學習后，學生的STEM學習態度在意識、價值、能力感知和傾向維度上均值有提升。如圖11所示。

如圖11所示，調查結果顯示，學生整體STEM學習態度本身就較高，意識、價值、能力感知與傾向維度上均值分別為4.32，4.47，3.7和4.17，可能得益于該實驗學校開展了近兩年的創客學習，學生在創客學習的過程中，對信息技術、工程設計與制作、數學與科學融合的實踐課有較為濃厚的興趣。在開展跨學科STEM課程后，學生在意識、價值、能力感知與傾向維度上有不同程度的提升。可見，STEM課程的學習促進學習者對基于設計的跨學科STEM學習更感興趣，理解其價值，對自己的跨學科能力更自信，并增強未來從事STEM相關工作的意愿。

2.學生在經過基于設計的跨學科STEM課程學習后，在意識和能力感知維度上均值有顯著提升，數據結果如表3所示。

數據分析使用配對樣本t檢驗。在經過基于設計的跨學科STEM課程學習后，學生的STEM學習態度在意識和能力感知維度上有所提升。在對STEM課程的整體意識維度上，學生對STEM課程的喜愛有顯著提升（m_前測=4.32，m_后測=4.45，t=-2.89）。在對STEM課程的能力感知維度上，學生對STEM有更強的能力感知，認為“STEM課程對我而言很容易”（m_前測=3.70，m_后測=3.95，t=4.50），在價值和傾向維度上，有部分題目顯示出顯著差異性，價值維度上學生表示“STEM課程對我而言，很有幫助”顯著增加（m_前測=4.31，m_后測=4.52，t=3.27，p=0.00），在傾向維度上，學生表示“我以后想從事STEM相關工作”的意愿顯著增加（m_前測=3.98，m_后測=4.25，t=2.78，p=0.01）。

3.在單個學科維度上，學生通過跨學科STEM學習后，在意識上認為數學和科學更有趣味性；在能力感知方面，認為信息技術和工程變得更容易，具體數據結果如表4所示。

在單個學科維度上，學生通過基于設計的跨學科STEM學習后，在意識上，認為數學與科.學更有趣味性（t_數學=-2 98，p=0.00，t_科學=-2.27，p=0.02）；在能力感知上，認為信息技術和工程學習更容易（t_信息技術=-2 40，p=0.02，t_工程=-3.72，p=0.00）。

六、總結與思考

本研究采用基于設計的跨學科STEM理論框架進行教學設計與實施，該模式強調通過主題聯通學科，開展基于主題的全校范圍的跨學科STEM學習，同時，以工程設計為核心，開展解決真實社會生活問題的學習和注重科學探究過程的學習。研究采用單組前后測準實驗研究法，對學生跨學科STEM態度進行分析。研究發現。

（一）從跨學科STEM學習意識維度而言，學生在真實社會生活情境下的“水”主題學習中潛移默化的融入跨學科意識。學生對社會方面共同關注的焦點問題“水”興趣濃厚，希望進一步從多學科融合的視角了解“水”的相關概念與知識。學生自發的在中午課間催促同組的伙伴“某某某，快來開會了”，午托時間是學生們自主活動學習《水之旅》的時間，學生自由組合，分工明確，共同制作“保護水”的科學與英語繪本。事實上，該跨學科STEM教學模式的益處在于，主題是學習者感興趣的社會話題，學生的學習融合數學、科學、工程設計與信息技術，甚至融合語文、英語和綜合實踐課程。學生在意識上不斷的將真實生活的問題情境建構到跨學科知識中。“我很感興趣水是怎么形成的？”“我想知道家里自來水是如何產生的？”“家里每天用了多少水呢？”“我準備上網搜搜污水處理有哪些步（驟）？”“我覺得凈水器太酷了”。學生在協作學習的過程中提出的問題和話語建構中展現出物理、化學等科學概念以及信息技術和工程實踐概念與知識。在“水之旅”主題的學習中，潛移默化的融入跨學科意識。

（二）從跨學科STEM學習價值維度而言，學生在學習過程中，能感受到通過跨學科知識和概念解決共同主題問題的價值。A學生感慨“原來水的過濾這么復雜，要經過這么多道工序呀，設計這些的科學家真了不起！”B同學說道“我覺得自己真棒，通過向爺爺學習怎么估算用水量，我發現我們每天用水量真多。”。”學生在學習過程中，為了解決“凈化水”和“節約水”的問題，積極的構建跨學科知識，發現了科學的價值，“設計水過濾裝置的科學家真了不起”，感受到數學的價值，“我自己計算了每天的用水量”，在引擎搜索的過程中感受到技術的價值，“我上網采購了原材料準備制作凈水裝備，我感覺我為凈水做了一點小貢獻。”，在設計和制作凈水裝置的過程中感受到了工程設計的價值。學生在學習過程中，感受到跨學科知識的價值。

（三）從跨學科STEM學習能力感知維度，學生對自身的科學探究能力、數學的問題解決能力以及工程設計能力和技術應用更有自信。規范學生按照科學的思維過程方式開展學習，例如，問題解決按照“產生問題、明確問題、實施計劃、解決問題”，科學探究按照“提出假設、制定計劃、收集數據、分析解釋數據、得出結論”，設計過程按照“定義問題、收集分析信息、制定解決方案、制定標準、設計原型、迭代完善、評估分享”。C學生開心表示“我能制作凈水裝置了！”，D同學表示“我發現自己做一個凈水裝置也不難嘛”，E同學自豪的說“我感覺我也能解決水的小問題了，為社會做了一點貢獻”。

（四）從跨學科STEM學習的傾向維度而言，學生對未來從事STEM相關學科以及STEM融合學科都表達了愿景。學生對于進一步開展基于設計的跨學科STEM活動表達了濃厚興趣，“我還想通過這種方式學習其他主題，我還想探究天氣，想探究橋梁，想探究食物”。學生對于進一步學習跨學科融合學科也表達了自己的渴望。F同學表示“我未來想做一名科學家，我想為保護地球貢獻自己的力量”。

由于研究對象、研究條件、教師等多方面因素的限制，教學設計還有待完善。在今后的研究中，結合教學模式，還需結合主題開展更廣泛的研究以及進行更科學的規范，同時，在研究方法上進行更嚴謹的設計和更深入的探討。