基于活動理論的STEM教學模式探索

摘 要：活動理論強調教學活動過程要以學習者的活動為中心，活動的最終目的是培養學生的主體性，而STEM教育作為一種全新教育范式，其教學實踐過程多是通過活動的形式展開。為了能夠有效地實施STEM教育，將活動理論與STEM教育進行整合，建構基于活動理論的STEM教學活動模型，對探索實施STEM教學活動和促進STEM知識的學習具有非常重要的意義。本文通過介紹活動理論的內涵與構成要素，嘗試建構基于活動三角模型的STEM教學活動模型，并在活動理論的指導下采用基于問題的STEM教學模式實施機器人教學活動。通過教學實踐發現，基于活動理論的問題解決型STEM教學活動對提升學生的問題解決能力與創新實踐能力具有良好的促進作用。

關鍵詞：活動理論；STEM教育；模型

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2018）02-0081-06

收稿日期：2017-10-16

作者簡介：胡喜霞（1991— ），女，甘肅慶陽人，碩士，主要從事現代遠程教育研究。

一、引言

作為對教育方式一種質性的描述[1]，STEM教育在培養學生解決現實問題能力方面富有創新性意義[2]。它強調從真實問題出發，旨在以動手體驗的方式讓學生在發現、探索與解決問題的過程中提高問題解決能力與批判性思維能力。由于社會對復合型人才質量要求不斷提高，STEM教育中融入Art（藝術）元素，形成STEAM教育，STEAM教育不僅強調通過基于項目和基于問題的學習，而且非常重視創新素養的培養[3]。

目前我國學者對STEM教育的研究主要集中于美國STEM教育實踐、STEM教育融合、STEM教育人才培養以及構建本土化的STEM教育整合模式等方面。而據詹青龍等人的文獻分析顯示，當下國外STEM教育研究已從理論研究逐漸轉向實踐研究，且實踐層面已取得相關研究成果[4]。與國外相比，盡管我國部分地區（如上海等地）實施了一些STEM教學活動，但效果有待驗證，而國外已有大量的教學實證研究。從目前的教學實踐形式來看，STEM教育是在“做中學”理念指導下基于真實問題情境的探索式學習[5]。基于問題（Problem-based Learning）和基于項目（Project-based Learning，縮寫為PBL）的教學方式在目前STEM教學實踐研究比較多[6]，因此研究STEM教學活動設計對我國STEM教學實踐探索具有深遠意義。

活動理論強調主體、客體、共同體以及工具在知識與技能形成過程中的核心作用，可用于指導基于問題的STEM教學活動。該理念不僅可用于檢驗教師與學生的活動參與情況、工具使用情況、目標完成情況，而且也為分析教師與學生的活動行為提供了模型框架[7]。本研究基于活動理論的相關理念，以機器人教學活動為案例來探索和實施STEM教學活動，目的是為促進STEM領域知識的學習提供借鑒。

二、活動理論介紹

（一）活動理論的內涵

活動理論的產生與蘇聯心理學的研究密不可分，它萌芽于馬克思主義哲學，孕育于維果斯基的社會文化和歷史心理學理論，成熟于魯利亞與列昂捷夫的心理學實驗研究中，是社會文化活動與社會歷史研究的成果。“活動”是活動理論中解釋和研究人的心理活動的邏輯起點與中心范疇[8]。其核心“活動”是主體為了一定的目標而進行的實踐[9]。活動理論研究的是人與形成事物的社會環境與物理環境之間的交互過程，以及在特定的文化背景下人類的實踐發展過程和結果[10]。

（二）活動系統的構成要素

作為活動理論的核心，活動系統由主體、客體、共同體、工具、勞動分工和規則6個基本成分構成。其中，主體、客體和共同體是活動系統的主要成分，工具、規則、勞動分工是其次要成分。它們之間不是孤立的，而是通過相互之間的影響共同構成活動系統。活動理論的子系統由交流系統、分配系統、生產系統和消耗系統構成。活動結構是子系統內部及其之間包含目標導向用以形成客體的行動層級活動、行動和操作[11]。

三、基于活動理論的STEAM教學活動模型建構

基于活動理論的STEM教學活動，以工具為中介，以活動的層次性與發展性為主體，通過主客體間的交互共同構建STEM教學活動系統，本研究在活動理論的指導下嘗試采用基于問題的STEM教學模式實施教學，目的是讓學生在問題探索與解決過程中提升STEM綜合技能并發展批判性思維能力與問題解決能力。基于問題的STEM教學模式分三個階段。問題提出階段，需教師依據STEM教學目標設計問題情境，并給出問題解決的活動支架和所需的心理與物質工具。問題解決階段，教師須為學生提供所需的智力支持及監控規則，并以問題為紐帶通過與學生有目的的分工協作進行問題解決。成果展示與評價階段：一方面教師需要組織學生展示自己的作品；另一方面還需采用多種形式對學生進行評價，而評價的內容不僅僅局限于知識本身，還應關注學生綜合知識的遷移運用能力與全面發展的綜合技能[12]。

在基于活動理論的問題解決式STEM教學活動過程中，活動初期以活動的支架與工具為主，活動中期則是勞動分工與協作占據主導地位，活動末期評價則成為體現活動結果的客體。總之，活動系統的各要素在每個階段所表現出的側重點略有不同，但都共同作用于STEM教學活動的每個階段。依據活動理論構建的STEM教學活動模型[13]，如圖1所示。

（一）主體——學生

在STEM教學活動中，學生首先明確教師給出的問題，然后通過提供的中介工具進行問題分析與模仿，其次通過合作探究進行問題解決，最后進行成果展示并接受評價。在STEM教學實施過程中，隨著相關活動的進行，學生個體集聚成具有共同知識基礎與興趣穩定的團體，通過相互協作與學習，最終實現知識技能與高階思維的提升。

（二）客體——STEM學習目標

客體指用學習行為的結果或成果來描述學生內部與外部達到的學習目標。基于中介工具的支持，客體最終被塑造并轉換為STEM學習結果，活動的目的及意圖在該過程中得到了體現[14]。在STEM教學過程中，客體是隨著活動的開展不斷變化的。活動初期，客體的呈現形式是以學生掌握基本的概念操作、熟悉具體的工程技術要領為主；活動中期，學生通過與同伴協作進行實踐操作，此時，客體的呈現形式除具有顯性的技能外，還有隱形的知識共享；隨著活動系統的不斷演變和發展，在活動后期，客體最終被塑造并轉化為完整的STEM學習結果。

（三）共同體——STEM學習群體

STEM學習中，與學習主體共同完成任務的是其他活動成員，例如學習協作小組、學習伙伴、班級等。學習群體是師生以及學生之間通過合作為完成任務而形成的教與學共同體。通過合作，共同體不僅影響著教學活動的學習效果，還可以形成互惠互利、相互信任、和諧融洽的學習氛圍，這充分體現了學生自主的學習理念。在基于問題的STEM教學過程中，活動共同體的作用主要發生于支架教學與問題解決階段，此階段，師生或者生生通過合作共同解決問題。

（四）工具

工具在學生與環境間的交互過程中起到了中介的作用，具體來說，工具包括內部工具和外部工具，內部工具主要指心理工具，而外部工具主要指物理工具，二者共同調節著學生的學習活動。學生與環境的交互形式由工具來決定，工具通過這種形式影響著學習結果。隨著活動的不斷深入，師生間、生生間的交互也越來越復雜，工具也開始從單一的心理工具發展成滿足特殊要求的、具有創新功能產品的物質工具。

（五）規則

規則指STEM學習成員共同遵守的活動標準、規范等。它不僅是活動過程中的一種制約與約定，而且是維持共同體參與活動發展的保障，通過規范成員行為，達到互相影響和約束的目的。STEM教學中，規則一般可劃分為操作規則、賞罰規則與交互規則等。隨著活動的不斷深入，規則的規范性會不斷加強。

（六）勞動分工——師生分工

勞動分工指師生之間或學生之間為完成活動任務而產生的分工。不同的活動階段，師生或學生之間的角色扮演與任務分工有所不同。活動初期，教師作為引導者依據STEM教學目標提出問題情境，并設計教學提供豐富的教學范例，以幫助學生進行知識建構。學生依據教師設計的問題情境和范例對規則和技術要領進行學習。活動中期，教師可作為參與者或者評價者對學生的工程、技術操作行為進行規范與指導，同時評估與糾正學生的不規范行為。學生通過與同伴的交流與合作，以問題為紐帶，對產品進行設計與改裝以促進知識的整合與運用。活動后期，教師主要作為評價者對學生的STEM綜合技能進行考查與評估。學生也可以作為評價者對個人的發展變化客觀地進行自評。

四、機器人教學活動案例——倉儲庫存定向搬運

機器人融合了科學、技術、工程及數學等學科的相關內容，并因其自身的設計組裝和操控對引導學生學習STEM知識、提高學生STEM綜合技能具有重要的積極作用。本研究基于活動理論的相關理念，以機器人教學活動為案例，采用基于問題的STEM教學模式進行教學，以探索和研究活動理論視野下STEM教學模式的實施狀況。為了能夠有效地實施機器人教學活動，我們需將案例的活動時長設計為120分鐘，因為傳統的課堂時間對于實施機器人教學活動并不充足。同時實施本案例以30人的標準班則需至少配備2名教師，以保證活動的順利實施。

3.活動內容與流程

為了使問題解決型教學模式在本案例中得到充分的應用，本教學案例中的活動采用基于問題解決的形式進行教學活動。在本案例實施的過程中，學生的主要任務有3個：數線原理的學習；解決定向搬運的問題；成果展示與評價。活動過程中學生3人一組，2組一隊。活動初期，需要1名教師負責教學，學生以組為單位進行實際操作與練習。活動中期，由1名教師負責主管課堂的教學秩序，其他教師協助團隊進行問題解決，每位教師負責2—3個團隊的管理，學生以隊為單位進行實踐，組內的具體分工根據任務由隊員自行協商分配。活動末期，教師組織作品展覽和評價。

本案例的基本活動流程為：

（1）問題提出階段（5分鐘）。教師在提供與本節課相關的圖片及視頻資料的基礎上，將學生帶入倉儲庫存定向搬運問題情境中，突出倉儲庫存定向搬運的重要性，激發學生探究倉儲庫存定向搬運的興趣。之后播放以突出工程實際應用為主的視頻資料，最后運用已經完成的實物小車進行實物演示，以此激發學生的學習動機。

（2）支架教學階段（30分鐘）。此階段以數線功能原理教學為主，具體可以分為以下3個階段：教師講解；學生實操；問題答疑。在該階段，為了調動學生參與學習的積極性，突出基于活動理論的STEM教學，教師可以通過游戲的活動方式進行教學。小車的運動軌跡主要受地面黑線數量的控制，感知黑線數量的元件為光學傳感器，在控制過程中，學生需要掌握以下4個知識點：①學會并使用變量來記錄數線。②學會使用while-if-else循環條件結構來控制小車的行進時間和距離。③學會判斷循環終止的條件。④學會判斷狀態變量和正確計數。例如，為了說明第4個知識點，教師可以讓一組中的某一成員模擬并記錄黑線數目的變化，其他兩名成員分別模擬小車的行進和模擬計數器并給出“變量加1！”的指令。之后，學生通過實踐練習數線功能，教師需對出現過的問題進行統一答疑，使學生的疑惑得到解答。

（3）問題解決與協作探究階段（50分鐘）。這一階段主要是完成倉儲庫存定向搬運任務。教師首先向學生發放“倉儲庫存定向搬運任務說明書”，在該說明書中教師對任務進行了詳細的描述，并且說明了操作規則。之后，學生以隊為單位依據“問題解決設計表”展開對問題的分析、理解和解決。“問題解決設計表”用于幫助學生將問題進行拆解和分工，有利于學生解決問題的邏輯思維的培養，避免了學生遇到問題不知從何處入手的問題。全隊成員的交流與協作對問題的解決具有重要意義，而教師僅作為引導者幫助學生理解并解決問題。

（4）成果展示與評價（35分鐘）。該階段學生以隊為單位在實體場地中集中演示小車倉儲庫存定向搬運全過程，學生需以隊為單位對問題的解決、勞動任務分配、具體實施過程中遇到的問題等以PPT的形式進行現場報告。成果展示完成之后，教師需要對本次任務的完成進行教學評價。評價的目的在于觀察學生是否通過本次任務活動掌握了相關的知識，且重點應該放在學生將機器人作為工具解決問題的過程，具體來說，主要包括團隊問題解決過程的評價、新知識運用能力的評價、團隊內成員工作能力的評價、團隊合作精神的評價及相關知識的客觀題測試等。

五、總結與啟示

針對目前我國STEM教學實踐，本文從STEM課堂本身的特點出發，探索和應用活動理論進行STEM活動設計，并用機器人教學活動進行具體說明，在實施過程中應注意以下幾點：

（一）開展STEM教師專業培訓，提高STEM教師教學能力

在基于活動理論的STEM教學活動中，由于活動的復雜性和易變性，教師除了需具備豐富的學科知識和優秀的教學設計能力，還需要在教學策略、教學效果評估方式及學生學習成就評價方法等方面進行創新。[15]這就需要教師通過培訓和進修提高專業發展的個性化與專業程度。鑒于美國STEM教師培養的經驗，我們可以從宏觀和微觀上進行把握。宏觀方面，一方面我們需爭取政府、學校及社會等多方面對STEM教師培養的支持，如加強與企業、領域專家、政府等多方面的合作關系，得到他們最大的支持。還可以依據STEM相關學科的專業性和學科特點，進一步細化教師資格證書制度的分類，明確不同學科間融通的辦法，提出教師資格的退出機制，完善教師資格認證制度。[16]另一方面開展對STEM教師進行職前與職后的培訓，提升他們的專業技能。微觀方面，STEM教師自身需具備終身學習的理念，不斷更新自己的知識體系，提升自身的知識融合能力與實踐操作能力。總之，對STEM教師的培養需要國家、社會、學校及教師本人共同的努力。

（二）增加對弱勢學生群體的關注，縮小學生間差距

由于學生之間的發展存在著個別化差異，一些學生在與其他學生的合作交流過程中不能很好地理解和內化某些非常重要的知識概念，這就造成了學生在團隊中的自卑感，導致學生在學習上產生厭倦與懈怠心理，從而阻礙了學生學習技術行為，并影響整個團隊的學習效果。這就需要教師在教學活動的不同階段給予相應的學習支持服務，如教師可以更多地關注與引導這些學生，并利用技術優勢提高他們的參與度等。

（三）優化對STEM教學活動模式的設計

STEM教學活動本身就具有一定的開放性與實踐性，設計基于活動理論的STEM教學模式，一定程度上是對STEM教學活動本身的規范，但其效果在于設計者對于課堂本身的設計與把握。本文基于活動理論的STEM教學模式設計，設計者以機器人教學活動為案例，采用基于問題的教學方式進行教學，教學過程中進行階段性劃分，每個階段教師的角色扮演與教學任務因活動而異，教學效果具有一定的差異性。因此，在構建基于活動理論的STEM教學模式時首先要對STEM教學活動模式進行優化，在優化的基礎上融入理念的設計，這就需要我們不斷地探索與創新。因此本研究所構建的STEM教學活動模型在一定的條件下具有適用性，但是任何事物都具有特殊性，因此該模型的教學效果仍有待在教學中進一步考證。

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（責任編輯 孫志莉）

Abstract： The activity theory emphasizes that the process of teaching activities is centered on learners activities.The ultimate goal of the activity is to develop the students subjectivity.As a new paradigm of education，STEM education is mostly carried out in the form of activities.In order to effectively implement STEM education，to integrate activity theory with STEM education，and to construct the STEM Teaching Activity Model which is based on the activity theory，it is of great significance to explore new ways of implementing STEM teaching and promote the learning of relevant subject knowledge.This paper first introduces the connotation and constituent elements of the activity theory.Second，it tries to construct the STEM teaching activity model which is based on the active triangular model.Besides，it adopts the problem-based STEM teaching model to carry out the case of robot teaching activities under the guidance of the activity theory.Through the implementation of the teaching，it is found that the problem-based STEM teaching activities based on the activity theory have a positive effect on improving students problem-solving ability and innovation and practice ability.

Key words： activity theory；STEM education；model