用STEM項目式學習鏈接書本與生活

【摘要】本課題研發的STEM項目式學習以解決真實問題為載體，通過實物制作型、實驗探究型、綜合應用型、跨界整合型項目式學習的設計與實施，提升學生的實踐能力和問題解決能力、自主研究和團隊合作能力，為基礎性課程的整合和拓展性課程的開發提供了一個切實可行的方案。

【關鍵詞】STEM;項目式學習;設計策略

【作者簡介】顏石珍，浙江省杭州市文海實驗學校教師（浙江杭州310018）

培養出能適應未來學習需求、具有解決復雜社會問題能力的學生，是當今教育的任務之一。現實教育中的一些通病與這個目標確實是背道而馳的：做題多、實踐少，分科學習多、綜合學習少，被動式學習多、主動式探究學習少，各自為陣的學習多、團結合作分享的學習少。在這種現實之下，什么樣的課程載體可以激發學生的探究意愿和利用團隊合作學習解決真實問題的內在動機？

STEM項目式學習正是基于問題解決的跨學科整合學習，讓學生了解學科問的聯系，更好地理解知識學習與實際應用之間的關系，促進學生成為主動的問題解決者。本課題研究致力基于生活的STEM項目式學習的設計與實施，以期更好地為師生發展服務。

STEM項目式學習的設計要基于生活和實踐

STEM項目是指以數學和科學為基礎，通過工程、技術等手段去解決問題，最終以實物或報告等方式展現成果的跨學科的學習過程。21世紀初，藝術在發展學生創造性和批判性思維中的作用受到重視，故STEM又豐富為STEAM，STEM教育的內涵還在不斷發展與完善。

STEM項目式學習需要圍繞科學核心概念的掌握或核心能力（思維與方法）的培養目標而設計，我們在項目內容的設計中堅守了5個原則：生活化、實踐性、適切性、自主性、可行性。

基于此，我們探索出三大設計策略：

1.聯系生活世界，挖掘研究問題。生活中的科學無處不在，豐富多彩的自然界本身就蘊含著無窮的科學奧秘，科技產品的研發也離不開科學原理的發現。科學原理是科技的原始動力，利用身邊的器材探秘高科技的成果使學生感覺科學原理不再遙不可及或深不可測。比如，對偏振太陽眼鏡、磁懸浮列車等原理的探究。再如，與我們日常飲食有關的酵母發酵、食品添加劑應用、自來水如何消毒等。圍繞這些問題設計，很容易激發學生的探究興趣。

形形色色的新聞、真假難辨的傳言等，都能挖掘出很多與科學有關的問題。比如，有一種不需要電的空調就可以改善孟加拉國人的生活現狀，是真的嗎？LED燈的藍光會傷害眼睛，是真的嗎？吃了用過“魚浮靈”的魚會致癌，是真的嗎？為了找到這些問題的答案，我們自己去尋找證據。在這樣的科學探究中，學生不僅學會了用科學方法解決問題，也培養了勇于質疑、善于探究的科學態度和用證據說話的科學精神。

2.依托科學實驗，生發研究主題。科學離不開實驗，但有些實驗在基礎性課程中因各種限制而無法實現，這為拓展性課程的項目開發提供了素材與思路。基于研究方式的不同，我們將這些研究主題分為設計與制作、檢測與探究兩大類型。在設計和制作類型中，有詳細的步驟，我們還增加了一項“撰寫實驗報告”。比如，制作簡易照相機的任務要分解為：（1）測出凸透鏡的焦距。（2）制作一架簡易光學照相機。（3）撰寫一份實驗報告，內容包括原理、實物結構、制作步驟或產品使用說明等（包括原理圖、主要參數、產品結構圖、使用方法等）。（4）利用自己制作的照相機來研究成像的規律和特點。

學生的探究并不會因為作品的完成而結束，恰恰是另一個探究的開始。如在制作完成各種水果蔬菜電池后，在評比哪一組電壓最高時，學生提出了一系列問題：不同的水果制成電池，提供的電壓相同嗎？是不是串聯的水果越多電壓就一定越高？用不同的金屬制成的電極，效果一樣嗎？水果電池的電壓大小與插入金屬的表面積大小有關嗎？生活中用到的電池有哪些類型？電池的應用、廢棄及環保問題如何？每個小組對以上感興趣的問題進行二次探究。

3.整合研究主題，豐富研究項目。開發了一定量的研究主題后，我們重新梳理與分類，根據主題問的聯系進行項目整合，增強探究的連續性和有效性。在生活中，為了使面包饅頭松軟，我們可以添加酵母菌發酵，也可以添加膨松劑如小蘇打或復合膨松劑等，由此我們開發了“性質比較”研究主題，如蘇打與小蘇打的區別等。隨后，我們將酵母活性探究、蘇打與小蘇打的性質比較探究等主題整合到了“廚房里的科學探究”項目中。

我們整理出的項目越來越豐富，包括廚房里的科學之面包松軟的秘密、廚房里的科學之營養與健康、化學與生活之飲水與健康、化學與生活之洗滌劑的研究、神奇的遺傳與變異、光的秘密、電與磁的奧秘、天文與地理觀測等。我們將這些項目分為實物制作型、實驗探究型、綜合應用型、學科整合型四大類。不同類型的項目式學習在培養目標、研究方式、學習對象、評價方式等方面的側重點各有不同。

以“任務”帶動項目研究，以項目研究建構認知

項目設計之后，關鍵是實施。為了不讓每個項目變成“走過場”，我們非常注重任務的設計和實施。

1.基于設計的實物制作型項目式學習，以問題為導向，以多個任務為手段，分步解決真實情境中的問題。完成一件實物作品，需要對實物的原理進行調查了解，強調讓學生經歷設計與制作，包括明確目標、資料收集、合作交流、方案構思、模型制作等一系列過程。

以光譜儀的制作與探究為例。我們首先提出問題：LED燈的藍光對眼睛有害，是真的嗎？如何購買LED燈？自然界中的彩虹是光的色散現象，是最簡單的光譜，生活中用到的白熾燈、日光燈、LED燈的發光原理有何不同？光譜分析儀現在被廣泛應用在空氣污染、水污染、食品衛生等檢測中。

在自制光譜儀中，我們設置了5大任務。

鋪墊任務1：發現自然界中的各種光譜，設計彩虹的形成系列實驗（從自然彩虹到人造彩虹）。

鋪墊任務2：了解光譜學的發展史（知識拓展）。從自然界的彩虹到牛頓的色散實驗，到夫瑯和費暗線的發現，再到德國科學家本生與基爾霍夫在19世紀60年代創建的實用光譜學。

核心任務1：制作光譜儀（了解器材與步驟、設計與制作）。

核心任務2：利用光譜儀研究光譜（探索與發現、驗證與解釋）。要求觀測太陽光、白熾燈、日光燈、節能燈、LED燈、液晶顯示屏等光源的光譜，發現規律。提供檢測與探究報告一份。

拓展任務：了解LED燈的發光原理，給購買和使用LED燈的人提供一份說明和建議。

實物制作型項目式學習設置了原理鏈接、知識拓展、了解器材與步驟、設計與制作、探索與發現、驗證與解釋、表達與交流等環節，這些環節不—定線性執行，可以循環交替。學生除了要在真實情境下完成多個現實的任務外，同時要把制作或探究過程以及指導生活應用等以報告的方式表達出來，這不僅聚焦于動手能力，更注重設計思維與表達能力的提升。

2.基于方法的實驗探究型項目式學習，讓學生經歷完整的科學探究過程。完整探究是指學生自主進行，該項目式學習的基本流程包括：生成研究主題、制訂研究計劃、撰寫研究方案、開展實驗、數據分析、結果解釋、成果呈現、研究反思等環節，繪制流程圖如上。

STEM項目研究是要在能夠使用科學研究方法驗證的領域內，通過實驗手段來解決問題。而科學研究有一個過程，用這種過程對在自然界中觀察到的現象進行系統研究、調查，并提供解釋。一般都需要設計實驗，來觀察、測量和檢驗他們的觀點和假設。STEM項目式學習為學生創造模擬科學探究和認知的過程，教給學生科學的思維方法和科學探究方式。

3.基于應用的綜合應用型項目式學習，就是從_個能激發學生興趣和好奇心的“生活事件”開始，讓學生看到為了解決問題而獲取知識、理解概念并運用技能的必要性，從而產生內生的學習動力和興趣。

以酸堿鹽的知識學習為例，傳統的學習按照教材的知識序列展開，先學習酸的性質，再學習堿的性質，最后學習鹽的性質，缺乏三者之間的知識關聯。但酸堿鹽知識在生活中的應用是非常多的，我們運用發散思維，以應用產品為中心尋找與酸堿鹽有關的主題，將零散知識的學習與綜合應用整合到了一起。比如，引導學生開展兩個項目：一是家庭各種洗滌劑的酸堿性研究，讓學生調查家中所用洗滌劑的種類、成分表、去污范圍、使用方法和注意事項，并檢測不同洗滌劑的pH值。二是利用廢油自制肥皂。在這個過程中學生自然就學習了酸堿鹽知識。

4.基于跨界的學科整合型項目式學習，以提升創新能力為主要目標。STEM項目本質上是一種跨學科、綜合性的研究項目。學生在社會上遇到的問題不同于單一的學科性問題，而是復雜情境下的問題或任務，需要研究后作出決策。

以“橋梁探究”項目為例，橋梁在歷史、建筑、工程、文學、藝術等方面都有其獨特的研究價值。我們引導學生對杭州的橋梁進行實地考察，開發出橋梁的歷史背景研究、橋梁與經濟研究、結構分型、橋梁建模、不同橋梁的受力比較等不同主題，最后在模擬情境下讓學生給出橋梁建設方案的論證分析，以小組合作的形式交流成果。

完整地參與一次STEM項目，不僅是一次知識學習的過程，更大的意義在于引導學生綜合運用各學科知識模擬科學家探索世界、認知世界，從而在大腦中建構自己認知的過程。

STEM項目式學習是發現問題、不斷細化問題、破解問題的過程。所以，對學生的評價不能只看重結果，還要注重整個過程中學生展現出來的能力。

我們的學生評價方法有三個特點。

一是注重形成性評價。收集、積累能夠反映學生閱讀與發展的材料，納入成長記錄袋。

二是強調評價主體的多元性。加強學生的自我評價和相互評價，促進學生主動學習、自我反思，尊重學生的個體差異，讓評價更好地發揮其檢查、反饋和激勵的功能，有效促進學生的發展。

三是注重以展示促評價。重視利用量表對學生進行評價，讓學生通過展示自己的研究思路、研究過程和研究成果，展現自己的邏輯思維能力、語言表達能力、自信心等綜合素養。

教師、學生與學校之間的彼此成就

兩年多來，我們的收獲太豐厚了。

1.豐富了課程資源。課題組成員開發的《STEM項目式學習》課程填補了空白，我們不斷開發教學素材并對應開發實驗包，為本校基礎性課程的整合、拓展性課程的開展提供了優質資源。在杭州市名師展示課活動、杭州經濟技術開發區課題成果推廣會上展示、推廣成為區域拓展性課程開發的樣板。

2.提升了學生的學習興趣和實踐能力。我們開發的每個項目都與學生的生活緊密聯系，與學生已有的知識和能力水平相匹配。而解決問題不是我們探究的終點，學生還會在其中發現新問題，—直保持著探究的強烈欲望。比如，通過芬達的褪色實驗和對添加劑的調查，學生主動提出希望研究添加劑的性質、作用、標準、檢測等問題。每個主題都有實踐內容，或制作，或檢測，或搭建。如在制作孔明燈時，沒有一次成功，經過多次改進，當孔明燈最終成功起飛時，學生經歷了從知到行到知的學習過程，收獲了解決問題的方法以及堅持不懈的品質。還有多名學生在杭州市科技節創新大賽中表現優秀。

3.提升了教師的課程開發與實施能力。兩年多來，科學團隊通力合作，我們課題組成員一起研究《STEM項目學生研究手冊》，去研究、分析STEM理念;去學習上海和溫州的經驗，參加各種相關的培訓、學習;共同研究德國、美國、日本等國的科學教材，了解和借鑒綜合性學科的課程設計與實施情況等。從上公開課到開發科學實驗，從設計一節課到課程開發，教師整合學科教學的能力、項目式學習的組織與指導能力、創新教育教學的能力等都得到了明顯提升。我們的教師還圍繞“STEM項目式學習”在全省的科學教師培訓中開了講座。

這些收獲除了來自科學團隊的努力外，還需要學校的支持和校外資源的整合利用。

除了學校的普通實驗室，我們還開辟了一問STEM項目式學習專用實驗室，配備專業資源。STEM項目式學習主要在拓展性課程、基礎性課程和暑期社會實踐中進行，學校配有周課時、月課時、學期的階段性課時供學生選擇。同時根據項目需要可以靈活組織40分鐘、80分鐘的長短課，這使得項目式學習能夠順利推進和落實。

學校所處的杭州經濟技術開發區最大的資源優勢是高校、企業眾多。我們圍繞不同主題，分別與區內的浙江工商大學、浙江水利水電學院、杭州電子科技大學合作，帶領學生到大學實驗室參觀、上課，或請大學相關專業教師到校上課，這對課程的開發和深度研究功不可沒。

本文系浙江省杭州市基礎教育研究項目“基于生活化的STEM項目式學習的設計與實施的研究”課題（項目編號：L2016178）的研究成果

責任編輯 冀曉萍