STEM教育背景下小學生問題解決能力培養課程設計

王蕊　詹鏡　焦新月　范淑文　王培鑫

我國發布的《中國STEM教育白皮書》將STEM教育納入國家創新性人才培養戰略，強調構建系統化的STEM課程。[1]STEM教育注重學生學習與實際生活之間的聯系，強調“做中學”“學中做”的教學理念，注重開展基于真實問題情境的探索式學習。[2]雖然STEM立足于真實問題情境，但是現有的STEM課程缺乏對學生問題解決能力的培養。因此，本文結合王一敏等人提出的STEM理念下中小學生問題解決能力培養模型，設計主題為“神奇的航海尋寶之旅”的STEM課程，以期通過實際課程培養小學生問題解決能力。

● 文獻綜述

1.STEM教育

STEM教育旨在通過科學、技術、工程和數學四門學科的有機整合，培養學生的STEM素養，即讓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，從而培養學生的創新能力和綜合實踐應用能力。[3]從特點來看，余勝泉強調STEM以整合的方式培養學生掌握知識和技能，能讓學生靈活遷移應用解決真實世界的問題，并提出了STEM教育的九個核心特征：跨學科性、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性。[4]

2.問題解決與問題解決能力

從問題解決的含義來看，問題解決是指學生在特定的情境下，按照一定的目標，運用所學的知識對面臨的問題采取一系列措施，使問題得以解決的過程。[5]從問題解決能力的培養來看，方慧惠結合中小學生核心素養，制訂了中小學生問題解決能力培養目標，從教學過程中創設情境，引起學生問題意識，加強問題解決實踐，促進中小學生養成問題解決能力。[6]

3.基于STEM教育培養問題解決能力

STEM教育中，強調利用多學科相互關聯的知識解決問題，實現跨越學科界限，從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決實際問題的能力的教育目標，這些問題往往是真實的，并將問題轉化為可執行的任務，讓學生通過協作完成學習任務并外化學習結果。[4]根據目前在跨學科真實情境中解決問題的實踐研究，可以看出STEM教育對中小學生問題解決能力培養有以下支持作用：①創設真實情境，聚焦學習目標;②提供多元工具、交叉學科知識;③群組互補交互，促進互動協作。[7]因此，STEM教育對學生問題解決能力的培養有積極作用，讓學生通過協作，切身感受問題解決流程，完成教學任務并切實學習跨學科知識。

目前STEM教育在我國蓬勃發展，在理論研究、跨學科教學設計以及課程建設等方面取得了豐碩成果。在STEM教育背景下學生問題解決能力培養的研究也有一定進展，如樊雅琴等人通過分析問題解決的學習機制，設計了問題解決模型[8];秦瑾若等人提出基于真實問題情境的跨學科式STEM教育的應用模式設計[2];王一敏等人構建了基于STEM理念的中小學生問題解決能力培養模型。[7]但是，將STEM教育融入我國基礎教育還存在很多挑戰，如何在實際課程中基于STEM教育培養學生的問題解決能力仍然值得我們探索。

● 基于問題解決能力培養的STEM課程設計模式

STEM教育是一種典型的建構主義教學實踐：為學生提供學習情境，讓他們積極地建構知識，從而強化對知識的記憶和促進遷移;以小組為單位進行活動，為知識的社會建構提供優越條件。[9]因此，STEM課程的教學活動環節設計需要滿足建構主義教學實踐的幾個基本要求：①學習情境;②待學習的知識或待解決的問題;③小組合作探究。

問題解決是一系列的心理認知過程，為了尋找解決問題的途徑，學生需要經過一系列思維活動，運用多學科知識，將其應用到具體的問題情境中。[7]因此，在培養學生問題解決能力時，應面向每一個環節進行設計，注重情境的創設和跨學科知識的融合，這與STEM教育的教學理念相輔相成，將二者有效融合，能夠很好地培養學生的問題解決能力和跨學科整合學習能力。

本文將STEM跨學科項目設計模式中的學習活動過程設計環節與學生問題解決能力的培養緊密聯系，結合STEM項目設計模式[4]以及STEM理念下中小學生問題解決能力培養模型[7]，得出一種基于問題解決能力培養的STEM課程設計模式（如圖1）。本模式在“教學分析”的基礎上，以“問題”為核心立足點，設計問題解決過程中的學習資源與工具、學習支架、學習評價等關鍵環節，并參考問題解決能力培養模型設計學習活動過程，同時關注項目完成后，學生獲得知識的系統化與結構化遷移，并有相應的強化練習與總結提升，引導學生做中學，以培養學生在真實情境中運用知識解決問題的能力。

● 基于問題解決能力培養的STEM課程教學設計案例

1.確定項目主題

（1）項目主題闡述

本套課程以“神奇的航海尋寶之旅”為主題，共設計6個課時的系列課程。結合科學、技術、工程及數學知識，將學生置身于真實的情境中，利用編程學習中的“順序結構”“條件判斷語句”和“循環結構”知識，同時結合位置、坐標、方位角等知識，組織學生合作探究，讓學生解決問題，完成尋寶任務，在此過程中逐步培養學生的問題解決能力。

（2）跨學科知識地圖分析（如下頁圖2）

（3）學生特征分析

本套課程面向小學六年級學生，首先，學生具有一定的圖形化編程基礎，學習態度端正，養成了一定的學習習慣;其次，學生對實際的探究問題有濃厚的興趣，愿意嘗試新奇的課程;最后，部分學生動手操作能力較差，獨立解決問題的能力偏弱，需要教師和同伴的引導進行學習。

2.分解教學任務

（1）最優路線選擇

學生通過教師給定的寶物位置和行駛起點，根據mBlock平臺的積木代碼，編程實現理想化狀態下起點與寶物之間的最短路線。

（2）礁石問題

學生通過學習礁石的形成原因，分析如何在行進過程中躲避礁石，得出躲避礁石路線，并使用mBlock編程平臺實現礁石的躲避路線。

（3）臺風問題

學生通過學習臺風的形成原因及危害，利用數學知識解決臺風躲避問題，運用編程實現小船的信息傳遞行駛路線。

3.教學活動設計

（1）活動一：最優路線選擇（80min）

本環節通過最優路線的選擇，讓學生應用知識，將知識與實際問題的解決聯系起來，根據問題的實際情況提出相應的解決方案，以培養學生的創新精神與實踐能力。

①發現問題。教師為學生陳述問題情境：假設你在海上航行時發現了一個寶物，請設計兩種方法讓你的船到達寶物所在處。學生通過教師的講述了解了問題情境，明確了要解決的問題。

②分析問題，合作探究。學生通過分析問題，分解教學任務，指出小船到達寶物所在處的兩種路線。通過教師的問題引導，學生思考如何讓小船按照一定的距離和方向連續運動，并嘗試通過編程實現運動。

③確定問題解決方案，修訂方案。學生按照小組討論的方法進行編程，使小船按照兩種路線抵達寶物所在處。在規定時間到達后，教師展示正確的代碼，讓學生思考哪種路線更短，并討論實現最短路徑的編程方法，修改完善問題解決方案，以拓展學生的思維能力。

④總結反思。教師帶領學生總結本節課所學知識，并明確兩點之間線段最短。學生獨立完成課堂反思記錄表，來及時反思本節課的問題解決過程。

（2）活動二：礁石問題（80min）

本環節旨在讓學生整合各學科知識解決實際問題，學生通過獨立思考、小組合作的方式，探究問題的解決方案，教師在這一過程中為學生提供必要的幫助，逐步引導學生運用所學的顏色傳感器、條件判斷語句解決實際問題，以培養學生的協作能力、交流能力、問題分析能力。

①發現問題。教師請學生觀看礁石形成視頻，然后陳述問題情境，學生觀看完視頻后，傾聽教師的陳述，獨立思考問題。

②分析問題，合作探究。教師幫助學生分析問題，構建問題解決的思路，學生合作探究問題，分析礁石的特點以及如何實現小船在行進過程中的礁石識別。學生通過獨立思考，發現可以使用顏色傳感器判斷礁石的出現。小組討論，得出判斷是否可以使用條件判斷語句躲避行進途中的礁石。

③確定問題解決方案，修訂方案。各小組為小船連接顏色傳感器，設置黑色為預警顏色，當顏色傳感器識別出黑色時，代表行進前方有礁石出現。編寫條件判斷語句，并將程序輸入小船，以達到當顏色傳感器識別到黑色時，小船立即停下的目的。在確定方案之后，小組各自進行實踐，確保小組所設計的程序能夠實現小船車躲避障礙物并停下。最后，根據教師給出的范例進行解決方案的修改、調試，以實現最終的問題解決方案。

④總結反思。教師總結條件判斷語句知識點;學生將自己小組的方案與教師呈現的方案進行對比，復盤整個問題解決過程，并完成課堂反思表。

（3）活動三：臺風問題（80min）

本環節是上一環節的遞進，也是將數學（位置與方向）、科學（臺風）、編程等知識融合的關鍵環節。本環節將實際知識與真實問題結合，發揮學生問題解決的主體作用，引導學生運用所學的傳感器、順序結構、條件判斷語句解決實際問題，逐步培養學生解決問題的能力。

①發現問題。教師讓學生觀看臺風的危害視頻，然后陳述問題情境，學生觀看視頻，傾聽教師的陳述，思考問題。

②分析問題，合作探究。教師引導學生分解問題，合作探究問題，分析其中所需的知識。通過小組討論，得出小船行進方案，并利用礁石判斷程序檢測行進途中的礁石。

③確定問題解決方案，修訂方案。首先計算出小船的臨界速度，然后檢測行進途中的礁石。之后編寫程序，并輸入小船，使小船按照臨界速度行駛。最后，小組交流，各小組針對教師提出的修改建議進行解決方案的修改、調試，以實現最終的問題解決方案。

④總結反思。學生復盤問題解決過程，小組成員之間進行交流討論，總結各自的意見觀點并完成課堂反思表。

4.教學支持文檔設計

學習活動指導資源：Mbot小船的構件、組裝參考材料、坐標紙、寶藏模型、組裝好的小船。

學生學習記錄文檔：活動中的小組合作任務單及課堂記錄反思表。

學生自主學習評價表格：問題解決能力調查問卷、問題解決能力調查量表、數學方向角及位置坐標基礎知識測驗、小船基礎出行語句模塊測試。

● 結語

本文結合STEM項目設計模式以及STEM理念下中小學生問題解決能力培養模型，得出了一種基于問題解決能力培養的STEM課程設計模式，在問題解決過程中貫徹跨學科整合理念，引導學生做中學，以培養學生在真實情境中運用知識解決問題的能力。

根據此模式，為學生創設情境，立足于真實的航海問題，設計需要整合各學科知識內容解決的問題，通過mBlock編程平臺，融合各學科教學內容，結合問題解決能力培養模型的步驟，設計相應教學環節，形成本套課程。整套課程的設計過程與STEM項目設計模式相符，將各學科的知識進行整合，促進學生知識運用能力、問題思考能力、協作探究能力的提升。

本團隊在后續研究中會繼續將此模式應用于實踐中，并針對實際應用中存在的問題，不斷進行完善與修改，從而將STEM教育與各學科課程內容的整合落到實處。

參考文獻：

[1]中國教育科學研究院.中國STEM教育白皮書[EB/OL].http：//www.ict.edu.cn/uploadfile/2018/0507/20180507033914363.pdf， 2017-06-20.

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[9]Sanders，M.（2009）.STEM，STEM education，stemmania[J].The Technology Teacher，68（04）：20-26.