基于PBL的STEM教學策略及實踐探索

鐘琦 唐遙 曾祥志

(1.贛南師范大學 數學與計算機科學學院，江西 贛州 341000； 2.贛南師范大學 物理與電子信息學院，江西 贛州341000)

中國教育科學研究院STEM教育研究中心發布的《中國STEM教育白皮書》指出，我國的STEM教育已經進入了蓬勃發展階段，在教育實踐、理論研究和教育政策等方面取得明顯進展。STEM教育有利于培養有創新思維、動手能力強的人才，以滿足經濟社會發展的需要。相關研究表明，基于項目的教學能有效激發學生對學習知識的興趣，提高學生的學習能力和在社會中的競爭力，影響學生的職業選擇[1]。目前，我國針對STEM教育教學方法的實踐探索集中在高校和科研所[2][3]，在基礎教育領域的一線教師很少有效開展STEM教育實踐[4]。我國基礎教育，尤其是經濟欠發達地區的中小學教育，一些地方著眼于學校的升學率，忽視學生的個性發展，學生學習負擔過重，導致其學習積極性和主動性較差。在項目式方法廣泛應用的背景下，探索新的STEM教育教學實踐方式對我國尤其是經濟欠發達地區的基礎教育能起到一定的輔助和推動作用。

一、相關概念

（一）STEM教育的概念

STEM由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫組成。每個學科各自的優勢和作用在STEM的結合下組成一個整體，貫穿了多技能綜合教學，著眼于學生全面發展，并有效順應時代需求。STEM是對數學、科學、工程、技術等學科的有機融合，突破了傳統單一的學科教學模式，有利于增強學科之間的橫向聯系，是當下對學生智力發展和知識技能提高的一種有益的創新教學模式。

STEM教育具備技術增強性、趣味性、協作性、多維性、藝術性、跨學科性、體驗性、情境性、設計性等九大特征[5]。它將多個學科進行有機融合，特別注重創新。它強調教學過程中學生的學習興趣和主動建構知識的重要性；要求教師創設良好的學習情境，學生在情境中學習才能形成穩固而深厚的智慧；提倡發掘新的學習方法和學習技能，注重數字化、信息化學習，使學生在特定的條件支持下學習，從而取得一定的效果；倡導參照一定的目標主題開展學習，結合教學評價機制和信息反饋。

目前我國中小學致力于發展STEM教育，經濟發展水平較高的沿海地區、東部地區STEM教育普及面廣、形式多樣、實踐較多，欠發達的中西部地區、邊遠少數民族地區，由于教學條件、師資力量相對薄弱等因素，STEM教育有待提高。發展STEM教育是大勢所趨，如何更好地結合本地區的時間、空間、教師、學生、教學設施和信息資源等因素，探索出一條符合本地特色的STEM教育模式是大多數基礎教育工作者關注的現實問題。

（二）PBL的起源與發展

PBL（Project-Based Learning）最早由美國教育家帕克和杜威提出，是從農業和手工業借鑒而來的，隨后才被延伸到課堂教學。PBL項目式教學法是一種通過教師和學生一起完成項目，從而共同取得進步的教學方法。PBL的突出特點是：把項目作為主軸，教師引導，以學生為主體。主要體現在：目標指向多重性；培訓周期短，見效快，可控性好，注重理論與實踐相結合。學生在教師有目的、有計劃、有步驟的引導下,解決一個個相對獨立的問題，其中涉及的信息收集、方案規劃、項目開展和項目評價都由項目組學生分工協作完成。學生能積極主動地參與到項目中，熟悉并掌握項目實施的全過程和每一個中間環節中的基本操作流程和方法。

二、 基于PBL的STEM教學策略

目前，教育界較為典型的學習方法主要有以下幾種：問題式學習、探究式學習、設計式學習和項目式學習。其中，項目式學習為學生提供了融入真實情境的體驗，這些體驗能夠輔助學生學習，幫助學生對科學、技術、工程和數學各領域的知識加深理解，因此成為廣泛關注的焦點。

基于PBL的STEM教學提供了豐富的學習情境，引導學生自主思考并解決若干實際問題，要求小組成員共同協作完成任務，展示并介紹最終成果與所涉及的相關知識點。因此，好的項目設計是教學成功的關鍵。

首先，學習環境設計要把握以下原則：①學生易獲得學習內容，即讓學生在當前的學習環境和背景下，能夠直接接觸到所要學習的知識；②思維過程具有可見性，即讓學生能夠清晰認識到解決問題過程中的邏輯思維；③引導學生向他人學習，即讓學生在合作交流的過程中能夠吸收、整合他人的觀點；④促進學生主動學習，即讓學生通過參與活動，學會學習。

其次，教師要深刻認識到學生并不是空著腦袋進入學習活動中的，在STEM教學活動中要深入結合學生已有的知識經驗，并要促進學生的“元認知”的發展，即學生意識到自己的思維并對之進行反思的知識和技能。

最后，教學內容設計要注重以下幾點：①優選項目，設計應體現學科知識的相互融合；②激發興趣，設計合適的項目導入方式，激發學生的學習熱情；③激勵學生，鼓勵學生根據現有條件和自己的認知水平設計出相應方案；④有效指導，教師的有效指導是學生完成任務的關鍵，有方向、有目標，學生的實踐操作會更加輕松；⑤促進優化，優化過程是學生對學習的反思，分析評價是學生對學習的總結，有總結才有收獲[6]。

在基于PBL的STEM教學活動中，學生一般要經歷“問題分析—調查設計—選擇評估—作品制作—測試改進—現場演示—反思評價”七個環節，層層遞進，縱向深入。學生的活動滲透并融合了教學的要素，貫徹了STEM育人的理念。基于PBL的STEM教學應將教學過程、實踐操作、實驗探究、工程設計、學習思考、小組合作等合為一體，引導學生進行有效的學習，獲得切實的體會，充分激發學生的潛能，使學生形成良好的邏輯思考能力和動手操作能力。

三、基于PBL的STEM教學實踐

本文以江西省全南縣首屆青少年科技運動會中的某個競賽項目為例，研究并探索基于項目的STEM教學流程。2019年10月26日，由全南縣科學技術協會、教育科技體育局聯合主辦，贛南師范大學創新工場承辦的全南縣首屆青少年科技運動會成功舉行。本次科技運動會吸引了全縣27所中小學的310名參賽選手及指導老師、裁判員、志愿者共計500多人參加，共進行了水火箭、鐵絲陀螺、拋石機攻城、紙橋承重、落體緩降、氣弓箭共6個項目12個組別的競賽。本次運動會的總體目標是培養青少年科學思考、追求真理、勇于創新的精神，讓他們養成愛科學、學科學、用科學的習慣，提高對科學學科的學習興趣，促進青少年德、智、體、美、勞全面發展。所有項目前期都經過了“教師培訓—原理學習—項目說明—學生選拔—組織參賽”的準備環節。在實地參賽過程中，參賽選手分組經過“問題分析—調查設計—選擇評估—作品制作—測試改進—現場演示—反思評價”等流程，按照比賽要求完成項目任務。各個項目盡管形式不一，制作的原理和要求也不一樣，但是對STEM教育的推廣和應用都起到了“橋梁”作用，是STEM教育的創新實踐，促進了學生的全面發展。

接下來，筆者以“紙橋承重”為案例來說明基于項目的STEM教學過程。

(一)案例背景

“紙橋承重”項目涵蓋了數學、工程、技術、科學、物理等學科，是一個非常適合青少年個性發展和年齡特征的綜合性STEM教學案例。該項目要求學生借助一些簡易的現成材料，發揮自己的想象力、創新和創造力，設計并制作出紙橋，能夠根據制作作品的親身經歷并結合原有的知識經驗背景獲得“重量、壓力、長、寬、高”等物理概念并加深理解，探討出影響紙橋承重的因素有哪些。學生以小組為單位在規定時間內制作出紙橋，經歷多次修改，因此在作品制作過程中會涉及“因素分析—紙橋設計—選材制作—承重實驗—作品修改、記錄”幾個基本環節，后兩步往往有多次循環，直到滿意或者比賽時間到為止。學生學會了完整的紙橋制作流程，領悟了工程設計和技術實施的要點，提升了計算思維能力和動手操作能力。

(二)案例描述

1.項目主題

該項目的主題為“紙橋承重”，紙橋作品成品示意圖如圖1所示。

2.項目目標

圖1 紙橋作品成品示意圖

學生通過團隊協作，運用生活中常見物品，如紙張、膠水或膠帶、鋼直尺、剪刀、鉛筆等材料和工具，思考、設計、制作出紙橋，加深對“重力、壓力”等物理概念的理解，深入探討影響紙橋承受的重力的因素，體會其中的工程理念，掌握一定的設計和作品制作技術，形成良好的計算思維。

3.項目過程

根據“紙橋承重”項目的任務要求和預期目標，該作品制作過程要經歷獨立思考、問題鉆研、制作紙橋、小組演示、總結反思等環節，如表1所示。

表1 紙橋作品制作過程中的活動環節和具體內容

續表

4.項目資源

項目資源是指項目實施過程中所需的材料和相關工具。

“紙橋承重”允許使用的材料有A4紙35張、液體膠水 1 瓶（10ml）、雙面膠 1 卷（8mm×10m）。以上材料由賽事組委會統一提供，各參賽小組不得自帶。（注：如用完膠水，膠水瓶身不可作為紙橋的制作材料。）同時，還可以有以下輔助材料：小組自備的草稿紙、繪圖筆、簽字筆、作品設計單和登記表等，用作比賽前期和后期的紙橋制作準備和完善工作。（注：輔助材料不得用作紙橋。）

“紙橋承重”比賽時可用參考工具包含鋼直尺、美工刀、剪刀、鉛筆、圓棒、墊板等，均由各參賽小組自備。

5.項目要求

“紙橋承重”制作要求：不限制紙橋構造結構，要求制作好的紙橋能夠放入測重裝置兩個橋臺之間的位置（橋臺高度為14cm，寬度為15cm，間距為50cm，如圖2所示），橋面不能搭到橋臺平面上，橋面能通過測重車（為同步輪履帶車，如圖3所示）及測重物。不能同時滿足以上要求的橋梁視為不合格，不得進行承重測試。

圖2 “紙橋承重”項目測重裝置“橋臺”示意圖（單位：cm）

圖3 “紙橋承重”項目測重裝置“測重車”示意圖（單位：cm）

6.測試規則

（1）參賽小組將完成制作的紙橋交至測重區，按裁判要求對紙橋稱重、貼標簽、抽簽確定比賽順序。

（2）測重時由參賽小組自行將紙橋放置至測重裝置的兩個橋臺之間，紙橋不得粘接到測試裝置；選手將障礙物通過橋主跨，不能通過則不得進行測重；自行選擇組委會提供的測重重物，加載至測重車上，加載完畢，通過遙控器操控測重車從一側橋臺通過橋面行駛到另一側橋臺上停下，測重車能完全通過橋面則此時承重量記為有效。每組有3分鐘測試時間，3分鐘內不限測試次數，取承重量最大一次記為最終成績。

（3）測重車行駛過程中不得觸碰紙橋及測重車，兩次測重之間可以對紙橋進行整理、扶正、位置調整、加固，加固只能利用紙橋本身的材料，不能從場外拿取。

（4）測重車從橋臺駛不上紙橋、在橋面行駛過程中傾倒掉落、行駛不到對面橋臺即為失敗，終止該次測試。

（5）測重結束后，由裁判對紙橋進行破壞性檢查，如發現紙橋內夾雜有其他非組委會提供的影響承重的材料則視為違規，取消成績。

（6）比賽結束，以測重車所承載重量大小順序排名，若承載重量相同，則紙橋自重輕者勝。

（7）人員構成：每個小組4～5位學生、1位指導老師。

7.項目評價

“紙橋承重”作品評價要素主要包括紙橋自重量、承重量、穩定性，作品設計清單和實驗記錄等。

（三）案例具體說明

“紙橋承重”項目的教學及實施流程如圖4所示。

圖4 “紙橋承重”項目的教學及實施流程

項目實施前準備環節，即“紙橋承重”相關培訓，包括原理的學習、項目的說明、學生的選拔等事宜，其中老師需引導學生了解項目、提高學生參與度。接下來的教學實踐中，教師要創設良好的、規范的、真實的工程情境，即“打造出一座橫跨兩岸的堅固的橋，使其能承受盡可能多的重量，又能使橋上的通行車輛安全通過”，從而引出“紙橋承重”項目學習要接觸的重力、壓力等科學概念。同時根據項目的要求選取相應的實驗材料，如若干A4紙、鋼直尺、美工刀、剪刀、鉛筆、圓棒、墊板等，指導本組學生進行實驗探究。在學生進行研究和制作紙橋的過程中，教師要提供適當的指導，幫助學生順利開展紙橋制作，同時記錄學生實驗探究和作品制作過程中的難點和易錯部分，包括紙橋的形狀設計、幾何圖形選取和拼接、膠水粘合紙張的操作等。在紙橋初步制作完成后，教師指導本組學生進行紙橋承重檢測，優化、改進紙橋的不足之處。最后在作品展示之后要引導學生進行學習交流，總結經驗。

參賽小組學生在指導老師的帶領下進行紙橋的探究、設計、加工，系統完成“紙橋承重”項目作品制作。首先，小組學生進行問題分析，根據各自已經掌握的知識經驗分析、理解問題，初步設想紙橋的外觀和形狀并進行討論；其次，在實驗探究、調查之后，根據影響紙橋承重的因素權衡方案，選擇合適方案，此過程在時間允許的情況下要反復經歷調查、設計、評估、選擇幾個環節，旨在為紙橋的制作做好全面的準備；然后，相互協調、分工合作，根據紙橋的設計進行成品的制作，包括用紙張制作所要求的形狀、對材料和工具的調度、進行紙橋組合和拼接等；再次，要將制作好的紙橋模型放入橋臺，用規定的器材進行簡單承重測試，觀察數據并記錄，改進、完善紙橋，不斷提高作品質量，在能發現問題并時間允許的條件下重復進行這幾個環節；最后，在現場演示、評委打分后，根據最終成績進行反思總結、交流經驗，并記錄學習心得，做好小結。

在“紙橋承重”的學習過程中，小組學生經歷了知識的遷移拓展、學習的遷移升華，不僅拓寬了知識面，而且自我學習能力得到了提高，同時鍛煉了實踐能力，也領會了新的學習經驗。

(四)案例評價

在“紙橋承重”的STEM項目教學流程中，學生以小組合作的形式與指導老師共同經歷了工程設計、技術應用、項目實施的過程，增強了團隊凝聚力和合作學習能力。學生在“紙橋承重”的STEM項目教學具體情境中，通過思考交流、探究討論為紙橋制作奠定了理論基礎，培養了嚴謹的科學研究方法和態度。在紙橋的制作過程中，將科學、數學、物理、技術和工程等學科相關知識與技能運用于實踐中，學生手腦結合、理論聯系實際、知識與技能并重。這一過程把知識教學、科學研究和工程實施有效結合，增強了學生的創新思維和實踐學習能力，有利于教師的成長和學生的成才。

“紙橋承重”項目的教學調動了教師教育的熱情和學生學習的積極性，教學過程組織有序、教學資源發揮得當、教學效果良好，是基于項目的STEM教學的一次良好的實踐，是欠發達地區推行STEM教育的有益嘗試。欠發達地區要最大限度地發揮自身的優勢，整合當地的教育資源，加強對STEM教育專業師資的培訓，創新驅動、卓有成效地開發適合本地區教育發展的STEM教學項目，并加強實踐，才能不斷縮小和發達地區STEM教育的差距，以促進學生的智力發展，培養新時代所需要的人才。

四、總結和展望

從當前我國教育發展現狀來看，在學校課程設計上，多學科橫向滲透交叉學習有待更深入地開展，將工程、科學、數學等多學科融合教學尚須進一步推廣，尤其是欠發達地區。基于項目的STEM教學在學生科學探究、工程設計、技術素養和數學思維能力的培養方面，以科研、工程、技術、項目相整合的方法實現了跨學科探究學習與綜合應用[7]。當下，欠發達地區應利用已有條件，改革傳統的教學模式，朝大眾化STEM教育發展，以學生為本，提升學生的綜合素養。