基于STEM教育理念的項目式學習探索
——以“單透鏡望遠鏡的設計與制作研究”為例

喬 蘭

“STEM”指的是科學（Science）、技術（Tech?nology）、工程（Engineering）和數學（Mathemat?ics）四門學科。STEM教育強調將對科學知識的解釋、科學探究實踐以及教授內容與工程設計相結合，其目標是整合各領域的知識、技能，將課堂學習的知識運用于實際生活，培養創新型人才。其教學過程需融合各學科知識，形式上多結合項目式教學，主要開展研究性學習，實現跨學科整合，關注新技術及其實踐應用。

項目式教學強調學生計劃、實施并投入的過程，相比普通的學習任務有著更強的實踐性。將“項目”這一概念與STEM教育相結合，可以讓學生在真實的問題情境中，聯系已有的知識，調查研究、大膽設計、反復測試，將生活經驗與課堂學習相結合；同時，教師在課堂教學中將科學、技術、工程、數學等學科知識相互融合，使學生在解決問題的過程中提高創新能力，增強其社會責任感，提高其學科綜合素養。

一、基于STEM教育理念的項目式教學

STEM教育理念下的項目式教學，強調將課堂教學與師生的生活實踐相結合，解決實際問題。所以，在課堂上如何呈現富有真實性、趣味性和挑戰性的研究項目，整合各學科相關知識，培養學生的創新精神，提高學生的實踐能力，是教師需要思考的重要問題。本文中，筆者以“單透鏡望遠鏡的設計與制作研究”的課堂教學為例，說明在STEM教育理念的支持下，如何在物理課堂中實施項目式教學。

1.明確任務，構建標準。

在課堂正式開始之前，教師向學生介紹本課的學習任務：小組合作動手制作一架以針孔為目鏡的單透鏡望遠鏡，分析望遠鏡的制作參數對其成像效果的影響。

明確研究任務后，學生在教師的引導下查找并學習幾何光學和物理光學的相關資料，發現成像的分辨率、像的大小、像的亮度等因素都會影響人們觀察像的清晰度時的主觀感受。受實驗條件的限制，筆者最終選擇以上三個因素作為評價望遠鏡成像效果的標準。之后，教師可以引導學生從幾何光學和波動光學的角度深入研究小孔成像的過程，從理論上推導出分辨率與孔徑、物距和像距的關系，為后續學生自主實踐打下理論基礎。

2.引入項目，分組實驗。

基于以上理論基礎的鋪墊和對學生動手實踐能力的課前評估，筆者設計了兩個教學環節，讓學生在循序漸進的實踐過程中完成探究任務，提升自身科學素養。

教學環節1：自制開普勒式望遠鏡的引入

帶領學生進入光學實驗室，為學生提供實驗器材，引導其自行組裝一臺開普勒式望遠鏡，通過調試使之實現望遠的功能，同時借助光學儀器分析開普勒式望遠鏡成像的物理原理。

【設計意圖】通過活動調動學生的積極性，將書本上的知識應用到實際生活中，激發學生的研究興趣，在實踐后將研究內容回溯理論，引導學生分析成像原理、鞏固所學知識，在活動中感受知識的力量，產生學習的愿望和動力。

教學環節2：挑戰制作“單透鏡望遠鏡”

在了解了開普勒式望遠鏡的成像原理后，教師可引導學生思考并討論是否可以用針孔代替凸透鏡作為目鏡，制作一架單透鏡望遠鏡。

【設計意圖】在制作簡易開普勒式望遠鏡的基礎上，設置新的有難度的問題，打開學生的思路，為學生制造挑戰自我的機會，在研究中學會先從理論角度利用自己的物理學科知識儲備，分析實驗的可能性，之后利用簡單的實驗器材進行實驗，驗證理論的準確性和可行性。

學生在以上課堂活動中分成三個小組，分別設計出不同材質、性能的望遠鏡，各項數據如表1所示。

表1 望遠鏡材料明細表

3.小組互評，展現風采。

在課堂最后的評價環節，教師將學生分成匯報方、討論方及評價方，展開了一場熱烈而友好的討論交流會。

首先匯報方從課題分析、模型建立、理論分析、產品制作、評估與分析、結論、產品展示等環節對小組的研究過程進行匯報。接著，討論方針對匯報方的匯報，結合本組的研究指出匯報方在各個環節研究的優缺點，并針對問題提出需要進一步深入研究的方向。在這個過程中，討論方小組的研究過程及成果也得到了展示。在雙方討論結束后，評論方就剛才雙方的討論內容，概括雙方研究的重點問題，對雙方的陳述過程進行評價，總結雙方的優缺點，之后展示本組的研究過程及成果。

在以學生為主體的教學評價環節中，學生不僅展示了各自小組的研究成果，同時也在交流中發現了自己和對方研究中的優點和不足，提高了自身創新、動手實踐、總結反思等各方面的綜合素質和能力。

二、“STEM”項目式學習的收獲和反思

“單透鏡望遠鏡的設計與制作研究”以2017年IYPT比賽中第3題（https：//archive.iypt.org/poblems/）為靈感，結合學生的學情及我校作為“STEM教育基地”的特點，充分體現了STEM課程教育跨學科、項目式學習、解決生活中實際問題等特點。通過本項目的課堂教學實踐，筆者認為基于STEM教育理念的項目式教學應注意以下三個方面。

1.依據學科知識建構基礎模型，讓STEM項目學習有章可循。

STEM教育鼓勵學生在真實情境中開展科學探究，采用實驗設計、創意發明、手工制作等方式進行學習。但是，STEM教育的目的不是培養“能工巧匠”，而是培養“全面發展的人”，所以教師設計的研究項目中必須有基礎學科的知識原理滲透，引導學生根據學科知識對研究問題進行科學的建模，明確學習過程中需要研究的具體方向。

2.在實踐探究中掌握科學知識和方法，形成科學精神。

STEM教育打破了“靜態的課堂”教學模式，鼓勵學生做中學、玩中學，形成以主動、探索、創造為特征的新型學習方式。但需要強調的是，STEM教育要把重點放在由學科知識理論引導下的有效的實踐探索中，并在過程中引導學生更深入地理解科學知識、掌握科學方法，進而形成科學精神。

3.關注研究過程，收獲深刻的學習體驗。

在STEM教育的項目研究活動中，教師應該關注學生的學習過程，允許學生犯錯、試錯，給學生提供組間表達、對話、建議的機會，讓學生在交流中認識到自我的不足和優勢，尋找問題深層次的科學原因，改進研究方法，提高科學素養。

基于STEM教育理念的項目式學習利用跨學科的方式建立起科學、技術、工程、數學和藝術等學科知識之間的聯系，并強調將理論知識和實際社會應用相結合，讓學生通過學習、協作和實踐，樹立終身學習的意識，提高科學創新和實踐能力，進而獲得全面發展。