STEM理念下基于問題解決能力培養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

莊小云

摘 要：培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力，是新時(shí)代全面深化課程改革、落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的內(nèi)容之一。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力的有效途徑之一。針對當(dāng)前的項(xiàng)目學(xué)習(xí)忽視問題解決過程中學(xué)生能力的培養(yǎng)問題，文章以STEM理念為理論指導(dǎo)，提出了基于問題解決能力培養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)流程，并在“智能家居”項(xiàng)目案例中展開實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：STEM理念;問題解決能力;項(xiàng)目學(xué)習(xí)

中圖分類號：G633.67?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：2095-624X（2021）23-0083-02

一、基于社會、自然和學(xué)生需求分析確定學(xué)習(xí)主題，體現(xiàn)“從生活中學(xué)”

學(xué)習(xí)主題的確定是項(xiàng)目學(xué)習(xí)的第一步。項(xiàng)目從何而來？STEM課程注重從“在真實(shí)的活動(dòng)情境中學(xué)”，我們通過開展基于真實(shí)情境的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在解決問題的過程中學(xué)會把知識靈活運(yùn)用到具體場景中。真實(shí)情境的項(xiàng)目學(xué)習(xí)主題來源于社會、自然和學(xué)生三個(gè)方面。

例如，“智能家居”項(xiàng)目我們更多從社會和學(xué)生兩個(gè)角度確定主題。

（一）社會發(fā)展

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能終端技術(shù)的迅速發(fā)展，家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化是一股強(qiáng)大而不可逆轉(zhuǎn)的潮流。人們對家居的要求早已不只是物理空間，更為關(guān)注的是一個(gè)安全、智能、舒適的居家環(huán)境。智能家居為人們提供安全舒適的家庭生活空間，而且可以通過高科技把智能帶進(jìn)家庭，為消費(fèi)者提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，為人們有效合理地安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性以及為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。

（二）學(xué)生需求

高中生擁有一定編程基礎(chǔ)，對電子元件有一定興趣愛好并有一定創(chuàng)意，希望運(yùn)用技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問題。家居對學(xué)生來說是一個(gè)非常熟悉的場景。基礎(chǔ)良好的學(xué)生完成“智能家居”探究項(xiàng)目，學(xué)有余力的學(xué)生可以嘗試開發(fā)“智能家居”創(chuàng)新項(xiàng)目。

二、指向問題解決能力制定項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)，體現(xiàn)“學(xué)科融合中學(xué)”

STEM理念下基于問題解決能力培養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題的能力。臺灣學(xué)者黃茂在、陳文典在《“問題解決”的能力》一文中從三個(gè)維度分析學(xué)生的問題解決能力，即“問題解決的態(tài)度”“問題解決的方法和策略”“問題解決的品質(zhì)”[1]。基于此，我們把基于問題解決能力培養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)界定為如下三個(gè)。第一，問題解決的態(tài)度：對運(yùn)用科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)及工程工具和學(xué)科方法解決問題具有積極的心態(tài)和認(rèn)識。第二，問題解決的方法和策略：能根據(jù)真實(shí)問題情境提出問題，明確關(guān)鍵問題，抽象處理，并用形式化的方法表述;能提出植根于真實(shí)產(chǎn)品的解決方案，并運(yùn)用信息、技術(shù)工具和學(xué)科方法落實(shí)這一方案。第三，問題解決的品質(zhì)：能主動(dòng)對產(chǎn)品進(jìn)行展示和交流，具有解決問題的毅力，能遵守知識產(chǎn)權(quán)法律法規(guī)。

實(shí)踐中，我們還需要結(jié)合案例進(jìn)一步明細(xì)以上目標(biāo)，體現(xiàn)通過問題的解決，學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識形成綜合認(rèn)知。下面以“智能家居”項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)為例。

（一）問題解決的態(tài)度

第一，通過“智能家居”探究項(xiàng)目開發(fā)，形成對運(yùn)用技術(shù)與工程解決生活問題的意識。

第二，通過“智能家居”創(chuàng)新項(xiàng)目開發(fā)，學(xué)會積極主動(dòng)運(yùn)用技術(shù)與工程解決生活問題。

（二）問題解決的方法和策略

第一，通過“智能家居”探究項(xiàng)目開發(fā)，理解“光敏電阻”和“超聲波感應(yīng)器”等傳感器原理。

第二，通過“智能家居”項(xiàng)目開發(fā)，能提出住家存在的問題，并用思維導(dǎo)圖和流程圖的方式設(shè)計(jì)解決問題的方案。

第三，掌握arduino板、傳感器、LED和蜂鳴器組裝技巧。

第四，能運(yùn)用Arduino IDE編程完成“光控?zé)簟薄案袘?yīng)式垃圾桶”項(xiàng)目，并會調(diào)試測試。

第五，嘗試把工程和技術(shù)遷移至“智能家居”創(chuàng)新項(xiàng)目“智能讀寫姿勢提醒機(jī)器人”或“室內(nèi)環(huán)境檢測裝置”開發(fā)中。

（三）問題解決的品質(zhì)

第一，通過在項(xiàng)目開發(fā)中對困難的克服，養(yǎng)成的解決問題的毅力。

第二，能以開放的視角去學(xué)習(xí)、評價(jià)、借鑒他人的觀點(diǎn)，養(yǎng)成包容的品德和善于與他人協(xié)作交流的習(xí)慣。

三、構(gòu)建結(jié)構(gòu)化并具有挑戰(zhàn)性的活動(dòng)、開發(fā)微課資源，體現(xiàn)“做中學(xué)”

（一）基于問題解決的活動(dòng)設(shè)計(jì)理論

安德森的思維適應(yīng)性控制理論（簡稱ACT理論）指出問題解決過程中認(rèn)知技能的獲得最關(guān)鍵的一步是知識編輯過程，包括程序化與合成兩個(gè)過程。程序化即形成專門的問題解決方法和技能。合成是組塊化過程，提高問題解決的速度[2]。基于問題解決能力培養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)體現(xiàn)工程項(xiàng)目迭代開發(fā)的結(jié)構(gòu)化過程，并設(shè)置一系列具有挑戰(zhàn)性的活動(dòng)，促使學(xué)生在不同難度的問題情境中運(yùn)用跨學(xué)科知識。我們提出從問題提出、原理探究、方案設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、硬件組裝、調(diào)試測試、拓展創(chuàng)新、交流與評價(jià)、反思完善與總結(jié)九個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)建基于問題解決能力培養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)。

（二）開發(fā)微課資源，為問題解決提供有力支持

學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，部分學(xué)生缺乏項(xiàng)目開發(fā)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，他們在問題提出后會處于無所適從的狀態(tài)。教師需要準(zhǔn)備一些基礎(chǔ)性資源引導(dǎo)他們快速掌握項(xiàng)目完成需要掌握的技術(shù)和方法。但是有一部分學(xué)生由于具有較豐富的項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能在較短時(shí)間內(nèi)完成基礎(chǔ)任務(wù)，對于這些學(xué)生，教師需要準(zhǔn)備一些資源引導(dǎo)他們更深入地開展創(chuàng)新研究。微課是以“微視頻”為核心，圍繞“學(xué)科知識點(diǎn)”和“教學(xué)環(huán)節(jié)”設(shè)計(jì)的一種新的資源構(gòu)成方式 。微課短小精悍、半結(jié)構(gòu)化且易于擴(kuò)充、交互性強(qiáng)。因此，微課是非常適合用于開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)的課程資源。項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，教師可以開發(fā)兩類微課資源：一類是圍繞項(xiàng)目主體引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)探究的微課資源;另一類是圍繞項(xiàng)目技術(shù)開發(fā)的微課資源。這些資源能提高項(xiàng)目學(xué)習(xí)的效率，使不同層次學(xué)生完成自己的目標(biāo)任務(wù)。

（三）設(shè)計(jì)自主學(xué)習(xí)任務(wù)單，促進(jìn)學(xué)生深度探究和問題解決