STEM理念下基于問題解決能力培養的項目學習設計

莊小云

摘 要：培養學生問題解決能力，是新時代全面深化課程改革、落實立德樹人根本任務的內容之一。項目式學習是培養學生問題解決能力的有效途徑之一。針對當前的項目學習忽視問題解決過程中學生能力的培養問題，文章以STEM理念為理論指導，提出了基于問題解決能力培養的項目學習設計流程，并在“智能家居”項目案例中展開實踐。

關鍵詞：STEM理念;問題解決能力;項目學習

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

一、基于社會、自然和學生需求分析確定學習主題，體現“從生活中學”

學習主題的確定是項目學習的第一步。項目從何而來？STEM課程注重從“在真實的活動情境中學”，我們通過開展基于真實情境的項目化學習，讓學生在解決問題的過程中學會把知識靈活運用到具體場景中。真實情境的項目學習主題來源于社會、自然和學生三個方面。

例如，“智能家居”項目我們更多從社會和學生兩個角度確定主題。

（一）社會發展

隨著互聯網技術和智能終端技術的迅速發展，家居系統網絡化、智能化是一股強大而不可逆轉的潮流。人們對家居的要求早已不只是物理空間，更為關注的是一個安全、智能、舒適的居家環境。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家庭，為消費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間，增強家居生活的安全性以及為各種能源費用節約資金。

（二）學生需求

高中生擁有一定編程基礎，對電子元件有一定興趣愛好并有一定創意，希望運用技術解決現實問題。家居對學生來說是一個非常熟悉的場景。基礎良好的學生完成“智能家居”探究項目，學有余力的學生可以嘗試開發“智能家居”創新項目。

二、指向問題解決能力制定項目學習目標，體現“學科融合中學”

STEM理念下基于問題解決能力培養的項目學習目標是培養學生運用跨學科知識解決問題的能力。臺灣學者黃茂在、陳文典在《“問題解決”的能力》一文中從三個維度分析學生的問題解決能力，即“問題解決的態度”“問題解決的方法和策略”“問題解決的品質”[1]。基于此，我們把基于問題解決能力培養的項目學習目標界定為如下三個。第一，問題解決的態度：對運用科學、數學、技術及工程工具和學科方法解決問題具有積極的心態和認識。第二，問題解決的方法和策略：能根據真實問題情境提出問題，明確關鍵問題，抽象處理，并用形式化的方法表述;能提出植根于真實產品的解決方案，并運用信息、技術工具和學科方法落實這一方案。第三，問題解決的品質：能主動對產品進行展示和交流，具有解決問題的毅力，能遵守知識產權法律法規。

實踐中，我們還需要結合案例進一步明細以上目標，體現通過問題的解決，學生對科學、技術、工程和數學知識形成綜合認知。下面以“智能家居”項目學習目標為例。

（一）問題解決的態度

第一，通過“智能家居”探究項目開發，形成對運用技術與工程解決生活問題的意識。

第二，通過“智能家居”創新項目開發，學會積極主動運用技術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”探究項目開發，理解“光敏電阻”和“超聲波感應器”等傳感器原理。

第二，通過“智能家居”項目開發，能提出住家存在的問題，并用思維導圖和流程圖的方式設計解決問題的方案。

第三，掌握arduino板、傳感器、LED和蜂鳴器組裝技巧。

第四，能運用Arduino IDE編程完成“光控燈”“感應式垃圾桶”項目，并會調試測試。

第五，嘗試把工程和技術遷移至“智能家居”創新項目“智能讀寫姿勢提醒機器人”或“室內環境檢測裝置”開發中。

（三）問題解決的品質

第一，通過在項目開發中對困難的克服，養成的解決問題的毅力。

第二，能以開放的視角去學習、評價、借鑒他人的觀點，養成包容的品德和善于與他人協作交流的習慣。

三、構建結構化并具有挑戰性的活動、開發微課資源，體現“做中學”

（一）基于問題解決的活動設計理論

安德森的思維適應性控制理論（簡稱ACT理論）指出問題解決過程中認知技能的獲得最關鍵的一步是知識編輯過程，包括程序化與合成兩個過程。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的項目學習活動應體現工程項目迭代開發的結構化過程，并設置一系列具有挑戰性的活動，促使學生在不同難度的問題情境中運用跨學科知識。我們提出從問題提出、原理探究、方案設計、軟件開發、硬件組裝、調試測試、拓展創新、交流與評價、反思完善與總結九個環節構建基于問題解決能力培養的項目學習活動。

（二）開發微課資源，為問題解決提供有力支持

學生基礎參差不齊，部分學生缺乏項目開發的技術與經驗，他們在問題提出后會處于無所適從的狀態。教師需要準備一些基礎性資源引導他們快速掌握項目完成需要掌握的技術和方法。但是有一部分學生由于具有較豐富的項目開發經驗，能在較短時間內完成基礎任務，對于這些學生，教師需要準備一些資源引導他們更深入地開展創新研究。微課是以“微視頻”為核心，圍繞“學科知識點”和“教學環節”設計的一種新的資源構成方式 。微課短小精悍、半結構化且易于擴充、交互性強。因此，微課是非常適合用于開展項目學習的課程資源。項目學習中，教師可以開發兩類微課資源：一類是圍繞項目主體引導學生科學探究的微課資源;另一類是圍繞項目技術開發的微課資源。這些資源能提高項目學習的效率，使不同層次學生完成自己的目標任務。

（三）設計自主學習任務單，促進學生深度探究和問題解決