跨學科整合導向的STEM項目學習設計與實踐

張雪 張靜 熊建文

[摘? ?要]全球科學技術和社會迅速發展所帶來的轉變與挑戰，催生了對跨學科整合型課程的迫切需求。具有跨學科核心特征的STEM教育已成為國內外教育理論與實踐發展的潮流。當前我國一線教師的STEM教學經驗有限，迫切需要全面認識整合理念、嘗試突破實踐困難。本研究梳理了國內外跨學科整合的STEM教育研究現狀，以項目學習為實施方式構建STEM項目學習模式，并在高中物理課程中順應項目活動主線進行實踐，旨在為跨學科整合理念的落實提供借鑒和參考。

[關鍵詞]STEM;跨學科;整合;項目學習;物理

在第四次工業革命的時代背景下，信息技術的高度綜合化和現實問題的復雜多樣化，使得科技發展和產業變革呈現出交叉融合的態勢，社會各領域關鍵問題的解決都需要構建跨學科的合作機制。社會現實的時代訴求同步影響著教育范式的變革，教育領域對學科交叉和知識融合提出了新需求，越來越多的國家投入跨學科整合的課程改革浪潮。如中國、美國、加拿大等國家，均已將跨學科學習納入國家基礎教育課程標準，從傳統的分科立學走向跨學科整合教學成為教育發展的必然趨勢。

STEM被視為科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）教育的集成，可以作為解蔽分科教學的突破口。STEM教育強調通過學科間的交叉滲透與融合培養復合創新型人才和全面發展的人，[1]因其高度的跨學科核心特征而備受推崇并引起教育界的重視。面對技術性、復合性、創新性人才的迫切需求，我國提倡在基礎教育階段組織STEM教學實踐的呼聲日益增高，但當前對整合理念的有限認識、改革突破的實踐困難，仍是一線科學教師面臨的重要挑戰。

一、跨學科整合的STEM 教育研究

1.跨學科整合：引領STEM教育的核心理念

STEM教育產生的動因和背景十分復雜，學界就其本質展開了激烈的討論，在理解上也不盡相同。從廣義上講，它既可以指STEM所涉及的各個學科的總和，也可以指一種超越學科界限的教與學的方式。前者通常指傳統的理工科教育，不要求學科間的聯系和整合;[2]后者鼓勵將四門學科進行有意義的整合，系統地解決真實世界中的問題，[3]這一理解符合綜合性科技人才培養的本質要求，與美國建立STEM教育的初衷相一致。當前，整合理念已經獲得了大部分機構和學者的支持，[4]即整合的策略和愿景引領了這種教育形態的持續發展。

隨著STEM教育的發展，整合性課程建設逐漸成為主流，在STEM教育推廣過程中，首先要厘清課程整合的內涵和方法。綜合瓦斯奎茲（Vasquez）[5]和泰勒（Tytler）[6]等依據學科關聯度的研究，整合水平可劃分為多學科、學科交叉和跨學科三個層次（見表1）。聚焦STEM教學來看，在多學科關系中，學習內容被分割為不同的學科模塊，但是可以通過一個主題聯系到一起。例如圍繞水這個主題，可劃分為水的物理性質、水的凈化技術、水壩工程建設等模塊，但學科融合度不高。

學科交叉側重于知識和技能的深化，基于學科知識間的內在聯系獲取相關的知識與技能;[7]跨學科是通過解決現實問題將STEM各學科內容聯系起來，重點是真實問題或項目任務的解決，不再把問題分割為單獨的模塊，不只將問題置于單獨的學科中探討。跨學科的教育思想兼顧學科性以及統整性，引導學生在確定實際問題所涉及學科的前提下，嘗試打破不同學科知識體系的束縛，培養學生從容運用課程整合知識應對并解決問題的能力和品格。

2.項目學習：落實STEM整合理念的有效方式

為了促進跨學科整合理念和課程內容的深度融合，教學方式不應再局限于傳統學科知識的接受式學習，而應立足解決真實問題，圍繞一定的探究過程展開。基于項目的學習聚焦真實情景中的整體學習任務，強調學生的主體地位和多學科知識的學習與運用，是當前學生發展跨學科素養最為重要[8]、整合課程開展數量最多[9]的學習模式。項目任務通常是具有一定挑戰性的產品設計與制作，需要學生調動跨學科思維，綜合運用多學科學習成就進行自主學習。[10]學生選擇最優的學習資源，參與團體互動以探尋項目解決方案并予以實施。項目學習綜合了跨學科性、情境性、協作性，立足于前沿的社會生活問題，可解決單科課程教學之弊。項目學習與STEM教育理念的有效契合，對于促進STEM教學具有得天獨厚的突出優勢。

基于項目的STEM學習（以下簡稱“STEM項目學習”）適宜跨學科學習。在此，STEM既是目標也是手段，項目學習既是方式也是過程。從國際研究來看，STEM項目學習的整合過程多聚焦于工程和技術，科學及數學的學習常被忽略，對于科學和數學領域的投入也多側重于零碎知識的應用而非科學探究過程。[11]此外，教師在開展教學時，通常以真實情景問題為驅動、采取非結構化教學設計，類似于有組織、有重點的經驗學習。教師在設計整合性STEM項目學習時，一方面，要確保學科知識的均衡覆蓋和難易適度，平衡理論性探究和設計實踐制作;另一方面，還要將分學科的知識按項目邏輯進行跨學科重組，把握課程內容與學習過程的結構化設計。也就是說，在項目學習過程中，必須提前清晰規劃STEM知識和方法，將學科內容系統地融入設計和制造階段，激勵學生創造性地解決問題。

二、整合型STEM項目學習模式的設計

為了準確地將跨學科整合理念形象化和實用化，本研究提出了一種整合型STEM項目學習模式（見圖1），該模式以項目主題為核心，囊括跨學科內容要素和項目學習過程兩個子元素，且二者相互關聯、相互作用。

1.跨學科內容要素

跨學科內容要素由科學、技術、工程和數學組成。STEM項目學習以科學為出發點，理清項目主題中的科學原理，是學生展開探究設計的前提，也是貫穿整個學習過程的關鍵;技術是幫助學生完成實踐任務的工具或設備，如電工技術、三維建模技術等，學生可以通過使用技術找到問題解決的辦法，甚至創造新產品;工程被視為一個循環的、迭代的設計過程，與作品設計的反復試錯與重新審視相聯系，特別是在結構建模、材料選擇、性能測試中，以尋找最佳方案為突出表現。數學是運算與推理工具，能將事物的本質、關系、規律可視化，數據分析、數學繪圖等內容都是產品設計與制作的重要支撐。

2.項目學習過程

項目學習的順利實施離不開教師前期的充分準備，包括分析學習者的知識儲備和能力水平;發掘社會資源，選擇與現實生活相接的項目主題;梳理其中蘊含的STEM跨學科知識;提供適宜的學習環境和豐富的學習資源與工具，如3D打印機、三維建模工具等。項目學習過程以工程設計任務為開端，通過探究活動逐一尋求解決問題的方案，著力促進學生新知識和新經驗的生成。其以教師為主導、以學生為主體，全程由“項目活動啟動—項目任務設計—項目實踐探究—項目作品評估”四個階段構成。

（1）項目活動啟動

教師圍繞項目主題創設問題情境，提出具有開放性的、體現學科整合的驅動性問題。而學生則要明確項目設計任務，查閱資料，理解任務背后蘊含的科學原理，并根據“組內異質、組同異質”的原則組建學習共同體。

（2）項目任務設計

教師需要提供相關的學習資料，承擔答疑解惑的任務，確保學生設計工作的穩步推進。而學生個人聚焦問題之后，要嘗試進行理論探究、思考方法，以頭腦風暴的方式分享各自觀點，同伴協商制定出最佳方案。任務規劃要具體，包括每個人需要完成哪些工作、怎么做等。

（3）項目實踐探究

教師在本階段是監督指導的角色，要監控和管理學生行為，跟進學生工作，給予技術指導。學生根據前期知識儲備進行實踐探究，分析各類數據，選擇合適的器材類型，采取有效的技術手段開始工程建造，循環測試與改進產品效果。

（4）項目作品評估

教師組織小組成員展示研究過程與項目作品，并及時開展綜合評價，包括自評、互評、師評等。互評和師評要同時關注結果與過程評價，學生根據交流結果總結反思，完成自我評價。

三、整合型STEM項目學習的實踐

物理學是一門以實驗為基礎的學科，也是一門精密的定量科學，其嚴密的理論體系廣泛應用于生產技術的各個部門，對現代工程科技的影響更是舉足輕重，因此，其具有承載STEM項目學習的天然優勢。本研究選取社會熱點問題“無線電能傳輸設備”作為項目背景，考慮到高二學生雖掌握了電磁感應等科學知識，但工程實踐和技術體驗有限，擬定課題為“制作無線點燈”，最終產品能體現電流的無線傳輸即可。協調智慧教室和實驗室保障學習環境，最終在湖北荊州市高中物理課堂中開展了為期一個月的實踐。

1.跨學科內容要素的整合

“制作無線點燈”項目涉及豐富的跨學科內容整合，具體內容如圖2所示。

2.項目學習過程的設計

依據整合型STEM項目學習模式開展“制作無線點燈”項目，其學習過程共有四個階段，具體活動內容和所涉及的跨學科要素如表2所示。

3.項目實踐效果的分析

從展示結果來看，80%的團隊都嚴格遵循項目要求完成了作品。小燈泡被隔空點亮的結果，體現了學生對互感原理的理解程度、工程設計能力以及能量數據計算的嚴格性。外觀設計也百花齊放，如作品中荊州古城墻的地方特色、UFO的科幻色彩等（見圖3），學生的審美意識和設計思維在實踐中得以激發。對學生的訪談結果顯示：90%以上的學生對STEM項目課程是滿意的，當被問及是否愿意繼續參加這類課程時，學生也表示愿意。自評結果顯示，學生普遍“深刻感受到物理知識與生活息息相關、掌握了科學探究的基本過程”“從內部和外觀結構設計中體驗到了工程建筑的不易”“在處理各類數據時知道物理和數學的密不可分”“習得了3D建模這一技能”。學生在STEM項目學習過程中形成了整合知識和方法以應對各種挑戰的意識，這也是跨學科整合理念得以落實的關鍵。

四、結語

整合型STEM項目學習具有較強的實踐性和針對性，不僅有助于教師破解分科之弊、引領教育創新，還有利于學生跨學科建立更完善的知識體系、發展實踐創新能力。整合型STEM項目學習模式以項目主題為基礎，系統地將STEM跨學科內容和學習過程合并，倡導學生通過協作探究，整合多學科知識來解決復雜問題。“制作無線點燈”案例的開發在整合教育實踐范式上進行了有益探索，可為一線教師設計跨學科整合課程提供理論和實踐方面的參考。

參考文獻

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[11]王巍.國際項目式STEM教育的研究現狀與啟示[J].現代遠距離教育，2019，184（04）：90-96

（責任編輯 郭向和? ?校對 姚力寧）