STEAM理念下PBL課程在中學科技創新教育中的實踐
——以“構建未來(月球)城市的智慧防疫系統”為例

趙嫣然 史承灼

(1.合肥上海世界外國語學校 2.合肥市望湖中學 安徽合肥 230051)

創新是科學技術發展的必由之路。中學時期是培養學生科技創新意識和能力的重要時期，學校肩負培養和造就高素質創新人才的重任。因此，探索高效培養學生科技創新能力的實施路徑，成為學校科技創新教育的當務之急。

一、基于STEAM理念的PBL課程的學習特點

基于STEAM理念下的科技創新教育，即是在課程的設計之初就將科學、技術、工程、藝術和數學學科融為一體，打破學科邊界，支持學生以跨學科的方式認識世界，以綜合創新的形式改造世界，從而培養學生解決問題的創新能力的教育方式。秦德增等人研究發現，STEAM教育實施的核心是開展項目式學習，即通過項目式學習(PBL)課程的教與學，為深奧難懂的科學問題賦予真實情境，將其轉化為多個可操作、可分解的探究項目，將需要學生掌握的知識、技能等融入真實情境的問題解決中，切實培養學生的創新精神和能力。

二、“構建未來(月球)城市的智慧防疫系統”項目實施

(一)課程設計背景

新型冠狀病毒肺炎疫情及嫦娥五號登月兩件重大社會事件引起了學生極大的關注與興趣。為了引導學生樹立正確價值觀，以社會性事件促使學生關注社會、理解社會，喚醒學生的責任意識，設計課程主題為“構建未來(月球)城市的智慧防疫系統”。作為科技創新課程的載體，該課題兼具真實性、復雜性與趣味性，側重于學生想象力的激活和釋放，能引發學生強烈的探究欲望。

通過跨學科的探究，學生能夠在多學科融合背景下鍛煉解決真實復雜問題的能力，提升思考問題的主觀能動性，培養科技創新的能力，符合PBL課程的選題標準。同時，該課題所需的多學科背景能夠將科學、技術、工程、藝術、數學等學科領域有機融合，將城市運行作為一個整體進行系統化的考量與重構，體現了STEAM教育的綜合性與融合性。

(二)課程目標及實施方式

1.課程目標

PBL課程“構建未來(月球)城市的智慧防疫系統”的目標如圖1所示。

2.實施方式

該課程采用STEAM教育與PBL教育相結合的實施方式，包括課程導入、確定核心驅動性問題、制訂時間計劃書、收集資料、實地調研、合作實踐、中期答辯、修改迭代、成果展示及自評互評等階段。下文將針對該課程實施的幾個重要階段進行詳述。

3.課程預期成果

根據PBL的成果展示及多維度評價原則，將課程預期成果確定為科技論文撰寫、制作科學展板、現場答辯、科普劇演繹等多項內容。

(三)前期準備階段

1.課程導入

PBL的主要特點是學生占課堂的主導地位，教師在合適的時候提供知識腳手架，輔助項目的正常推進。筆者針對課題并結合項目式學習的教學特點，將課程導入階段確定為初識月球、病毒的防御與免疫機制兩個部分。

初識月球采用無領導的小組討論形式探討經典問題——月球生存問題，病毒的防御與免疫機制采取常規學習方式。無領導的小組討論作為項目的第一課時，形式新穎，便于激發學生對項目的興趣，符合PBL課程學生主導課堂的原則。同時，教師能夠以觀察者的角色快速全面地了解學生的個性及專長，便于后續開展針對性地指導，該方式是PBL較為適合的教學形式。

2.確定驅動性問題

驅動性問題是PBL課程的核心，不同于項目主題的設計標準。雖然二者都具有開放性和挑戰性的特點，但項目主題更為宏觀復雜。驅動性問題應當起到抽絲剝繭的效果，凝練項目主題與學習目標，直指項目中的核心問題，或是學生最感興趣的問題，或是與課程標準結合最緊密的問題，給予后續的學習探究以明確的目標導向。

本項目作為科技創新課程的載體，更注重學生的科研興趣引導及創新素養培養，在前期設計時以學生最感興趣的問題作為探究核心，驅動性問題也由學生討論產生。學生對驅動性問題的界定如下：

無論是在未來的月球上，還是如今的地球，預防高傳染性疾病基本都存在一個問題——假如生活中出現新的病原體，我們該如何判斷它的毒性？如何在第一時間發現病毒并快速做出反應？如果這兩個問題能夠解決，那么便能夠在疫情未造成大范圍傳播的情況下，將疫情扼殺在搖籃里，避免更多的損失。

因此我們最終確定驅動性問題為“如何利用科技手段快速阻斷病毒傳播？”

學生自主討論產生驅動性問題的過程，是從“教師讓學生探究什么”到“學生想要探究什么”的轉變過程，也是學生自主探究及深度學習的充分體現。

(四)中期實施階段

1.制訂項目計劃

制訂項目計劃是實施階段的重點，也是PBL中項目管理方法的核心所在。現階段，教師需要指導學生搭建系統雛形，確定關鍵任務及完成的時間節點，以及倒推分解各模塊子任務與分工。

項目實施中，學生首先確定了關鍵任務及時間節點，商定模塊任務負責人和其他輔助配合人員，如圖2。這種分工方式能夠實現團隊成員之間的知識和能力互補，有助于培養學生的學習興趣，團隊協作、人際關系處理、問題解決等方面的能力和技能。

項目計劃書的嚴格執行關乎項目的順利推進及團隊的有效溝通，但其內容并非一成不變，實施過程中要根據實際情況進行評估，適時修改方案。

2.制作項目成果

該階段為目標順利達成的關鍵階段，涉及跨學科的知識較多，專業性及不確定性較高，因此要求指導教師發揮自己的專業經驗，充分利用各種社會資源，以保障能夠及時應對學生在項目實施過程中遇到的此前未能預見或當下無法解決的問題。

圍繞驅動問題“如何利用科技手段快速阻斷病毒傳播”，學生提取了關鍵詞“科技手段”和“快速阻斷”，并據此產生了很多看似“天馬行空”的想法，但因知識儲備所限無法將設計落地。教師此時應積極引入社會資源，拓寬學生眼界，引導學生進一步深入思考、改進方案和落地實踐。根據實際情況，筆者聯系并帶領學生前往安徽創新館和卓越城中的科研單位參觀調研。前沿科技的體驗讓學生在創新性及可行性方面獲得了極大靈感。

制作項目成果的過程是學科知識向核心素養有效轉化的主要過程。因此，教師在指導過程中應注重課程內容與課標及核心素養的結合。圖文信息轉化能力作為學生應具備的核心素養，也是本項目在該階段著力培養的重點。

學生圍繞主題“智慧防疫”設計了新型隔離房屋，并詳細描述了自主設計的清風與水處理一體機的工作流程：

月球房屋系統將熔融的月球土壤電解獲得氧氣，一部分供人們呼吸，產生的部分二氧化碳會由“玻璃”罩中的植物吸收。此外，植物也通過光合作用釋放出一部分氧氣，從而使房屋中的氧氣與二氧化碳比例維持在一定的區間。另一部分氧氣通過高壓電轉換成臭氧，用于房屋及循環水的消毒。房屋中的生活用水由月球兩極的冰塊融化后經過離心、吸附、消毒等步驟后可以使用，生活廢水也會經過以上步驟進行重新循環再利用。

此時，教師首先應對學生的創新性、邏輯性表示認可與贊揚，同時進一步引導學生利用生物知識將上文描述的復雜工作流程繪制成清晰的流程示意圖。

學生通過繪圖，提取信息中的有效內容和價值，并對其進行分析和整合，把復雜的文字條理化、提綱化、形象化，從而逐步達到準確運用知識、正確闡釋事物、完整論述問題的能力。

(五)展示與評價階段

對成果的公開展示是許多教育活動中容易忽視的一個環節。對學生成果進行公開展示可以在很大程度上提升學生的學習動力，增強學生學習科學的興趣，從而達成培養學生科學態度的目標。本項目設置了多元公開展示方式，包括撰寫科技論文、制作科學展板、現場答辯、出演科普劇等四個維度。多元能力培養和評價方式貫穿整個PBL實施過程，多元能力內容框架來源于21世紀核心素養5C模型。多元展示方式逆向驅動多元評價模式，正向驅動多元能力培養，真正實現高階思維與深度學習的并軌踐行。

(六)項目反思

STEAM并不是科學、技術、工程、藝術和數學的簡單疊加，而是強調各科知識的自然融合。這種綜合性探究不可避免地需要涉及學生對各學科基礎知識的掌握與綜合運用，對各學科基礎知識的缺乏會阻礙學生進一步探究和創造。因此設計合適的驅動性問題，并提供螺旋上升式的問題鏈，適當地對具體問題進行分析指導，從而達到學科知識滲透，才能在過程中實現知識和技能的掌握與遷移，提升學生核心素養。

教師在PBL課程實施過程中需要適應角色及功能的轉變。雖然學習目標的實現很大程度取決于教師的引導，但教師在指導過程中一定要遵循PBL課程的理念，改變過去傳統授課方式，應在學生學習過程中，根據具體情境給予恰到好處的知識腳手架，支持他們解決問題，并根據學生需求提供輔導和資源。如在論文撰寫過程中適時指導學生查閱文獻資料、規范論文格式；在論文寫作過程中，通過“圖、表、文字”三種表示方式的對比，讓學生自行確定科學可視化的形式。這種由需求與結果導向的學習過程，不僅能夠幫助學生建構自己的知識體系，同時也培養學生的學習積極性與主動性，體現PBL課程的價值和意義。

三、結語

本文所闡述的基于STEAM理念的PBL課程在科技創新教育中的實施，通過真實情景解決問題，以產品化的成果培養學生理性思維和批判質疑、勇于探究的科學精神。從結果來看，課程取得了良好的效果：該項目獲得2020～2021年度“未來之城”中國區總決選中學創意組全國冠軍、最佳展板設計獎；科技論文成果《未來之城Cozy Net溫馨防疫系統的設計》發表于《百科知識》。這得益于PBL課程以學生為主導，能夠充分調動學生的學習自主性和積極性，教師尊重學生的創意創造，只在學生有需求時提供資源與知識腳手架，使得最初的想法能夠落地實施為最終的產品成果。

PBL課程模式在科技創新教育中的嘗試，打破了以往的“小制作”模式，而STEAM教育理念的引入改變了以往只依托于競賽的單一評價模式，切實提高了學生工程思維能力、問題解決能力與創新實踐能力。