STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動設(shè)計框架與實踐

郝鳳濤 董捷迎

［摘 要］跨學(xué)科學(xué)習(xí)是STEM教育的核心特征。跨學(xué)科課程教學(xué)、綜合實踐能力的培養(yǎng)成為當(dāng)今教育改革的熱點之一。STEM教育的實踐途徑指向跨學(xué)科知識的綜合運用，本文采用基于STEM的教學(xué)模式進行跨學(xué)科課程設(shè)計，依據(jù)“學(xué)習(xí)—實踐—應(yīng)用”一體化的教學(xué)流程，以項目驅(qū)動的方式構(gòu)建探究式教學(xué)活動，提出了STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動設(shè)計框架，并在小學(xué)信息技術(shù)活動與競賽專題課程中運用，為培育具有“專能融合”的跨學(xué)科優(yōu)秀小學(xué)全科教師奠定基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］STEM；跨學(xué)科學(xué)習(xí)；項目式教學(xué)；設(shè)計框架

［中圖分類號］G42 文獻標(biāo)志碼：A

跨學(xué)科學(xué)習(xí)是STEM教育的核心特征。跨學(xué)科課程教學(xué)、綜合實踐能力的培養(yǎng)已成為當(dāng)今教育改革的熱點之一。2016年教育部在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出，有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在“眾創(chuàng)空間”、跨學(xué)科學(xué)習(xí)、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用。2017年教育部印發(fā)《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式，建議教師可以在教學(xué)實踐中嘗試STEM教育。2020年7月，教育部印發(fā)了《中小學(xué)教師培訓(xùn)課程指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)》，把STEM課程與開發(fā)納入教師文化知識學(xué)習(xí)研修主題，彰顯了STEM 教育的重要地位。教育部在2022版課程標(biāo)準(zhǔn)中強化課程綜合性和實踐性，推動育人方式變革，著重培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。尤其是在義務(wù)階段信息科技課程中明確提出了跨學(xué)科教學(xué)主題，培育新一代的高素質(zhì)STEM教師是踐行STEM教育理念、落實STEM項目式教學(xué)設(shè)計與實踐的關(guān)鍵。

STEM教育的核心目標(biāo)是培養(yǎng)具有善于質(zhì)疑、勇于實踐、敢于創(chuàng)新、具有跨學(xué)科知識素養(yǎng)和解決真實問題能力的人才［1］。目前，國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在STEM跨學(xué)科教育的概念、課程研究、教學(xué)模式等方面，在具體學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用研究較少。本文主要通過構(gòu)建STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動設(shè)計，探析在全科師范生培養(yǎng)專業(yè)課程中的應(yīng)用與實踐，并運用于全科師范教育的專業(yè)課程中，用實踐的方式進行迭代，培育具有跨學(xué)科教學(xué)能力的優(yōu)質(zhì)師資。

1 STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)框架設(shè)計

當(dāng)前的跨學(xué)科模式與先前傳統(tǒng)的單一學(xué)科培養(yǎng)模式有著較大差異，特別是知識的形態(tài)已經(jīng)逐步由單一走向融合。從“目的—手段”的維度看，跨學(xué)科課程以獲得跨學(xué)科思維為目的，以跨學(xué)科觀念和方法為手段，以解決真實問題為中介。

本文中的跨學(xué)科是指基于STEM開展的信息技術(shù)和科學(xué)教育與小學(xué)多學(xué)科進行融合、學(xué)習(xí)、實踐、應(yīng)用的實踐活動，以跨學(xué)科觀念和方法為手段，運用信息技術(shù)和技能進行跨學(xué)科課程設(shè)計，解決小學(xué)教育專業(yè)全科教師培養(yǎng)專能融合的問題［2］。

STEM教育的實踐途徑指向跨學(xué)科知識的綜合運用，在課程設(shè)計中采用基于STEM的教學(xué)模式進行學(xué)科課程設(shè)計，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)流程和教學(xué)評價等方面，建構(gòu)跨學(xué)科“學(xué)習(xí)—實踐—應(yīng)用”一體化的教學(xué)流程，以項目驅(qū)動的方式構(gòu)建探究式教學(xué)活動，使教學(xué)目標(biāo)明確化，提升教學(xué)內(nèi)容的實用性，在教學(xué)過程中增加運用環(huán)節(jié)，并應(yīng)用到多學(xué)科教學(xué)設(shè)計當(dāng)中，實現(xiàn)教學(xué)評價分層化。

通過項目驅(qū)動的學(xué)習(xí)方式，在“認知—內(nèi)化—實踐”三個層面遞進式推進學(xué)生學(xué)習(xí)課程學(xué)科知識，為小學(xué)數(shù)學(xué)、小學(xué)語文、小學(xué)英語等課程開發(fā)提供支撐，將傳統(tǒng)的教學(xué)課堂提升為以學(xué)生為中心的參與式教學(xué)。課程結(jié)束后，通過學(xué)生評價表反饋課程教學(xué)效果，進行項目評價和反饋［3］。

設(shè)計和實施STEM 跨學(xué)科課程教學(xué)，要考慮到學(xué)科知識的系統(tǒng)性、解決實際核心驅(qū)動問題的合理性以及項目的實施與學(xué)科知識滲透的融合度，最終實現(xiàn)整體知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性與各問題之間所包含的學(xué)習(xí)內(nèi)容相互融匯和支撐。本文提出STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動設(shè)計框架，如圖1所示，圍繞教學(xué)目標(biāo)要達成的四個方面，開展八步項目式教學(xué)，從學(xué)習(xí)層到應(yīng)用層逐步推進。

1.1 問題引入

根據(jù)教學(xué)的內(nèi)容，構(gòu)建基于真實應(yīng)用的情景，讓學(xué)生明白將在什么樣的情境中進行學(xué)習(xí)探究。賦予學(xué)生未來教師的角色或身份，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

1.2 確定目標(biāo)

為了讓學(xué)生在進入項目前就知道項目實施學(xué)習(xí)后要達成的效果，每個項目目標(biāo)的設(shè)定需要圍繞該部分教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)定。該部分目標(biāo)需要圍繞知識情感價值觀三維目標(biāo)進行展開設(shè)計。

1.3 項目任務(wù)

項目任務(wù)從課程要達成的教學(xué)任務(wù)和學(xué)生應(yīng)掌握的科學(xué)知識出發(fā)，從實際應(yīng)用的角度進行選題，幫助學(xué)生建立學(xué)科知識和真實應(yīng)用見的關(guān)聯(lián)，聚焦核心驅(qū)動問題，教學(xué)所設(shè)計的核心驅(qū)動問題，是要能覆蓋多個維度的問題。問題涉及所學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的知識原理，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，鼓勵他們?nèi)ヌ剿鳌W(xué)習(xí)，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該是開放的、真實的，從而能夠幫助學(xué)生在已有知識領(lǐng)域生出想法，方便學(xué)生將核心驅(qū)動問題進行拆解，為下一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)［4］。

1.4 資訊分析

根據(jù)項目任務(wù)，學(xué)生參與項目學(xué)習(xí)的過程實際上是學(xué)生進行自主科學(xué)探究的過程，在這一環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生自我分析，讓學(xué)生分析要完成項目任務(wù)所涉及的學(xué)科知識、解決問題的關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗，分析在完成項目學(xué)習(xí)中哪些是自己已經(jīng)掌握的知識，還有哪些知識點需要獲取。

1.5 制訂計劃

項目中以學(xué)生為中心的探究式的教學(xué)活動，是學(xué)生在充分了解項目目標(biāo)和自我學(xué)習(xí)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)項目任務(wù)，組建學(xué)習(xí)團隊，制訂實施方案，這部分是項目實施環(huán)節(jié)總的指導(dǎo)和綱領(lǐng)。

1.6 項目實施

項目實施環(huán)節(jié)是以學(xué)生為主，輔以教師指導(dǎo)的過程，這部分是理論與實踐相結(jié)合的環(huán)節(jié)。

1.7 成果評價

成果評價環(huán)節(jié)主要從學(xué)生完成項目的自我滿意度、小組成員和組間的互評以及教師評價等多元角度進行，通過多元評價，幫助學(xué)生提升對自我學(xué)習(xí)的認識和反饋，增強學(xué)生的效能感。

1.8 我的收獲

這一環(huán)節(jié)的設(shè)置，讓學(xué)生總結(jié)反思項目本身需要提升改進的內(nèi)容，從而進行修正和反饋，進而迭代到課程開發(fā)項目中去。

2 STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動實踐

2.1 活動實踐基本情況

在實踐環(huán)節(jié)，將STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動設(shè)計框架應(yīng)用于小學(xué)教育專業(yè)的專業(yè)限選課小學(xué)信息技術(shù)活動與競賽專題的教學(xué)中，共涉及該專業(yè)19級的6個班共181名學(xué)生。通過調(diào)查問卷的方法對學(xué)生進行上課前和結(jié)課后調(diào)研，對學(xué)生現(xiàn)狀和需求進行調(diào)查分析，有的放矢地開展教學(xué)工作。

以跨學(xué)科為切入點，以科學(xué)技術(shù)知識為手段（科學(xué)技能包括scratch編程技術(shù)、樂高機器人、米思奇、創(chuàng)客等），設(shè)置課程內(nèi)容，以項目驅(qū)動形式展開技能知識教學(xué)，以跨學(xué)科綜合教學(xué)運用展開實踐演練，結(jié)合學(xué)生職業(yè)規(guī)劃需要，最終完成基于STEM跨學(xué)科的小學(xué)數(shù)學(xué)、語文、英語、科學(xué)、美術(shù)、音樂等相關(guān)課程教學(xué)案例的開發(fā)，增強學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新教學(xué)的能力。

2.2 活動實施過程

活動實施過程以定點停車的問題解決為切入點，完成樂高機器人知識及編程知識的學(xué)習(xí)，將數(shù)學(xué)、工程、科學(xué)、技術(shù)綜合完成項目學(xué)習(xí)，并遷移運用到小學(xué)數(shù)學(xué)課程的教學(xué)中，開發(fā)跨學(xué)科的教學(xué)案例。

2.2.1 問題引入，構(gòu)建項目情景

從生活中引入定點停車，與學(xué)生共同確定項目要解決的實際問題。跨學(xué)科知識：數(shù)學(xué)，學(xué)會運用數(shù)學(xué)思維和工具（直尺）解決工程中的問題；工程，構(gòu)建小車定點停車的項目，合理分工進行實踐；技術(shù)，運用樂高技術(shù)解決核心問題，完成項目的制作與測試。

2.2.2 確定目標(biāo)，探究項目達成成效

學(xué)習(xí)樂高的基本理論知識，并運用到實踐中；學(xué)會STEM的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計，掌握測量在項目中的運用的意義技能：能夠根據(jù)要求搭建小車結(jié)構(gòu)，確保正常運行；能夠進行編程，控制小車的運行和停車，并將所學(xué)內(nèi)容進行轉(zhuǎn)化遷移，設(shè)計教學(xué)案例；具備綜合運用和跨學(xué)科創(chuàng)新能力。

2.2.3 項目任務(wù)，聚焦核心驅(qū)動問題

如何運用STEM跨學(xué)科知識完成解決定點停車的項目，并開發(fā)撰寫教學(xué)案例？將定點停車轉(zhuǎn)化為STEM跨學(xué)科教學(xué)案例。

2.2.4 資訊分析確定完成項目已知和需知內(nèi)容

已知問題：如何進行測量？車輪的作用有哪些？

需知問題：樂高編程軟件怎么應(yīng)用？如何構(gòu)建小車的結(jié)構(gòu)？如何運用所學(xué)開發(fā)STEM跨學(xué)科教學(xué)項目？

2.2.5 制訂計劃，在自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上做出計劃

根據(jù)要解決的核心問題，制訂要達成任務(wù)的計劃：制定整體設(shè)計方法；搭建小車硬件；編寫軟件；項目測試；組間評價；改進提升。

2.2.6 項目實施，按照項目計劃完成學(xué)習(xí)并進行應(yīng)用

第一步，引導(dǎo)學(xué)生在沒有傳感器的情況下，運用數(shù)學(xué)知識實現(xiàn)小車的定點停車方案。

第二步，按照方案，搭建小車硬件結(jié)構(gòu)。

第三步，利用LOGO MINDSTORMS軟件編寫程序，主要是設(shè)定電機的驅(qū)動方式和功率大小，通過計算車輪的周長，以及用總路程除以車輪的周長來確定電接的運行參數(shù)。

第四步，通過測試修正參數(shù)，完成整體設(shè)計。

第五步，轉(zhuǎn)化成果，進行教學(xué)案例的開發(fā)。

2.2.7 成果評價，對項目進行多元評價

通過演示自己的項目成果和教學(xué)案例，進行個人評價（25 %）+小組互評（25 %）+教師評價（20 %）+用戶評價（30 %），并對項目效果進行總評。

2.2.8 我的收獲，總結(jié)問題和改進方法

定點停車受哪些因素影響？在完成實踐項目應(yīng)用后，轉(zhuǎn)化為STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)案例設(shè)計。

2.3 活動效果與反思

為了檢驗STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動的效果，在研究過程中，課堂效果的評價以學(xué)習(xí)者的所學(xué)所感作為衡量的評判杠桿，采用課前和課后調(diào)查問卷的形式進行評估和檢測。課前問卷安排在第一次課后進行；課后調(diào)查問卷，在學(xué)生結(jié)束本課程后進行。通過課前課后問卷數(shù)據(jù)的對比，得出結(jié)論：STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動較好地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和應(yīng)用能力。

3 結(jié)語

構(gòu)建STEM跨學(xué)科項目式教學(xué)活動框架，將學(xué)科教學(xué)與專業(yè)發(fā)展相結(jié)合，能夠提升學(xué)生解決問題的能力和跨學(xué)科知識的綜合運用能力，真正做到了學(xué)以致用［5］。以項目驅(qū)動的方式正向?qū)嵤┨接懯浇虒W(xué)活動，實現(xiàn)學(xué)科知識的“認知—內(nèi)化—應(yīng)用”遞進式學(xué)習(xí)，并在小學(xué)信息技術(shù)活動與競賽專題課程中運用，為培育具有“專能融合”的跨學(xué)科優(yōu)秀小學(xué)全科教師奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

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