STEM教育理念下高中生基于項目學習的模式探究

李紅斌 裴永亮

一、背景

當下，科技創新型人才培養和創新型國家建設備受關注，越來越多的國家重視STEM教育并將其作為教育發展的新動向。面對新的科技突破和新問題的出現，以及新的教育變革，我們必須順應時代變遷，順應科技進步，在教育方面應用新的教育理念和模式，讓學生在未來的機遇和挑戰中從容應對。本文提出將項目式學習（PBL）納入到高中課程教學中，應用STEM教育理念，培養學生具備系統的、全面的問題解決能力和問題處理方式，具備拔尖創新型人才的基本素養，抓住新的機遇，應對新的挑戰，立足于人工智能時代。

二、項目式學習的意義

項目式學習是基于問題的教學法，是一種跨學科的，以學生為中心的教學模式。相較于傳統教學，項目式學習具有更直接地與校外生活相聯系、有明確的目標等優點。

美國教育學家克伯屈認為，學校不是為生活而設立的，學校本身就是生活，有目的的行動是生活價值的典型單元，因此，有目的的行動也應該成為學校教學過程中的典型單元。基于有目的、有計劃、有行動的教育，是對生活最好的準備，同時也是目前生活的本身。“孕育STEM創新生態系統，打造人才戰略高地”是STEM教育研究中心在《中國STEM教育調研報告》中提出的，將關注點由局部轉變為整體，強調系統性，解決因零散、分裂造成的STEM學習中目標和價值的喪失問題。因此，對于學生來說，項目式學習具有深遠的意義。

三、基于STEM的項目式學習教學策略

目前，項目式學習被廣泛應用于中小學教學中，它在STEM教育理念下，注重多學科的融合，注重理論與實踐的結合，注重團隊協作。對教師而言，要提出好的項目，激發學生的學習興趣，并挖掘學生的學習潛能。

1.學習環境的設計要注重

讓學生接觸到所學內容，即讓學生能夠把所學的知識融合到當前的學習環境中，并應用所學知識去拓展學習；可見性的學生思維，即利用視覺元素，來幫助學生學習；從他人知識體系中學習，即通過小組合作學習來借鑒別人的觀點來整合學習；主張自主學習和終身學習，即通過項目式學習提高自身的學習能力。

2.STEM理念下PBL學習的重要性

把之前所學知識通過PBL學習進一步加深理解并鞏固；在PBL學習模式中學會反饋、評價和反思；為了學生所學知識和可預見性知識開展PBL教學；促進學生元認知技能的發展，即讓學生意識到自己的思維并對之進行反思的知識和技能。

項目式學習一般要經歷“問題分析—調查設計—選擇評估—作品制作—測試改進—現場演示—反思評價”七個環節，逐一展開，由淺入深。在整個教學過程中始終貫徹STEM教學理念，提高學生學習和實踐的綜合能力。

四、基于STEM的項目式學習教學實踐

本文以“聰明的機器人”為例，研究并探索STEM教育理念下基于項目學習的教學流程。作品評分標準由以下五部分組成：目標與創意占比30%，材料描述規范嚴謹性占比15%，設計制作占比25%，現場展示占比20%，團隊協作占比10%。

（一）項目背景

國務院于2017年7月印發了《新一代人工智能發展規劃》，將人工智能上升為國家戰略的高度。我校科技創新工作室主要以學習和應用計算機編程、單片機、傳感器為主，在STEM教育理念下，應用項目式學習來開展教學，并在教學中應用所學知識開展項目設計，創作出一些智能產品模型。以下為在省級比賽中獲得一等獎的項目研發過程，此作品主要由智能分類垃圾桶（原材料、單片機、傳感器、C語言程序）和手機App（基于Appinventor2平臺編寫）兩部分構成。

（二）項目描述

首先分組圍繞“聰明的機器人”主題展開討論，各抒己見，統一意見。再由各小組開展調研工作，調研數據主要圍繞生活垃圾對環境造成的污染，對人類生活造成的影響，對自然生態系統造成的破壞，以及如何有效地去應對污染，如何從源頭解決等問題展開。最后形成可行性報告并確定項目名稱。

（三）項目主題及目標

該項目的名稱為“智能垃圾分類機器人”，根據數據調研及垃圾分類問題，學生以小組形式通過團隊協作，應用所學知識，在STEM教育理念下，選用生活中的常用工具和器材，綜合各學科知識，思考、設計并制作出智能垃圾分類機器人，以便人們將生活垃圾輕松歸類，減少對大自然的污染。

（四）項目設計思路

基于已有問題，項目通過語音識別功能來實現對垃圾的智能分類。開發小組采用C語言、Arduino UNO單片機、傳感器、App Inventor2設計，開發集語音識別、自動分類、環保積分等功能于一體的智能分類垃圾桶。

（五）項目設計流程

根據項目所需，先用舵機來控制對應垃圾種類的區域調整，再用語音識別模塊來調動舵機實現投入口的轉換，從而做到垃圾自動分類。然后將紅外傳感器固定在垃圾投放口處進行檢測，最后使用藍牙模塊連接手機APP和OLED顯示屏查看垃圾種類。

1.設備清單

3.手機APP介紹

通過AppInventor2平臺開發手機APP，采用藍牙模塊與手機相連接，目的是使用“環保積分”項來調動用戶垃圾分類的積極性，加強對環境的保護意識。使用TinyWebDb網絡服務器，來實現用戶賬號注冊、登錄、積分排行及反饋等功能。

手機App主要功能為，用戶通過掃描二維碼注冊、登錄賬號，手機藍牙與“智能垃圾分類機器人”藍牙模塊相連接來獲取數據，將接收到的數據儲存到該賬號，實現積分排名及用戶的反饋信息。

（六）項目測試及作品展示

成品“智能垃圾分類機器人”分為四個區，分別為金屬、紙張、塑料和其它，靠語音識別來啟動裝置并回收相應的垃圾。當有聲源說出對應的垃圾時，單片機就會控制舵機將相應的垃圾回收區域轉動到投放口，完成垃圾投放，同時手機APP端將完成數據的記錄與統計工作。

（七）反思評價

“智能垃圾分類機器人”項目以STEM教育理念為基礎，充分利用所學知識和日常生活技能，通過小組間討論交流、課外觀察調研、組內總結等方法，經歷確定主題、開發思路、項目設計、項目測試及不斷完善等環節，既提升了學生自主學習的能力和團隊協作的精神，又增強了學生的創新思維能力。項目不足之處如選材盲目，作品較粗糙，缺乏美學元素等。整體來看，效果不錯，學生的積極性表現良好，項目執行過程有條不紊，充分體現了STEM教育理念，為學生的創新意識和實踐能力打下了基礎。

作者單位：李紅斌 蘭州市第五十一中學

裴永亮 渤海大學歷史文化學院

基金項目：本文系甘肅省教育科學“十三五”規劃課題2020年度一般課題“STEM教育理念下高中科技創新類課程的開發與實踐研究”（GS〖2020〗GHB0220）的研究成果。