在STEM教學中與學生一起經歷真實的項目

(東南大學自動化學院，江蘇 南京 210096)

1 引言

眾所周知，STEM是科學、技術、工程與數學四個學科的首字母組合，對STEM教育嚴格的定義雖然還有所爭議，但是一般認為，STEM教育是一種多學科融合的教學模式，[1]有學者將STEM拓展為STEAM或其他更復雜的形式，以期STEM教育所涉及的學科不僅包括理工科領域，也應包含人文、社會、藝術等社會科學領域。[2]

STEM教育目前已經成為眾多國家提升自身綜合國力的重要戰略，[3]并給予了提升學生科技創新素養、提高學生創造創新能力等眾多期望。[4]在STEM教學的研究與實踐中，筆者一直在探索STEM教育到底能帶給學生怎樣的收獲。

2 項目教學與STEM的結合

目前，諸多文獻提出其實施的STEM教育與PBL(Project Based Leaning，基于項目的教學)教學法是緊密結合的。[5-8]PBL面向現實世界、面向實用的教學理念，有著蓬勃的生命力，因此也能和STEM形成天然的整合。[9]

STEM教育在國內興起，是教育模式在長期應試教育壓抑下的一次釋放，也是對傳統教學模式的一種補充。大量的文獻對STEM與PBL進行了諸多詮釋，教師在進行STEM+PBL教學設計時往往會為遵循某種特性而過度設計，或者忽略一些重要細節，從而使教學過程失去了一些原本應有的教學意義，這些問題包括：

(1) 過于為了真實的情境而創造“真實”的情境。在原有活動的基礎上“講故事”，從而形成模擬的甚至是虛構的“真實問題”。

(2) 過于僵硬地執行項目過程，不能真正理解項目中的每一個環節的真實作用。

(3) 過于生硬地進行多學科融合，但是在融合中忽略了學科之間內在的關聯，使得學科的融合變得生搬硬套。

(4) 教師給出了過于完美的解決方案，從而壓縮了學生創意和思考的空間，使得學生的動手過程變成了按圖索驥，也使整個課程變成了說明書式的課程。

(5) 課程設計重視學生自由探究的過程，但是過于放手探究，或過于重視課程作品的可展示性，對問題的探究淺嘗即止，忽視了引導學生抓住問題的本質。

(6) 教師對項目的實施缺乏自信，由于教師本身工程經驗的缺失，難以把控整個項目的進展，并難以解決學生在項目中遇到的各種問題。

3 真實的項目教學

無論是STEM，還是PBL，重要的不是具體的概念和范疇，而是在教學過程中，真正以學生為中心，為學生的探索、收獲和進步去思考，并以開放的心態去面對項目，面對學生，面對學生的困惑。在這過程中，教師不一定是所有知識和技能的傳授者，但一定是整個項目過程的指引者、激勵者。因此需要教師和學生一起去經歷真實的項目，共同去面對困難，相互鼓勵并提出有效的解決方案。

3.1 真實的情境

在目前的學科教育中，學生面對的問題具有一定的抽象性，它們雖然面向科學概念和規律，但是脫離生活和應用，其潛在問題是學生不知道為什么要學，也不知道學了有什么用。面向真實的情境，是為了讓學生在實踐中的體驗更加深入，是為了讓學生在學習后能運用所學。也只有在真實的場景中，學生才會發現那些在習題與考試中不會考慮、卻又是至關重要的細節。

目前，教師們往往習慣于在每一個STEM主題的開篇，引入一個現實且具有應用價值的情境。比如，在活動“搭房子”中，有教師創設的情境是因為發生了自然災害，要重建家園。然而，真實的房屋與學生搭建的模型差異巨大，通過這樣的情境會不會讓孩子誤解建個房子就是像搭建模型一樣簡單呢？如果把情境變成“構建倉鼠的家”，或者“小人國歷險記”，會更加貼近學生所構建的房屋模型的屬性。

在真實的情境中，學生必須考慮模擬環境中“不需要”考慮的問題。一座模擬的房子可能不需要考慮樓梯，而對于倉鼠的家，那么每一層的樓梯就不可以是擺擺樣子，而是倉鼠真的能爬上去的。房子每一個空間，是不是倉鼠都能到得了？會不會有倉鼠通不過的通道？倉鼠排泄物的清理是否方便？倉鼠晚上喜歡睡在你為它搭建的“床”上嗎？這一系列的問題都是基于對真實情境的思考。

雖然我們在STEM中提倡問題的“實用”性，但有趣的問題亦可以是很好的STEM主題。曾有教師為一些趣味性遠遠超過實用性的STEM主題的情境創設絞盡腦汁，比如“水火箭”和“水果電池”。但是，與其制造一個生搬硬套的應用場景，不如坦然地和學生一起體驗其“趣味”。

STEM情境的選擇，關鍵在于符合學生的學段，能與其平時所接觸的事物產生共鳴，并在此基礎上進行拓展和延伸。

3.2 理解工程的每一個環節

通常一個項目會經歷許多步驟。不同的文獻對項目所經歷的步驟描述是不同的，但大致都會經歷前期調研、工程設計、工程實施、測試分析等環節。[9-12]理解各個步驟在STEM活動中的作用，才能帶著學生真正融入這些過程，而不是表面上形式化的參與。

在文獻[9]和[10]中，STEM活動的各個步驟被設計呈環形，也就是對項目過程進行整體的大循環設計。但是，在真實的工程中，回溯可能發生在項目的任意一個步驟，并可向前追溯到任意一個步驟。工程人員通常期望問題在整個過程中越早暴露越好，因為問題越早暴露，那么修正該問題的代價也就越小，這也正是工程設計的重要價值所在。

設計是工程人員相互交流的最有力的語言。設計方案(圖紙)能夠讓所有的成員都明白團隊要做什么，自己應該怎么做，以及相互之間如何銜接。設計也是為了避免錯誤的發生，在動手之前，就預先能判斷問題，并進行糾正。

3.3 多學科的、自然的融合

在實際的工程中，需要調用一切可用的理論知識和工程資源來解決問題。因此，面向真實問題時，STEM中的融合也不是簡單地將多個學科拼湊到一起，而是根據項目和工程的實際需要自然形成的。

例如在以筆者為主要設計者的南京師范大學附屬小學《博物館之夜》的課程中，為了解決報警器的問題，光學、信息學科自然地融入課程中；為了搭建模擬場景，結構工程自然地融入了進來；為了在有限的鏡子反射下建立更為有效的激光防護網，幾何學知識也會融入其中。

3.4 給予學生創意與思考的空間

開放性的路徑是STEM教育中學生思維培養的重要途徑。只有開放的達成途徑才能促使學生從多個角度去思考問題，去主動地尋找解決問題的方法，而不是由教師給出現成的路徑。因此，教師在STEM課程設計中，須避免面面俱到，在必要的環節進行“留白”，給予學生思考和創意的空間。

真實的工程任務，其設計目標不可能是單一指標，當需要對多個工程目標進行協調時，就必然出現不同的選擇。在工程設計中，多目標的開放性設計是工程方案設計的重要特點，工程設計沒有所謂的正確答案，只有更多更好的優化方案。

開放性多元的設計方案，還需要多元的器材支持。STEM課程鼓勵學生盡可能使用身邊容易獲取的材料作為他們探究的器材。學生在選擇材料時，需要從材料的特點、材質、用途、價格等多方面進行考量，同時還需要考慮安全、環保等問題。

3.5 帶著學生去尋找問題的本源

為了更好地讓學生發現和解決問題，思考問題的本源至關重要。教師能不流于形式和表面，引導學生找到不同現象背后相同的本質，或者能夠發現類似現象背后截然不同的原因。很多科學課程中都有類似的實驗設置，比如探究暗盒背后秘密等，但這里所講的發現問題的本源，通常是在工程實施的過程中，能夠找到影響實施效果的各種關鍵因素。

在學生活動中，設置一些小小的不起眼的問題，往往背后卻有著重要的思維鍛煉意義。例如，我們總是說三角形最堅固的結構，那為什么在“雞蛋保護計劃”的STEM活動中，立方體結構小組保護雞蛋的成功概率可能比三棱錐結構小組更高？

尋找問題的本源，是運用合理的科學和數學原理，抽絲剝繭，撥開云霧，去偽存真，看到影響事物進展的關鍵性因素。這里既有科學的探討，更有對學生思維的鍛煉，以及面對問題的態度。在任何時候，我們都期望學生能養成勤于思考的習慣，因為在未來他所要解決的任何問題都必須經歷思考的過程。

4 建立STEM教師的自信

STEM教育對教師提出了新的要求，STEM多學科的整合，使得很多習慣于單科教學的教師無所適從，因而對STEM教學缺乏自信。新加入STEM教學領域的教師必須盡快進行角色轉變，并建立起自身對STEM教學的自信。這些自信來源于以下幾個方面：

(1) 教師要多接觸科普書籍，拓展自身在科學領域的知識面，養成善于發現與思考問題的好習慣。

(2) 積極參與相關的STEM教育活動，親自動手感受STEM。只有通過自身的實踐，才會有更多的對工程技術的領悟和體會。

(3) 在課程教學中轉變角色，用更包容、更開放的心態看待自身與學生的關系。教師不再是唯一的知識技能傳授者。在STEM項目的實施過程中，教師更多的是項目研究的引領者、項目進度的監督者、項目團隊在遇到困難時的鼓勵者。教師也不是高高在上的項目管理者，而應該更多地參與到學生的項目中，與學生一起共同進步。

(4) 專業問題求助專業人士，讓更多不同背景的教師、專業領域人士(大學教師、企業工程師等)參與到課程中來，對學生技術上產生的問題進行指導。

5 結語

STEM教育是學科教育的重要補充，同樣，“沒有學科知識和思維方法的支撐，僅僅通過STEM綜合活動，不可能有良好的培養效果。”[4]我們期望STEM教育能夠讓每一個學生都能受益，除了提高STEM素養與創新能力之外，我們還期望學生養成思考的習慣，在面對問題時勇于探索堅持不懈。與學生一起經歷真實的STEM項目，需要在STEM教學的過程中，透過形式化的外表，加深學生對項目本身的真實體驗，激發學生的創意，引發學生對問題本質的思考，并在此過程中，教師能夠對教學不斷地進行反思與改進。