STEM教育跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動5EX設(shè)計模型

李克東 李穎

[摘? ?要] STEM 教育是以提升學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新實踐能力為目標，跨學(xué)科學(xué)習(xí)是STEM教育的核心特征。為了使STEM教育項目能更有效地設(shè)計與實施跨學(xué)科學(xué)習(xí)，文章提出要關(guān)注五個要點，即跨學(xué)科學(xué)習(xí)是以提升學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力為教育目標;要讓學(xué)生面對真實情境中的問題，并以尋找問題的解決辦法作為學(xué)習(xí)任務(wù)，進行任務(wù)驅(qū)動的學(xué)習(xí);要根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)的具體目標，發(fā)現(xiàn)并整理出與問題解決相關(guān)聯(lián)的不同學(xué)科知識并把這些相關(guān)學(xué)科知識進行整合;要讓學(xué)生學(xué)會運用相關(guān)聯(lián)學(xué)科的研究和學(xué)習(xí)方法去分析問題、解決問題;要以項目學(xué)習(xí)方式并通過多個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，而不是簡單的一節(jié)課堂教學(xué)就能實現(xiàn)。文章還提出跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動設(shè)計5EX模型，并以“家居水栽培”和“設(shè)計并制作FEG智能車”為例，對跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動設(shè)計與實踐過程進行說明。

[關(guān)鍵詞] 跨學(xué)科學(xué)習(xí); STEM教育; 5EX設(shè)計模型

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

一、引? ?言

STEM教育在基礎(chǔ)教育中充滿著機遇與挑戰(zhàn)[1]。《2015年地平線報告》（基礎(chǔ)教育版）指出，未來的1～2年內(nèi)STEAM教育將會成為驅(qū)動學(xué)校教育技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵要素，并在全球范圍興起與推廣[2]。2016年教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》文件指出，有條件的地區(qū)和學(xué)校要積極探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用[3]。STEM教育由此在國內(nèi)外掀起一股熱潮。然而，也產(chǎn)生一系列問題：STEM教育的目標是什么？它的核心特征是什么？如何設(shè)計STEM教育的學(xué)習(xí)活動才能體現(xiàn)STEM教育的核心特征？

二、跨學(xué)科學(xué)習(xí)——STEM教育的核心特征

STEM教育是一種通過整合科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學(xué)（M）領(lǐng)域內(nèi)容和方法進行項目學(xué)習(xí)的教育方式。STEM教育不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識的簡單疊加，而是立足于生活經(jīng)驗和社會實踐的問題，將各學(xué)科的知識和方法整合到一個解決問題過程的整體上，這種整合具有天然的跨學(xué)科性、情境性、實踐性、協(xié)作性、實證性，是一種跨學(xué)科學(xué)習(xí)的范式。

張華認為，“所謂跨學(xué)科學(xué)習(xí)（Interdisciplinary Study），是基于跨學(xué)科意識，運用兩種或兩種以上的學(xué)科觀念以及跨學(xué)科觀念，解決真實問題的課程與學(xué)習(xí)取向”[4]。Wall等人認為，跨學(xué)科強調(diào)學(xué)科的“混合”，但每個學(xué)科仍保持自己的特性和課程重點，也就是說，在教學(xué)中雖然會涉及不同學(xué)科的知識，但是教師和學(xué)生能清楚地辨別知識領(lǐng)域，并且重點也會放在某一特定學(xué)科上[5]。Morrison等人認為，跨學(xué)科學(xué)習(xí)是為了超越單一學(xué)科的界限，STEM教育不應(yīng)將重點放在某個特定學(xué)科或者過度關(guān)注學(xué)科界限，應(yīng)當將重心放在特定問題上，對問題有新的、更廣泛的視角和對復(fù)雜問題相互關(guān)系有更深的理解[6]。筆者曾提出，“跨學(xué)科課程整合就是環(huán)繞一個共同的主題，打破學(xué)科的界限，把不同學(xué)科不同領(lǐng)域的理論和方法有機融合，有目的、有計劃地設(shè)計組織課程內(nèi)容和教學(xué)活動，以提高學(xué)生能力、促進學(xué)生全面發(fā)展為最終目的的一種課程組織方式和課程設(shè)計理論”[7]。為了有效設(shè)計和實施跨學(xué)科學(xué)習(xí)，筆者認為，我們需要關(guān)注五個要點：

要點一：跨學(xué)科學(xué)習(xí)是以提升學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力為教育目標。

科學(xué)精神和實踐創(chuàng)新能力是中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分[8]。跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的設(shè)計和實施過程必須重視科學(xué)精神和實踐能力的培養(yǎng)。

科學(xué)精神培養(yǎng)就是要讓學(xué)生面對真實情境中的問題，學(xué)會采用理性思維方法去思考問題，學(xué)會運用不同的方法探究問題，可以通過科學(xué)實驗、現(xiàn)場觀察、社會調(diào)查等方法去尋找問題的答案。學(xué)會獲取事實數(shù)據(jù)去說明問題、分析問題。鼓勵學(xué)生勇于表達觀點，提出不同解決問題的方案。

實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)就是讓學(xué)生承擔責(zé)任，完成具體任務(wù)，培養(yǎng)良好的勞動意識。讓學(xué)生學(xué)會通過科學(xué)的工程規(guī)劃設(shè)計、運用有效的技術(shù)制作來完成任務(wù)，掌握解決實際問題的方法。讓學(xué)生通過小組的協(xié)作去解決問題，同時，鼓勵學(xué)生積極提出不同的意見，讓學(xué)生充分展示自己的個性化思維和想象能力。

要點二：跨學(xué)科學(xué)習(xí)是要讓學(xué)生面對真實情境中的問題，并以尋找問題的解決辦法作為學(xué)習(xí)任務(wù)，進行任務(wù)驅(qū)動的學(xué)習(xí)。

跨學(xué)科學(xué)習(xí)是以真實問題為導(dǎo)向而不是以教科書為導(dǎo)向。是以尋找問題的解決辦法為學(xué)習(xí)任務(wù)，進行任務(wù)驅(qū)動的學(xué)習(xí)。在對真實情境問題的求解過程中，讓學(xué)生主動地確認目標、尋找資源、建構(gòu)路徑、解決問題。學(xué)生為了獲得解決問題的結(jié)果，需要以任務(wù)為導(dǎo)向，要善于發(fā)現(xiàn)和確認現(xiàn)象、尋求合理證據(jù)、科學(xué)地作岀解釋，才能夠保持跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的延續(xù)，獲得問題解決的結(jié)果。這個過程就要充分調(diào)動學(xué)生的高級思維來解決問題，需要通過多學(xué)科交叉以及通過參與、探究、解釋、實踐、評價等過程去解決問題，在解決問題的過程中將會使得科學(xué)精神和創(chuàng)新實踐能力得到發(fā)展。

要點三：跨學(xué)科學(xué)習(xí)要根據(jù)待解決問題的具體目標，發(fā)現(xiàn)并整理出與問題解決相關(guān)聯(lián)的不同學(xué)科的知識并把這些相關(guān)學(xué)科知識進行整合。

不同真實情境中的問題，形成不同的跨學(xué)科學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)項目，在這些學(xué)習(xí)項目中可能包含有物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和數(shù)學(xué)知識，也可能包含有氣象、天文、地理知識，也可能包含有地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)的知識等，這些需要調(diào)動學(xué)生的高級思維去發(fā)現(xiàn)、分析和整理。這是一種以解決真實問題為核心的深度學(xué)習(xí)過程。

要點四：跨學(xué)科學(xué)習(xí)要讓學(xué)生學(xué)會運用相關(guān)聯(lián)學(xué)科的研究和學(xué)習(xí)方法去分析問題、解決問題。

科學(xué)探究方法、工程思維方法、制作實踐方法以及數(shù)學(xué)分析和表達的方法是各個學(xué)科最常使用的最基本的解決問題的方法，在跨學(xué)科學(xué)習(xí)過程中不可缺少。

科學(xué)探究方法，包括如何提出問題、分析理解問題、設(shè)計科學(xué)實驗。如何對問題的解答作出假設(shè)，如何測量并獲取數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)事實形成結(jié)論等。

工程思維方法，包括如何明確任務(wù)并進行任務(wù)分析、畫出設(shè)計草圖。如何制訂問題解決的工程實施步驟、時間安排。如何選擇合適的材料和技術(shù)制作原型，如何檢測原型的質(zhì)量，對原型進行改進并形成定型等。

技術(shù)制作方法，包括如何根據(jù)任務(wù)選擇材料、選擇工具、選擇制作工藝等。

數(shù)學(xué)分析方法，客觀世界的特征是要用數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)方法來描述的。因此，學(xué)生需要在項目學(xué)習(xí)中學(xué)會獲取數(shù)據(jù)、讀懂數(shù)據(jù)，這是科學(xué)實驗、觀察、調(diào)查必備的操作。學(xué)會依據(jù)國際標準描述對象的特征、描述要素的關(guān)系、現(xiàn)象的變化等方法。學(xué)會用標準單位進行測量并記錄不同類型的數(shù)據(jù)，學(xué)會利用表格、圖形、參數(shù)、變量關(guān)系等描述客觀世界的特征和關(guān)系等。

要點五：跨學(xué)科學(xué)習(xí)要以項目學(xué)習(xí)方式并通過多個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，而不是簡單的一節(jié)課堂教學(xué)就能實現(xiàn)。

跨學(xué)科學(xué)習(xí)不是簡單地將多學(xué)科知識進行簡單的組合，而是讓這些多學(xué)科知識和方法通過項目學(xué)習(xí)活動形成連貫的、有組織的多個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)組成的跨學(xué)科學(xué)習(xí)課程結(jié)構(gòu)。 跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的設(shè)計要包含問題驅(qū)動、思維培養(yǎng)、實踐能力培養(yǎng)、創(chuàng)新嘗試和效果檢測五個基本要素。為此，我們把跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動分為五個學(xué)習(xí)活動環(huán)節(jié)：進入情境與提出問題活動、探究學(xué)習(xí)與數(shù)學(xué)應(yīng)用活動、工程設(shè)計與技術(shù)制作活動、知識擴展與創(chuàng)意設(shè)計活動、多元評價與學(xué)習(xí)反思活動。每個學(xué)習(xí)項目都包含多個教學(xué)環(huán)節(jié)，各個教學(xué)環(huán)節(jié)之間有一定的聯(lián)系及邏輯步驟，因此，在設(shè)計時不但要考慮到跨學(xué)科的特點，也要考慮活動間的環(huán)環(huán)相扣。

由此可見，跨學(xué)科學(xué)習(xí)不只是課程內(nèi)容的改變，還是學(xué)習(xí)性質(zhì)和方式的革新。運用跨學(xué)科知識和方法去解決真實問題，不斷發(fā)展每一位學(xué)生的學(xué)科理解力與生活理解力，并在此過程中掌握知識與技能。這就是STEM教育的本質(zhì)，跨學(xué)科學(xué)習(xí)是STEM教育的核心特征。

綜上所述，筆者認為，STEM 教育就是讓學(xué)生面對真實情境的問題，通過將科學(xué)探究、數(shù)學(xué)應(yīng)用、工程設(shè)計和技術(shù)制作有機統(tǒng)一，運用跨學(xué)科的知識和方法來解決實際問題，學(xué)生通過做中學(xué)，提升科學(xué)精神和創(chuàng)新實踐能力，促進全面發(fā)展的一種教育方式。

我們以“家居水栽培”STEM教育項目為例（澳門濠江中學(xué)設(shè)計實施），說明如何以“真實問題為導(dǎo)向”并運用跨學(xué)科知識和方法來解決問題的過程。

一個真實情境的問題：眾所周知，水栽培技術(shù)已普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，但如何才在家居中或在教室里的環(huán)境下利用水栽培技術(shù)種植蔬菜？

為此，學(xué)校首先組織參加STEM項目學(xué)習(xí)的初三年級11個班的全體學(xué)生到珠海大型水栽培農(nóng)場參觀了解到水栽培植物生長的基本條件是：陽光、水分、營養(yǎng)、空氣。現(xiàn)要在家居中或教室里用水栽培技術(shù)種植蔬菜，如何保證水栽培植物獲得這些條件？

表1? ? ? ? ? ? ? ? 跨學(xué)科知識和方法的應(yīng)用

通過小組討論，學(xué)生認為要在家居中或教室里實現(xiàn)水栽培技術(shù)種植蔬菜，可以采取如下幾個方法（見表1）保證水栽培植物獲得陽光、水分、營養(yǎng)、空氣等條件。

在上述跨學(xué)科知識分析的基礎(chǔ)上，教師設(shè)計幾項學(xué)習(xí)活動（見表2），學(xué)生進一步通過應(yīng)用科學(xué)探究方法、工程思維方法、制作實踐方法以及數(shù)學(xué)分析和表達的方法，實現(xiàn)在家居或教室環(huán)境下用水栽培技術(shù)種植蔬菜。

從上面例子可見，在跨學(xué)科的STEM項目學(xué)習(xí)中，學(xué)生以真實情境的問題為導(dǎo)向，以問題解決作為學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并整理與學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)的學(xué)科知識和學(xué)科方法，通過實踐加深對這些學(xué)科知識和方法的理解，在探究和實踐的過程中形成個人認識，也充分調(diào)動并鍛煉了學(xué)生的科學(xué)探究能力、工程設(shè)計以及技術(shù)制作的實踐能力，從而獲取能力和思維的成長，有力提升學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新實踐能力，促進學(xué)生的全面發(fā)展。

三、STEM教育跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動

5EX設(shè)計模型

STEM教育的核心特征是跨學(xué)科學(xué)習(xí)，因此，在設(shè)計和實施STEM 教育項目時，必須強調(diào)：（1）STEM教育需要以真實情境中的問題來驅(qū)動，通過對問題解決的思考與實現(xiàn)，體驗科學(xué)探索的方法和工程技術(shù)制作實踐的真實過程，從而獲得智慧和能力的成長。（2）STEM教育本質(zhì)上是跨學(xué)科學(xué)習(xí)， STEM教育項目面向的是自然真實情境中需要認識和解決的問題， STEM教育是通過運用跨學(xué)科知識和方法去解決實際問題的能力培養(yǎng)，而不只是追求創(chuàng)新作品的產(chǎn)生。（3）STEM教育學(xué)習(xí)項目不是課外的科技小組活動，它是一種與傳統(tǒng)課堂教學(xué)不同的課程教學(xué)方式。它要有明確的教學(xué)目標、教學(xué)進度、教學(xué)策略和教學(xué)評價。（4）STEM教育學(xué)習(xí)項目要面向全體學(xué)生，而不只是關(guān)注少數(shù)具有制作創(chuàng)新能力的學(xué)生。（5）STEM教育要面向?qū)W生做中學(xué)的全過程，關(guān)注學(xué)生在各個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)，而不只是關(guān)注其作品的水平。STEM教育項目學(xué)習(xí)的設(shè)計需要充分體現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的精神。一般包含以下四個基本要素：

（一）選擇主題，確定學(xué)習(xí)項目

跨學(xué)科學(xué)習(xí)是要讓學(xué)生面對真實情境中的問題，并以尋找問題的解決辦法作為學(xué)習(xí)任務(wù)，進行以任務(wù)驅(qū)動的學(xué)習(xí)，因此，STEM項目的學(xué)習(xí)主題應(yīng)當是與實際生活緊密相關(guān)，是學(xué)生可以認識和理解并能產(chǎn)生實際應(yīng)用效果的問題。學(xué)生可以通過項目實施過程，學(xué)習(xí)并綜合應(yīng)用跨學(xué)科知識和方法解決實際問題。 STEM課程主題按學(xué)習(xí)任務(wù)劃分，可分為多種類型[7]：（1）驗證型主題，其學(xué)習(xí)任務(wù)是要對已知定律和現(xiàn)象進行驗證;（2）探究型主題，其學(xué)習(xí)任務(wù)是對一些現(xiàn)象進行探究并解釋;（3）設(shè)計型主題，其學(xué)習(xí)任務(wù)是根據(jù)一定的條件，設(shè)計符合條件的物品;（4）制作型主題，其學(xué)習(xí)任務(wù)是根據(jù)一定的科學(xué)原理，制作出符合科學(xué)原理的物品;（5）創(chuàng)新型主題，其學(xué)習(xí)任務(wù)是設(shè)計和制造創(chuàng)新物品。

（二）確定項目學(xué)習(xí)目標

STEM教育課程的教學(xué)目標包括知識目標與能力目標，在表述上可以歸納為“學(xué)生將通過……（活動），了解和學(xué)習(xí)……”。例如：制作型主題“制作雨量器”的教學(xué)目標可描述為：“學(xué)生通過體驗式的學(xué)習(xí)和探索，了解如何觀察天氣，以及天氣數(shù)據(jù)有哪些用途。通過小實驗：制作風(fēng)向標，讓學(xué)生學(xué)會如何測定風(fēng)向，按照工程設(shè)計過程，學(xué)會設(shè)計制作雨量器并學(xué)會如何進行雨量測量。”[7]同時，STEM教學(xué)目標還可從跨學(xué)科角度劃分為科學(xué)知識與方法、技術(shù)知識與制作、工程知識與設(shè)計、數(shù)學(xué)知識與描述，可以從這四個方面對教學(xué)目標進行分解。

（三）跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的設(shè)計

跨學(xué)科學(xué)習(xí)要以項目學(xué)習(xí)方式并通過多個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，而不是簡單的一節(jié)課堂教學(xué)就能實現(xiàn)。跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動設(shè)計就是要根據(jù)真實情境中的問題來確定學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)目標、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)情境和教學(xué)對象，設(shè)計并安排相應(yīng)的學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生通過參與活動進行學(xué)習(xí)。因此，在設(shè)計時不但要考慮到跨學(xué)科的特點，也要考慮活動間的環(huán)環(huán)相扣。STEM教育項目學(xué)習(xí)不是簡單地將相關(guān)學(xué)科知識疊加起來，而是讓這些相關(guān)學(xué)科知識和方法通過項目學(xué)習(xí)活動形成連貫的、有組織的跨學(xué)科學(xué)習(xí)課程結(jié)構(gòu)。我們把問題驅(qū)動、思維培養(yǎng)、實踐能力培養(yǎng)、創(chuàng)新嘗試和效果檢測五個方面作為跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的設(shè)計要遵循的基本要素。為此，我們把跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動分為五個學(xué)習(xí)活動環(huán)節(jié)：進入情境與提出問題活動（Enter and Questions，EQ）;探究學(xué)習(xí)與數(shù)學(xué)應(yīng)用活動（Exploration and Mathematics，EM）;工程設(shè)計與技術(shù)制作活動（Engineering and Technology，ET）;知識擴展與創(chuàng)意設(shè)計活動（Expansion and Creativity，EC）;多元評價與學(xué)習(xí)反思活動（Evaluation and Reflection，ER）。我們將上述五個學(xué)習(xí)活動歸納為跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動5EX模型，如圖1所示。不同環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)活動的內(nèi)容將在下文中具體闡述。

1. 活動一：EQ（Enter and Questions），即進入情境與提出問題

此活動旨在讓學(xué)生進入真實問題情境之中，提出問題與任務(wù)，通過問題驅(qū)動，以項目學(xué)習(xí)方式進行主題學(xué)習(xí)。教師可以設(shè)計多種活動進行情境導(dǎo)入，例如：（1）閱讀相關(guān)的科普資料;（2）展示圖片、視頻等資料;（3）到與項目相關(guān)的真實現(xiàn)場參觀等方式。教師在此活動中要能夠引導(dǎo)學(xué)生提出與項目相關(guān)的問題并進行思考，同時，要培養(yǎng)學(xué)生閱讀與收集資料的能力。

2. 活動二：EM（Exploration and Mathematics），即探究學(xué)習(xí)與數(shù)學(xué)應(yīng)用

此活動旨在讓學(xué)生圍繞問題或任務(wù)，通過科學(xué)探究方法（科學(xué)實驗、現(xiàn)場觀察、調(diào)查訪問、工具測量等）和數(shù)學(xué)方法去尋求問題解決的方法或解析問題，理解并應(yīng)用知識。其中，數(shù)學(xué)方法是科學(xué)探究的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)應(yīng)用應(yīng)滲透在科學(xué)探究活動中，如讀取數(shù)據(jù)是科學(xué)實驗、觀察和調(diào)查必備的操作，可以利用數(shù)學(xué)語言來描述客觀世界的特征，學(xué)會用標準單位測量并記錄不同類型的數(shù)據(jù)等。此活動遵循一定的流程，并要求教師與學(xué)生按照科學(xué)探究的步驟開展教學(xué)活動，如圖2所示，可歸納為5個步驟。

（1）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題：教師創(chuàng)設(shè)與生活緊密相關(guān)的真實情境，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活與學(xué)習(xí)經(jīng)驗提出需要探究并要解決的問題。

（2）面對問題，作出假設(shè)：教師引導(dǎo)學(xué)生作出假設(shè)性的判斷，學(xué)生能夠填寫表格并學(xué)會作假設(shè)。

（3）選擇方法，進行探究：教師有設(shè)計探究活動的方法（設(shè)計實驗操作指南、調(diào)查提綱等），介紹與項目相關(guān)的探究方法并引導(dǎo)學(xué)生進行探究，如科學(xué)實驗、現(xiàn)場觀測、社會調(diào)查等。

（4）收集數(shù)據(jù)，歸類整理。

（5）分析數(shù)據(jù)，形成觀點：提出數(shù)學(xué)描述的要求（使用標準單位、確定測量對象、建立變量關(guān)系等）。

）

3. 活動三：ET（Engineering and Technology），即工程設(shè)計與技術(shù)制作

此活動旨在讓學(xué)生承擔任務(wù)，通過工程設(shè)計并動手制作，完成制品，通過做中學(xué)，提升創(chuàng)新實踐的能力。在此活動中，學(xué)生用盡可能多的方式進行頭腦風(fēng)暴，尋求解決問題的方法，但并不要求學(xué)生對方法進行對錯的判斷，而是讓學(xué)生用設(shè)計圖解釋和表達自己的想法，然后分享交流，選出最優(yōu)方案。學(xué)生根據(jù)最優(yōu)方案，選擇材料和工具，合作完成成品制作。在整個活動過程中，學(xué)生可以通過測試或交流等方式找出失敗的原因，進而完善自己的方案和成品，體驗完整的工程設(shè)計和技術(shù)制作流程。此環(huán)節(jié)一般以小組為單位完成任務(wù)，其中工程設(shè)計和技術(shù)制作活動的流程可以歸納為6個步驟，如圖3所示。

（1）確定任務(wù)，明確需求：教師需提出明確的工程制作任務(wù)（包括提出性能要求、技術(shù)標準等），讓學(xué)生明確任務(wù)需求。

（2）提出方案，畫出草圖：教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)任務(wù)進行頭腦風(fēng)暴，提出解決方案，畫出草圖，并依據(jù)草圖向同伴說明和解釋自己的想法，學(xué)生通過交流與分享選出組內(nèi)最優(yōu)方案。

（3）制定計劃，分工實施：教師需設(shè)計工程規(guī)劃表格，各小組討論明確各環(huán)節(jié)時間分配及人員分配。工程規(guī)劃表格應(yīng)當包含工程設(shè)計的一系列流程，包括任務(wù)描述、初步設(shè)想、選擇材料、制作原型、性能測試、發(fā)現(xiàn)問題、改正制品、制品定型。

（4）動手制作，完成原型：原型制作時，需經(jīng)過一系列的步驟，如了解性能要求、選擇材料、選擇工具、選擇工藝、性能檢測、改正制品、制品定型等，學(xué)生在此過程中學(xué)習(xí)并應(yīng)用技術(shù)工藝知識。

（5）性能測試，改善方案：在此環(huán)節(jié)中，要讓學(xué)生明白制作模型時常有失敗發(fā)生，要學(xué)會測試及改進制品。對制作的原型進行測試，找出失敗的原因，進而改進與完善自己的工程設(shè)計方案。

（6）修改原型，定型制品：學(xué)生根據(jù)經(jīng)過測試及完善后的設(shè)計方案，通過與同伴、教師交流與分享，修改自己的作品，最終定型制品。

4. 活動四：EC（Expansion and Creativity），即知識擴展與創(chuàng)意設(shè)計

此活動旨在讓學(xué)生走進社會，將知識與社會聯(lián)系，根據(jù)需求提出更高要求的設(shè)計任務(wù)，激發(fā)學(xué)生拓展知識的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5. 活動五：ER（Evaluation and Reflection），即多元評價與學(xué)習(xí)反思

此活動旨在通過多元評價對象與多元評價方式，檢驗學(xué)習(xí)者是否達到課程目標、效果如何以及為改進課程提供依據(jù)。STEM課程的學(xué)習(xí)評價是以過程性評價為主、總結(jié)性評價為輔，并采用多元評價對象即教師、社會專家學(xué)者和學(xué)生參與評價，對基礎(chǔ)知識、任務(wù)完成、創(chuàng)意設(shè)計等內(nèi)容進行測試與評價。

STEM項目學(xué)習(xí)注重學(xué)生的自我學(xué)習(xí)反思。學(xué)生通過自我反思能夠意識到自己的思維變化，能夠讓學(xué)生隨時監(jiān)控和掌握自己的學(xué)習(xí)狀況，能夠識別對某個知識和能力掌握到何種程度，以及自我評估還需要參與何種學(xué)習(xí)過程才能夠達到對知識和能力的進一步理解和掌握。學(xué)生的自我學(xué)習(xí)反思過程對于提升個體的自我反思能力是有益的，有助于促進學(xué)生的全面發(fā)展。

（四）跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動支持文檔的設(shè)計

由于STEM課程特別注重過程性評價，因此，設(shè)計能夠體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)全過程的文檔極為重要，STEM課程的學(xué)習(xí)文檔主要包括三類：（1）學(xué)習(xí)活動指導(dǎo)文檔，包括與主題相關(guān)的閱讀資料、實驗操作指南、社會參觀和調(diào)查活動指南等幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)或合作學(xué)習(xí)的資料;（2）學(xué)生學(xué)習(xí)記錄文檔，包括測量數(shù)據(jù)記錄表格、問題思考表述文檔、問題探究過程記錄表格（問題、假設(shè)、探究過程與數(shù)據(jù)、結(jié)論）、工程設(shè)計表格（方案、材料、時間及人員分配、測試結(jié)果、改善方案及定型）、制作過程記錄表格等能夠記錄學(xué)生學(xué)習(xí)過程的資料;（3）學(xué)生自主學(xué)習(xí)評價表格，包括對自己學(xué)習(xí)任務(wù)完成的評價表格（規(guī)劃設(shè)計能力、技術(shù)制作能力、資源與時間管理能力、團隊合作能力、成果展示能力等）與自我反思表格（PMIQ表：已懂得的知識、還不懂的知識、感興趣的知識、存在的疑問）等幫助學(xué)生進行自我評價的工具。

四、基于5EX設(shè)計模型的STEM教育實踐

為響應(yīng)教育部在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中提出的、要積極探索“跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEM教育）、創(chuàng)客教育等新教學(xué)模式的應(yīng)用”的要求，2016年6月，由中國教育技術(shù)協(xié)會、中國教育信息化產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院、廣東省高等學(xué)校教育技術(shù)中心、香港電腦教育學(xué)會、香港智庫創(chuàng)新教育學(xué)會、澳門中華教育會、澳門電腦學(xué)會等聯(lián)合發(fā)起，成立了粵港澳大灣區(qū)STEM教育聯(lián)盟，聯(lián)盟旨在推動STEM教育粵港澳大灣區(qū)中小學(xué)的應(yīng)用。粵港澳大灣區(qū)STEM教育聯(lián)盟的任務(wù)是培訓(xùn)學(xué)校教師，建立STEM教育實驗學(xué)校，開展STEM教育項目實踐，編寫本土教材，組織學(xué)術(shù)交流。目前，聯(lián)盟已在廣東、香港和澳門建立了20多所STEM教育實驗學(xué)校，根據(jù)5EX跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動設(shè)計項目學(xué)習(xí)方案，開展了“制作手工柴燒陶杯”“制作量雨器”“人工鳥巢”“設(shè)計并制作FEG智能車”“四足機器人”“魚菜共生”“制作過濾柱”“機械馬”“家居水栽培”“望遠鏡制作”等十多個STEM教育項目的教學(xué)實踐，還形成了一批可推廣的STEM教學(xué)設(shè)計方案。本文重點介紹其中的“設(shè)計并制作FEG智能車”跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動設(shè)計方案。

（一）主題確定

無人駕駛汽車已越來越多地應(yīng)用在我們的現(xiàn)實生活中，它是通過車載傳感系統(tǒng)感知道路的環(huán)境，自動規(guī)劃行車路線并控制車輛到達預(yù)定目標的智能車。FEG智能車是中小學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)了解無人車基本性能的良好器材（如圖4所示），本課程將聚焦于智能車的設(shè)計與組裝，為學(xué)生介紹智能車的發(fā)展與應(yīng)用。

（二）教學(xué)目標描述

“設(shè)計并制作FEG智能車”的教學(xué)目標可描述為：“學(xué)生通過智能車科普材料和視頻了解智能汽車的基本組成等知識，通過科學(xué)探究學(xué)習(xí)車體形狀及組裝方式，通過拼裝與駕駛簡易智能車，體會工程設(shè)計的過程，利用3D建模軟件進行創(chuàng)意設(shè)計，通過多元評價反思學(xué)習(xí)過程，利用項目式學(xué)習(xí)促進學(xué)生全面發(fā)展。”它的教學(xué)目標的分解見表3。

（三）教學(xué)活動設(shè)計

1. 活動一：進入情境，提出問題（EQ）

本環(huán)節(jié)共包括三個學(xué)習(xí)活動：進入情境、提出問題、觀察體驗和記錄結(jié)果。首先，教師為學(xué)生提供智能車的相關(guān)科普資料與視頻，讓學(xué)生進入真實的生活情境中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，根據(jù)視頻及科普閱讀資料，提出與本主題相關(guān)的問題，如簡易智能車車體的構(gòu)造是什么樣的？簡易智能車靠什么驅(qū)動？如何實現(xiàn)無人駕駛？最后，教師可以給學(xué)生提供簡易的FEG智能車，讓學(xué)生通過體驗與駕駛，觀察并記錄簡易智能車的基本結(jié)構(gòu)、運行條件和控制方式。本環(huán)節(jié)具體的流程如圖5所示。

2. 活動二：探究學(xué)習(xí)，數(shù)學(xué)應(yīng)用（EM）

本環(huán)節(jié)主要探究智能車車體的結(jié)構(gòu)特征，包括兩個探究活動，分別是探究材料形狀對其承重能力的影響以及車體的連接方式。

探究活動一是通過科學(xué)實驗探究智能車材料的形狀對材料承重能力的影響。首先，教師提出問題：材料如何影響其承重能力？引導(dǎo)學(xué)生說出材料的種類和形狀影響其承重能力。在本活動中，主要探究材料形狀對其承重能力的影響。讓學(xué)生作出假設(shè)：圓柱形/長方體形/正方體形的穩(wěn)定性及承重能力最好。教師給出實驗探究所需的材料，如A5紙、硬紙板、書和膠帶，并引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)探究。探究活動一的具體流程如圖6所示。

探究活動二是通過科學(xué)實驗探究智能車車體的連接與組合方式，首先，給學(xué)生提供閱讀材料，讓學(xué)生知道汽車的組成結(jié)構(gòu)以及常見的機械連接方式：可拆卸連接（螺紋連接、咬合、鏈接等）和不可拆卸連接（焊接、鉚接等），帶領(lǐng)學(xué)生分析自行車的機械連接方式，為學(xué)生自主探究FEG智能車車體的組合方式打下知識基礎(chǔ)。其次，為學(xué)生提供實驗所需的材料，如螺栓、螺帽、帶孔木板若干、FEG智能車1.0版普通接頭、鋁管若干和鑰匙扣圓環(huán)若干。最后，學(xué)生通過實驗操作，比較螺紋連接、咬合和鏈接三種連接方式，并將結(jié)果填寫在表格中，通過比較讓學(xué)生明確咬合這種連接方式更適合FEG智能車車體的組裝。探究活動二的具體流程如圖7所示。

3. 活動三：工程設(shè)計，技術(shù)制作（ET）

本環(huán)節(jié)讓學(xué)生通過搭建簡易FEG智能車，進一步感受工程設(shè)計的過程，學(xué)會看設(shè)計圖以及明確搭建智能車所需的必備知識。首先，學(xué)生可以三人為小組，體驗駕駛FEG智能車，并明確小組任務(wù)，即利用已有材料搭建FEG智能車;其次，學(xué)生研究給出的設(shè)計圖，明確智能車車體結(jié)構(gòu)、連接方式以及所用的材料和工具;明確各部分材料及連接方式后，小組討論，制定計劃并分工實施;搭建過程時，注意記錄所用時間，完成后與設(shè)計圖對比是否一致;各小組完成后，在小組間交流搭建方法與過程，互相改進學(xué)習(xí);最后，小組內(nèi)分析與反思搭建方法有何不足，應(yīng)當如何解決，怎樣可以提高搭建效率，縮短時間。本活動的具體流程如圖8所示。

4. 活動四：知識擴展，創(chuàng)意設(shè)計（EC）

本環(huán)節(jié)為學(xué)生提供更自由的創(chuàng)作空間，讓學(xué)生學(xué)習(xí)利用3D建模軟件設(shè)計和組裝創(chuàng)意FEG智能車，進一步體驗工程設(shè)計的流程。首先，學(xué)生需明確任務(wù)，即設(shè)計并搭建一輛貼近生活實際的創(chuàng)意FEG智能車;其次，以小組為單位，頭腦風(fēng)暴，提出方案，按照自己的想法畫出草圖;小組內(nèi)討論方案，教師指導(dǎo)并給出建議;組內(nèi)選出最優(yōu)設(shè)計方案，利用3D軟件建模并打印元件;明確分工，利用材料和工具搭建創(chuàng)意智能車;搭建完成后，針對設(shè)計原型測試是否達到預(yù)期效果并提出改進方案，進行調(diào)試改正;最后，小組展示，分享交流，并進行評價。本活動的具體流程如圖9所示。

5. 活動五：學(xué)習(xí)反思，自我評價（ER）

本環(huán)節(jié)旨在用多種評價方式評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，改善教學(xué)方法，有針對性地幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)，包括線上評價和線下評價兩種方式。

線上PBL教學(xué)平臺：教師通過線上平臺快速讓學(xué)生練習(xí)，對學(xué)生作業(yè)進行點評并及時反饋，如學(xué)生搭建基礎(chǔ)版FEG智能車的工程設(shè)計規(guī)劃過程和創(chuàng)意設(shè)計FEG智能車的整個過程（包括草圖設(shè)計、分工、時間規(guī)劃等電子資料或圖片）。

線下多角度評價：包括基礎(chǔ)知識測驗（智能車的基本組成部分、簡易智能車的連接方式、驅(qū)動方式等知識）、任務(wù)完成評價（搭建簡易FEG智能車和創(chuàng)意設(shè)計活動）、PMIQ表自我反思。針對任務(wù)完成評價，通過教師評價、學(xué)生自評和同伴互評，對學(xué)生的規(guī)劃設(shè)計能力、技術(shù)制作能力、資源與時間管理能力、團隊合作能力和成果展示能力五個方面進行評價。

（四）教學(xué)支持文檔設(shè)計

（1）學(xué)習(xí)活動指導(dǎo)文檔：教師需預(yù)先設(shè)計或準備好無人駕駛汽車的科普閱讀材料、FEG智能車的基本結(jié)構(gòu)等材料、車體連接方式的參考材料、彈簧的功能和應(yīng)用以及其在FEG智能車中的應(yīng)用、SolidWorks操作指南、FEG智能車制品評價標準等文檔。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)記錄文檔：教師需預(yù)先準備好每一環(huán)節(jié)思考與練習(xí)的文檔與材料，如課題導(dǎo)入階段的人們?yōu)槭裁窗l(fā)明智能汽車、FEG智能車的基本組成部分、FEG智能車的體驗與觀察;探究學(xué)習(xí)活動中材料影響承重能力的實驗記錄表格、數(shù)學(xué)測量運算的記錄表格、FEG智能車工程設(shè)計記錄表、創(chuàng)意FEG智能車設(shè)計圖與制作過程記錄等文檔。

（3）學(xué)生自主學(xué)習(xí)評價表格：包括FEG智能車項目中所含的各項基本知識的測驗文檔、任務(wù)完成評價中的評價表格（規(guī)劃設(shè)計能力、技術(shù)制作能力、資源與時間管理能力、團隊合作能力、成果展示能力等）與自我反思表格（PMIQ表：P=已懂得的知識、M=還不懂的知識、I=感興趣的知識、Q=存在的疑問）等幫助學(xué)生進行自我評價的工具。

基于跨學(xué)科學(xué)習(xí)的STEM教育著眼于復(fù)合式創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，在新時代背景下，其教育意義和價值仍在不斷拓展延伸。但是如何準確地把握其內(nèi)涵，還需進行多方面的研究與實踐。本文從跨學(xué)科學(xué)習(xí)的視角，結(jié)合基礎(chǔ)教育的現(xiàn)實與挑戰(zhàn)，提出跨學(xué)科學(xué)習(xí)的五個要點和跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動5EX的設(shè)計模型及其實踐經(jīng)驗，希望能夠?qū)Υ龠MSTEAM教育的實踐提供借鑒。

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