STEM理念下信息技術課程項目式學習研究

本期文章選自2018年舉辦的第26屆全國青少年科技輔導員論文征集活動中的一等獎獲獎論文。本屆論文征集活動主題為“科學教育：開啟培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的新探索”。

摘要：STEM教育以培養(yǎng)具有跨學科素養(yǎng)和解決真實問題能力的創(chuàng)新型人才為目標。項目式學習多學科交替融合，為信息技術課程開展STEM教育提供了一種可供操作的模式。本研究梳理了STEM教育發(fā)展和研究現(xiàn)狀，分析了項目式學習內涵，提出了信息技術課程項目式學習模式。通過項目式學習模式，學生能最終解決并形成一個植根于真實問題的產品，從而發(fā)展跨學科知識連接能力和問題解決能力。

關鍵字：STEM 信息技術課程 項目式學習

一、引言

21世紀現(xiàn)代經濟社會需要具備擁有能解決真實問題能力和態(tài)度的工人、工程師、研究員和發(fā)明家。這些人才是提高國家創(chuàng)新能力的重要因素之一。培養(yǎng)人才的關鍵是在學生中推廣科學、技術、工程和數(shù)學技能。STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）4門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合[1]。STEM教育不僅是把科學、技術、工程和數(shù)學知識進行簡單疊加，而是特別強調將本來分散的4門學科自然地組合形成新的整體。作為培養(yǎng)具有全面科學素養(yǎng)和創(chuàng)新探究能力人才的教育新形態(tài)，STEM教育將會是21世紀教育事業(yè)成功的關鍵‘”。

2015年9月，教育部發(fā)布《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》，其中明確指出：“探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識”。STEM教育為學校科技教育課程的變革及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，提供了嶄新的思路和路徑。研究中我們發(fā)現(xiàn)，學校科技教育課程存在問題，比如過于局限某一學科，課堂缺乏有效的學習模式，無法有效發(fā)展學生STEM跨學科知識連接的能力，尤其是數(shù)學的分析及科學探索，導致學生解決實際問題的能力欠缺。本研究通過對STEM教育和項目式學習進行分析，進而構建可依循的項目式學習模式及教學實施過程，為學校開展STEM教育提供參考與借鑒。

二、STEM理念下信息技術可能項目式學習模式構建

（一）項目式學習內涵

項目式學習，即Project-basedLearning，簡稱PBL。與其他學習方式相比，項目的學習更傾向于應用綜合知識，目標是解決問題。學生在教師指導下制訂真實、復雜的項目，結合已有的知識和技能，積極主動地學習并完成一些真實、開放的任務，從而形成一個植根于問題的產品[2]。

STEM是科學、技術、工程和數(shù)學學科的自然交疊。項目式學習體現(xiàn)了跨學科，它克服了傳統(tǒng)課堂上知識學習與動手實踐的割裂狀況，幫助學生通過動手實踐內化知識。學生在學習和實踐過程中能有效提高學生的創(chuàng)造力、批判性思維和解決問題的能力和溝通協(xié)作能力。因此，STEM教育尤其適合使用項目式學習。

（二）STEM理念下信息技術課程項目式學習的內涵

信息技術課程以全面培養(yǎng)和提高學生的信息素養(yǎng)為基本目標，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。在信息技術課程教學中，教師把STEM教育理念融合在教學中開展項目式學習，有利于實現(xiàn)信息技術課程目標。STEM理念下信息技術課程項目式學習是指在信息技術課程中，學生以工程學為思想，以技術為工具，解決并形成一個植根于真實問題的產品，從而發(fā)展跨學科知識連接能力和問題解決能力。STEM理念下的信息技術課程項目式學習具有以下特征。

1.聚焦真實問題

項目學習內容必須與現(xiàn)實真實世界密切聯(lián)系，符合學生思維發(fā)展和身心發(fā)展的特點，才能激發(fā)學生探究和創(chuàng)造的欲望。因此，真實問題貫穿信息技術課程項目式學習必須以解決真實問題作為學習情境導入，學習的結果是解決并形成植根于真實問題的產品。但是真實問題往往比較復雜，教師需要根據(jù)評價標準把真實問題的核心轉化為一系列學習任務，引導學生開展探究，達到對科學、技術、工程和數(shù)學知識與技能的意義建構和滌層次理解。

2.以跨學科融合為核心

以跨學科融合為核心體現(xiàn)在兩個方面。第一，項目解決涉及的科學原理：學生需要運用科學、技術、工程和數(shù)學知識解釋項目涉及的科學原理，并最終解決問題。第二，達成的目標：通過問題的解決，發(fā)展學生跨學科知識的連接能力。

3.以工程學為思想

工程是應用數(shù)學、科學和技術領域的概念系統(tǒng)解決真實生活問題。教學中，教師需要引導學生用數(shù)學和計算方式表達已有的關系和原理，例如項目的功能結構圖和軟件開發(fā)流程圖，從而讓學生運用這些模型預測項目開發(fā)執(zhí)行情況，并使項目具有創(chuàng)造性[3]。因此，信息技術課程項目式學習以工程學為思想能提升項目開發(fā)的質量。

4.以信息技術為開發(fā)工具和手段

信息技術課程的項目式學習最終會形成一個植根于問題的產品。產品開發(fā)需要學生運用3D建模、Arduino硬件編程、App Inventor手機編程等信息技術工具。學生往往在配有平板電腦、傳感器、電路板、單片機、3D打印機、電線等先進科技工具，充滿合作機會的工作坊中展開學習，在學習中分享與合作，增強學生理解他人、欣賞他人的能力和水平。

5.以科學探究、數(shù)學分析為整合與應用要素

工程是設計及研發(fā)科技產物的過程，此過程需要整合科學原理.并運用數(shù)學輔助設計、測試和改良，以獲得最合適的成果。學生需要通過自主探究挖掘項目涉及的科學原理，并嘗試進行數(shù)學建模，設計算法。學生在探究活動中領悟科學本質，培養(yǎng)科學邏輯思維能力和嚴謹科學態(tài)度。

（三）STEM理念下信息技術課程項目式學習模式圖

基于項目式學習特征，筆者構建了信息技術課程項目式學習模式，如圖1所示。

從教師活動看，中學生尤其是高中學生，不喜歡來自教師的直接指導，因此教師在學生的學習過程中是引導者和協(xié)助者。作為引導者，教師創(chuàng)設情境體驗讓學生關注真實生活，從生活中挖掘問題，確定項目。教師要制訂項目評定標準，并圍繞標準構建項目涉及的已學和未學的科學、技術、工程和數(shù)學知識技能體系，開發(fā)微課，為學生開展原理探究、項目設計和開發(fā)搭建“腳手架”。在工程設計環(huán)節(jié)，教師應分解項目，通過一系列學習任務引導學生開展探究，并細致觀察學生在學習過程中表現(xiàn)出的STEM素養(yǎng)、實踐能力和探究意識，及時糾正學生設計和制作過程中存在的錯誤。在技術開發(fā)環(huán)節(jié)，教師應及時糾正學生出現(xiàn)的錯誤，讓學生少走彎路。在展示反思環(huán)節(jié)，教師需要對學生小組的項目展示和匯報進行點評，尤其對學生的跨學科知識連接能力、問題解決能力進行評估。

從學生活動看，學生在學習過程中充當發(fā)現(xiàn)者、探究者和實踐者。在問題提出環(huán)節(jié)，學生在教師引領下挖掘生活中存在的問題，并展開批判性對話和交流，最終確定項目。在科學探究環(huán)節(jié)，學生根據(jù)教師提供的微課，研究項目涉及的科學原理，并對疑難開展交流，最終會用科學原理和數(shù)學輔助解釋項目。在工程設計環(huán)節(jié)，學生以小組為單位開展項目設計，包括功能結構設計（各具體功能模塊的實現(xiàn)過程）、硬件設計（購置的硬件及連接圖）和軟件設計（流程圖）。更重要的是在技術開發(fā)環(huán)節(jié)，學生根據(jù)設計圖動手實踐，購買硬件材料，組裝硬件和開發(fā)相應程序，并調試運行。在展示反思環(huán)節(jié)，小組共同展示項目演示效果，并向教師和同學匯報項目的開發(fā)過程和創(chuàng)新點，其他小組同學參照教師的項目技術標準給予評價。師生圍繞標準展開點評，促使學生進一步反思工程設計和開發(fā)存在的問題，最終促進學生科學、技術、工程和數(shù)學知識與技能的內化。

數(shù)字化資源能降低信息技術課程項目式學習的復雜度，提高學生開展項目式學習的興趣、動力和成功率，促使學習走向深入。在問題提出環(huán)節(jié)，課堂運用視覺元素創(chuàng)設情境激發(fā)學生設計與開發(fā)的欲望。由于項目原理探究和設計制作涉及學生已學或未學的技術、工程、數(shù)學和科學知識技能，學生往往因為知識技能的遺忘或缺失而對項目開發(fā)失去信心。微課憑借其短小精悍，滿足了學生快速獲取知識和個性化學習的需求，讓學生更加靈活地、有針對性地選取學習的內容。以微課為基礎構建的知識與技能體系更能為學生探究和制作搭建腳手架。學生還可以利用QQ、微信等即時通訊工具進行質疑、互動和反思，從而促進自主探究學習和協(xié)作學習。

三、信息技術課程項目式學習實踐研究

1.學習內容分析

“手機控制LED燈”是高中信息技術選修課程“移動應用設計”的學習內容。案例要求學生能夠初步進行基于藍牙的數(shù)據(jù)傳輸，設計基于移動應用的問題解決方案，開發(fā)基于真實任務的簡單移動應用。案例聚焦“智能家居”社會熱點，針對改善家居生活的問題開發(fā)手機控制LED燈，激發(fā)學生探究和開發(fā)的欲望。

2.學習目標

案例要求學生開發(fā)手機控制LED燈項目，項目使用App Invertor編寫程序，通過藍牙通信模塊與Arduino單片機進行通信，從而完成對LED燈亮滅的控制。項目體現(xiàn)了跨學科融合：科學方面是了解藍牙傳輸數(shù)據(jù)的特點和Arduino功能、基本結構;技術方面是掌握利用App Inventor實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)傳輸編程;工程方面學會利用Arduino的硬件、軟件感應藍牙數(shù)據(jù)變化，實現(xiàn)對外界的控制完成作品;數(shù)學方面學會整理并分析Arduino軟件上的數(shù)據(jù)。學生完成項目的同時，STEM跨學科知識連接能力得到發(fā)晨。

3.教學過程

問題提出環(huán)節(jié)。隨著電子技術在現(xiàn)實生活中的廣泛應用，智能家居日漸普及，為人們享受生活提供了一個廣闊的平臺。教師確定的主題是“智能家居”，利用微課創(chuàng)設情境，學生通過小組質疑研討提出問題：晚上回家時，家里黑黑的，什么也看不見，要摸黑開燈;睡覺前，需要下床關燈，很不方便，而直接用手機控制吊燈就比較方便。由此確定項目開發(fā)內容：采用手機實現(xiàn)家居燈的開關。在這個環(huán)節(jié)，教師從引導學生從現(xiàn)實生活中發(fā)現(xiàn)存在的問題，體現(xiàn)了技術為生活服務。

科學探究環(huán)節(jié)。教師圍繞主題項目開發(fā)藍牙傳輸、Arduino結構和AppInventor編程3個微課，讓學生展開項目原理的探究。①Arduino的基本結構和元器件的功能;②藍牙技術和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c;③App Inventor與藍牙數(shù)據(jù)連接的實現(xiàn)。

工程設計環(huán)節(jié)。學生以小組為單位開展手機控制LED燈項目的設計。包括系統(tǒng)功能設計（項目的工作流程圖和各模塊的功能）、硬件設計（需要購置的設備）、軟件設計（App手機端應用程序的功能、界面設計和流程圖設計）。設計好方案后，小組之間展開頭腦風暴，進一步挖掘項目的其他功能和創(chuàng)新點。

技術開發(fā)環(huán)節(jié)。小組按設計方案進行技術開發(fā)，對Arduino拉制器、藍牙調試模塊、藍牙2.0模塊、USB線、LED燈等硬件進行組裝，運用AppInventor開發(fā)手機控制LED燈，運用Mixly For Arduino開發(fā)Arduino主板程序，并進行調試、測試。

展示反思環(huán)節(jié)。開發(fā)作品后，教師組織成果交流會。小組展示手機控制LED燈的效果，并匯報App手機端應用程序的流程圖設計及項目創(chuàng)新點。小組匯報后，學生需要展開反思，交流本小組制作的項目存在的問題，并進一步完善該項目。

4.教學反思

本節(jié)課使用App Invertor與Arduino完成的作品，即用App控制LED燈的亮滅。課例讓學生經歷發(fā)現(xiàn)問題、探究科學原理、設計項目方案和開發(fā)產品等過程，最終掌握移動應用設計與開發(fā)的思想方法。項目立足工程學思想，教師在教學中有意識引導學生如何應用科學與數(shù)學知識解決問題，較好地完成了科學與數(shù)學知識的學習遷移。隨著項目學習進一步深入實施，學生跨學科連接知識的能力和解決實際問題的能力得到有效提高。而在教學中，教師需要提供學生更多設計、探究、分析、測試與綜合評估的學習機會。

參考文獻

[1] Rodger W. Bybee，R. W.What is STEM education？ Science，2010，（329）：995-996

[2] 明潔，劉革平.基于Sakai平臺的項目式學習模式研究.西南農業(yè)大學學報（社會科學版），2011，9（10）

[3] 趙中建.基于項目的STEM學習.上海科技教育出版社，2011（8）

作者簡介

莊小云，廣東華僑中學，中學高級教師，電子信箱：532308985@qq.com。

點評

當前，許多科學教師和科技輔導員正在順應時代潮流，通過科學教育，開啟培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的新探索。本文作者也是據(jù)此考慮，將發(fā)達國家提出的STEM教育理念本土化，依托自身所任教的信息技術課，通過項目式學習的模式，聚焦學生開發(fā)手機控制LED燈的項目，分別從問題提出環(huán)節(jié)、科學探究環(huán)節(jié)、工程設計環(huán)節(jié)、技術開發(fā)環(huán)節(jié)和展示反思環(huán)節(jié)5個階段進行了教學實踐嘗試。其所介紹的案例，以及獲得的經驗和體會，對廣大科學教師和科技輔導員開闊思路、積極探索，具有一定的啟發(fā)、導向和示范作用。

如果作者能夠更為深入理解STEM教育理念，規(guī)范相關概念的界定，以及為自身的觀點增添更多案例或統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為佐證，則可使本文的科學性和學術性更為明顯。

——翟立原（中國青少年科技輔導員協(xié)會理論工作委員會副主任委員，第26屆仝國青少年科技輔導員論文征集活動評審委員會主任委員）