基于中學理科STEM項目式學習的探索與實踐

李澤欽 肖佳音 張性海

摘 要：針對STEM項目式學習在中學理科教學中的本土化探索缺乏課堂教學的實踐，以“制作智能垃圾桶”項目為例，闡述了基于中學理科STEM主題課程的開發、設計和實施，重點展示了課程的實施過程和設計意圖，運用STEM解決方案，通過學科融合達成目標，以培養綜合性創新人才為根本目的.

關鍵詞：STEM ;項目式學習;學科融合

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）17-0032-03

作者簡介：李澤欽（1990-），男，湖南郴州人，碩士，中學二級教師，研究方向：中學物理教學;

肖佳音（1994-），女，廣東汕頭人，本科，中學二級教師，研究方向：中學物理教學;

張性海（1973-），男，廣東廣州人，本科，中學正高級教師，研究方向：中學物理教學.

1 項目學習背景

STEM教育起源于美國，是為了應對美國STEM（科學、技術、工程和數學）人才優勢減弱提出的教育集成戰略，旨在培養學生的跨學科解決問題能力和創新能力[1].項目式學習即基于項目的學習（PBL，Project-Based Learning）有別于傳統的教學模式，它基于真實的問題情境，將教學內容與生活經驗有效整合，幫助學生自主學習和合作探究.

在2017年版（2020年修訂）的高中物理新課標的基本理念中強調注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展需求.2017年版小學科學新課標中關于實施建議的部分也明確提出“學科關聯建議”倡導跨學科的科學學習方式，鼓勵教師嘗試將STEM項目式學習運用于自身的教學實踐.在學生學科核心素養的培養理念上，課程不限于培養學生單方面的能力，更加推崇學生綜合能力的塑造[2].為了培養國家綜合性創新人才，提高國際競爭力，基于中學理科STEM的項目式教學在多學科知識融合的教學“舞臺”上展現出其強大的生命力和獨特的魅力.

大部分有關STEM教育與項目式學習從理論方向研究的多，實踐方向研究的少.STEM項目式學習在中學理科跨學科教學中的本土化探索方面更缺乏課堂教學的實踐.本文結合中學實際情況，以較為熱點的“垃圾分類”話題為依托，以“制作智能垃圾桶”項目為例，制定基于中學理科STEM項目式學習的策略和方案，利用中學開設的社團活動課，力爭把中學理科STEM項目式學習的內容落到實處.

2 項目課程開發緣由

目前，廣州市在各社區、各學校以及部分家庭都設立了垃圾分類投放點.垃圾分類已成為新時尚，但四個獨立的分類垃圾桶的制作材料多，在家庭和班級中占據的空間也大.學生通過在生活中的觀察思考，提出可否制作一款同時存放四種垃圾的一個垃圾桶？因此，為了更好地完善垃圾桶設計，同時培養學生的綜合創新能力，本課程主題選定以“制作智能垃圾桶”項目來進行實踐和探索.

3 學習者分析

本文的學習者選為高二學生，通過前期的問卷調查，大部分學生對當下比較熱門的話題即智能垃圾桶這個項目具備濃厚興趣.并且高二的學生動手能力較強，樂于合作.于是提前為這部分學生開設了為期一個學期的有關數字電路內容的社團活動課，使得參與課程學習的學生具備了數字輸入、互動編程、電路及自動控制等最基本的電路知識.同時高二學生對中學理科知識如物理、化學、生物和數學的學習也比較深入.

4 項目式學習設計思路

以制作智能垃圾桶的項目式學習展開，以小組合作學習的方式，通過基于工程的學習，運用數學、科學的知識科學探究，設計解決方案，親自制作電路圖，焊接電路板，動腦動手，通過技術達成目標.在科學知識層面上，主要以物理中的電路知識為依托，涉及有關環保、垃圾種類分類、化學、生物等知識.在技術層面上，主要是以電路板的設計技術以及垃圾桶的外觀制作為核心;在工程層面上，在傳統垃圾桶樣式的基礎上，讓學生初步設計了幾個工程問題，再要求學生通過討論分析最終確定方案;在數學層面上，本主題課程將數學作為有效的測算工具，主要涉及垃圾桶制作的尺寸、配重、形狀等的計算.以上問題的解決都體現了基于項目式學習的STEM理念.

5 項目實施

5.1 制作“智能垃圾桶”項目活動具體的教學目標

5.2 項目實施的具體過程

5.2.1 第一階段：智能垃圾桶模型結構的確立

解決問題：如何制作一款能同時存放4種垃圾的一個垃圾桶的模型結構？

學生活動1：學生分為幾個小組，通過歷時1周進行查找相關文獻、書籍等參考資料，學生再通過小組內部討論，各小組設計出初步方案.部分草圖方案如圖1所示.

教師活動1：將各個小組的方案進行比較分析，引導組內派學生代表進行該小組方案的展示和講解，再引導學生們通過討論和分析，最終通過學生的投票選出最優的方案.

學生活動2：再經過1周的時間，對選定的草圖各小組再次進行優化完善.

教師活動2：討論分析后，在教師的總結和指導下，確定改進后的最優方案如圖2所示.

設計意圖： 通過讓學生查閱資料，教師指導學生對查閱的資料進行篩選、甄別、整理和分類，培養學生的信息檢索能力，讓學生體會要解決一個項目需要經歷的一般流程，特別是如何合理地分解項目，指導學生學會提出問題，搭好項目的“腳手架”.在學生設計垃圾桶模型結構的過程中，指導學生經歷科學探究的過程： 討論分析，觀察質疑，總結解釋，發現問題再設計，再分析.在改良探索中激勵學生勇于探索、大膽嘗試，探究過程充滿了理性的力量和思辨的光芒，提升了科學思維的論證能力和創新精神.

5.2.2 第二階段： 控制電路的編程與電路板的制作

解決問題：如何設計電路來實現選擇開關對應不同的功能要求？

教師活動：電路制作對于學生而言接觸較少，跨度有些大.教師首先對學生進行有關電路及自動控制的培訓，指導學生通過相關的培訓內容進行設計.電路設計完成后，在電路板的制作方面教師對學生提供技術指導.并對以往類似的一些電路編程案例進行展示.