學科融合在STEM教育中的創新應用

◆許增盈 王麗媛

0 前言

“互聯網+”為基礎教育的重構與構建提供了新的思維方式，也為應試教育到創新教育的變遷提供了有利環境。2013年以來，美國的創客運動發展得如火如荼，多地多所中小學開始實施創客教育。經過一段時間的發展，創客教育逐步成為創新教育的主要形式。

我國所采用的教學模式，大都是以教師為主導，以教參為指導，完成對應的教學目標。這種教學模式下的教學過程，基礎理論和實踐應用是分開的，學生學習大都是脫離實際的。調查發現，在這種學習方式下，學習的知識或者技能很容易遺忘。

隨著社會的發展，越來越多的新興事物不斷出現在人們的視野中，物聯網、人工智能等技術的產生，不斷刺激著學生的認知，傳統陳舊的教學模式已經不能適應社會的發展，無法滿足當今社會對人才培養的需要。項目式學習（Project-Based Learning，PBL）成為創客教育的主要學習方式，是與傳統教學模式完全不同的教學方法，被定義為：“一套設計學習情境的、以問題為導向的教學方法，是基于現實世界的以學生為中心的教學活動。”

1 項目引導，了如指掌：PBL教學模式介紹

時下STEM教育被更多的教育學者所認識，PBL教學模式非常適用于STEM教學，主要包含五個方面的內容：改變傳統的教學方式；打破學科之間的界限；引導學生自主探究問題；合理利用有效的工具來解決問題；最終展示和分享有價值的研究成果。該模式切實維護了教學中學生的主體地位。下面就PBL教學模式的幾個特點詳細展開。

理論與實踐結合PBL教學模式以現實生活為背景，讓學生借助生活中的各種資源進行問題探索。區別于傳統的教學模式，項目式學習是在事實基礎上建立一個立體的知識體系并引導學生解決問題的教學模式。如初中信息技術八年級下冊第四課“靈活的線條——鉛筆工具的使用”，這節課讓學生學會使用Flash軟件中的直線和鉛筆工具繪制一些圖案。筆者把教材內容與現今社會提倡的“垃圾分類STEM”主題相結合，利用Flash工具中的直線工具繪制垃圾桶元件，利用鉛筆工具繪制垃圾圖標，并要求學生能夠正確區分垃圾類型。筆者的處理很好地將書本中的Flash軟件工具的使用與現實生活中的“垃圾分類STEM”相結合，將課本的知識與技能運用于生活中。

打破學科界限STEM涉及數學、物理、技術、工程、設計等科目，所以教學內容其實是圍繞各種問題所編制的綜合課程，這就要求學生通過跨學科、跨領域的學習來解決問題。如小學科學教材中有“用紙造一座橋”這一課程，即利用一張報紙、少量的膠帶建造一座“橋”，要求“橋”能跨越35厘米寬的“峽谷”，寬度大于10厘米，能承載200克重的“車輛”。學生要完成“紙橋”這一項目，則需要了解物理中改變紙張形狀以提高“紙橋”的抗彎曲能力的知識；考慮到橋梁的工程結構設計，需要使用生活中常見的斜拉橋等結構，加入“紙橋”的結構設計之中；為了使得制作的“紙橋”美觀，則需要加入藝術設計等元素；最后在實施建造“紙橋”之前，要用數學精準計算得出“紙橋”結構需要用的原材料長寬、數量等。

自主探究問題在整個項目過程中，學生提出問題，確定自己的學習目標，隨后獨立進行資料收集、整理、研究等工作，最后在團隊中進行討論。這些行為將充分調動學生的自主學習能力，讓他們在提出問題、解決問題以及尋找答案的過程中獲取知識、有效運用知識。

如上述“紙橋”項目，學生在討論過程中遇到如下問題：

問題一：什么樣的形狀抗彎曲能力最強？

問題二：采用怎樣的橋梁工程設計結構可以使得承重能力最強？

學生需要通過實踐來得出以上兩個問題的答案，解決問題，繼續提出問題，再尋求問題的答案，不斷地自主探究，在過程中獲取知識、有效運用知識。

如問題一，紙張可以是堆疊、彎折、卷筒等形狀，通過三種形狀分別嘗試得出適合于本項目組“紙橋”的最終結構，學生從中了解到材料的不同形狀能夠承受不同大小的力量。

而在研究問題二的過程中，學生了解了橋梁設計的不同結構，認識到不同的結構所適用的范圍和承受的強度都有所不同，自主研究得出一種適合于本項目組“紙橋”的橋梁結構。

合理運用工具很多學生養成了等待答案的習慣，當問題提出之后，由教師灌輸正確的結果，而不是通過各種渠道獲取答案。而在完成項目式學習的過程中，學生將學會使用多種信息檢索工具去搜索資料，進行研究分析和溝通合作。如手工畫圓與圓規畫圓的精度對比，卷尺測量與千分尺測量結果的誤差問題，測量一幢高樓的高度，這些例子都需要學生運用合理的工具來尋求問題的答案，面對不同的問題使用合理的工具，面對平時無法快速測量的問題則需要利用數學上所學的三角形知識來解決。

獲得研究成果項目式學習會幫助學生解決生活中的實際問題，因此具有一定的現實意義和社會效益。在采用PBL教學過程中，學生學習制作了很多小作品，如“反作用力小車”“指尖陀螺”“曲柄連桿機構”等。

2 教學實踐，完美結合：PBL教學模式實施

下面以“旋轉的科技”項目為例，介紹筆者已經開展的STEM項目式學習的實施過程。

項目背景日常生產生活中的汽車、火車、工程機械、家用電器的機械結構中都要用到“旋轉”，旋轉的科技含量不僅影響這些產品的性能，更體現了國家的科技實力。世界各國科學家都在不停地進行旋轉科技的頭腦風暴，普通人也可以借助科技手段以創客的形式開展科學家式的頭腦風暴。

“旋轉的科技”項目選取來自現實生活的問題，項目設計的重點在于：

一是理解旋轉的概念；

二是能運用所學，驗證與旋轉相關的知識；

三是開展想象，進行自主學習和創造發揮，制作與旋轉相關的創意作品。

項目計劃項目計劃如表1所示。

表1 “旋轉的科技”項目計劃

項目實施“旋轉的科技”項目以自主性學習為主線，在項目實施中，學生和教師的角色一定要不同于傳統教學。由此，設計項目實施的六個環節，如圖1所示。

環節一：項目前設，知識儲備。以項目計劃中的“1.木板材料的有效分割設計”為目標前設，通過這個環節的學習，讓學生基本具備創意設計基礎知識，初步掌握金工木工、3D打印與激光切割、利用信息技術收集獲取資料等知識與技能，為引出“旋轉的科技”項目任務提供理論知識和基本條件。

環節二：設定目標，啟動項目。在完成上述前設后，組織項目啟動，提出項目問題。

項目問題：使用工具制作一個能夠旋轉的物件。

材料：A4紙、卡紙、小木片、小木棒、圖釘、小電機、導線、光盤、水筆、圓珠筆芯、乒乓球、礦泉水瓶、軸承、牙刷。

要求：選取上述材料中的部分材料，制作一個能夠旋轉的物件。

環節三：分析問題，討論方案。學生制定的實施計劃可以各組不同，但解決問題目標相同，充分發揮學生自主設計和創新能力。通過討論、網絡查詢和相關資料的收集整理、初步實踐印證等，確定項目問題的內容、實施的步驟以及組員的職責分工，做出具體執行計劃。

該過程要以學生為主、教師為輔。教師要幫助學生制訂切實可行的計劃，為學生提供解決問題的線索，引導學生學習；但不必面面俱到，而要點到為止，要留給學生自己思考的空間。

這一環節的實施策略應注意：

1）全過程自主學習研究；

2）學生通過討論交流來找出解決問題所需要的知識和方法；

3）不懂時與教師一起學習相關知識和技能。

環節四：實踐操作，驗證方案。以項目計劃中的“3.旋轉的研究及創意設計與制作”為主線開展。這一過程的學習鼓勵學生自己做決定，教師應適當放手，讓學生自己實踐，所有的問題和疑惑讓學生自己商討并研究解決。要求學生扮演現實世界中的角色，通過工作研究問題、得出結論，就像成人工作一樣。他們常會遇到社區或真實世界中的問題，會使用科技手段研究、分析、協作和通信。教師要成為指導者、幫助者和合作者，給予點撥、建議。教師就是一個監管員，監管項目進行的方向、進度和最后的結果。

這一環節的實施策略應注意：

1）學生需要同自己的項目組成員分享交流“我是如何解決這個問題，如何找到這個問題答案的”；

2）學會分享自己所學知識和經驗是本環節最重要的一部分，也是學生今后走上人生道路的必備技能。

環節五：遇到問題，修正不足。讓學生在獨立與協作中完成項目任務，遇到問題的時候，項目組協作完成問題的分析，修正所學的不足。在這個過程中，教師的角色是引導者、幫助者，主要做好以下工作：

1）對知識與技能的不足和錯誤進行糾正；

2）對新知識與技能技巧進行講解和示范，及時提供相應的幫助，讓學生接觸各個學科領域，使他們在實踐印證中理解知識與技能，明白不同學科是如何相互聯系和相互支持的。

這一環節的實施策略應注意：

①學生要通過開展實驗來驗證知識，遇到問題并修正不足，繼續實驗修正，直至獲得最終答案；

②在實踐過程中，學生結合當前解決的問題，提出新的問題。

環節六：得出概念，分享經驗。在完成項目計劃中的“4.旋轉小車的創意制作”后，通過項目展示形式，讓學生自己得出知識概念，并互相交流學習、取長補短，讓學生自己指出作品中值得學習和借鑒的地方，總結出創作過程中出現的問題，說出成功經驗和失敗原因。

此環節教師的工作包括：

1）匯報PPT制作，語言表達能力、回答問題能力、組織協調能力、總結能力等指導；

2）根據各項目組完成過程的具體情況，指出做得好的地方，同時要指出問題所在，另對學生進行多方位評價；

3）對沒完成或完成得不成功的，鼓勵學生繼續運用多種方法完成項目。

結合實際情況選出幾個具有代表性的作品鼓勵學生開展模仿、改造、創新，使項目學習繼續深化、不斷拓展，實現新的創新。

3 模式創新，收獲頗豐：PBL教學模式收獲

STEM目標初達成初步達成STEM的教育目標：

一是學生養成了“為什么”的問題思維，學會印證所學知識，鍛煉自己的創新能力；

二是學生在學習過程中提高了對知識的綜合應用能力；

三是學生以項目主題為核心，努力達成課本知識印證、操作技能實踐、與生活實際貼合、創意創新培養四方面的結合，提高解決實際問題的能力；

四是重點培養了學生的創新能力，項目教學實施過程中打破傳統教育常規，減少教師的教學人為控制，讓學生人人參與創造性的實踐活動，重點是注重學習過程體驗與知識分享；

五是培養了理論知識扎實、實踐技能精湛的師資隊伍。

項目學習迎挑戰項目學習使學習有了新的挑戰，貼近學生的生活，使學習更有魅力。學生學習更有動力，并能始終保持良好的學習狀態，學習成就感更足；學習的自主性、積極性極大提高，由以前的“要我學”變為現在的“我要學”。

創新項目促完整項目學習促進學生形成較完整的知識、技能體系，改變了以往學科課程間相互獨立、不相往來的局面，提高了學生的綜合應用能力，因為完成一個項目需要學生掌握不同專業、不同工種的知識與技能。

傳統教學現轉變傳統教學模式被打破，實現了三大轉變：

一是以教師為主體轉變為以學生為主體；

二是以教材為主體轉變為以項目為主體，教學內容更為豐富多彩，更貼近生活實際，更貼近綜合能力的培養與提升；

三是以課堂教學為中心轉變為以實踐驗證、修正所學之不足為中心。