基于項目的“五步三維”STEAM教育模式實踐研究

廣東省深圳市羅湖區(qū)教育科學(xué)研究院 宗 艷

STEAM 教育是包含科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、藝術(shù)（A）、數(shù)學(xué)（M）等領(lǐng)域的跨學(xué)科教育，近年來在我國受到廣泛關(guān)注，同時也面臨著“如何開展”等諸多問題。2021年6月，國務(wù)院印發(fā)了《全民科學(xué)素質(zhì)行動規(guī)劃綱要（2021—2035年）》，指出要激發(fā)青少年的好奇心和想象力，增強科學(xué)興趣、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，培育一大批具備科學(xué)家潛質(zhì)的青少年群體，為加快建設(shè)科技強國夯實人才基礎(chǔ)。因此，探索基礎(chǔ)教育中的STEAM教育理念、STEAM教育模式，對學(xué)校開展STEAM教育、推動科技創(chuàng)新教育實踐具有積極的現(xiàn)實意義。

一、STEAM教育理念

STEAM教育是一個內(nèi)涵豐富、系統(tǒng)完整的教育體系。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織2019年報告《探索21世紀(jì)STEAM能力》，可以得出STEAM教育的設(shè)計理念：STEAM教育以真實問題為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)能力為根本，深度融合科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、藝術(shù)（A）、數(shù)學(xué)（M）等學(xué)科知識，并將這些學(xué)科的知識與技能統(tǒng)籌運用。基于此，我們可以整理出中小學(xué)STEAM教育的基本理念：

（一）基于真實情境，解決真實社會中的具體問題

STEAM教育項目緊密融合學(xué)習(xí)、生活、社會實踐，創(chuàng)造性地解決真實社會中的具體問題，能夠激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機，使學(xué)生在不斷探索中逐漸增強創(chuàng)新意識、形成創(chuàng)新思維，繼而提升創(chuàng)新能力。

（二）運用項目學(xué)習(xí)方式，設(shè)計目標(biāo)導(dǎo)向的教育活動

項目式學(xué)習(xí)強調(diào)學(xué)生以任務(wù)目標(biāo)為導(dǎo)向進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。項目驅(qū)動的學(xué)習(xí)能夠整合多學(xué)科知識，讓學(xué)生在真實情景中積累學(xué)習(xí)經(jīng)驗、樹立正確的價值觀，在構(gòu)建自我認(rèn)知、培養(yǎng)創(chuàng)造思維過程中提升創(chuàng)新實踐能力。

（三）講求團(tuán)隊合作，提升學(xué)習(xí)者多維度技能

STEAM教育活動大多以團(tuán)隊形式開展，在共同學(xué)習(xí)目標(biāo)環(huán)境中，成員之間的任務(wù)需要有效的溝通協(xié)作。團(tuán)隊合作的學(xué)習(xí)模式，可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識，以及自主探究、協(xié)作探究能力，還能促使學(xué)生為了配合多角色分工，自主學(xué)習(xí)多維度的技能。

二、“五步三維”STEAM教育模式構(gòu)建

STEAM教育倡導(dǎo)對“知識+技能”的培養(yǎng)，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，STEAM教育更加注重“能力本位”，國內(nèi)學(xué)者已多次驗證跨學(xué)科STEAM教育對學(xué)生高階思維的培養(yǎng)具有顯著效果。當(dāng)前被大家普遍認(rèn)可的STEAM教育活動原則以STEAM素養(yǎng)提升為目標(biāo)，以解決真實情境問題為基礎(chǔ)，強調(diào)跨學(xué)科學(xué)習(xí)。目前較為成熟的STEAM教育模式主要有“5E教學(xué)模式”和“6E教學(xué)模式”，“5E教學(xué)模式”包括Engagement（參與）、Exploration（探究）、Explanation（解釋）、Elaboration（遷移）及Evaluation（評價）環(huán)節(jié)，教學(xué)活動以學(xué)生為中心；“6E教學(xué)模式”包括Engage（引入）、Explore（探索）、Explain（解釋）、Engineer（設(shè)計）、Enrich（深化）以及 Evaluate（評價）。這些STEAM教育模式為我校的教育實踐活動提供了重要參考。

基于國內(nèi)外常用的STEAM教學(xué)模式，結(jié)合我國中小學(xué)的實際教學(xué)情況，本研究設(shè)計了適合我國中小學(xué)STEAM教育的“五步三維”STEAM教育模式（見圖1），該模式包括項目確定、團(tuán)隊組建、功能實現(xiàn)、項目完善、評審優(yōu)化五個活動步驟，以及活動步驟、活動內(nèi)容、計算思維培養(yǎng)三個維度。模式對每個活動步驟的內(nèi)容進(jìn)行了具體展示，并且標(biāo)識出每個活動步驟相應(yīng)的計算思維核心能力培養(yǎng)。

圖1 “五步三維”STEAM教育模式

三、“五步三維”STEAM教育模式實踐研究

（一）實踐案例

本研究選取深圳市羅湖區(qū)一所學(xué)校的“防燙傷智能安全餐具”項目作為案例，對“五步三維”STEAM教育模式展開實踐研究。“防燙傷智能安全餐具”項目源于學(xué)生對現(xiàn)實生活中被燙傷情況的解決想法，經(jīng)過項目團(tuán)隊的不斷創(chuàng)新與改進(jìn)，最終形成了完善的作品，并在多個科創(chuàng)類競賽中獲獎。

1.項目確定，制定前期規(guī)劃

在項目的開發(fā)過程中，方向一旦出現(xiàn)問題，則意味著后期大量的人力、物力、時間的投入都無法取得預(yù)期的收益，因此，項目開發(fā)初期最重要的便是前期開發(fā)規(guī)劃。在確定“防燙傷智能安全餐具”項目后，團(tuán)隊成員需要利用思維導(dǎo)圖構(gòu)建項目問題矩陣，制定項目規(guī)劃。

2.團(tuán)隊組建，成員開發(fā)能力維度自查與技能補齊

通過對成員能力維度表的分析，根據(jù)成員的個人特長，安排相應(yīng)的“工作任務(wù)”，讓每個團(tuán)隊成員扮演一種角色，并提升相應(yīng)的能力。如“項目經(jīng)理”（提升項目管理能力）、“產(chǎn)品設(shè)計師”（提升二維、三維創(chuàng)作能力）、“硬件工程師”（提升開源電子開發(fā)能力）等。

3.功能實現(xiàn)，進(jìn)行項目功能設(shè)計及硬件、軟件功能實現(xiàn)

項目形成方案的過程中，可以結(jié)合奧斯本檢核表法確定樣機功能，對項目功能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，形成更詳細(xì)的設(shè)計方案。然后根據(jù)團(tuán)隊自身的情況進(jìn)行刪減，確定最初的項目功能。

功能設(shè)計完成后，就要開始實現(xiàn)作品的硬件功能和軟件功能。

（1）硬件功能實現(xiàn)。青少年科技創(chuàng)新作品一般不需要考慮“產(chǎn)品化量產(chǎn)”的需求，因此推薦使用開源硬件進(jìn)行原型機開發(fā)。“防燙傷智能安全餐具”使用Arduino進(jìn)行開發(fā)，其特點是硬件價格低廉，擴展性強；軟件開發(fā)環(huán)境免費，支持大量圖形化編程軟件。初步選定了硬件平臺之后，需要完成硬件功能拆解，并選擇相應(yīng)的模塊（器件），再通過軟件開發(fā)調(diào)試，逐一實現(xiàn)其功能。在功能拆解環(huán)節(jié)，前期拆解得越詳細(xì)，項目的開發(fā)進(jìn)度就會越快。

（2）軟件功能實現(xiàn)。選定硬件產(chǎn)品后需要下載代碼才能運作。Arduino平臺常用的編程軟件包括官方軟件Arduino IDE，圖形化軟件的Mind+和Mixly等，入門都比較簡單。在進(jìn)行軟件編程之前，必須結(jié)合前期的產(chǎn)品功能邏輯和硬件功能規(guī)劃拆解，對軟件運行的流程進(jìn)行對應(yīng)的梳理，確定軟件編程邏輯，這樣可以起到事半功倍的效果。

4.項目完善，完成作品的外觀設(shè)計

計算機輔助設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)最常用的方式，相關(guān)的設(shè)計專業(yè)軟件也非常多。結(jié)合軟件的普及性、功能性與難易程度，“防燙傷智能安全餐具”項目使用了CREO、KeyShot 、Photoshop 等幾種功能強大、兼容性強、資源豐富的軟件，對作品的外觀進(jìn)行設(shè)計（見圖2）。

圖2 作品設(shè)計展示圖

5.評審優(yōu)化，進(jìn)行項目評審及迭代優(yōu)化

項目在開發(fā)的過程中，評審與優(yōu)化始終存在。在青少年創(chuàng)新的項目評審中，以協(xié)作的形式來進(jìn)行評審更為合適，不需要資深的專家，可以是同學(xué)、家長、教師等，只要愿意參與測試就可以。協(xié)作啟發(fā)式評審以小組為單位，能夠很好地整合出更多的問題，并加以改進(jìn)。

通過協(xié)作啟發(fā)評審小組會議討論，把相同、相近的問題統(tǒng)一，可優(yōu)化的問題保留下來，然后整理出整個項目存在的各種問題。用評審結(jié)果分析陣圖（陣圖象限的分離可以根據(jù)不同項目類型進(jìn)行調(diào)整）把問題分為6～8個大類，分別跟項目評審中的問題記錄對應(yīng)，分析陣圖圖紙由中心向外按照問題嚴(yán)重等級依次為：小問題、次要問題、主要問題、災(zāi)難性問題，把問題標(biāo)注出來，使評審結(jié)果一目了然。

通過協(xié)作啟發(fā)式評審，可以得知當(dāng)前作品存在哪些問題；通過陣圖分析，可以厘清哪些模塊最迫切需要優(yōu)化。以此為依據(jù)，項目成員可以對作品進(jìn)行高效的迭代優(yōu)化。

（二）實施效果

“五步三維”STEAM教育模式在羅湖區(qū)多所中小學(xué)進(jìn)行小組單元教學(xué)實踐，各小組項目均順利完成，并取得優(yōu)異成績，其中“防燙傷智能安全餐具”“自動飛行救生圈”項目獲得了廣東省青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎及深圳市比賽一等獎。同時，“五步三維”STEAM教育模式從教學(xué)實踐出發(fā)，系統(tǒng)分析STEAM課程實踐的教育模式，將跨學(xué)科的知識點、能力點統(tǒng)籌歸納并可視化表達(dá)，參加該模式教學(xué)實踐的學(xué)生通過學(xué)習(xí)已對學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)安排、自主學(xué)習(xí)補齊技能掌握更熟練、運用更高效，并且，在完成一個項目的學(xué)習(xí)后，學(xué)生的跨學(xué)科知識及各種技能都得到顯著提升。

從對學(xué)生知識技能、思維發(fā)展的研究中可以得出：

（1）學(xué)生能夠掌握STEAM各方面的知識技能。從課堂學(xué)習(xí)觀察、項目任務(wù)完成情況來看，團(tuán)隊成員都能夠在項目學(xué)習(xí)中順利完成知識技能的學(xué)習(xí)，并予以應(yīng)用。

（2）學(xué)生的計算思維顯著提升。在開展項目學(xué)習(xí)前后對學(xué)生計算思維的創(chuàng)造力、邏輯思維能力、問題解決能力、批判思維能力、合作能力等各個維度進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示計算思維各個方面均值都有明顯提升。因為本次實踐數(shù)據(jù)是面向較優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行采集的，所以在后續(xù)的實踐研究中將通過增加各層次研究對象來驗證數(shù)據(jù)的代表性。

（3）學(xué)生在項目課程后對STEAM職業(yè)興趣明顯增加。經(jīng)過一個周期的STEAM課程學(xué)習(xí)，學(xué)生的STEAM職業(yè)興趣顯著增加。通過對參與學(xué)習(xí)的學(xué)生群體進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示超過90%的學(xué)生希望將來從事STEAM相關(guān)方面的工作。

四、總結(jié)與展望

基于項目的“五步三維”STEAM教育模式，有助于明確教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)策略，把握STEAM教學(xué)的整體教育實踐方向，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。本研究從STEAM教學(xué)實踐出發(fā)，通過成功的教學(xué)案例，明確基于項目的“五步三維”STEAM教育模式，能夠促進(jìn)學(xué)生知識、技能的提升，助力品格和態(tài)度的養(yǎng)成，推動學(xué)校立德樹人根本任務(wù)的實現(xiàn)。本模式研究目前還只是面向?qū)W校的社團(tuán)小組群體，數(shù)據(jù)采集還不是十分完善，后續(xù)將擴大“五步三維”STEAM教育模式的實施范圍，增加各層次研究對象，以獲得更加科學(xué)的實驗數(shù)據(jù)。

當(dāng)前中小學(xué)的STEAM教育實踐還存在一些問題和矛盾，通過本次研究提出如下建議：深化課程改革，加速STEAM教育模式從概念體系向教學(xué)實踐的轉(zhuǎn)化；加強各學(xué)科整合，提升STEAM教學(xué)的學(xué)科融合程度；加大STEAM教師專業(yè)培養(yǎng)力度，保障STEAM教育課程的設(shè)計與實施順利進(jìn)行；增加真實情境學(xué)習(xí)環(huán)境，升級STEAM教育教學(xué)的學(xué)習(xí)實效。