STEAM理念下PBL課程在中學(xué)科技創(chuàng)新教育中的實(shí)踐
——以“構(gòu)建未來(月球)城市的智慧防疫系統(tǒng)”為例

趙嫣然 史承灼

(1.合肥上海世界外國語學(xué)校 2.合肥市望湖中學(xué) 安徽合肥 230051)

創(chuàng)新是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必由之路。中學(xué)時(shí)期是培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新意識(shí)和能力的重要時(shí)期，學(xué)校肩負(fù)培養(yǎng)和造就高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重任。因此，探索高效培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力的實(shí)施路徑，成為學(xué)校科技創(chuàng)新教育的當(dāng)務(wù)之急。

一、基于STEAM理念的PBL課程的學(xué)習(xí)特點(diǎn)

基于STEAM理念下的科技創(chuàng)新教育，即是在課程的設(shè)計(jì)之初就將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)學(xué)科融為一體，打破學(xué)科邊界，支持學(xué)生以跨學(xué)科的方式認(rèn)識(shí)世界，以綜合創(chuàng)新的形式改造世界，從而培養(yǎng)學(xué)生解決問題的創(chuàng)新能力的教育方式。秦德增等人研究發(fā)現(xiàn)，STEAM教育實(shí)施的核心是開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，即通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)(PBL)課程的教與學(xué)，為深?yuàn)W難懂的科學(xué)問題賦予真實(shí)情境，將其轉(zhuǎn)化為多個(gè)可操作、可分解的探究項(xiàng)目，將需要學(xué)生掌握的知識(shí)、技能等融入真實(shí)情境的問題解決中，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力。

二、“構(gòu)建未來(月球)城市的智慧防疫系統(tǒng)”項(xiàng)目實(shí)施

(一)課程設(shè)計(jì)背景

新型冠狀病毒肺炎疫情及嫦娥五號(hào)登月兩件重大社會(huì)事件引起了學(xué)生極大的關(guān)注與興趣。為了引導(dǎo)學(xué)生樹立正確價(jià)值觀，以社會(huì)性事件促使學(xué)生關(guān)注社會(huì)、理解社會(huì)，喚醒學(xué)生的責(zé)任意識(shí)，設(shè)計(jì)課程主題為“構(gòu)建未來(月球)城市的智慧防疫系統(tǒng)”。作為科技創(chuàng)新課程的載體，該課題兼具真實(shí)性、復(fù)雜性與趣味性，側(cè)重于學(xué)生想象力的激活和釋放，能引發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望。

通過跨學(xué)科的探究，學(xué)生能夠在多學(xué)科融合背景下鍛煉解決真實(shí)復(fù)雜問題的能力，提升思考問題的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)科技創(chuàng)新的能力，符合PBL課程的選題標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該課題所需的多學(xué)科背景能夠?qū)⒖茖W(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域有機(jī)融合，將城市運(yùn)行作為一個(gè)整體進(jìn)行系統(tǒng)化的考量與重構(gòu)，體現(xiàn)了STEAM教育的綜合性與融合性。

(二)課程目標(biāo)及實(shí)施方式

1.課程目標(biāo)

PBL課程“構(gòu)建未來(月球)城市的智慧防疫系統(tǒng)”的目標(biāo)如圖1所示。

2.實(shí)施方式

該課程采用STEAM教育與PBL教育相結(jié)合的實(shí)施方式，包括課程導(dǎo)入、確定核心驅(qū)動(dòng)性問題、制訂時(shí)間計(jì)劃書、收集資料、實(shí)地調(diào)研、合作實(shí)踐、中期答辯、修改迭代、成果展示及自評(píng)互評(píng)等階段。下文將針對該課程實(shí)施的幾個(gè)重要階段進(jìn)行詳述。

3.課程預(yù)期成果

根據(jù)PBL的成果展示及多維度評(píng)價(jià)原則，將課程預(yù)期成果確定為科技論文撰寫、制作科學(xué)展板、現(xiàn)場答辯、科普劇演繹等多項(xiàng)內(nèi)容。

(三)前期準(zhǔn)備階段

1.課程導(dǎo)入

PBL的主要特點(diǎn)是學(xué)生占課堂的主導(dǎo)地位，教師在合適的時(shí)候提供知識(shí)腳手架，輔助項(xiàng)目的正常推進(jìn)。筆者針對課題并結(jié)合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)特點(diǎn)，將課程導(dǎo)入階段確定為初識(shí)月球、病毒的防御與免疫機(jī)制兩個(gè)部分。

初識(shí)月球采用無領(lǐng)導(dǎo)的小組討論形式探討經(jīng)典問題——月球生存問題，病毒的防御與免疫機(jī)制采取常規(guī)學(xué)習(xí)方式。無領(lǐng)導(dǎo)的小組討論作為項(xiàng)目的第一課時(shí)，形式新穎，便于激發(fā)學(xué)生對項(xiàng)目的興趣，符合PBL課程學(xué)生主導(dǎo)課堂的原則。同時(shí)，教師能夠以觀察者的角色快速全面地了解學(xué)生的個(gè)性及專長，便于后續(xù)開展針對性地指導(dǎo)，該方式是PBL較為適合的教學(xué)形式。

2.確定驅(qū)動(dòng)性問題

驅(qū)動(dòng)性問題是PBL課程的核心，不同于項(xiàng)目主題的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。雖然二者都具有開放性和挑戰(zhàn)性的特點(diǎn)，但項(xiàng)目主題更為宏觀復(fù)雜。驅(qū)動(dòng)性問題應(yīng)當(dāng)起到抽絲剝繭的效果，凝練項(xiàng)目主題與學(xué)習(xí)目標(biāo)，直指項(xiàng)目中的核心問題，或是學(xué)生最感興趣的問題，或是與課程標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合最緊密的問題，給予后續(xù)的學(xué)習(xí)探究以明確的目標(biāo)導(dǎo)向。

本項(xiàng)目作為科技創(chuàng)新課程的載體，更注重學(xué)生的科研興趣引導(dǎo)及創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)，在前期設(shè)計(jì)時(shí)以學(xué)生最感興趣的問題作為探究核心，驅(qū)動(dòng)性問題也由學(xué)生討論產(chǎn)生。學(xué)生對驅(qū)動(dòng)性問題的界定如下：

無論是在未來的月球上，還是如今的地球，預(yù)防高傳染性疾病基本都存在一個(gè)問題——假如生活中出現(xiàn)新的病原體，我們該如何判斷它的毒性？如何在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)病毒并快速做出反應(yīng)？如果這兩個(gè)問題能夠解決，那么便能夠在疫情未造成大范圍傳播的情況下，將疫情扼殺在搖籃里，避免更多的損失。

因此我們最終確定驅(qū)動(dòng)性問題為“如何利用科技手段快速阻斷病毒傳播？”

學(xué)生自主討論產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)性問題的過程，是從“教師讓學(xué)生探究什么”到“學(xué)生想要探究什么”的轉(zhuǎn)變過程，也是學(xué)生自主探究及深度學(xué)習(xí)的充分體現(xiàn)。

(四)中期實(shí)施階段

1.制訂項(xiàng)目計(jì)劃

制訂項(xiàng)目計(jì)劃是實(shí)施階段的重點(diǎn)，也是PBL中項(xiàng)目管理方法的核心所在。現(xiàn)階段，教師需要指導(dǎo)學(xué)生搭建系統(tǒng)雛形，確定關(guān)鍵任務(wù)及完成的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以及倒推分解各模塊子任務(wù)與分工。

項(xiàng)目實(shí)施中，學(xué)生首先確定了關(guān)鍵任務(wù)及時(shí)間節(jié)點(diǎn)，商定模塊任務(wù)負(fù)責(zé)人和其他輔助配合人員，如圖2。這種分工方式能夠?qū)崿F(xiàn)團(tuán)隊(duì)成員之間的知識(shí)和能力互補(bǔ)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，團(tuán)隊(duì)協(xié)作、人際關(guān)系處理、問題解決等方面的能力和技能。

項(xiàng)目計(jì)劃書的嚴(yán)格執(zhí)行關(guān)乎項(xiàng)目的順利推進(jìn)及團(tuán)隊(duì)的有效溝通，但其內(nèi)容并非一成不變，實(shí)施過程中要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估，適時(shí)修改方案。

2.制作項(xiàng)目成果

該階段為目標(biāo)順利達(dá)成的關(guān)鍵階段，涉及跨學(xué)科的知識(shí)較多，專業(yè)性及不確定性較高，因此要求指導(dǎo)教師發(fā)揮自己的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，充分利用各種社會(huì)資源，以保障能夠及時(shí)應(yīng)對學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的此前未能預(yù)見或當(dāng)下無法解決的問題。

圍繞驅(qū)動(dòng)問題“如何利用科技手段快速阻斷病毒傳播”，學(xué)生提取了關(guān)鍵詞“科技手段”和“快速阻斷”，并據(jù)此產(chǎn)生了很多看似“天馬行空”的想法，但因知識(shí)儲(chǔ)備所限無法將設(shè)計(jì)落地。教師此時(shí)應(yīng)積極引入社會(huì)資源，拓寬學(xué)生眼界，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入思考、改進(jìn)方案和落地實(shí)踐。根據(jù)實(shí)際情況，筆者聯(lián)系并帶領(lǐng)學(xué)生前往安徽創(chuàng)新館和卓越城中的科研單位參觀調(diào)研。前沿科技的體驗(yàn)讓學(xué)生在創(chuàng)新性及可行性方面獲得了極大靈感。

制作項(xiàng)目成果的過程是學(xué)科知識(shí)向核心素養(yǎng)有效轉(zhuǎn)化的主要過程。因此，教師在指導(dǎo)過程中應(yīng)注重課程內(nèi)容與課標(biāo)及核心素養(yǎng)的結(jié)合。圖文信息轉(zhuǎn)化能力作為學(xué)生應(yīng)具備的核心素養(yǎng)，也是本項(xiàng)目在該階段著力培養(yǎng)的重點(diǎn)。

學(xué)生圍繞主題“智慧防疫”設(shè)計(jì)了新型隔離房屋，并詳細(xì)描述了自主設(shè)計(jì)的清風(fēng)與水處理一體機(jī)的工作流程：

月球房屋系統(tǒng)將熔融的月球土壤電解獲得氧氣，一部分供人們呼吸，產(chǎn)生的部分二氧化碳會(huì)由“玻璃”罩中的植物吸收。此外，植物也通過光合作用釋放出一部分氧氣，從而使房屋中的氧氣與二氧化碳比例維持在一定的區(qū)間。另一部分氧氣通過高壓電轉(zhuǎn)換成臭氧，用于房屋及循環(huán)水的消毒。房屋中的生活用水由月球兩極的冰塊融化后經(jīng)過離心、吸附、消毒等步驟后可以使用，生活廢水也會(huì)經(jīng)過以上步驟進(jìn)行重新循環(huán)再利用。

此時(shí)，教師首先應(yīng)對學(xué)生的創(chuàng)新性、邏輯性表示認(rèn)可與贊揚(yáng)，同時(shí)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生利用生物知識(shí)將上文描述的復(fù)雜工作流程繪制成清晰的流程示意圖。

學(xué)生通過繪圖，提取信息中的有效內(nèi)容和價(jià)值，并對其進(jìn)行分析和整合，把復(fù)雜的文字條理化、提綱化、形象化，從而逐步達(dá)到準(zhǔn)確運(yùn)用知識(shí)、正確闡釋事物、完整論述問題的能力。

(五)展示與評(píng)價(jià)階段

對成果的公開展示是許多教育活動(dòng)中容易忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)。對學(xué)生成果進(jìn)行公開展示可以在很大程度上提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，從而達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度的目標(biāo)。本項(xiàng)目設(shè)置了多元公開展示方式，包括撰寫科技論文、制作科學(xué)展板、現(xiàn)場答辯、出演科普劇等四個(gè)維度。多元能力培養(yǎng)和評(píng)價(jià)方式貫穿整個(gè)PBL實(shí)施過程，多元能力內(nèi)容框架來源于21世紀(jì)核心素養(yǎng)5C模型。多元展示方式逆向驅(qū)動(dòng)多元評(píng)價(jià)模式，正向驅(qū)動(dòng)多元能力培養(yǎng)，真正實(shí)現(xiàn)高階思維與深度學(xué)習(xí)的并軌踐行。

(六)項(xiàng)目反思

STEAM并不是科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的簡單疊加，而是強(qiáng)調(diào)各科知識(shí)的自然融合。這種綜合性探究不可避免地需要涉及學(xué)生對各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的掌握與綜合運(yùn)用，對各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的缺乏會(huì)阻礙學(xué)生進(jìn)一步探究和創(chuàng)造。因此設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)性問題，并提供螺旋上升式的問題鏈，適當(dāng)?shù)貙唧w問題進(jìn)行分析指導(dǎo)，從而達(dá)到學(xué)科知識(shí)滲透，才能在過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)和技能的掌握與遷移，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

教師在PBL課程實(shí)施過程中需要適應(yīng)角色及功能的轉(zhuǎn)變。雖然學(xué)習(xí)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)很大程度取決于教師的引導(dǎo)，但教師在指導(dǎo)過程中一定要遵循PBL課程的理念，改變過去傳統(tǒng)授課方式，應(yīng)在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，根據(jù)具體情境給予恰到好處的知識(shí)腳手架，支持他們解決問題，并根據(jù)學(xué)生需求提供輔導(dǎo)和資源。如在論文撰寫過程中適時(shí)指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、規(guī)范論文格式；在論文寫作過程中，通過“圖、表、文字”三種表示方式的對比，讓學(xué)生自行確定科學(xué)可視化的形式。這種由需求與結(jié)果導(dǎo)向的學(xué)習(xí)過程，不僅能夠幫助學(xué)生建構(gòu)自己的知識(shí)體系，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，體現(xiàn)PBL課程的價(jià)值和意義。

三、結(jié)語

本文所闡述的基于STEAM理念的PBL課程在科技創(chuàng)新教育中的實(shí)施，通過真實(shí)情景解決問題，以產(chǎn)品化的成果培養(yǎng)學(xué)生理性思維和批判質(zhì)疑、勇于探究的科學(xué)精神。從結(jié)果來看，課程取得了良好的效果：該項(xiàng)目獲得2020～2021年度“未來之城”中國區(qū)總決選中學(xué)創(chuàng)意組全國冠軍、最佳展板設(shè)計(jì)獎(jiǎng)；科技論文成果《未來之城Cozy Net溫馨防疫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》發(fā)表于《百科知識(shí)》。這得益于PBL課程以學(xué)生為主導(dǎo)，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和積極性，教師尊重學(xué)生的創(chuàng)意創(chuàng)造，只在學(xué)生有需求時(shí)提供資源與知識(shí)腳手架，使得最初的想法能夠落地實(shí)施為最終的產(chǎn)品成果。

PBL課程模式在科技創(chuàng)新教育中的嘗試，打破了以往的“小制作”模式，而STEAM教育理念的引入改變了以往只依托于競賽的單一評(píng)價(jià)模式，切實(shí)提高了學(xué)生工程思維能力、問題解決能力與創(chuàng)新實(shí)踐能力。