基于項目式學習的STEM課程開發研究

在教育改革的大背景下，我國積極探索STEM教育模式的應用，提升學生的信息素養和創新能力，建立各級部門相融合的STEM教育生態系統。[1]而項目式學習主要是通過創設一個真實情境，讓學生以小組合作的形式解決問題，在解決問題的過程中形成跨學科思維以及探究能力。由此，項目式學習可以為STEM課程提供有效的發展路徑。[2]

一、項目式學習與STEM課程開發

1.項目式學習

項目式學習強調以學生為主體，鼓勵做中學。受建構主義理論的影響，項目式學習理論認為，學習是個體積極參與構建的過程，而不是被動的“一傳一收”的過程。在學習中，學習者根據自己的已有經驗，構建理解。[3]在該理論的指導下，教師的任務不再是簡單的“傳道授業”，而是創設合理、真實的問題情境，巧妙地提出有意義的問題，鼓勵學生大膽表達自己觀點，培養他們的創新意識，提高他們的創新能力。[4]Tanner認為，項目式學習能帶給學習者探究的成就感與喜悅，這需要他們在探究過程中逐漸發現學科核心概念或設計產品，這不僅能提升教學效果，有利于知識內化，而且能培養其探究精神、科學精神以及創新能力。

梳理項目式學習我們發現，它通過設計任務或者問題來引導學生主動學習，調動他們的積極性，讓他們成為學習的主體。在學習過程中，教師給予學生充分探究的機會，讓他們以團隊合作的形式，共同探究指定的項目內容，同時，注重多媒體技術的利用，盡可能地拓展其視野，補充與主題相關的知識、資訊，為他們的學習保駕護航。

2.STEM課程開發

課程開發模式主要包括目標模式、過程模式、情景模式和實踐模式四種模式。[5]泰勒的目標模式被認為是非常經典的課程開發模式，它以教育目的為指向，設計和開發課程。英國課程論專家斯騰豪斯的過程模式認為，課程開發包括規劃、實際體驗和驗證三部分，主張通過合理的課程組織加強學生對系統知識的學習，把課程設計局限于學科結構的分析。[6]情景模式吸收了目標模式和過程模式的長處，認為課程開發是以實際情況為基點的。[7]實踐模式的代表人物斯瓦布認為，課程由教師、學生、教材、環境四個要素構成，且四要素之間持續的相互作用構成了實踐性課程的內涵。[6]

根據相關文獻的研究，[5][8]我們總結出了STEM課程開發的四個步驟。

（1）確立STEM課程的各領域目標

教師可以根據要開發的STEM課程的理念和目的，以及培養學生哪一具體方面的能力或思維，確定開發課程的總目標。隨后，教師進行學情分析，選擇跨學科領域，基于真實情境，確定項目主題，并確立STEM課程所對應的各領域目標。

（2）設計STEM課程內容

教師可以根據學情分析和課程目標，設計相應的課程內容。先整體設計STEM課程，將其劃分為課程階段、安排課程進度以及選定課程場所等；再設計課程具體內容，在課程整體設計的基礎上，確定每一階段的授課內容、授課方法和授課材料。

（3）選擇適當的教學策略

教師可以根據STEM課程各領域目標的要求及課程內容的規劃，針對不同層次的學生，選擇不同的教學策略或方法，如小組分工合作、討論、演示等。

（4）設計多元的評價體系

教師要根據課程目標和課程內容，明確評價內容。在課程評價方法上，要設計多樣的評價方式，形成性評價和結果性評價并進，實行評價主體多元化。多元的評價體系可以使教師更加了解STEM課程實施的效果，以此來調整和改進課程的設計。

基于以上分析，教師采用項目式學習的方式開發STEM課程有以下幾個優勢。首先，STEM課程本身具有工程設計思想，而項目式學習的融入，提高了課堂所學內容在現實生活中的實用性。其次，項目式學習讓學生參與復雜問題解決的過程中，有多種可能的解決方案。最后，STEM課程與項目式學習結合，對學生完成真實任務的要求很高，既包含限制條件，又涉及評估標準，可以強化學生的高階思維。

二、基于項目式學習的STEM課程框架

結合上述理論，我們構建了基于項目式學習的STEM課程框架（如圖1）。

基于項目式學習的STEM課程框架圍繞著STEM項目開展，分為項目明確、方案設計、模型測試、實施評價四個階段。這四個階段循環迭代，以學生為中心，以任務為牽引，鍛煉他們解決問題、批判和創造等能力，培養他們的高階思維。

1.項目明確階段

該階段中，教師通過創設真實情境引導學生發現問題，并根據問題開展基礎研究。在學生研究的基礎上，教師要對整個項目有較為系統的分析，提出適合學生的任務，引導他們開展小組合作學習，并及時監控他們的學習過程。在合作學習中，學生結合相關學科知識，分析問題，明確項目目標。

2.方案設計階段

這個階段要求教師發揮指導和督促作用，引導學生將問題和任務分解為多個子問題，進一步簡化任務，充分發揮學生在探究學習過程中的創新性和自主性。學生用自己所學的知識判斷獲得信息的價值，并進行小組頭腦風暴，制訂問題解決方案，按照設計的方案搭建初步模型。

3.模型測試階段

在這一階段，學生需要測試模型能否達到目標，并根據測試結果，改進設計方案，最終達到完善作品的目的。為此，教師組織學生選擇科學的方式來測試作品，引導他們對作品進行優化、迭代。學生經過頭腦風暴形成的初步設計方案，在實施過程中可能會遇到問題，或者出現新想法，進而重新設計。當學生出現問題時，教師不要急于糾正錯誤，應鼓勵他們多嘗試，通過不斷調整找到解決問題的途徑，加深他們對知識的應用。

4.實施評價階段

在形成最終優化方案后，師生可以進行實地驗證，這不僅能夠豐富學生的生活經驗，而且能夠讓他們對模型有一個評估、反思的過程。學生在交流討論、反思評價中可以增長知識，提升能力水平，將所學知識運用到生活實際中，找到學習的意義。

三、基于項目式學習的STEM課程案例展示

基于上述理念，我們開發了“植物監測儀”課程。

1.“植物監測儀”課程目標

科學：知道植物受土壤水分、光照強度、空氣溫濕度等生長條件的控制；知道傳感器的原理；掌握編程的基礎知識，并能運用科學方法分析問題。

技術：掌握掌控板、Mind+軟件以及Easy IoT軟件的使用方法；能夠運用編程思維解決實際問題，具備根據工程目標編寫程序的能力；了解物聯網中的傳感器系統，能夠安裝溫度、濕度、光控傳感器來解決工程問題并接入物聯網平臺，構建簡易的傳感物聯系統；具備運用合適的材料搭建植物監測儀的能力。

工程：能根據實際問題制訂項目計劃，掌握植物監測儀由編程到模型裝配，再到與物聯網連接的基本流程、方法；能夠按照工程設計思路，對植物監測儀進行設計、搭建、測試、修正，優化的工程思維能力；能夠根據實際情況對植物監測儀的外殼進行設計制作。

數學：利用數值轉換公式，判斷編程條件的使用；了解數據處理的過程包括數據采集、數據預處理、數據分析和數據可視化，學習在物聯網平臺接收數據，讀取數據，并用折線圖呈現數據；測量植物監測儀外殼的尺寸大小，按比例設計、制作外殼。

2.“植物監測儀”課程實施

（1）項目明確階段（1課時）

【創設情境】在節假日期間，由于不能及時照料校園里的植物，不僅會影響其正常生長，甚至會導致其死亡。有沒有什么辦法可以解決這個問題呢？

【提出項目】設計一個植物監測儀在假期替人們照料植物，守衛校園綠植。

【頭腦風暴】在項目開展之前，想一想植物在生長過程中可能會遇到哪些問題，小組討論、交流，填寫問題清單。

問題清單

①植物的生長離不開水分，如何確保植物有充足的水分供給？

②光合作用能幫助植物健康生長，如何在室內環境也讓植物擁有足夠的光照？

③對于花卉，溫度和空氣濕度也會影響其生長，如何檢測空氣溫濕度，并幫助植物營造合適的生長環境？

④節假日時，如何遠程監控植物的土壤濕度、光照強度、空氣的溫度和濕度等各項數據？

⑤實現這些功能需要哪些硬件？

（2）方案設計階段（1課時）

本階段的核心內容是通過相關資料的學習、思考，將植物監測儀所需功能分解，根據其功能小組合作，設計植物監測儀的規劃方案，整理所需材料及具體操作方案（見表1），為下一階段模型的制作與測試做準備。

【收集資料】通過查閱資料，收集并填寫問題清單中所列問題的解決方案。認識掌控板并下載學習Mind+、Easy IoT等軟件的使用方法和相關資源。

【設計方案】通過相關資料的學習、思考，初步整理植物監測儀可以具備檢測土壤水分、光照強度、空氣溫度和濕度的功能，并且能夠根據各項數據對植物進行自動澆水、自動補光、降溫或除濕等。根據其功能，小組合作，設計植物監測儀的規劃方案。

（3）模型測試階段（5課時）

【測試1】自動澆水功能測試。根據方案制作并連接模型，在Mind+軟件上設計編寫程序并運行。通過土壤濕度傳感器檢測植物是否缺水，當濕度較小時，轉動舵機觸發澆水裝置。

【測試2】自動補光功能測試。利用掌控板自帶的環境光傳感器檢測光線強度，當光照較弱時，點亮RGB燈帶進行補光。

【測試3】自動通風功能測試。利用DHT11溫濕度傳感器檢測空氣的溫度、濕度，當溫度或濕度較高時，啟動電機帶動風扇，來降溫或除濕。

【測試4】物聯網數據監測功能測試。通過使用物聯網，在Easy IoT軟件中定義4個Topic，分別向Topic發送水分、光照、溫度、濕度的數據，這樣在每個Topic中，可以對應查看各個數據的折線圖和數值。

【測試5】設計、制作外殼，測試改進。根據以上所連接的硬件為基礎，需測量掌控板的大小，推算出植物監測儀外殼的大小，在設計單上按比例繪制植物監測儀外殼原型圖例。最后，按照設計圖，選擇合適的材料與工具為植物監測儀制作外殼，提升作品的美感，培養學生的數學思維和工程思維能力。若在測試過程中，無法實現設計功能，需及時檢查并調試相關程序，直至測試成功。

（4）實施評價階段（1課時）

本階段的核心內容是分小組進行班級內展示、匯報所制作的植物監測儀，測試植物監測儀的效果。教師和其他小組可以提出改進建議，進一步完善和優化作品。最后，學生對本次項目進行反思評價，總結交流，分享本次項目的收獲與感悟。教師幫助學生形成學習的閉環，加深在項目進行的過程中得到的鍛煉和對項目的理解。

本課程可以將總結性評價與形成性評價相結合，設計兩種評價量表：

“植物監測儀”作品評價表（見表2），按照量化標準對各組作品進行評價，包括組內自評、組間互評和教師評價。

“植物監測儀”項目評價表，對項目實施過程的和學生的表現進行評價，包括組內自評、組間互評和教師評價。其中，項目實施過程主要涉及基礎學科應用、方案設計、工程應用、作品制作等要素，學生的表現涉及創造力、團隊合作、問題解決、溝通交流等方面（見表3）。

總結

STEM教育作為一種跨學科整合的教育形式，可以為我國培養新型創新人才的教育目的增磚添瓦。本研究從項目式學習視角出發，設計了基于項目式學習的STEM課程框架，并開發了具體的STEM課程案例，為該框架提供實踐路徑。

基于本項目的研究，教師可以對項目式學習與STEM課程的結合進行更深層次的探索。具體可以根據不同單元的教材內容特點和課程標準內容，設計不同的STEM課程，將項目式學習貫穿學生的整個學習生涯。這樣可以培養學生的創新思維、深度學習、實踐探究和解決實際問題的綜合能力，從而帶動科學教育的發展，培養出更多具備跨學科素養的創新型人才。

[課題：重慶市教育科學“十三五”規劃2020年度規劃重點課題“科學教育專業本科生STEM課程整合能力及其培養研究”，編號：2020-GX-010。項目：教育部首批新文科研究與改革實踐項目“融合STEM教育理念的科學教育本科專業課程體系及教材建設研究與實踐”，編號：202107006]

（作者：樊秋瑜，重慶師范大學科學與技術教育碩士研究生；徐彩霞，通訊作者，重慶師范大學科技教育與傳播研究中心副教授，碩士生導師；林長春，重慶師范大學科技教育與傳播研究中心教授，碩士生導師）

參考文獻

[1]王憲廷，李睿，計祝保.我國STEM教育供給困境與改革路徑[J].現代教育，2021（06）.

[2]彭迪.基于項目式學習的STEM課例教學模式研究[D].青島：青島大學，2022.

[3]何克抗.建構主義革新傳統教學的理論基礎（上）[J].電化教育研究，1997（03）.

[4]溫彭年，賈國英.建構主義理論與教學改革——建構主義學習理論綜述[J].教育理論與實踐，2002（05）.

[5]黃杰秀.促進科學觀察能力提升的小學科學校本課程開發研究[D].桂林：廣西師范大學，2021.

[6]吳剛平.校本課程開發的思想基礎——施瓦布與斯騰豪斯“實踐課程模式”思想探析[J].外國教育研究，2000（06）.

[7]黃存良.通識課程視閾下大學審辯性思維課程設計研究[D].上海：上海師范大學，2019.

[8]周玉華.基于STEM理念的小學科學課程開發研究[D].武漢：華中科技大學，2019.