基于STEAM教育理念的項目式學習的設計與實施

[摘" 要] 隨著課程改革的推進，“綜合與實踐”領域進一步細化內容和要求，這是機遇也是挑戰. 初中階段的“綜合與實踐”多以項目式學習模式展開，研究者將有效實現項目式學習作為目標，探索基于STEAM教育理念的項目式教學操作流程，以“快速解凍肉的小妙招”項目為例，提供初中數學項目式教學設計參考.

[關鍵詞] 初中數學;項目式學習;STEAM教育;跨學科

作者簡介：張露文（2000—），碩士研究生，從事數學教育研究.

通信作者：夏小剛（1966—），教授，博士，主要從事數學教育研究工作.

2022年3月25日，中華人民共和國教育部下發《關于印發義務教育課程方案和課程標準（2022年版）的通知》，要求各地統籌謀劃、系統推進義務教育課程方案和課程標準（2022年版）（下文簡稱新課標）落地實施[1]. 就內容而言，“綜合與實踐”是此次修訂中變化最大的[2]. 一是明確學習方式，以跨學科主題學習為主，采用主題式學習和項目式學習方式，課程應用不少于10%的課時設計跨學科主題[3];二是劃分與細化學習內容，分學段列舉供教師參考的學習活動及具體內容. 新課標對“綜合與實踐”部分的要求，是新機遇也是新挑戰. 雖然目前關于“綜合與實踐”的教學已有大量的理論研究和實踐探索，但由于教學開展需要考慮多方面的因素，如主題/項目的選擇、真實背景的創設、跨學科的體現、實際問題到學科問題的轉變和多元評價的實施等，都需要有更為清晰的設計路徑指引.

初中階段的“綜合與實踐”領域以項目式學習為主，新課標中第四階段的“體育運動與心率”“繪制公園平面地圖”和“國內生產總值（GDP）調研”等項目學習基本在跨學科的真實情境下開展. STEAM教育將各個學科不同的實踐過程和精神內涵相融合，是跨學科綜合教育的有效形態. 基于STEAM教育理念進行項目式學習，有助于落實課標要求，達成跨學科目標，突現綜合性與實踐性.

義務教育階段的勞動教育烹飪課程頗受學生喜愛，其中包含解凍肉的知識，涉及數學、物理和化學等學科. 本研究針對初三學生，運用STEAM教育理念，設計并實施“快速解凍肉的小妙招”項目，結合物理實驗，探究數學項目實施方法，以期為一線教育工作者提供項目式學習設計路徑的指引.

STEAM教育與項目式學習

1. STEAM教育與項目式學習

STEAM教育是融合科學（Scie-nce）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數學（Mathematics）的超學科教育，STEAM是科學、技術、工程、藝術和數學五個英文單詞首字母的縮寫[4]. STEAM教育以項目任務為驅動，引導學生運用不同學科的知識解決實際問題[5]. STEAM教育目前已被多個國家或地區認可并作為國家教育戰略，如美國[6]、韓國[7]、英國[8]，以期培養順應國家發展需要的復合型、實踐型創新人才. STEAM教育在我國迅速發展，經過本土化改革和校本實踐，多方面展示了學科知識的教育價值，提升了基礎教育的實踐創新能力.

項目式學習（Project-Based Learning，簡稱PBL），是由美國進步主義教育家克伯屈（William Heard Kilpatrick）基于杜威“做中學”的教育理論所創立的一種教學模式. 它是一種常用的教學模式，主要圍繞項目進行跨學科的綜合運用，涉及學生的設計能力、調查能力、分析能力、決策能力等，旨在讓學生有機會在相對長的時間內開展相對自主的工作，并最終做出現實的產品或演示[9]. 項目式學習的研究歷史悠久，自20世紀70年代全球教育改革浪潮以來，該教學法已被廣泛采用. 20世紀90年代，項目式學習進入我國. 在21世紀，隨著核心素養的提出和STEAM教育的興起，項目式學習成為研究熱點. 研究者發現項目式學習具有“以學生為中心”、基于真實情境、能與學科教學融合等特征，在以核心素養為導向的教學中具有重要優勢[10]，并將項目式學習定義為：以問題為驅動，學生在真實、多樣、具有一定挑戰性的情境中，綜合應用多學科知識，使用適切的策略、方法解決情境中的問題[11].

2. 基于STEAM教育理念的項目式教學

新課標強調，項目式學習的關鍵是發掘合適的項目，要關注問題是否是現實的，還要關注問題是否是跨學科的;要關注學生能否解決問題，還要關注學生能否提出問題;要關注解決問題過程中的數學計算，還要關注解決問題過程中的數學表達. 基于STEAM教育理念進行項目發掘，可實現以上六點關注. 首先，關注問題的現實性和跨學科性. 學生所經歷的現實事件是最佳生成土壤，如學校進行操場擴建或綠化整修等. 在無適時的現實事件選擇下，開展項目式學習可考慮利用STEAM教育框架中提供的細化方向進行項目選擇. 確定項目后，教師需挖掘項目實施過程中蘊含的多學科要素（如圖1所示[12]），緊扣要素間的聯系以突現項目的跨學科性. 其次，關注問題解決與問題提出. 現實問題的解決依據不僅僅是數學學科知識，更需要在多學科基礎上有效調用已有經驗以及新知識和技能. 教師作為引導者提供學生解決現實問題的支架，要進行多學科知識問題設計，以驅動項目進行. 在達成問題解決的同時，學生也能在創設的真實情境中提出自己的思考與疑問，教師可進一步引導學生解決有利于項目實施的問題. 最后，關注解決問題過程中的數學計算與表達. 解決問題的工具主要由STEAM教育五要素提供. 其中，數學是科學的支柱，是技術的保障，數學表達使藝術精確，數學計算讓工程得以驗證. 正因如此，教師要在預設項目目標和項目活動時，牢牢抓住數學與其他要素之間的關系，并以數學核心素養為中心，思考如何引導學生選擇恰當的數學計算方法，培養學生用數學語言合理表達、解釋和分析數據的習慣.

所以，基于STEAM教育理念的項目式教學，即在項目式教學的基礎上，綜合應用科學、技術、工程、藝術和數學的知識和技能解決生活中的實際問題[13]. 在克伯屈提出的項目實施四步驟（目標、計劃、實施、評價）上，結合STEAM教育的特征，得到圖1所示的操作流程.

研究設計

1. 研究目的

針對初中所學的函數相關知識，結合物理、化學等知識，讓學生在實驗中體會數學思想方法解決實際問題的過程.

2. 研究對象

初三學生，已完成初中函數學習，掌握了研究函數的方法和路徑，能從現實情境中抽象出變量間的關系，并用表格、解析式、圖象進行表達.

3. 研究工具

實驗報告單、GeoGebra動態數學軟件、PowerPoint演示文稿軟件.

4. 數據的收集與處理

實驗報告單上的實驗數據的填寫要求以兩種形式呈現：表格和圖象. 表格對應3種單因素控制變量實驗，實驗要求重復3次，一個小組統籌安排9次實驗，完成實驗數據的收集后取平均值繪制圖象，采用GeoGebra曲線的解析式擬合函數圖象并得到擬合曲線的解析式.

“快速解凍肉的小妙招”項目的

設計與實施

1. 預設項目目標

項目目標與課時目標的設置類似，其關鍵在于學生通過獨立思考、動手操作和合作學習達成知識理解. 項目式學習的知識并不局限于教科書或學科，是隨著項目進行動態發展的. 同時，學生應在學習過程中獲得關鍵技能，如整合搜集能力、合作交流能力、反思互評能力等. 綜合學情分析，對本項目的目標設置如下：

（1）通過搜集整理、交流討論和電腦查詢等方式，了解生活中解凍肉的方法，并在教師的幫助下設計出探究實驗，發展發現問題、提出問題的能力，會用數學眼光觀察現實世界.

（2）基于跨學科知識，對“影響冰塊融化的因素”實驗的結果運用信息技術進行分析，作出函數圖象，發展分析問題、解決問題的能力，會用數學思維思考現實世界.

（3）對項目產品進行清晰的匯報展示，并針對項目結果進行自我反思和小組互評，在思考和討論中形成正確的情感、態度和價值觀，會用數學語言表達現實世界.

2. 創設項目情境

分解項目并預設后，依據眾多解凍實驗，進行項目實驗設置的STEAM要素分析（見表1），便于教師創設出既貼近現實又能體現多學科知識的項目情境. 同時，分析要素及其相互關系，旨在服務問題驅動設計.

根據前面的準備，創設項目情境如下：隨著時代的快速發展及生活水平的不斷提高，越來越多人追求快節奏、高質量的生活方式. 當人們下班回家準備用豬肉快速做一道美食飽餐一頓，卻發現豬肉還在冷凍室時，在不影響肉的營養和口感的前提下，如何幫助他們在有限的時間內快速將豬肉解凍？你能通過實驗驗證你的想法嗎？

教學說明" 教師提出上述情境后，應引導學生構建實驗思路，并提供資料查詢與討論的平臺. 具體需要注意以下問題：①提示“有限時間”的限制;②選擇符合實際和預設的解凍方法并提取影響解凍的因素;③導向實驗，對解凍方法進一步探究;④提出實驗應考慮經濟性（食物浪費）和可行性（密度相近），將實驗對象替換為冰塊;⑤師生共同確定實驗報告單的內容.

情境分析" 解凍食材是日常生活中常見的事件，在轉化情境時設定時間限制，促進學生思考項目解決方案，例如，有哪些加速解凍的方法？如何驗證？這些方法有最優的使用方式嗎？怎樣對比？這些思考可指向：影響因素實驗設置、運用函數尋找最優解、多因素實驗改進等. 另外，教師發現冰塊融化時間長，為確保實驗的實用性，決定使用6 cm3的冰塊進行實驗.

3. 問題驅動設計

本環節主要設計探究實驗要素及其背后原理，教師提出系列問題，引導學生發現背后隱藏的學科知識.

問題1" 影響冰塊融化的主要因素有哪些？

教師引導：空氣溫度、鹽、水等.

問題2" 冰塊在空氣中會融化的原理是什么？

教師引導：冰塊融化的過程實際上是一個能量傳遞的過程. 冰的熔點（晶體熔化時的溫度）為0 ℃，當環境溫度高于0 ℃時，冰吸收空氣中的熱量，使冰分子獲得足夠能量以擺脫固體結構. 隨著水分子熱運動的增強，冰的晶體結構瓦解，最終轉化為液態水.

問題3" 為什么撒鹽能使冰塊融化得更快？

教師引導：鹽的主要成分是氯化鈉，并且氯化鈉十分容易溶于水，若在冰上撒鹽，則冰表面就會有一層氯化鈉溶液（鹽水），而鹽水的凝固點（晶體凝固時的溫度）比水低，使得冰在較低的溫度下也能融化. 因此，在相同的溫度下，加鹽能使冰融化得更快.

問題4" 為什么把冰塊放水里融化得更快？

教師引導：把冰放在水里，水的溫度比冰高，水的能量會傳遞給溫度更低的冰，使得冰融化，這是一個熱傳遞的過程. 另外，水的比熱容（一定質量的某種物質，在溫度升高時吸收的熱量與它的質量和升高的溫度乘積之比）大于空氣，即水下降一度釋放的能量大于空氣，因此冰在水中融化得更快.

4. 開展項目活動

將項目活動分解為表2所示的環節，主要由實驗與展示兩部分組成.

學生了解實驗相關事項后，自主分組并分配角色. 實驗環節主要由學生獨立完成，教師則提供必要的指導和技術援助. 圖2展示了學生的實驗操作，圖3是學生繪制的擬合函數圖.

實驗報告單由教師根據學生的想法制定，要求小組合作完成. 實驗報告單主要包含實驗目的、實驗儀器和器材、實驗原理、實驗步驟、實驗數據以及實驗結論. 學生完成實驗后填寫實驗數據并用GeoGebra軟件擬合圖形曲線，然后根據圖象得出實驗結論.

展示交流環節由教師主持、學生主導. 學生根據實驗報告單總結實驗過程，展示實驗數據、圖象，分享解讀和分析數據及圖象的思路，提供小組討論得出的實驗結果，并給出實驗改進建議及實際解凍的方法（如圖4）. 教師在學生匯報后簡評實驗成果，總結并擴展知識點和基本經驗. 教師在這一環節中扮演關鍵角色，引導問題深入，促進學生發展跨學科的高級思維能力.

5. 項目活動評價

評價方式分為三種：教師評價、小組評價和學生自評. 評價主要涵蓋本項目的基本目標、操作步驟、實驗方法、實驗結果和整體流程等一般性評價，以及物理學科融合價值、情境創設和策略性結果的特殊性評價;是多主體參與的、以學生為中心的動態過程性評價，涵蓋設計、過程和結果的全面評價. 針對上述要求，設計評價量表如圖5所示.

總結與啟示

項目式學習是初中教學中培養學生綜合與實踐能力的重要方式. 項目式學習有兩大難點，一是發掘項目，二是發揮功效. 教師選定的項目應具備現實性、跨學科性、創造性、實踐性和綜合性，更重要的是教師應具備在實施項目式學習時挖掘和傳達其教育價值的能力. 有效的項目式學習應：

1. 在“真情境”中做到“真融合”

真實情境是項目基石，教師應基于實際事件構思項目，確保學生在活動中能有感而發. 教師設定項目目標，強化學科基礎，利用STEAM分析整合和拓展知識，促進多要素互動，實現學科融合. 解決實際問題需要跨學科的知識、技能和方法.學科之間相互影響，幫助學生在社會中成為終身學習者.

2. 在“真探究”中做到“真思考”

學生是項目式學習的核心參與者，教師則扮演輔助角色，提供必要的指導和支持.在學生的探索過程中，教師應及時總結學生的發現，并在此基礎上提出可行的解決方案，成為推動學生深入探究和提升思考能力的關鍵. 項目情境的建立是教師和學生共同參與的過程. 教師構建現實情境，與學生一起轉化這些情境，并引導學生用數學視角觀察世界，提出問題，激發他們利用所學知識探索真實問題，促進學生積極參與項目構建，積累經驗.

3. 在“真實踐”中做到“真創造”

項目富有創新性和實踐性，師生在解決問題的過程中，需運用跨學科的知識，并靈活調整策略，以達成項目目標. 學生通過發現、提出、分析和解決問題的過程，積累經驗并形成解決問題的策略，這些策略可應用于社會實際.項目式學習不僅關注知識和技能，更重視培養學生的數學素養、實踐和創新能力.

參考文獻：

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