工程設(shè)計(jì)：STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動實(shí)施路徑研究

孔晶

摘 要：STEM教學(xué)實(shí)踐以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主線，其強(qiáng)調(diào)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)、數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用，技術(shù)的支持及與工程設(shè)計(jì)過程的結(jié)合，工程設(shè)計(jì)活動過程為STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動提供了一套靈活的問題解決方案流程。本文針對培生STEM項(xiàng)目典型案例進(jìn)行分析，基于活動理論框架，分別從活動主題、活動目標(biāo)、活動過程、活動工具、活動評價(jià)等方面進(jìn)行研究，指出項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是STEM教學(xué)實(shí)踐中的主要活動方式。

關(guān)鍵詞：STEM;工程設(shè)計(jì);項(xiàng)目式學(xué)習(xí);培生STEM項(xiàng)目;科學(xué)

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2096-0069（2018）06-0057-07

一、STEM

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科英文首字母的組合，旨在增強(qiáng)學(xué)生的能力、工作興趣和工作價(jià)值，提升國家競爭力[1]。STEM是運(yùn)用跨學(xué)科思維解決真實(shí)世界問題的一種學(xué)習(xí)方式，其強(qiáng)調(diào)各學(xué)科領(lǐng)域知識的相互聯(lián)系、相互作用。其中科學(xué)是關(guān)于自然界的研究，是一種通過觀察和邏輯推理學(xué)習(xí)自然界的方式，并能夠創(chuàng)造新的知識;技術(shù)是科學(xué)和工程的產(chǎn)物，并應(yīng)用于科學(xué)和工程領(lǐng)域，人們創(chuàng)造和使用技術(shù)改變周圍的世界以滿足自己的需要或解決實(shí)際的問題;工程是人類產(chǎn)品設(shè)計(jì)和創(chuàng)造的知識體系，也是解決問題的過程，其使用科學(xué)創(chuàng)造出的新知識及技術(shù)探索解決問題的方式;數(shù)學(xué)是關(guān)于數(shù)量、數(shù)字、空間的形式及其關(guān)系的研究，運(yùn)用抽象化和邏輯推理的方式，在科學(xué)、工程、技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和科學(xué)一起拓展人類有關(guān)周圍世界的知識，其相互關(guān)系如圖1所示。

有研究者指出，STEM是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式，其將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)概念和真實(shí)世界課程相結(jié)合[3]。學(xué)生將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)應(yīng)用到與學(xué)校、社區(qū)、工業(yè)、全球企業(yè)相聯(lián)系的情境中，以發(fā)展STEM素養(yǎng)，即科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)（見表1所示），具備在新經(jīng)濟(jì)中的競爭力。

二、工程設(shè)計(jì)

科學(xué)探究活動和工程設(shè)計(jì)活動不同，科學(xué)探究活動是為了解釋關(guān)于某個(gè)現(xiàn)象的問題，學(xué)生的主要任務(wù)在于認(rèn)識和解釋科學(xué)概念;工程設(shè)計(jì)活動則是解決一個(gè)由困難、需要或期望所引發(fā)的問題，學(xué)生的主要任務(wù)是明確一個(gè)成功的方案應(yīng)當(dāng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)和面臨的限制，并在理解科學(xué)概念的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對其的利用，解決遇到的問題[5]?？茖W(xué)探究活動和工程設(shè)計(jì)活動過程如圖2所示。

三、STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動

STEM教學(xué)活動實(shí)踐以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種建構(gòu)主義理論的情境化學(xué)習(xí)方式，具有五大特征[7]，即驅(qū)動問題、真實(shí)情境、多方協(xié)作、提供技術(shù)腳手架、學(xué)習(xí)成果（作品）。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動將STEM各學(xué)科領(lǐng)域知識與真實(shí)世界問題相聯(lián)系，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、成績和毅力。STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動過程中，技術(shù)作為一個(gè)整合工具，通過研究、建模、交流、解釋、展示等多樣化的方式支持學(xué)習(xí)活動。

四、培生STEM項(xiàng)目典型案例分析

（一）培生STEM項(xiàng)目

培生STEM項(xiàng)目是培生集團(tuán)面向1—8年級階段學(xué)生提供的一套前沿的教學(xué)解決方案，以幫助教師實(shí)現(xiàn)STEM和現(xiàn)有課程及教學(xué)的無縫整合，包含18個(gè)科學(xué)實(shí)踐主題，均采用相同的活動框架，即“主題介紹（Introduce）—教學(xué)（Teach）—評價(jià)（Evaluate）”。本研究選取“制作小船”“建造抗震設(shè)施”兩個(gè)案例進(jìn)行分析，通過解讀案例的活動過程，尋求STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動的設(shè)計(jì)策略和路徑。

（二）案例一：制作小船

1.主題介紹

“制作小船”主題介紹部分主要包括以下幾個(gè)模塊的內(nèi)容，見表2所示。

2.教學(xué)

“制作小船”STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動工程設(shè)計(jì)過程如圖3所示。

“制作小船”STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動過程中，“技術(shù)區(qū)”為學(xué)生呈現(xiàn)的是測深儀的應(yīng)用，并要求學(xué)生設(shè)計(jì)出一個(gè)測深儀?！奥殬I(yè)聚焦”為學(xué)生介紹的是造船工程師?！皠邮痔骄繉?shí)驗(yàn)室”為學(xué)生提供的實(shí)驗(yàn)是：“較重的物體是怎樣落下的？”“豐富的活動”為學(xué)生提供的是“物體是怎樣移動的”相關(guān)練習(xí)題目。

3.評價(jià)

“制作小船”STEM項(xiàng)目有三種評價(jià)方式：傳統(tǒng)評價(jià)主要是檢測學(xué)生對船的形狀、船的設(shè)計(jì)等內(nèi)容的理解;項(xiàng)目績效評估的內(nèi)容是學(xué)生需要設(shè)計(jì)出更穩(wěn)定的船;標(biāo)準(zhǔn)化測驗(yàn)主要是檢測學(xué)生對浮、沉、浮力、排序等內(nèi)容的深層次理解和應(yīng)用。

（三）案例二：建造抗震設(shè)施

1.主題介紹

“建造抗震設(shè)施”STEM項(xiàng)目主題介紹部分主要包括以下幾個(gè)模塊的內(nèi)容，見表3所示。

2.教學(xué)

“建造抗震設(shè)施”STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動工程設(shè)計(jì)過程如圖4所示。

“建造抗震設(shè)施”STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動過程中，“技術(shù)區(qū)”為學(xué)生呈現(xiàn)的是“地震儀是如何工作的”，“職業(yè)聚焦”為學(xué)生介紹的是結(jié)構(gòu)工程師。“動手探究實(shí)驗(yàn)室”為學(xué)生提供的實(shí)驗(yàn)是“尋找震中”。“豐富的活動”為學(xué)生提供的是“監(jiān)測地震”的練習(xí)題目。

3.評價(jià)

“建造抗震設(shè)施”STEM項(xiàng)目有三種評價(jià)方式：傳統(tǒng)評價(jià)主要是檢測學(xué)生對地震、地震波、斷層、震中、結(jié)構(gòu)工程師、比例等內(nèi)容的理解和掌握;項(xiàng)目績效評價(jià)的內(nèi)容是抗震安全建筑的設(shè)計(jì);標(biāo)準(zhǔn)化測驗(yàn)主要是檢測學(xué)生對地震、地震波、震中等內(nèi)容的深層次理解和應(yīng)用。

（四）小結(jié)

培生STEM項(xiàng)目每個(gè)科學(xué)實(shí)踐主題活動均由三部分組成，即主題介紹、教學(xué)和評價(jià)。各部分所包含的教學(xué)環(huán)節(jié)及相應(yīng)內(nèi)容如圖5所示。

1.主題介紹部分

（1）大問題

主題介紹部分通過一個(gè)“大問題”引出了科學(xué)實(shí)踐主題的核心內(nèi)容。例如，“制作小船”的大問題是：設(shè)計(jì)如何影響浮力？“建造抗震設(shè)施”的大問題是：建筑物如何設(shè)計(jì)能夠抵御地震？

（2）核心概念

核心概念提供了項(xiàng)目與不同學(xué)科之間的相關(guān)性。例如“制作小船”與STEM領(lǐng)域各學(xué)科相關(guān)的知識點(diǎn)有“浮、沉、浮力”（科學(xué)領(lǐng)域），“平穩(wěn)的”（技術(shù)領(lǐng)域），“造船工程師、目標(biāo)、解決方法”（工程領(lǐng)域），“對比、排序、更重、更輕”（數(shù)學(xué)領(lǐng)域）。

（3）詞匯練習(xí)

詞匯練習(xí)聚焦于各科學(xué)實(shí)踐主題所涉及的相關(guān)核心詞匯。例如“制作小船”中需要學(xué)生理解和記憶的詞匯有浮力、浮、目標(biāo)、沉、解決方法等。

（4）數(shù)學(xué)練習(xí)

數(shù)學(xué)練習(xí)聚焦于各科學(xué)實(shí)踐主題所關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的知識，例如“制作小船”所關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的知識為“對比、排序、更重、更輕”，其所設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)練習(xí)為“按重量比較和排序”，讓學(xué)生能夠理解什么是物體的重量，能夠?qū)Ρ葍蓚€(gè)物體的輕重，能夠?qū)⑽矬w按照從輕到重或從重到輕的順序排序。

（5）快速實(shí)驗(yàn)室

快速實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了系列快速小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解STEM科學(xué)實(shí)踐主題中所涉及的相關(guān)科學(xué)知識。例如“制作小船”的快速小實(shí)驗(yàn)為：物體是浮是沉？學(xué)生先預(yù)測物體放入水中是沉是浮，然后將物體放入水中，觀察物體的狀態(tài)并進(jìn)行記錄。

2.教學(xué)部分

STEM項(xiàng)目科學(xué)實(shí)踐主題活動主要是基于科學(xué)探究的工程設(shè)計(jì)活動過程，例如“制作小船”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動流程為“發(fā)現(xiàn)問題—計(jì)劃和畫—選擇材料—制作和測試—記錄和分享”，“建造抗震設(shè)施”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動流程為“確定問題—做研究—尋找可能的解決方案—選擇一種解決方式—設(shè)計(jì)和建造原型—測試原型—交流結(jié)果—評價(jià)和重新設(shè)計(jì)”。另外，動手探究實(shí)驗(yàn)室、職業(yè)聚焦、技術(shù)區(qū)、豐富的活動為STEM項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施提供了有效的支持。

3.評價(jià)部分

培生STEM項(xiàng)目每個(gè)科學(xué)實(shí)踐主題活動均包含三種評價(jià)方式：傳統(tǒng)評價(jià)、項(xiàng)目績效評估、標(biāo)準(zhǔn)化測驗(yàn)。評價(jià)主要是檢查學(xué)生對每個(gè)科學(xué)實(shí)踐主題中所涉及的科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程設(shè)計(jì)和技術(shù)知識的掌握。其中傳統(tǒng)評價(jià)主要是檢查學(xué)生對科學(xué)實(shí)踐主題及相關(guān)核心概念的理解;項(xiàng)目績效評估主要是通過讓學(xué)生設(shè)計(jì)相關(guān)成品以對學(xué)生的知識和技能進(jìn)行評估;標(biāo)準(zhǔn)化測驗(yàn)基于相關(guān)課程標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)計(jì)系列測試題目，快速了解學(xué)生所學(xué)習(xí)到的知識。

五、STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)分析

本研究基于活動理論，重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面探討STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動的設(shè)計(jì)。

（一）活動主題

STEM教學(xué)主要是基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動開展，STEM涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動的主題設(shè)計(jì)來自真實(shí)世界，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域知識點(diǎn)的有效融合，其將學(xué)生在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域所具備的零碎知識或機(jī)械技能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相互聯(lián)系的、探究世界的過程。培生STEM項(xiàng)目18個(gè)科學(xué)實(shí)踐主題實(shí)現(xiàn)了科學(xué)問題、技術(shù)問題、工程問題和數(shù)學(xué)問題的有效融合，其使用科學(xué)知識來解決真實(shí)世界中的問題或難題，技術(shù)為這一過程提供了良好的支持，有效地將科學(xué)、工程、技術(shù)，乃至數(shù)學(xué)結(jié)合在一起。

（二）活動目標(biāo)

STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)中，教師需要清楚STEM項(xiàng)目所關(guān)聯(lián)的各學(xué)科領(lǐng)域的知識，明確學(xué)生通過STEM項(xiàng)目能夠習(xí)得的核心知識和技能。培生STEM項(xiàng)目18個(gè)科學(xué)實(shí)踐主題清晰呈現(xiàn)了學(xué)生需要達(dá)到的要求，除強(qiáng)調(diào)相關(guān)知識點(diǎn)的掌握之外，例如“建造抗震設(shè)施”要求學(xué)生能夠“識別地震波的主要類型及其特性”，也需要學(xué)生掌握相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)過程，例如“制作小船”要求學(xué)生能夠“基于設(shè)計(jì)的過程去設(shè)計(jì)、建造和測試模型船”，“建造抗震設(shè)施”要求學(xué)生能夠“使用設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)和建造地震模擬模型”。

（三）活動過程

工程設(shè)計(jì)活動過程為STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動提供了一套靈活的問題解決方案流程。STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動過程中，學(xué)生以小組或團(tuán)隊(duì)的形式實(shí)踐自己的研究想法，通過頭腦風(fēng)暴、設(shè)計(jì)、測試、重新設(shè)計(jì)等多種類型的活動，最終完成問題解決和成品生成。

（四）活動工具

STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動跨越多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，包含有各種形式的探究類學(xué)習(xí)活動，注重學(xué)生的動手探究和開放式探索，因此，與主題相關(guān)的活動工具及支持學(xué)生開展系列實(shí)驗(yàn)及協(xié)作活動的實(shí)驗(yàn)室、活動室等尤為重要。培生STEM項(xiàng)目為每一個(gè)科學(xué)實(shí)踐主題活動提供了與主題相匹配的工具包，以方便學(xué)生開展各種形式的探究類學(xué)習(xí)活動。另外，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的使用也為學(xué)生開展STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動提供了支持。

（五）活動評價(jià)

STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動需要對學(xué)生開展多維度評價(jià)：一是基于大數(shù)據(jù)分析，觀察學(xué)生的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程，對學(xué)生做出有針對性的指導(dǎo)和評估;二是針對學(xué)生在STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動過程中所做出的產(chǎn)品進(jìn)行分析和評估;三是檢測學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的掌握。培生STEM項(xiàng)目科學(xué)實(shí)踐活動采用了三種評價(jià)方式，分別為傳統(tǒng)評價(jià)、項(xiàng)目績效評估、標(biāo)準(zhǔn)化測驗(yàn)，分別針對STEM項(xiàng)目各學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)知識點(diǎn)概念、學(xué)生項(xiàng)目式學(xué)習(xí)作品、《州共同核心課程標(biāo)準(zhǔn)》（美國）中相關(guān)課程內(nèi)容進(jìn)行檢測。

六、結(jié)論

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是STEM教學(xué)實(shí)踐中的主要活動方式，STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動具有項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的特征，同時(shí)也具有自身的一些特點(diǎn)：

1.STEM項(xiàng)目主題來源于真實(shí)世界中的問題

STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動過程中，學(xué)生需要解決的是真實(shí)世界中的有關(guān)社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面的問題。STEM項(xiàng)目主題不是單個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識能夠解決的問題，而是將學(xué)生在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中所具備的知識和技能進(jìn)行有機(jī)融合，以實(shí)現(xiàn)對真實(shí)世界中問題的解決。

2.工程設(shè)計(jì)過程引導(dǎo)STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動的開展

工程設(shè)計(jì)過程為師生開展STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動提供了靈活的路徑支持，與科學(xué)探究活動不同，工程設(shè)計(jì)過程強(qiáng)調(diào)學(xué)生方案的設(shè)計(jì)和問題的解決。工程設(shè)計(jì)過程包含有系列環(huán)節(jié)和步驟，學(xué)生開展STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動可以不完全按照工程設(shè)計(jì)過程的順序，也可以跳躍進(jìn)行。

3.需給予學(xué)生充分的動手探究和開放式探索機(jī)會

STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)的路徑是靈活的、開放的，學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴的形式尋求問題的解決方案，通過協(xié)作和動手探究的方式基于解決方案進(jìn)行原型的設(shè)計(jì)和建造，并最終完成問題的解決，這一過程是學(xué)生集體智慧的結(jié)果。在這一過程中，需要給予學(xué)生充分的動手探究和開放式探索的機(jī)會，以使學(xué)生能夠在實(shí)踐、探究、反思中解決問題。

4.需給予學(xué)生充足的工具和資源支持

活動工具和活動資源是確保STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動順利開展的必要條件?；顒舆^程中，需要為學(xué)生提供充足的、與主題相關(guān)的工具和資源，以保障學(xué)生有充分的動手探究和開放式探索機(jī)會。

5.教師需要明確STEM項(xiàng)目關(guān)聯(lián)學(xué)科領(lǐng)域知識

和單獨(dú)學(xué)科內(nèi)教學(xué)活動不同，STEM項(xiàng)目涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，教師需要明確STEM項(xiàng)目關(guān)聯(lián)學(xué)科領(lǐng)域知識與相關(guān)課程標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系，以便掌握學(xué)生已有知識水平和能力結(jié)構(gòu)，使STEM項(xiàng)目與所教學(xué)科相融合，確保STEM項(xiàng)目的順利開展。

6.需要讓學(xué)生做充分的知識和技能儲備工作

在學(xué)生正式開展STEM項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)活動過程之前，需要讓學(xué)生做充分的知識和技能儲備工作，以便學(xué)生對所探究的主題有充分的了解。例如與探究主題相關(guān)的各學(xué)科領(lǐng)域的知識點(diǎn)、探究過程中使用到的工具等內(nèi)容，教師可以通過同伴互助、快速實(shí)驗(yàn)等方式幫助學(xué)生習(xí)得。

參考文獻(xiàn)

[1][4]FORCE USST.Innovate：A Blueprint for Science，Tech-nology，Engineering，and Mathematics in California Public?Education[R].Dublin，CA： Californians Dedicated to Education Foundation，2014：7-9.

[2][6]PEARSON.Project STEM Building for Earthquakes Grades 6-8[EB/OL].（2013-01-05）[2018-06-08].http：//assets.pearson-school.com/asset_mgr/current/201315/STEMSample_6_8_BuildingForEarthquakes.pdf.

[3]TSUPROS N，KOHLER R，HALLINEN J.STEM Education：A Project to Identify the Missing Components[J].Intermediate Unit（S0085-2538），2009，（1）：11-17.

[5]肖瑗，葉兆寧.科學(xué)課程中設(shè)計(jì)STEM活動的有效方法：從工程和技術(shù)的角度審視科學(xué)探究活動[J].中國科技教育，2014，（9）：16-19.

[7]R.基思·索耶.劍橋?qū)W習(xí)科學(xué)手冊[M].徐曉東，等，譯.北京：教育科學(xué)出版社，2010：370.

Engineering Design： Research on Implementation of STEM Project-based Learning Activity

KONG Jing

（College of Humanities and Education，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan，Guangdong，China 528000）

Abstract：STEM teaching based on the project-based learning puts emphases on the application of the rigorous science and mathematics knowledge，on the support of technology，and on the engineering design process.The process of the engineering design provides a set of flexible problem-solving planning procedures for the STEM project-based learning activities.Based on the activity theory framework，this paper analyzes the typical cases of the Pearson STEM project.It studies the activity from five aspects，i.e.activity themes，activity goals，activity processes，activity tools and activity evaluation.In addition，it points out that the project-based learning is the main activity mode in the STEM teaching practice.

Key words：STEM;engineering design;project-based learning;Pearson STEM project;science