STEM理念下信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)研究

本期文章選自2018年舉辦的第26屆全國(guó)青少年科技輔導(dǎo)員論文征集活動(dòng)中的一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撐?。本屆論文征集活?dòng)主題為“科學(xué)教育：開啟培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的新探索”。

摘要：STEM教育以培養(yǎng)具有跨學(xué)科素養(yǎng)和解決真實(shí)問題能力的創(chuàng)新型人才為目標(biāo)。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)多學(xué)科交替融合，為信息技術(shù)課程開展STEM教育提供了一種可供操作的模式。本研究梳理了STEM教育發(fā)展和研究現(xiàn)狀，分析了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)內(nèi)涵，提出了信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式，學(xué)生能最終解決并形成一個(gè)植根于真實(shí)問題的產(chǎn)品，從而發(fā)展跨學(xué)科知識(shí)連接能力和問題解決能力。

關(guān)鍵字：STEM 信息技術(shù)課程 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

一、引言

21世紀(jì)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)需要具備擁有能解決真實(shí)問題能力和態(tài)度的工人、工程師、研究員和發(fā)明家。這些人才是提高國(guó)家創(chuàng)新能力的重要因素之一。培養(yǎng)人才的關(guān)鍵是在學(xué)生中推廣科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)技能。STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）4門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合[1]。STEM教育不僅是把科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，而是特別強(qiáng)調(diào)將本來分散的4門學(xué)科自然地組合形成新的整體。作為培養(yǎng)具有全面科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新探究能力人才的教育新形態(tài)，STEM教育將會(huì)是21世紀(jì)教育事業(yè)成功的關(guān)鍵‘”。

2015年9月，教育部發(fā)布《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見》，其中明確指出：“探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強(qiáng)的信息意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)”。STEM教育為學(xué)?？萍冀逃n程的變革及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，提供了嶄新的思路和路徑。研究中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)校科技教育課程存在問題，比如過于局限某一學(xué)科，課堂缺乏有效的學(xué)習(xí)模式，無法有效發(fā)展學(xué)生STEM跨學(xué)科知識(shí)連接的能力，尤其是數(shù)學(xué)的分析及科學(xué)探索，導(dǎo)致學(xué)生解決實(shí)際問題的能力欠缺。本研究通過對(duì)STEM教育和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)進(jìn)行分析，進(jìn)而構(gòu)建可依循的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式及教學(xué)實(shí)施過程，為學(xué)校開展STEM教育提供參考與借鑒。

二、STEM理念下信息技術(shù)可能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建

（一）項(xiàng)目式學(xué)習(xí)內(nèi)涵

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，即Project-basedLearning，簡(jiǎn)稱PBL。與其他學(xué)習(xí)方式相比，項(xiàng)目的學(xué)習(xí)更傾向于應(yīng)用綜合知識(shí)，目標(biāo)是解決問題。學(xué)生在教師指導(dǎo)下制訂真實(shí)、復(fù)雜的項(xiàng)目，結(jié)合已有的知識(shí)和技能，積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)并完成一些真實(shí)、開放的任務(wù)，從而形成一個(gè)植根于問題的產(chǎn)品[2]。

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科的自然交疊。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)體現(xiàn)了跨學(xué)科，它克服了傳統(tǒng)課堂上知識(shí)學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐的割裂狀況，幫助學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)踐內(nèi)化知識(shí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中能有效提高學(xué)生的創(chuàng)造力、批判性思維和解決問題的能力和溝通協(xié)作能力。因此，STEM教育尤其適合使用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

（二）STEM理念下信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

信息技術(shù)課程以全面培養(yǎng)和提高學(xué)生的信息素養(yǎng)為基本目標(biāo)，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。在信息技術(shù)課程教學(xué)中，教師把STEM教育理念融合在教學(xué)中開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，有利于實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)課程目標(biāo)。STEM理念下信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是指在信息技術(shù)課程中，學(xué)生以工程學(xué)為思想，以技術(shù)為工具，解決并形成一個(gè)植根于真實(shí)問題的產(chǎn)品，從而發(fā)展跨學(xué)科知識(shí)連接能力和問題解決能力。STEM理念下的信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)具有以下特征。

1.聚焦真實(shí)問題

項(xiàng)目學(xué)習(xí)內(nèi)容必須與現(xiàn)實(shí)真實(shí)世界密切聯(lián)系，符合學(xué)生思維發(fā)展和身心發(fā)展的特點(diǎn)，才能激發(fā)學(xué)生探究和創(chuàng)造的欲望。因此，真實(shí)問題貫穿信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)必須以解決真實(shí)問題作為學(xué)習(xí)情境導(dǎo)入，學(xué)習(xí)的結(jié)果是解決并形成植根于真實(shí)問題的產(chǎn)品。但是真實(shí)問題往往比較復(fù)雜，教師需要根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)把真實(shí)問題的核心轉(zhuǎn)化為一系列學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生開展探究，達(dá)到對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)與技能的意義建構(gòu)和滌層次理解。

2.以跨學(xué)科融合為核心

以跨學(xué)科融合為核心體現(xiàn)在兩個(gè)方面。第一，項(xiàng)目解決涉及的科學(xué)原理：學(xué)生需要運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)解釋項(xiàng)目涉及的科學(xué)原理，并最終解決問題。第二，達(dá)成的目標(biāo)：通過問題的解決，發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)的連接能力。

3.以工程學(xué)為思想

工程是應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的概念系統(tǒng)解決真實(shí)生活問題。教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)和計(jì)算方式表達(dá)已有的關(guān)系和原理，例如項(xiàng)目的功能結(jié)構(gòu)圖和軟件開發(fā)流程圖，從而讓學(xué)生運(yùn)用這些模型預(yù)測(cè)項(xiàng)目開發(fā)執(zhí)行情況，并使項(xiàng)目具有創(chuàng)造性[3]。因此，信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以工程學(xué)為思想能提升項(xiàng)目開發(fā)的質(zhì)量。

4.以信息技術(shù)為開發(fā)工具和手段

信息技術(shù)課程的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)最終會(huì)形成一個(gè)植根于問題的產(chǎn)品。產(chǎn)品開發(fā)需要學(xué)生運(yùn)用3D建模、Arduino硬件編程、App Inventor手機(jī)編程等信息技術(shù)工具。學(xué)生往往在配有平板電腦、傳感器、電路板、單片機(jī)、3D打印機(jī)、電線等先進(jìn)科技工具，充滿合作機(jī)會(huì)的工作坊中展開學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中分享與合作，增強(qiáng)學(xué)生理解他人、欣賞他人的能力和水平。

5.以科學(xué)探究、數(shù)學(xué)分析為整合與應(yīng)用要素

工程是設(shè)計(jì)及研發(fā)科技產(chǎn)物的過程，此過程需要整合科學(xué)原理.并運(yùn)用數(shù)學(xué)輔助設(shè)計(jì)、測(cè)試和改良，以獲得最合適的成果。學(xué)生需要通過自主探究挖掘項(xiàng)目涉及的科學(xué)原理，并嘗試進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，設(shè)計(jì)算法。學(xué)生在探究活動(dòng)中領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)邏輯思維能力和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度。

（三）STEM理念下信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式圖

基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)特征，筆者構(gòu)建了信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式，如圖1所示。

從教師活動(dòng)看，中學(xué)生尤其是高中學(xué)生，不喜歡來自教師的直接指導(dǎo)，因此教師在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中是引導(dǎo)者和協(xié)助者。作為引導(dǎo)者，教師創(chuàng)設(shè)情境體驗(yàn)讓學(xué)生關(guān)注真實(shí)生活，從生活中挖掘問題，確定項(xiàng)目。教師要制訂項(xiàng)目評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建項(xiàng)目涉及的已學(xué)和未學(xué)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)技能體系，開發(fā)微課，為學(xué)生開展原理探究、項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開發(fā)搭建“腳手架”。在工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)分解項(xiàng)目，通過一系列學(xué)習(xí)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生開展探究，并細(xì)致觀察學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出的STEM素養(yǎng)、實(shí)踐能力和探究意識(shí)，及時(shí)糾正學(xué)生設(shè)計(jì)和制作過程中存在的錯(cuò)誤。在技術(shù)開發(fā)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)及時(shí)糾正學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤，讓學(xué)生少走彎路。在展示反思環(huán)節(jié)，教師需要對(duì)學(xué)生小組的項(xiàng)目展示和匯報(bào)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，尤其對(duì)學(xué)生的跨學(xué)科知識(shí)連接能力、問題解決能力進(jìn)行評(píng)估。

從學(xué)生活動(dòng)看，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中充當(dāng)發(fā)現(xiàn)者、探究者和實(shí)踐者。在問題提出環(huán)節(jié)，學(xué)生在教師引領(lǐng)下挖掘生活中存在的問題，并展開批判性對(duì)話和交流，最終確定項(xiàng)目。在科學(xué)探究環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)教師提供的微課，研究項(xiàng)目涉及的科學(xué)原理，并對(duì)疑難開展交流，最終會(huì)用科學(xué)原理和數(shù)學(xué)輔助解釋項(xiàng)目。在工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生以小組為單位開展項(xiàng)目設(shè)計(jì)，包括功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（各具體功能模塊的實(shí)現(xiàn)過程）、硬件設(shè)計(jì)（購置的硬件及連接圖）和軟件設(shè)計(jì)（流程圖）。更重要的是在技術(shù)開發(fā)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)圖動(dòng)手實(shí)踐，購買硬件材料，組裝硬件和開發(fā)相應(yīng)程序，并調(diào)試運(yùn)行。在展示反思環(huán)節(jié)，小組共同展示項(xiàng)目演示效果，并向教師和同學(xué)匯報(bào)項(xiàng)目的開發(fā)過程和創(chuàng)新點(diǎn)，其他小組同學(xué)參照教師的項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)給予評(píng)價(jià)。師生圍繞標(biāo)準(zhǔn)展開點(diǎn)評(píng)，促使學(xué)生進(jìn)一步反思工程設(shè)計(jì)和開發(fā)存在的問題，最終促進(jìn)學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)與技能的內(nèi)化。

數(shù)字化資源能降低信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的復(fù)雜度，提高學(xué)生開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的興趣、動(dòng)力和成功率，促使學(xué)習(xí)走向深入。在問題提出環(huán)節(jié)，課堂運(yùn)用視覺元素創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)與開發(fā)的欲望。由于項(xiàng)目原理探究和設(shè)計(jì)制作涉及學(xué)生已學(xué)或未學(xué)的技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)技能，學(xué)生往往因?yàn)橹R(shí)技能的遺忘或缺失而對(duì)項(xiàng)目開發(fā)失去信心。微課憑借其短小精悍，滿足了學(xué)生快速獲取知識(shí)和個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求，讓學(xué)生更加靈活地、有針對(duì)性地選取學(xué)習(xí)的內(nèi)容。以微課為基礎(chǔ)構(gòu)建的知識(shí)與技能體系更能為學(xué)生探究和制作搭建腳手架。學(xué)生還可以利用QQ、微信等即時(shí)通訊工具進(jìn)行質(zhì)疑、互動(dòng)和反思，從而促進(jìn)自主探究學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)。

三、信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究

1.學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“手機(jī)控制LED燈”是高中信息技術(shù)選修課程“移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)”的學(xué)習(xí)內(nèi)容。案例要求學(xué)生能夠初步進(jìn)行基于藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)基于移動(dòng)應(yīng)用的問題解決方案，開發(fā)基于真實(shí)任務(wù)的簡(jiǎn)單移動(dòng)應(yīng)用。案例聚焦“智能家居”社會(huì)熱點(diǎn)，針對(duì)改善家居生活的問題開發(fā)手機(jī)控制LED燈，激發(fā)學(xué)生探究和開發(fā)的欲望。

2.學(xué)習(xí)目標(biāo)

案例要求學(xué)生開發(fā)手機(jī)控制LED燈項(xiàng)目，項(xiàng)目使用App Invertor編寫程序，通過藍(lán)牙通信模塊與Arduino單片機(jī)進(jìn)行通信，從而完成對(duì)LED燈亮滅的控制。項(xiàng)目體現(xiàn)了跨學(xué)科融合：科學(xué)方面是了解藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和Arduino功能、基本結(jié)構(gòu);技術(shù)方面是掌握利用App Inventor實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸編程;工程方面學(xué)會(huì)利用Arduino的硬件、軟件感應(yīng)藍(lán)牙數(shù)據(jù)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的控制完成作品;數(shù)學(xué)方面學(xué)會(huì)整理并分析Arduino軟件上的數(shù)據(jù)。學(xué)生完成項(xiàng)目的同時(shí)，STEM跨學(xué)科知識(shí)連接能力得到發(fā)晨。

3.教學(xué)過程

問題提出環(huán)節(jié)。隨著電子技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用，智能家居日漸普及，為人們享受生活提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái)。教師確定的主題是“智能家居”，利用微課創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生通過小組質(zhì)疑研討提出問題：晚上回家時(shí)，家里黑黑的，什么也看不見，要摸黑開燈;睡覺前，需要下床關(guān)燈，很不方便，而直接用手機(jī)控制吊燈就比較方便。由此確定項(xiàng)目開發(fā)內(nèi)容：采用手機(jī)實(shí)現(xiàn)家居燈的開關(guān)。在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師從引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)現(xiàn)存在的問題，體現(xiàn)了技術(shù)為生活服務(wù)。

科學(xué)探究環(huán)節(jié)。教師圍繞主題項(xiàng)目開發(fā)藍(lán)牙傳輸、Arduino結(jié)構(gòu)和AppInventor編程3個(gè)微課，讓學(xué)生展開項(xiàng)目原理的探究。①Arduino的基本結(jié)構(gòu)和元器件的功能;②藍(lán)牙技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn);③App Inventor與藍(lán)牙數(shù)據(jù)連接的實(shí)現(xiàn)。

工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。學(xué)生以小組為單位開展手機(jī)控制LED燈項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)（項(xiàng)目的工作流程圖和各模塊的功能）、硬件設(shè)計(jì)（需要購置的設(shè)備）、軟件設(shè)計(jì)（App手機(jī)端應(yīng)用程序的功能、界面設(shè)計(jì)和流程圖設(shè)計(jì)）。設(shè)計(jì)好方案后，小組之間展開頭腦風(fēng)暴，進(jìn)一步挖掘項(xiàng)目的其他功能和創(chuàng)新點(diǎn)。

技術(shù)開發(fā)環(huán)節(jié)。小組按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，對(duì)Arduino拉制器、藍(lán)牙調(diào)試模塊、藍(lán)牙2.0模塊、USB線、LED燈等硬件進(jìn)行組裝，運(yùn)用AppInventor開發(fā)手機(jī)控制LED燈，運(yùn)用Mixly For Arduino開發(fā)Arduino主板程序，并進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試。

展示反思環(huán)節(jié)。開發(fā)作品后，教師組織成果交流會(huì)。小組展示手機(jī)控制LED燈的效果，并匯報(bào)App手機(jī)端應(yīng)用程序的流程圖設(shè)計(jì)及項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)。小組匯報(bào)后，學(xué)生需要展開反思，交流本小組制作的項(xiàng)目存在的問題，并進(jìn)一步完善該項(xiàng)目。

4.教學(xué)反思

本節(jié)課使用App Invertor與Arduino完成的作品，即用App控制LED燈的亮滅。課例讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、探究科學(xué)原理、設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案和開發(fā)產(chǎn)品等過程，最終掌握移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)與開發(fā)的思想方法。項(xiàng)目立足工程學(xué)思想，教師在教學(xué)中有意識(shí)引導(dǎo)學(xué)生如何應(yīng)用科學(xué)與數(shù)學(xué)知識(shí)解決問題，較好地完成了科學(xué)與數(shù)學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)遷移。隨著項(xiàng)目學(xué)習(xí)進(jìn)一步深入實(shí)施，學(xué)生跨學(xué)科連接知識(shí)的能力和解決實(shí)際問題的能力得到有效提高。而在教學(xué)中，教師需要提供學(xué)生更多設(shè)計(jì)、探究、分析、測(cè)試與綜合評(píng)估的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

莊小云，廣東華僑中學(xué)，中學(xué)高級(jí)教師，電子信箱：532308985@qq.com。

點(diǎn)評(píng)

當(dāng)前，許多科學(xué)教師和科技輔導(dǎo)員正在順應(yīng)時(shí)代潮流，通過科學(xué)教育，開啟培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的新探索。本文作者也是據(jù)此考慮，將發(fā)達(dá)國(guó)家提出的STEM教育理念本土化，依托自身所任教的信息技術(shù)課，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的模式，聚焦學(xué)生開發(fā)手機(jī)控制LED燈的項(xiàng)目，分別從問題提出環(huán)節(jié)、科學(xué)探究環(huán)節(jié)、工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、技術(shù)開發(fā)環(huán)節(jié)和展示反思環(huán)節(jié)5個(gè)階段進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐嘗試。其所介紹的案例，以及獲得的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，對(duì)廣大科學(xué)教師和科技輔導(dǎo)員開闊思路、積極探索，具有一定的啟發(fā)、導(dǎo)向和示范作用。

如果作者能夠更為深入理解STEM教育理念，規(guī)范相關(guān)概念的界定，以及為自身的觀點(diǎn)增添更多案例或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為佐證，則可使本文的科學(xué)性和學(xué)術(shù)性更為明顯。

——翟立原（中國(guó)青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會(huì)理論工作委員會(huì)副主任委員，第26屆仝國(guó)青少年科技輔導(dǎo)員論文征集活動(dòng)評(píng)審委員會(huì)主任委員）