以培养学生STEM素养为目标的项目化学习设计

吴晓红+田小兰+蒋思雪

摘要：项目化学习设计以跨学科知识为载体，以学生活动为中心，以问题情境为桥梁，在真实的实践活动中培养学生的STEM素养。以“爱护水资源”为主题，从现实生活问题入手进行STEM项目学习设计。给出了项目设计思路及实施过程，包括“选定项目，激活旧知”、“活动探究，展示新知”、“作品制作，应用新知”、“融会贯通，成果交流”四个阶段，涵盖了“学习中心-水资源知识知多少”、“科学实验-水质检测”、“职业体验-自制简易净水器”、“工程体验-设计迷你水厂”四部分项目内容。

关键词：STEM素养；项目化学习；STEM项目学习；爱护水资源

文章编号：1005–6629（2017）12–0038–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科之间的交叉融合，目标是培养学生的STEM综合素养。STEM素养是在综合把握科学、技术、工程和数学等理工科知识的基础上具有的独立提问、设计、分析、推断和运算的能力，是一种独立分析问题、解决问题的综合素养[1]。STEM素养的培养方式主要以基于项目或基于问题解决为主。本研究将把项目学习作为核心，利用项目学习案例开发，探讨如何开展STEM项目学习设计，藉此探索开展STEM素养培养的途径和方式。

1 STEM项目学习概述

1.1 STEM项目学习的内涵

STEM项目学习是STEM和基于项目的学习模式相结合的产物。这种学习方式为学生提供了融入真实情境的体验，鼓励学生运用科学、技术、工程和数学等领域的知识与技能解决现实世界的问题[2]。基于项目的学习作为一种课堂活动的模式，强调长期的、跨学科的、学生中心的，且与现实世界问题和实践相融合的学习活动。其核心组成部分就是将分散的学科领域融合于具有挑战性问题的项目活动，这些问题驱使学生去面对并力争理解学科的核心概念和原则。STEM尤其适合于使用基于项目的学习模式，因为在科学、技术、工程和数学之间本来就有很自然的交接[3]。因此STEM项目学习可以理解为以基于项目的学习为框架整合STEM内容的学习模式，是利用STEM领域的知识与技能解决现实问题的学习过程。

STEM项目学习的核心要素包括以学生为中心、充足的时间、明确的结果以及跨学科[4]。其中“以学生为中心”指在整个项目活动中，学生以小组的形式完成项目活动中的各个任务，而教师发挥组织、指导、监督、评价作用；“充足的时间”目的是使学生有充足的时间学习一系列的知识和技能；“明确的结果”包括对需要完成的任务有明确的期望和约束限制，保证所有学生都能学习并获得成功，但达到目标的时间、方式可以不同；“跨学科”指学生有意识地参与并整合多个学术领域和多种学习方法来研究某个核心问题或项目。

1.2 STEM项目学习操作流程

STEM教育中的教学活动设计应遵循梅瑞尔的首要教学原理，又称五星教学原理，具体结构概括为“一个中心+四个基本点”，即要求整个教学活动应该以问题为中心，进行从激活旧知、展示新知、应用新知、融会贯通四个阶段循环往复的学习[5]。常见的基于项目的学习操作流程包括选定项目、制定计划、活动探究、作品制作、成果交流、活动评价六个阶段[6]。本项目的活动实施过程兼顾了五星教学原理与基于项目的学习模式，由“选定项目，激活旧知”、“活动探究，展示新知”、“作品制作，应用新知”、“融会贯通，成果交流”四个阶段构成，如图1所示：

（1）“选定项目，激活旧知”阶段：STEM教育是以科学知识为核心，以跨学科知识为载体，依托技术、工程活动的跨学科教育体系，首先要对跨学科知识进行激活。教师通过创设情景（播放视频、图片等）的方式提出、确定项目，并以问题引导，启发学生识别、回忆起有关旧知识，激发学习动机。该阶段重在对科学知识的回顾检索，为后面的技术、工程活动提供理论基础。

（2）“活动探究，展示新知”阶段：此阶段是教师通过操作示范，提供视频、图片等学习资料展示新知，呈现需完成的挑战。学生小组交流合作，运用所学科学、技术等知识开展测验与探索等活动。该阶段重在对技术方法的选择以及技术工具的操作、技术数据的采集与解释。

（3）“作品制作，應用新知”阶段：作品制作是STEM项目学习活动的重要组成部分。在该阶段教师引导学生探索真实的项目活动，学生小组协作，利用跨学科知识和技能完成作品的制作，作品形式多样，如实物模型、图画作品等，并根据一定的评估标准对作品进行测验与评估。该阶段重在对作品的方案设计、优化以及动手制作能力的提升，将知识转化为技能，实现现实问题的解决。

（4）“融会贯通，成果交流”阶段：STEM教育的核心是多学科融合。该阶段进一步强化所学知识，融会贯通。教师组织学生利用跨学科知识与技能综合考虑问题，实现知识的迁移和进一步内化。该阶段侧重借助数学思维解决科学、技术、工程领域的某些问题，达到对各学科知识与技能进行整合与应用，实现对现实问题的解决。

以上四个阶段以跨学科知识与技能为载体，以学生活动为中心，在充足的时间里学习一整套前后关系紧密的STEM知识与技能，最终实现对现实问题的解决。

2 案例设计思路及实施过程

本项目选取高中化学选修1《化学与生活》（人教版）中“爱护水资源”这一节内容。水是一种宝贵的自然资源，与我们的生活息息相关。随着工业文明的诞生，人口急剧增长，生态平衡遭到破坏，淡水资源日趋紧张。中学生作为未来世界的主人，“爱护水资源”正是大家关心的实际问题。此外，该项目不仅蕴含着丰富的化学知识及其他学科相关知识，还为学生提供丰富而有趣的实践活动，动脑学知识的同时也能动手学技能，解决书本问题的同时也能解决现实问题。endprint

本项目的实施过程由本文提出的STEM项目学习模式的四个阶段构成，每个阶段的项目内容借鉴了上海STEM研究中心“共用一江水”活动。具体设计思路如图2所示。

2.1 选定项目，激活旧知：学习中心-水资源知识知多少

[问题情境]联合国大会将每年的3月22日确定为“世界水日”，意在唤起人们加强水资源保护，缓解水资源短缺的问题。我们该为水资源的保护做些什么呢？今天我们以“爱护水资源”为主题进行项目学习活动。

[教师]播放视频“爱护水资源-蓝星上的生命之源”，视频中涉及与水资源相关的一些化学、地理、社会、环境等知识，初步激起学生对旧知识的回忆，紧接着教师抛出一系列与水资源相关的问题（见表1）。

[学生]以小组为单位，通过查阅书本资料、网上检索等，深入了解与水资源相关的一系列知识。

[设计意图]由现实生活问题“爱护水资源”确定项目主题，播放视频激发学生兴趣，通过环环相扣的问题引导学生学习STEM项目中的科学知识，同时燃起学生爱护水资源的社会责任感，正确理解科学、技术与社会的关系。

2.2 活动探究，展示新知：科学实验-水质检测

[教师]水资源面临着严峻的考验，建立完善的水处理系统是非常有必要的。我们身边的水体质量如何呢？

[学生]用水质检测器对水质进行检测。

[教师]布置任务：对学校周边河流的水质进行检测，并提醒学生在取水样时应注意安全。

[学生活动]水质检测，实施过程见表2。

[设计意图]以手持技术为支撑的实验探究，强调在实验探究过程中注重技术知识的学习以及技术工具的使用；启发学生学会利用数据、图像等分析并解释科学问题；对身边的水质进行检测活动，将学生置身于真实生活实践，通过小组合作，体验科学、技术知识在现实生活的運用。

2.3 作品制作，应用新知：职业体验-自制简易净水器

[教师]展示水质较差的河水，提出问题：如何将水质较差的河水变得干净呢？引导学生进行猜想。

[学生]加明矾、过滤。

[教师]布置任务：假如你是一名水质工程师，如何利用现有材料制作简易净水器？并提出要求：所制作的简易净水器要有明显的过滤效果。

[学生活动]自制简易净水器，实施过程见表3。

[设计意图]赋予学生水质工程师角色，将学生置身于未来职业选择的视野之中，这也是STEM教育的目标之一；学生以化学实验技能为基础，亲自制作简易净水器，增强学生动手能力；将科学知识运用实践，训练学生解决实际问题的能力。

2.4 融会贯通，成果交流：工程体验-设计迷你水厂

[教师]同学们可以通过自制简易净水器获取少量洁净的水供自己使用，有没有想过要为更多的人送去洁净的水呢？中学生都有为社会作贡献的愿望与雄心，回答都是肯定的。

[教师]布置任务：假如你是一名自来水厂的设计师，你准备如何设计一个城市自来水处理厂及水处理工艺流程，为千家万户送去健康、洁净的水呢？

[学生活动]设计迷你水厂，实施过程见表5。

[教师]总结评估各小组方案的合理性，提出建议并指导学生进行优化。

[设计意图]强调STEM项目中的工程素养，引导学生站在全局观念的角度，识别工程领域的问题与制约因素，综合运用科学、技术、数学等学科知识，体验以工程思想为指导解决实际问题的过程。

整个项目实施结束后，进行成果展示与评估。教师组织学生以PPT的方式，结合数据、图像、拍摄照片等对整个项目过程中所取得的成果进行汇报。汇报的内容包括“与水资源相关的跨学科知识掌握情况”、“三种不同水样的水质情况分析”、“自制简易净水器的净水效果”、“迷你水厂设计的合理性分析”等。汇报结束后，教师要求学生以自评、互评的方式进行评价，评价内容可从“团结协作”、“动手实践”、“问题解决”、“跨学科知识掌握情况”等方面考虑。最后教师总结各小组在项目活动过程中的表现，肯定学生的项目成果，同时对出现的相关问题进行修正和补充，回归主题“爱护水资源”，鼓励学生从身边的小事做起，养成良好的用水习惯，为保护水资源献出自己的一份力量，培养学生社会、人文情怀。

3 案例所涉及的跨学科知识及STEM素养说明

本项目知识融合性强，实用性广，切实培养了中学生的STEM综合素养，涉及的跨学科知识及STEM素养体现如图3。

通过该项目的实施，学生掌握了污水的主要成分、引起水体污染的原因以及铝盐的净水原理等科学知识；正确理解科学与技术、社会的关系。其中化学知识涉及到铝离子的水解反应，次氯酸的性质及用途等；地理知识涉及水的时间与空间分布、城市水处理厂建设规划等；此外还涉及环境学、生态学等科学知识。

学生在项目体验过程中学习如何操作技术工具，了解技术工具的操作、保管、维护等；会使用特定的技术方法解决科学、工程等现实问题并适当对技术进行价值判断，培养学生技术素养。技术手段多样，如在自制净水的过程中会用到过滤、沉淀等化学实验操作技术；在检测水质过程中用到数字化传感器技术，以及检索资料、整理资料、数字化等信息技术。endprint

通过工程项目的设计，学生体会工程领域中的全局意识、成本意识、质量意识、环境意识、创新意识、团队合作意识等，初步培养学生工程素养。其中工程领域知识既包含了水质检测方案的设计、净水系统的设计、方案的优化等以及自来水处理厂图纸绘画、选择材料、成本估算等。

数学作为科学辅助手段，亦发挥着不可替代的作用。在STEM项目中，学生掌握一定的数学基本原理、计算方法，了解相关测量方法与测量工具，能够对相关数据进行解释，培养了学生的数学素养。数学知识包括常见的数学计算、测量知识，如在自来水厂设计过程中对水厂筑地面积的计算与规划，设备材料运行费用等的计算；此外还用到数据、图像的分析与解释方面的知识，如在检测水质过程中，对传感器检测到的主要成分含量的对比分析与解释。

4 结语

以“爱护水资源”为主题的STEM项目化学习，融合了化学、地理、生态学、环境学等学科知识，运用多媒体技术、手持技术、实验操作技术等相关技术手段，辅以数学思想中的计算、图像分析，综合考虑工程领域的全局意识、成本意识等解决现实问题。在项目实施的四个阶段，按照学生认知水平层次由低到高布置任务，在层层递进的实践活动中培养学生的STEM综合素养。STEM项目化学习注重知識与实践相结合，教师应合理选择教学内容，善于挖掘学科间交叉融合的部分，塑造真实的生活情景，开发与整合更多基于STEM的项目活动，为学生创造解决现实问题的机会，培养学生未来职业和终身学习所需要的能力和素养。

参考文献：

[1]董宇.我国大学生STEM学习兴趣调查研究[D].南京：东南大学硕士学位论文，2016：12.

[2]田润，丁伟.基于化学实验的STEM项目——设计检测Co（2+）浓度的技术方案[J].化学教学，2016，（11）：43～47.

[3][4][美]罗伯特·M·卡普拉罗等著.王雪华译.基于项目的STEM学习：一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式[M].上海：上海科技教育出版社，2015：7～8，129～134.

[5]秦瑾若，傅钢善. STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育[J].中国电化教育，2017，（4）：72～73.

[6]刘景福.基于项目的学习模式（PBL）研究[D].南昌：江西师范大学硕士学位论文，2002：25～27.endprint