工程设计：STEM项目式学习活动实施路径研究

孔晶

摘 要：STEM教学实践以项目式学习为主线，其强调严谨的科学、数学知识的应用，技术的支持及与工程设计过程的结合，工程设计活动过程为STEM项目式学习活动提供了一套灵活的问题解决方案流程。本文针对培生STEM项目典型案例进行分析，基于活动理论框架，分别从活动主题、活动目标、活动过程、活动工具、活动评价等方面进行研究，指出项目式学习是STEM教学实践中的主要活动方式。

关键词：STEM;工程设计;项目式学习;培生STEM项目;科学

中图分类号：G434文献标志码：A文章编号：2096-0069（2018）06-0057-07

一、STEM

STEM是科学、技术、工程、数学四门学科英文首字母的组合，旨在增强学生的能力、工作兴趣和工作价值，提升国家竞争力[1]。STEM是运用跨学科思维解决真实世界问题的一种学习方式，其强调各学科领域知识的相互联系、相互作用。其中科学是关于自然界的研究，是一种通过观察和逻辑推理学习自然界的方式，并能够创造新的知识;技术是科学和工程的产物，并应用于科学和工程领域，人们创造和使用技术改变周围的世界以满足自己的需要或解决实际的问题;工程是人类产品设计和创造的知识体系，也是解决问题的过程，其使用科学创造出的新知识及技术探索解决问题的方式;数学是关于数量、数字、空间的形式及其关系的研究，运用抽象化和逻辑推理的方式，在科学、工程、技术等领域有着广泛的应用。技术、工程、数学和科学一起拓展人类有关周围世界的知识，其相互关系如图1所示。

有研究者指出，STEM是一种跨学科的学习方式，其将严谨的学术概念和真实世界课程相结合[3]。学生将科学、技术、工程和数学应用到与学校、社区、工业、全球企业相联系的情境中，以发展STEM素养，即科学素养、技术素养、工程素养和数学素养（见表1所示），具备在新经济中的竞争力。

二、工程设计

科学探究活动和工程设计活动不同，科学探究活动是为了解释关于某个现象的问题，学生的主要任务在于认识和解释科学概念;工程设计活动则是解决一个由困难、需要或期望所引发的问题，学生的主要任务是明确一个成功的方案应当达到的标准和面临的限制，并在理解科学概念的基础上，实现对其的利用，解决遇到的问题[5]。科学探究活动和工程设计活动过程如图2所示。

三、STEM项目式学习活动

STEM教学活动实践以项目式学习为主。项目式学习是一种建构主义理论的情境化学习方式，具有五大特征[7]，即驱动问题、真实情境、多方协作、提供技术脚手架、学习成果（作品）。项目式学习活动将STEM各学科领域知识与真实世界问题相联系，增强了学生的学习动机，提高了学生的学习兴趣、成绩和毅力。STEM项目式学习活动过程中，技术作为一个整合工具，通过研究、建模、交流、解释、展示等多样化的方式支持学习活动。

四、培生STEM项目典型案例分析

（一）培生STEM项目

培生STEM项目是培生集团面向1—8年级阶段学生提供的一套前沿的教学解决方案，以帮助教师实现STEM和现有课程及教学的无缝整合，包含18个科学实践主题，均采用相同的活动框架，即“主题介绍（Introduce）—教学（Teach）—评价（Evaluate）”。本研究选取“制作小船”“建造抗震設施”两个案例进行分析，通过解读案例的活动过程，寻求STEM项目式学习活动的设计策略和路径。

（二）案例一：制作小船

1.主题介绍

“制作小船”主题介绍部分主要包括以下几个模块的内容，见表2所示。

2.教学

“制作小船”STEM项目式学习活动工程设计过程如图3所示。

“制作小船”STEM项目式学习活动过程中，“技术区”为学生呈现的是测深仪的应用，并要求学生设计出一个测深仪。“职业聚焦”为学生介绍的是造船工程师。“动手探究实验室”为学生提供的实验是：“较重的物体是怎样落下的？”“丰富的活动”为学生提供的是“物体是怎样移动的”相关练习题目。

3.评价

“制作小船”STEM项目有三种评价方式：传统评价主要是检测学生对船的形状、船的设计等内容的理解;项目绩效评估的内容是学生需要设计出更稳定的船;标准化测验主要是检测学生对浮、沉、浮力、排序等内容的深层次理解和应用。

（三）案例二：建造抗震设施

1.主题介绍

“建造抗震设施”STEM项目主题介绍部分主要包括以下几个模块的内容，见表3所示。

2.教学

“建造抗震设施”STEM项目式学习活动工程设计过程如图4所示。

“建造抗震设施”STEM项目式学习活动过程中，“技术区”为学生呈现的是“地震仪是如何工作的”，“职业聚焦”为学生介绍的是结构工程师。“动手探究实验室”为学生提供的实验是“寻找震中”。“丰富的活动”为学生提供的是“监测地震”的练习题目。

3.评价

“建造抗震设施”STEM项目有三种评价方式：传统评价主要是检测学生对地震、地震波、断层、震中、结构工程师、比例等内容的理解和掌握;项目绩效评价的内容是抗震安全建筑的设计;标准化测验主要是检测学生对地震、地震波、震中等内容的深层次理解和应用。

（四）小结

培生STEM项目每个科学实践主题活动均由三部分组成，即主题介绍、教学和评价。各部分所包含的教学环节及相应内容如图5所示。

1.主题介绍部分

（1）大问题

主题介绍部分通过一个“大问题”引出了科学实践主题的核心内容。例如，“制作小船”的大问题是：设计如何影响浮力？“建造抗震设施”的大问题是：建筑物如何设计能够抵御地震？

（2）核心概念

核心概念提供了项目与不同学科之间的相关性。例如“制作小船”与STEM领域各学科相关的知识点有“浮、沉、浮力”（科学领域），“平稳的”（技术领域），“造船工程师、目标、解决方法”（工程领域），“对比、排序、更重、更轻”（数学领域）。

（3）词汇练习

词汇练习聚焦于各科学实践主题所涉及的相关核心词汇。例如“制作小船”中需要学生理解和记忆的词汇有浮力、浮、目标、沉、解决方法等。

（4）数学练习

数学练习聚焦于各科学实践主题所关联的数学学科领域的知识，例如“制作小船”所关联的数学学科领域的知识为“对比、排序、更重、更轻”，其所设计的数学练习为“按重量比较和排序”，让学生能够理解什么是物体的重量，能够对比两个物体的轻重，能够将物体按照从轻到重或从重到轻的顺序排序。

（5）快速实验室

快速实验室为学生提供了系列快速小实验，学生通过实验进一步了解STEM科学实践主题中所涉及的相关科学知识。例如“制作小船”的快速小实验为：物体是浮是沉？学生先预测物体放入水中是沉是浮，然后将物体放入水中，观察物体的状态并进行记录。

2.教学部分

STEM项目科学实践主题活动主要是基于科学探究的工程设计活动过程，例如“制作小船”项目式学习活动流程为“发现问题—计划和画—选择材料—制作和测试—记录和分享”，“建造抗震设施”项目式学习活动流程为“确定问题—做研究—寻找可能的解决方案—选择一种解决方式—设计和建造原型—测试原型—交流结果—评价和重新设计”。另外，动手探究实验室、职业聚焦、技术区、丰富的活动为STEM项目教学的实施提供了有效的支持。

3.评价部分

培生STEM项目每个科学实践主题活动均包含三种评价方式：传统评价、项目绩效评估、标准化测验。评价主要是检查学生对每个科学实践主题中所涉及的科学、数学、工程设计和技术知识的掌握。其中传统评价主要是检查学生对科学实践主题及相关核心概念的理解;项目绩效评估主要是通过让学生设计相关成品以对学生的知识和技能进行评估;标准化测验基于相关课程标准，通过设计系列测试题目，快速了解学生所学习到的知识。

五、STEM项目式学习活动设计分析

本研究基于活动理论，重点从以下几个方面探讨STEM项目式学习活动的设计。

（一）活动主题

STEM教学主要是基于项目式学习活动开展，STEM涉及多个学科领域，其项目式学习活动的主题设计来自真实世界，实现了科学、技术、工程、数学等学科领域知识点的有效融合，其将学生在各个学科领域所具备的零碎知识或机械技能转变为一个相互联系的、探究世界的过程。培生STEM项目18个科学实践主题实现了科学问题、技术问题、工程问题和数学问题的有效融合，其使用科学知识来解决真实世界中的问题或难题，技术为这一过程提供了良好的支持，有效地将科学、工程、技术，乃至数学结合在一起。

（二）活动目标

STEM项目式学习活动设计中，教师需要清楚STEM项目所关联的各学科领域的知识，明确学生通过STEM项目能够习得的核心知识和技能。培生STEM项目18个科学实践主题清晰呈现了学生需要达到的要求，除强调相关知识点的掌握之外，例如“建造抗震设施”要求学生能够“识别地震波的主要類型及其特性”，也需要学生掌握相应的工程设计过程，例如“制作小船”要求学生能够“基于设计的过程去设计、建造和测试模型船”，“建造抗震设施”要求学生能够“使用设计过程设计和建造地震模拟模型”。

（三）活动过程

工程设计活动过程为STEM项目式学习活动提供了一套灵活的问题解决方案流程。STEM项目式学习活动过程中，学生以小组或团队的形式实践自己的研究想法，通过头脑风暴、设计、测试、重新设计等多种类型的活动，最终完成问题解决和成品生成。

（四）活动工具

STEM项目式学习活动跨越多个学科领域，包含有各种形式的探究类学习活动，注重学生的动手探究和开放式探索，因此，与主题相关的活动工具及支持学生开展系列实验及协作活动的实验室、活动室等尤为重要。培生STEM项目为每一个科学实践主题活动提供了与主题相匹配的工具包，以方便学生开展各种形式的探究类学习活动。另外，创新实验室的使用也为学生开展STEM项目式学习活动提供了支持。

（五）活动评价

STEM项目式学习活动需要对学生开展多维度评价：一是基于大数据分析，观察学生的项目式学习过程，对学生做出有针对性的指导和评估;二是针对学生在STEM项目式学习活动过程中所做出的产品进行分析和评估;三是检测学生对相关知识点的掌握。培生STEM项目科学实践活动采用了三种评价方式，分别为传统评价、项目绩效评估、标准化测验，分别针对STEM项目各学科领域相关知识点概念、学生项目式学习作品、《州共同核心课程标准》（美国）中相关课程内容进行检测。

六、结论

项目式学习是STEM教学实践中的主要活动方式，STEM项目式学习活动具有项目式学习的特征，同时也具有自身的一些特点：

1.STEM项目主题来源于真实世界中的问题

STEM项目式学习活动过程中，学生需要解决的是真实世界中的有关社会、经济、环境等方面的问题。STEM项目主题不是单个学科领域的知识能够解决的问题，而是将学生在多个学科领域中所具备的知识和技能进行有机融合，以实现对真实世界中问题的解决。

2.工程设计过程引导STEM项目式学习活动的开展

工程设计过程为师生开展STEM项目式学习活动提供了灵活的路径支持，与科学探究活动不同，工程设计过程强调学生方案的设计和问题的解决。工程设计过程包含有系列环节和步骤，学生开展STEM项目式学习活动可以不完全按照工程设计过程的顺序，也可以跳跃进行。

3.需給予学生充分的动手探究和开放式探索机会

STEM项目式学习活动过程中，学生学习的路径是灵活的、开放的，学生通过头脑风暴的形式寻求问题的解决方案，通过协作和动手探究的方式基于解决方案进行原型的设计和建造，并最终完成问题的解决，这一过程是学生集体智慧的结果。在这一过程中，需要给予学生充分的动手探究和开放式探索的机会，以使学生能够在实践、探究、反思中解决问题。

4.需给予学生充足的工具和资源支持

活动工具和活动资源是确保STEM项目式学习活动顺利开展的必要条件。活动过程中，需要为学生提供充足的、与主题相关的工具和资源，以保障学生有充分的动手探究和开放式探索机会。

5.教师需要明确STEM项目关联学科领域知识

和单独学科内教学活动不同，STEM项目涉及多个学科领域，教师需要明确STEM项目关联学科领域知识与相关课程标准的联系，以便掌握学生已有知识水平和能力结构，使STEM项目与所教学科相融合，确保STEM项目的顺利开展。

6.需要让学生做充分的知识和技能储备工作

在学生正式开展STEM项目工程设计活动过程之前，需要让学生做充分的知识和技能储备工作，以便学生对所探究的主题有充分的了解。例如与探究主题相关的各学科领域的知识点、探究过程中使用到的工具等内容，教师可以通过同伴互助、快速实验等方式帮助学生习得。

参考文献

[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，叶兆宁.科学课程中设计STEM活动的有效方法：从工程和技术的角度审视科学探究活动[J].中国科技教育，2014，（9）：16-19.

[7]R.基思·索耶.剑桥学习科学手册[M].徐晓东，等，译.北京：教育科学出版社，2010：370.

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

KONG Jing

（College of Humanities and Education，Foshan University，Foshan，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