把握“三条主线”助力STEM教育实践

蒋雄超

[摘 要] STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）教育的简称。在教育部新颁布《中小学综合实践活动课程指导纲要》的大背景下，以“设计制作”为主体的活动为开展STEM学习创设了平台。基于STEM理念的设计制作学习围绕“情境问题、项目学习、知识运用”三条主线开展活动，在实践中帮助学生对科学、技术、工程、数学等领域的知识形成有力而真实的理解，培养学生的STEM素养。

[关键词]综合实践课程;STEM学习;设计制作

2017年9月，教育部发布了新版《中小学综合实践活动课程指导纲要》，其学习领域由原来的研究性学习、社区服务与社会实践、劳动与技术教育、信息技术教育四个方面，转变为考察探究、社会服务、设计制作、职业体验四大基本活动方式。

其中，以“设计制作”为主体的活动主要围绕工程技术进行创意创新，在学习方式上强调学生主动运用多学科知识解决一个真实情境下的真实问题或完成一个现实的任务。既包含工程技术与科学探究，又需要数学知识的支撑，其跨学科的特点使之成为开展STEM学习的有利平台。在开展基于STEM理念的设计制作学习中，教师要把握好情境问题、项目学习和知识运用“三条主线”，并将其渗透于STEM学习的各个环节，使之成为STEM教育的有效助力器。

一、情境问题线——基于STEM理念的设计制作学习纽带

“在STEM教育中，不再将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程和数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨学科、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力。”因此，基于设计制作的STEM学习要以问题为纽带，在情境中呈现问题，还原问题的真实性、趣味性和探究性等特点，链接学科知识，驱动STEM活动开展。

（一）真实性

STEM教育认为，知识是蕴含在真实的问题情境中的。在真实问题情境中，学生利用多学科、跨学科知识积极探索、解决问题，以此助力学生理解所学知识，发现问题背后蕴含的信息，加深知识的理解与运用。

“桥梁模型”是针对学校将要建设的进校桥梁而提出的问题。在课上，老师带着同学们一起来到新建的校门口：“以后我们要从这个校门进出，但是还缺少一座桥，同学们能否帮助设计一下？”同学们情绪高涨，“这是我上学的必经之路，我要想出好的设计！”在这样一个与学生密切相关的真实情境问题下，学生产生了主动学习的意愿，继而转化为开展STEM学习的内驱力。

（二）趣味性

基于STEM学习跨学科的本质，强调从多维视角来研究问题，以满足学生的需要和兴趣。由此，教师应密切学生与生活、学校与社会的联系，以学生的直接经验、需要、兴趣为基础，关注自然、社会和生活中富有趣味性的问题，让学生在愉悦的氛围中体验STEM学习。

“水火箭”是为解决水火箭降落伞无法打开的问题而开展的活动。这个项目来自于学生的兴趣，因为在水火箭发射竞赛中，大部分同学的水火箭升空后降落伞无法打开，导致水火箭直接落地损坏。为什么有的能打开？发射、制作中存在着哪些不足？这些学生感兴趣的问题引领着学生开展实践，STEM学习之旅也由此展开。

（三）探究性

STEM教育鼓励学生动手活动，针对问题探究知识与方法的应用，故而，基于STEM理念的设计制作要体现技术工程概念的探究性。在问题解决中，学生不仅通过自主学习或教师讲授获取文本性知识，还在动手动脑参与学习的探究中获取结果性知识以及蕴含在问题解决中的过程性知识。

“自动散热扇”STEM活动来自于学校花木养护活动中的问题。暑假天气炎热，校园玻璃花房的散热成了大麻烦，学生由此产生了为花房设计“自动散热扇”的想法，而这种极具实用性和探究性的问题，有力促进了学生开展STEM学习的积极性。

二、项目学习线——基于STEM理念的设计制作学习载体

从整体上看，基于STEM理念的设计制作学习以工程设计项目为基础，融合科学、技术、工程、数学领域的知识来解决真实世界中有意义的问题。学生通过运用各种工具、工艺进行实践，将设计转化为实物，以完整的作品考量学生对STEM所涉及的学科知识的掌握，体现的是以项目为基本单位的基于项目的学习（PBL，Project-Based Learning），强调技术规范与创新意识和实践能力培养，关注科学原理与技术方法的理解与探究，注重对项目作品的设计与创造。

（一）识别问题要求，确定项目

在基于真实情境的问题提出后，学生需进一步对问题进行识别，既引导学习过程，也指导探索该问题所需的活动，不断明晰设计制作的方向。

例如，在围绕解决衣架使用中的问题时，学生通过头脑风暴，清楚地识别出解决问题需要依托的项目，并在项目的目标和范围方面达成共识，提出了“防缠绕衣架”“快速干衣架”“防皱衣架”“折叠衣架”等多个探究项目。通过问题识别，一方面可以让学生确定项目的实施要求，激发参与热情;另一方面则是让学生更好地领悟作品的价值，激发创作热情。

（二）厘清制約因素，设计方案

除了问题识别，在基于STEM理念的设计制作学习中，学生小组还需厘清完成项目所有的制约因素和标准，包括时间和资源的获得以及作品所具备的外观、质量、效用等特征。在此基础上，教师要引导学生从作品的结构、功能、材料的利用等方面构思、尝试设计，提出解决问题的多个设想。

如在“环保小台灯”活动中，首先，学生根据前期台灯的调查使用情况，对大家的需要、小台灯的技术与外观等基本要素进行分析，明确设计方向，确立设计定位是环保与节能;其次，在学生小组中发挥个人特长，分工协作，相互启发，提出多种小台灯的创意构思，并绘制设计草图;最后，根据个人所设计的小台灯的可实现性、美观性、创造性、工艺性和安全性等评估标准对初步设计方案进行分析、比较、综合和优化，在组内选出最佳创意方案。

（三）选择工具材料，合作探究

开展基于STEM理念的设计制作学习，选择合适的工具材料，以合作的形式开展学习是验证设计、完成项目的重要保障。一方面，通过传统与现代工具的使用，实现学习成果的可视化，提升学生创造性;另一方面，通过小组分工、同伴合作实现学习过程任务化，体验解决现实问题的过程。在制作中，要考虑作品制作成本，采用学生机床、激光雕刻机、3D打印机及传统工具等多种工具或材料，选择多样化、低成本、高效率且可靠的方法依照设计完成制作。

在“LED小夜灯”制作中，学生使用3D打印机打印小夜灯底座，以发光二极管作为光源，以运动检测传感器作为控制开关，用焊接及热熔胶等方式进行连接组装。在整个项目实施过程中，学生根据需要选择不同的材料、了解不同工具的性能、用途和方法，结合软件与硬件设备，将习得的知识应用于项目中，在合作探究中实现作品创作。

（四）测试优化作品，拓展空间

作品测试优化的目的在于提高学生自主发现问题、分析问题、解决问题的能力。在每一次测试评估中学生都要做好详细的记录，包括预测、测试的条件，观察和结果，特别是测试中的偏离和变化因素。

在“空气动力车”制作完成后，学生从调整车轴长度，轮子数量，喷气管长度、方向，出气口大小，车身重量等方面测试，进而了解设计的达成度。最重要的是，学生需在测试后分析设计制作中存在的问题，借此理解技术对于创意与设计上的影响。在这一阶段，通过评估问题，再次回到设计，以小组讨论挑选更新设计或其他选择，再次制作，重新测试，在循环中不断拓展STEM学习空间。

（五）量规评价分析，反思得失

基于设计制作的STEM学习是面向真实世界的问题解决，其评价的重点由终结性评价转变为过程性评价。因此，通过评价量规等技术的真实评估，既突出了学习过程，也强调了结果。

良好的评价量规包括反映各项标准的具体内容和活动概念生成的成分，也包括某些无形的方面。STEM学习目标的各个达成程度在评价量规中细化，帮助学生反思自己的学习情况，并能让教师对学生需要改进的内容给予重点引导。同时，教师要指导学生客观记录参与活动的具体情况，整理相关活动材料，使学生能对自己或团队的STEM学习做出较为客观的评价。

三、知识运用线——基于STEM理念的设计制作学习关键

STEM教育是将科学、技术、工程、数学等学科知识整合起来的综合性学习活动，运用关联性的知识解决问题。因此，通过设计制作实现多学科知识的交叉融合，在运用中理解知识是开展基于STEM理念的设计制作学习的关键。

（一）核心概念要突出

学科知识服务于STEM学习。在STEM理念下开展设计制作学习要借助学科知识，更要突出核心知识概念和主要内容，突破STEM学习中的关键问题。教师在指导中不能贪大求全，要对学生已有知识掌握情況做到心中有数，不是所有涉及到的学科内容都要组织探究。如在“投石机”活动中，探究杠杆原理是本设计制作的核心概念。学生首先要使用尺子、橡皮等简单材料认识杠杆的作用，再在教师的帮助下认识原理，进而开展设计。而对于使用橡皮筋连接、绑扎等知识，学生早已掌握，则无需再做展开。

（二）知识总结要强化

北师大余胜泉教授认为，“无论STEM还是创客教育，都需要使学生学习的零碎知识变成相互联系统一的整体。”因此，STEM理念下的设计制作学习，除了在活动中需要跨学科知识的综合应用，在完成后更要进行总结强化，帮助学生系统整理零散知识。如在“投石机”项目完成后，以教师或学生小组汇报的形式，对涉及到的知识开展梳理、总结，促进学生形成一定的知识体系。同时根据量规评价的结果，为学生再次提供具有选择性的材料强化学习，既有核心概念的知识、基本技术原理，又能体现不同学生的需求，最终达成有意义的知识建构。

（三）知识应用要创新

STEM教育的基本目标是培养学生的STEM素养，其学习过程与方式均发展了学生的创新精神与实践能力。基于STEM理念的设计制作学习是跨学科知识的应用与转化的过程，也正是在这一过程中，在学生从不同视角进行观察、思考，有机联系不同学科知识时得以应用知识创新解决问题。如“投石机”设计制作中，学生在测试中从投射方式、橡皮筋数量、压载物使用等方面着手，通过小组合作、设计，创造出了数十种设计方案并开展实践。即使制作不成功，小组还会继续寻求更好的解决方案，在循环与改进中学生发挥创造潜能，与之相适应的创新能力也得到了有效提升。

把握“三条主线”，开展基于STEM理念的设计制作学习，助力学生在实践中对科学、技术、工程、数学等领域的知识形成有力而真实的理解，提高了学生综合运用知识的跨学科学习能力，培养了学生的STEM素养，也为开展STEM教育提供了可借鉴的模式。

[参 考 文 献]

[1]中华人民共和国教育部.中小学综合实践活动课程指导纲要（2017版）[EB/OL]http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616.html.

[2]罗伯特·卡普拉罗，玛丽·卡普拉罗，詹姆斯·摩根.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，2016.

[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（4）.

[4]傅骞，刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育，2016（4）.

[5]孙小红.基于STEM教育下小学综合实践课程本土化策略初探[J].教育实践与研究，2016（12）.

（责任编辑：符 洁）