运用PBL教学法开展STEM教育活动的思考与实践——以长春中国光学科学技术馆科学教育活动为例

韩莹莹 朱赫宇 贾晓阳

一、 关于STEM教育

STEM(Science，Technology，Engineering，Mathematics)教育的理念可追溯到20世纪80年代的美国，它强调多学科的交叉融合，注重培养学生的创新和实践能力。21世纪初，STEM教育成为美国国家教育战略，其代表性标志是2009年美国总统奥巴马宣布启动的“教育创新”运动和美国2013年发布的《新一代科学教育标准》。[1]近年来，STEM教育理念在中国乃至亚洲迅速崛起，在世界范围内也是教育发展的热点。

《新一代科学教育标准》强调三个要素：“实践”“跨学科概念”和“学科核心概念”，亦称为科学教育的“3个维度”。有美国学者认为“3个维度”也适用于STEM教育，指出“在每一个学科中，这些维度都紧密联系在一起，每一个维度的缺失都将影响整个学科。也就是说，为了让学习活动能够真实，3个维度的内容都必须清楚明白地体现在活动设计中”。[2]

(一) 科学与工程实践

STEM教育中的“实践”特指“8种科学与工程的实践”，这是科学学习的基础，其宗旨在于通过实践活动，检验学生所学知识，促使学生将知识用于解决实际问题，进而提高科学实践和创新能力。[3]

(二) 跨学科概念

STEM教育中的“跨学科”，不仅仅是“跨学科”的知识与技能，还包括“跨学科概念”。笔者将前者称为对STEM教育的第一层次理解：解决现实问题根本不会在孤立的领域内开展，而是在STEM领域的交叠处进行，即跨学科的知识与技能。关于STEM有个简单而形象的比喻：如果能够把科学、技术、工程和数学想象为人体的不同部位，那么科学是肌肉骨骼系统，工程是大脑，技术是手，数学是心脏和血液。这些分离的学科之间事实上有很紧密的关系。

第二层次的理解即跨学科概念，关于跨学科概念，Hubert Duasi和Derek Bel对其解释是：“有一些概念在所有STEM各学科中都会出现，甚至出现在其他学科中……不论是科学家、工程师、技术专家，还是数学家，这些跨学科概念在看待世界上各种现象时可作为有力且全面的框架。因为它们超越了不同STEM学科之间的边界，它们也被称为统一的概念。”[2]从美国《K-12科学教育框架》所列的“跨学科概念”内容看(见表1)，它含有某些适用于各个学科甚至社会生活、个人发展的科学的认识论、方法论和价值观(即科学方法、科学思想和科学精神)的内容，并且它们是通过“实践”获得的“直接经验”。

表1 科学、工程、技术领域中的跨学科概念[2]

(三) 学科核心概念

“学科核心概念”是聚焦在各门学科内的核心主题，为学生理解复杂的“跨学科概念”和解决问题提供工具与支持，一般涉及物质、生命、地球与空间科学、工程、技术和科学运用。跨学科概念和学科核心概念的学习是相互联系的，是需要通过多次反复学习逐步深化的。[2][4]

由此可见，STEM教育强调以“学科核心概念”和“跨学科概念”为主线的科学研究和工程实践，最终目标是提高国民科学、技术、工程和数学综合素养和解决问题的能力。

二、 PBL教学法在科技馆STEM教育活动设计中的运用

(一) PBL教学法与STEM教育的匹配

基于项目的学习(Project Based Learning，缩写为PBL)是将分散的学科领域进行融合，以便应对具有挑战性的课题的学习方式。这一方式强调长期的、跨学科的、以学生为中心的学习活动，利用问题驱使学生理解学科核心概念，与STEM教育3个维度中的“科学与工程实践”相吻合。

为了完整、准确地理解STEM教育的基本特征，有文章将STEM教育归纳为“基于科学与工程实践的跨学科探究式学习”。[5]对此，笔者深以为然，并认为基于项目的学习本身就是探究式学习的教学方法之一，是通过“实践”的过程设计完成项目和探索解决问题，从中获得知识和技能(“直接经验”)的教学法。

当代科学教育的目标已不局限于知识与技能了，而是追求更高层次的“过程与方法”“情感态度价值观”，这正是STEM教育中强调的第三个维度“跨学科概念”，即科学的认识论、方法论和价值观。PBL创造了“现象/任务/问题→判断/假说/设计→验证→发现/结论/实施方案”的过程，并通过这一过程使学生从实践中体验、领悟、掌握这些抽象的认识论、方法论和价值观，与灌输式教学和“伪探究”有着本质的不同。因此，PBL既匹配了STEM教育的“3个维度”，也是实现当代科学教育高层次目标的有效教学方法。

(二) 科技馆中的STEM教育

科技馆的英文表述science and technology museum直译为科学技术博物馆，在我国则特指那些相当于国际上的“科学中心”(science center)或以科学中心展示教育方式为主的科技博物馆。[6]2013年，中国科学技术馆研究员王恒等人提出：科技馆教育的基本特征是“通过模拟再现的科技实践，为观众营造探究式学习的情境，从而使其获得直接经验”。[7]

科技馆展品多以科学家进行科学研究、科学考察、技术发明的实验装置或对象为原型，操作体验展品不仅可以再现科学家通过“探究”获得“直接经验”的“实践”过程，还能够体验到其背后隐含的科学方法、科学思想和科学精神。这些信息，均可通过展示和教育活动传递给观众。因此，科技馆的展品及基于展品的教育活动，不仅为观众提供了通过“实践”和“探究”获得科技知识“直接经验”的条件，同时也为观众了解掌握“跨学科概念”提供了便利。[5]这也是长春中国光学科学技术馆(以下简称“光学馆”)开展科普教育活动的开发思路之一。

上述科技馆中的实践条件和信息载体是其他教育机构所不具备的，因此利用科技馆展品开展教育活动与STEM教育的基本特征相吻合，而且具有天然的资源优势。[5]二者相得益彰，使科技馆教育本应具有的功能得以充分实现，成为提升科技馆教育效果的突破口。

(三) 运用PBL教学法进行科技馆STEM教育活动设计

光学馆教育活动的模式是由科技馆教育的目的决定的，而教学过程则是基于学生解决问题的方式和对新知识的掌握程度确定的。教育活动期望获得稳定的教学质量、对馆内科普资源的优化配置和利用，以及活动面对不同类型受众的更大适用性。笔者总结了几点运用PBL教学法设计STEM教育活动的原则，作为教育活动设计的基础。下面为了便于讨论将各项原则分开列出，但在实践中它们是融为一体的。

首先，活动提出的问题应与学生已有的相关知识联系起来，为学生提供回答问题的机会，使学生不至于产生挫败感；另外，要与学生已有的认知结构产生有效互动。著名发展心理学家让·皮亚杰提出的认知发展理论中提到：人的认识发展，不仅表现在知识的增长上，更表现在认知结构的完善和发展上。个体会同化和顺应新鲜刺激以便发展和丰富已有图式，认识永远是外物同化于内部图式、内部图式顺应于外物这两个对立统一过程的产物。[8]实践时，我们可以参考最近发展区理论并综合以上原则设计教育活动的情境。

其次，坚持思维可视化。可以利用尖端科技，如电脑动画演示、建模制作项目、动态描写和科学信息显示，给学生提供多种表达方式，让学生能够看到科学思维过程，促进学生发展自身的科学思维；辅导教师应该对学生的前概念进行全面的认识和理解，为学生搭建良好的“脚手架”，给学生提供清晰观察自己的学习机会，鼓励学习过程中的反思。

最后，要引导学生之间的社交互动。基于项目的学习是一种合作性的学习方式，小组内的互动帮助学生培养团队工作技能和有效的沟通技能，这些技能对于他们步入社会、踏上工作岗位都是必备的。小组讨论时，鼓励学生的批判性思维与合作精神，可以自由表达自己的观点，也可以批判对方的观点。鼓励学生有意识地进行反思，整合他人的观点，认真做出自己的贡献。学生学习设置个人目标，从他人那里得到反馈，并据此调整行为及评估自己的观点，这就是自主学习和终身学习。

三、 运用PBL教学法实施科技馆STEM教育项目

STEM项目学习是以小组的形式共同解决现实生活中的真实任务，解决途径不需要趋同，事实上有多种可能。教师对真实任务给予限制，使学生掌握目标、明确标准，在自主探究的过程中获得知识，完成任务，同时培养学生的批判性思维和团队协作能力。基于项目的学习的实施步骤分为：选定项目、制定计划、活动探究、作品制作、成果交流、活动评价六个基本步骤(见图1)。[9]这个过程的本质是迭代的，是闭环的，另外，在解决现实生活中的问题时，也不会在这些步骤中线性地工作，而是在明确最后设计方案之前，在不同步骤之间转换。

图1 基于项目的学习(PBL)实施步骤

笔者将基于项目的学习的6个实施步骤与8种科学与工程实践进行了对比分析(见图2)，从中可以看出相互之间的某些对应关系，虽不完全对应，但流程基本吻合，可见在STEM教育活动中引入PBL教学法是合理的。下面就按照PBL教学法的6个标准流程，以光学馆开展的科普教育活动为例，阐述如何运用PBL教学法开展STEM教育活动。

(一) 选定项目

强动机的引入对于项目顺利开展的重要性不言而喻，除了激活先前的知识和形成兴趣以外，更需要从概念方面让学生做好准备，思考活动涉及的科学“大概念”。教师需利用视觉元素融合各种各样的情态向学生提供一些有关主题或内容的背景信息。本案例中，让学生自主参观光学馆第六展厅“光彩世界”中的“精彩光生活”展区，了解光学技术在现代生活中的应用，之后为学生播放精心准备的关于能源紧缺和环境恶化的视频短片，通过现实生活中的背景故事让学生对将要完成的任务有一个初步的认知。给予学生的任务，应兼具挑战性和可行性；而对于学生来说，解决现实生活中的问题显然是一项极具吸引力和启发性的任务和挑战。最后，教师向学生们展示一份包含明确设计目标、制约因素和项目设计标准的摘要(见表2)。其中的制约因素包括时间、团队和资源等；设计标准是指最后成品应具备的特征，如外形美观、节能高效等，而不是整体教学项目的评价标准。

图2 PBL教学法标准流程与8种科学与工程实践的对应关系

表2 光电小家居的设计标准和制约因素

设计标准制约因素• 使用安全• 可调节• 可靠性(月故障率为零)• 经久耐用(保证正常使用1年)• 视觉上美观• 时间:必须在30天内完成模型制图• 项目团队:必须3个人一起工作来完成项目• 档案:会议记录、草图、计算和笔记必须有记载,并标明日期• 成本:控制在1000元及以下• 材料:环保

(二) 制定计划

制定计划包括时间安排和活动计划。时间安排指学生对完成项目所需的时间做一个总体规划，即详细的时间流程安排。活动计划是指对基于项目的学习中所涉及的活动预先进行计划，如请教哪些专家，人员的具体分工，通过哪些途径获取资料等。[9]

在整个STEM项目学习过程中，有效管理时间对于学生来说是比较困难的一件事，教师可以对进度提供频繁且清晰的反馈；对于长期项目，学生可能还没有体验到成就感就失去了动力，教师可协助其将长期任务拆分为小任务，在一次次的小成功中获取持续动力。

(三) 活动探究

这一阶段是整个STEM项目课程实施的主体，包括调查研究和形成概念。

1. 调查研究

调查研究为形成设计观点并对设计进行批判性分析提供了必要的信息，是决定产品成败的决定性因素。工程师最常用的工作方式就是在设计之前对主题进行调查，例如有没有已经做过的工作，避免重复劳动；对任务进行分析，明确步骤，以及对相关法律、法规的调查。如今，学生可以借助网络方便快捷地获得信息，从原来过度强调记忆信息的状态，转移到学会获得有效信息并根据自己的观察分析来创造新信息，这就使学生分析概念和应用概念的能力变得非常重要。

调查研究是教师为学生完成任务而搭建脚手架非常关键的一步。教师必须寻找每一个机会提供智力挑战并应用具体的教学策略，促进学生的高阶思维的发展。学生必须充分理解目标产品的相关理论和所需材料的特性，例如学生想利用太阳光制作太阳能台灯，首先要懂得什么是光电效应，继而确定所选材料应该是较容易产生光电效应的金属或半导体材料。这其中还要考虑经费的问题。如果教师发现大多数学生对知识内容的理解并不令人满意，那么应该停下来，给予协助。资源应该在学生能够接触到的环境内提供，因为并不是所有学生都有条件使用互联网或者有成人的帮助。

2. 形成概念

创新性是这个过程的核心。这时需要辅导教师为学生提供创造性练习或者趣味活动，帮助学生放松大脑，鼓励他们在常见的思维框架以外思考，这就是进行头脑风暴的过程。学生们不用关注新点子是否完美、是否具有可行性，只需要把想到的全部记录下来。经历这个过程后，学生最终得到的观点经常是所有想法的混合，有时候那些看起来不可能的观点却有可能在优化后成为最好的观点。事实证明，学生们的想象力很强。在这个过程中，教师可以适时地引导，但一定不能给学生列出具体的步骤让他们来跟随，最好提出开放式的问题，这是很重要的一点。

(四) 作品制作

作品的制作方案即项目的解决方案。要想识别出一个问题的最佳解决方案，要求学生对备选方案进行细心而客观的评价，要求学生考虑那些经常频繁地相互冲突的多项目标、评估标准和制约因素。不是提出单一的正确答案，而是在几个可能的方案中识别出最好的方案，这是颇具挑战性的一件事。例如，明确太阳能台灯等光电家居的最低级别工作效能要求，必须在至少一年内不出任何故障地正常运行，同时又要考虑经费对材料的制约。分析出最佳解决方案后，开始尝试着构建一个完整的模型或者原型。

学生会基于测试的结果优化他们的设计方案。这个过程需确保学生就自己的观察作具体详实的笔记，包括预测、测试的条件、测试过程和结果。例如，利用能量转换原理设计脚踏车给家用照明发电，学生应该测试他们所设计的作品在可行性方面的设想，比较自己的预测和测试结果，进行批判性思考，识别出改善设计的新信息。之后，回到起点来修改内容并开展头脑风暴，建立新的模型，重新测试、优化。在最终结果确定之前，这个优化过程是不断循环的，但是时间和经费制约着这一优化过程可能达到的效果。

这一过程需要鼓励学生重新审视前面的步骤。起初，学生可能会把它视为设计过程的回头路，甚至认为这是失败的设计，教师需非常清晰而有意识地强化一个概念，那就是设计过程是迭代的，并非是完全线性的过程。

(五) 成果交流

工程设计需要有效的沟通，尤其在团队合作过程中，需要依据个体间实力强弱的不同分配工作任务，需要有效的确认和交接过程。这些环节能够培养每位成员解释自己设计的技能，而且是用大家都能听懂的语言清楚地解释。鼓励学生使用插图、图形、图表或其他视觉辅助方式把困难的概念与团队沟通。每个人喜好不同，沟通形式可多种多样。如果设计的是物质产品，有必要将详细的尺寸和量度单位标注清楚，避免混淆。

优质的项目学习活动应提供收尾总结、述职或反思的机会。自己为整个项目的完成贡献了什么、学到了什么、有哪些问题需要反思、存在哪些后续问题，都可以在收尾环节进行总结。

发现式或者解决问题式的学习方式，是让学生做好准备完成那些未知工作的最好办法。进入21世纪后，技术和问题都在以前所未有的速度变化，学生必须具备发现问题、解决问题的能力。工程领域的项目本质上比较复杂，且跨学科较多，设计过程鼓励创造性，同时也提供了解决问题的结构框架。此类项目通过调整评估标准、限制条件和整体持续时间，可以适应不同人群不同阶段的不同要求，让学生在恰当的范围内学习，从自己的错误中学习。此外，项目强调团队协作，不论将来的职业规划如何，这一点对于所有学生都是非常重要的。

(六) 活动评价

STEM教育有关评价的崭新视角要求教师和学生改变自己对评价的原有观点，即评价重点由终结性评价转变为形成性评价，给学生提供定期的反馈来调节学生的学习过程，是一种批判性评价，关注的是拥有知识而不是测试结果。如果项目的目标是手工制品，那么最终作品便是学生所学知识的总结，是一幅关于所学内容丰富而完整的图景。[10]

评价环节中推荐以下策略：策略之一是同伴评价，能让教师洞察小组智慧中的个人贡献。策略之二是反思，能鼓励个人的责任感，有策略地使用反思，可以使学生对项目的改进做出回应。策略之三是让学生融入评价过程，能够实现两个层面的自我调控：①当学生共同参与评价时，会树立主人翁意识并清楚理解该评价什么、怎么评价，对评价规则的深入理解可以引导学生实施自我调控，使学习活动达到评价标准的目标；②通过自我评价和同伴评价，能收集到其他同伴学习方面的信息，从而了解到自己的强项和弱项，并根据自身情况做出调整。

评价过程中，教师不必预先决定评价方法的每个方面，随着学习环境的改变可选择与其匹配的评价方法。例如，相同的评价方法会因为针对小组或个人而有所不同，所以教师可以根据学习情况而调整评估方法。

四、 关于STEM教育的几点思考

STEM项目课堂的优势显而易见(见表3)，和所有其他教学方法一样，STEM项目课堂也有一些局限。但凡事都具有两面性，分析其局限性的同时笔者也受到了几点启发：

表3 传统课堂和STEM项目课堂的比较

(一) 时间方面的限制

普通课堂时间短较易把控，而STEM项目课堂时间长且难把控；对于一线教师，并非都认为有足够的时间来开发和实践跨学科的项目课程，安排共同的时间集体备课更是颇具挑战性的一件事。相比之下，科技馆、博物馆等社会机构具有更丰富的教育资源，馆校合作等教育模式应运而生。[11,12]

(二) 缺乏教科书和课堂秩序

在STEM项目课堂中，学生不是坐在指定位置的，而是不停地来回走动。另外，并不是所有的教师都能习惯不遵从教科书教学这种情况。笔者认为，基于项目的STEM教育兴起，并非是要完全取代传统课堂。一种先进学习方法的推广，除了提高教师水平和增加相应的研究投入，也需要一定时间。尤其在中国，需要结合我国教育现状寻求一种具有中国特色的STEM教育。[13]

(三) 学生的迷惑

未曾体验过跨学科项目课堂的学生会有消极的反应：“为什么在科学课上做数学题？”因此，教育者没有必要在项目实施初期就过于激进，项目整合的学科不一定越多越好。更不要为了跨学科而跨学科，牵强地将各学科整合在一起，这是对STEM教育极大的误解。

(四) 个体差异

同一课堂上的学生具有不同的成熟度和智力水平，会给紧张的课堂或独自教学的教师造成压力，这就需要开发一种有意义的方式针对不同的学生，以利于个体特长得到发挥和利用。既然多样性的课堂是不同能力和特征的集合，学生就有机会与不同语言、不同智力、不同情感和身体发展水平的同学共同学习，能获得这些技能和体验正是STEM项目课堂的优势所在。

五、 结语

运用PBL教学法开展STEM教育活动的本质特征是开发基于实践的教育项目，引导学生利用对不同概念的综合理解自主完成探究任务。活动的核心目的是要求学生融合运用属于相对独立领域的概念和技能，以便解决难题和挑战；而这些难题又会促使学生进一步理解“跨学科概念”与“学科核心概念”。笔者在本文中没有固化具体的案例，初衷是要融合更多不同的想法。无论读者的观点如何，总能找到适合自身的STEM教育方式。希望本文的拙见能够对读者理解、设计和实施STEM项目课程提供一定帮助。