跨学科整合导向的STEM项目学习设计与实践

张雪 张静 熊建文

[摘   要]全球科学技术和社会迅速发展所带来的转变与挑战，催生了对跨学科整合型课程的迫切需求。具有跨学科核心特征的STEM教育已成为国内外教育理论与实践发展的潮流。当前我国一线教师的STEM教学经验有限，迫切需要全面认识整合理念、尝试突破实践困难。本研究梳理了国内外跨学科整合的STEM教育研究现状，以项目学习为实施方式构建STEM项目学习模式，并在高中物理课程中顺应项目活动主线进行实践，旨在为跨学科整合理念的落实提供借鉴和参考。

[关键词]STEM;跨学科;整合;项目学习;物理

在第四次工业革命的时代背景下，信息技术的高度综合化和现实问题的复杂多样化，使得科技发展和产业变革呈现出交叉融合的态势，社会各领域关键问题的解决都需要构建跨学科的合作机制。社会现实的时代诉求同步影响着教育范式的变革，教育领域对学科交叉和知识融合提出了新需求，越来越多的国家投入跨学科整合的课程改革浪潮。如中国、美国、加拿大等国家，均已将跨学科学习纳入国家基础教育课程标准，从传统的分科立学走向跨学科整合教学成为教育发展的必然趋势。

STEM被视为科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）教育的集成，可以作为解蔽分科教学的突破口。STEM教育强调通过学科间的交叉渗透与融合培养复合创新型人才和全面发展的人，[1]因其高度的跨学科核心特征而备受推崇并引起教育界的重视。面对技术性、复合性、创新性人才的迫切需求，我国提倡在基础教育阶段组织STEM教学实践的呼声日益增高，但当前对整合理念的有限认识、改革突破的实践困难，仍是一线科学教师面临的重要挑战。

一、跨学科整合的STEM 教育研究

1.跨学科整合：引领STEM教育的核心理念

STEM教育产生的动因和背景十分复杂，学界就其本质展开了激烈的讨论，在理解上也不尽相同。从广义上讲，它既可以指STEM所涉及的各个学科的总和，也可以指一种超越学科界限的教与学的方式。前者通常指传统的理工科教育，不要求学科间的联系和整合;[2]后者鼓励将四门学科进行有意义的整合，系统地解决真实世界中的问题，[3]这一理解符合综合性科技人才培养的本质要求，与美国建立STEM教育的初衷相一致。当前，整合理念已经获得了大部分机构和学者的支持，[4]即整合的策略和愿景引领了这种教育形态的持续发展。

随着STEM教育的发展，整合性课程建设逐渐成为主流，在STEM教育推广过程中，首先要厘清课程整合的内涵和方法。综合瓦斯奎兹（Vasquez）[5]和泰勒（Tytler）[6]等依据学科关联度的研究，整合水平可划分为多学科、学科交叉和跨学科三个层次（见表1）。聚焦STEM教学来看，在多学科关系中，学习内容被分割为不同的学科模块，但是可以通过一个主题联系到一起。例如围绕水这个主题，可划分为水的物理性质、水的净化技术、水坝工程建设等模块，但学科融合度不高。

学科交叉侧重于知识和技能的深化，基于学科知识间的内在联系获取相关的知识与技能;[7]跨学科是通过解决现实问题将STEM各学科内容联系起来，重点是真实问题或项目任务的解决，不再把问题分割为单独的模块，不只将问题置于单独的学科中探讨。跨学科的教育思想兼顾学科性以及统整性，引导学生在确定实际问题所涉及学科的前提下，尝试打破不同学科知识体系的束缚，培养学生从容运用课程整合知识应对并解决问题的能力和品格。

2.项目学习：落实STEM整合理念的有效方式

为了促进跨学科整合理念和课程内容的深度融合，教学方式不应再局限于传统学科知识的接受式学习，而应立足解决真实问题，围绕一定的探究过程展开。基于项目的学习聚焦真实情景中的整体学习任务，强调学生的主体地位和多学科知识的学习与运用，是当前学生发展跨学科素养最为重要[8]、整合课程开展数量最多[9]的学习模式。项目任务通常是具有一定挑战性的产品设计与制作，需要学生调动跨学科思维，综合运用多学科学习成就进行自主学习。[10]学生选择最优的学习资源，参与团体互动以探寻项目解决方案并予以实施。项目学习综合了跨学科性、情境性、协作性，立足于前沿的社会生活问题，可解决单科课程教学之弊。项目学习与STEM教育理念的有效契合，对于促进STEM教学具有得天独厚的突出优势。

基于项目的STEM学习（以下简称“STEM项目学习”）适宜跨学科学习。在此，STEM既是目标也是手段，项目学习既是方式也是过程。从国际研究来看，STEM项目学习的整合过程多聚焦于工程和技术，科学及数学的学习常被忽略，对于科学和数学领域的投入也多侧重于零碎知识的应用而非科学探究过程。[11]此外，教师在开展教学时，通常以真实情景问题为驱动、采取非结构化教学设计，类似于有组织、有重点的经验学习。教师在设计整合性STEM项目学习时，一方面，要确保学科知识的均衡覆盖和难易适度，平衡理论性探究和设计实践制作;另一方面，还要将分学科的知识按项目逻辑进行跨学科重组，把握课程内容与学习过程的结构化设计。也就是说，在项目学习过程中，必须提前清晰规划STEM知识和方法，将学科内容系统地融入设计和制造阶段，激励学生创造性地解决问题。

二、整合型STEM项目学习模式的设计

为了准确地将跨学科整合理念形象化和实用化，本研究提出了一种整合型STEM项目学习模式（见图1），该模式以项目主题为核心，囊括跨学科内容要素和项目学习过程两个子元素，且二者相互关联、相互作用。

1.跨学科内容要素

跨学科内容要素由科学、技术、工程和数学组成。STEM项目学习以科学为出发点，理清项目主题中的科学原理，是学生展开探究设计的前提，也是贯穿整个学习过程的关键;技术是帮助学生完成实践任务的工具或设备，如电工技术、三维建模技术等，学生可以通过使用技术找到问题解決的办法，甚至创造新产品;工程被视为一个循环的、迭代的设计过程，与作品设计的反复试错与重新审视相联系，特别是在结构建模、材料选择、性能测试中，以寻找最佳方案为突出表现。数学是运算与推理工具，能将事物的本质、关系、规律可视化，数据分析、数学绘图等内容都是产品设计与制作的重要支撑。

2.项目学习过程

项目学习的顺利实施离不开教师前期的充分准备，包括分析学习者的知识储备和能力水平;发掘社会资源，选择与现实生活相接的项目主题;梳理其中蕴含的STEM跨学科知识;提供适宜的学习环境和丰富的学习资源与工具，如3D打印机、三维建模工具等。项目学习过程以工程设计任务为开端，通过探究活动逐一寻求解决问题的方案，着力促进学生新知识和新经验的生成。其以教师为主导、以学生为主体，全程由“项目活动启动—项目任务设计—项目实践探究—项目作品评估”四个阶段构成。

（1）项目活动启动

教师围绕项目主题创设问题情境，提出具有开放性的、体现学科整合的驱动性问题。而学生则要明确项目设计任务，查阅资料，理解任务背后蕴含的科学原理，并根据“组内异质、组同异质”的原则组建学习共同体。

（2）项目任务设计

教师需要提供相关的学习资料，承担答疑解惑的任务，确保学生设计工作的稳步推进。而学生个人聚焦问题之后，要尝试进行理论探究、思考方法，以头脑风暴的方式分享各自观点，同伴协商制定出最佳方案。任务规划要具体，包括每个人需要完成哪些工作、怎么做等。

（3）项目实践探究

教师在本阶段是监督指导的角色，要监控和管理学生行为，跟进学生工作，给予技术指导。学生根据前期知识储备进行实践探究，分析各类数据，选择合适的器材类型，采取有效的技术手段开始工程建造，循环测试与改进产品效果。

（4）项目作品评估

教师组织小组成员展示研究过程与项目作品，并及时开展综合评价，包括自评、互评、师评等。互评和师评要同时关注结果与过程评价，学生根据交流结果总结反思，完成自我评价。

三、整合型STEM项目学习的实践

物理学是一门以实验为基础的学科，也是一门精密的定量科学，其严密的理论体系广泛应用于生产技术的各个部门，对现代工程科技的影响更是举足轻重，因此，其具有承载STEM项目学习的天然优势。本研究选取社会热点问题“无线电能传输设备”作为项目背景，考虑到高二学生虽掌握了电磁感应等科学知识，但工程实践和技术体验有限，拟定课题为“制作无线点灯”，最终产品能体现电流的无线传输即可。协调智慧教室和实验室保障学习环境，最终在湖北荆州市高中物理课堂中开展了为期一个月的实践。

1.跨学科内容要素的整合

“制作无线点灯”项目涉及丰富的跨学科内容整合，具体内容如图2所示。

2.项目学习过程的设计

依据整合型STEM项目学习模式开展“制作无线点灯”项目，其学习过程共有四个阶段，具体活动内容和所涉及的跨学科要素如表2所示。

3.项目实践效果的分析

从展示结果来看，80%的团队都严格遵循项目要求完成了作品。小灯泡被隔空点亮的结果，体现了学生对互感原理的理解程度、工程设计能力以及能量数据计算的严格性。外观设计也百花齐放，如作品中荆州古城墙的地方特色、UFO的科幻色彩等（见图3），学生的审美意识和设计思维在实践中得以激发。对学生的访谈结果显示：90%以上的学生对STEM项目课程是满意的，当被问及是否愿意继续参加这类课程时，学生也表示愿意。自评结果显示，学生普遍“深刻感受到物理知识与生活息息相关、掌握了科学探究的基本过程”“从内部和外观结构设计中体验到了工程建筑的不易”“在处理各类数据时知道物理和数学的密不可分”“习得了3D建模这一技能”。学生在STEM项目学习过程中形成了整合知识和方法以应对各种挑战的意识，这也是跨学科整合理念得以落实的关键。

四、结语

整合型STEM项目学习具有较强的实践性和针对性，不仅有助于教师破解分科之弊、引领教育创新，还有利于学生跨学科建立更完善的知识体系、发展实践创新能力。整合型STEM项目学习模式以项目主题为基础，系统地将STEM跨学科内容和学习过程合并，倡导学生通过协作探究，整合多学科知识来解决复杂问题。“制作无线点灯”案例的开发在整合教育实践范式上进行了有益探索，可为一线教师设计跨学科整合课程提供理论和实践方面的参考。

参考文献

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[3]闫寒冰，王巍.跨学科整合视角下国内外STEM课程质量比较与优化[J].现代远程教育研究，2020，32（02）：39-47.

[4]李学书，金燕娜.美国STEM教育的愿景、举措和保障——整合的视角[J].基础教育，2019，16（03）：39-46.

[5]Vasquez J， Sneide C， Comer M. STEM lesson essentials， grades 3-8： Integrating science， technology， engineering， and mathematics[M].Portsmouth，NH： Heinemann. 2013：58-76

[6]Tytler R， Prain V， Hobbs L. Rethinking Disciplinary Links in Interdisciplinary STEM Learning： A Temporal Model[J]. Research in Science Education， 2021，51（09）：269-287.

[7]谢丽，李春密.整合性STEM教育理念下的课程改革初探[J].课程·教材·教法，2017，37（06）：63-68+62.

[8]董泽华，卓泽林.基于项目学习的STEM整合课程内涵与实施路径研究[J].中国电化教育，2019（08）：76-81+90.

[9]Mustafa， Norazla， et al. A Meta-Analysis on Effective Strategies for Integrated STEM Education[J]. Advanced Science Letters， 2016，22（12）：225-228.

[10]崔鴻，朱家华，张秀红.基于项目的STEAM学习探析：核心素养的视角[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017，35（04）：54-61

[11]王巍.国际项目式STEM教育的研究现状与启示[J].现代远距离教育，2019，184（04）：90-96

（责任编辑 郭向和   校对 姚力宁）