基于项目的“五步三维”STEAM教育模式实践研究

宗艳

【摘 要】STEAM教育倡导多学科交叉融合，是中小学校培养学生核心素养的重要途径，“如何开展STEAM教育”已经成为我国教育界的研究热点。本文通过对STEAM教育理念的分析、对国内外STEAM教育活动模式的探究，提出基于项目的“五步三维”STEAM教育模式，并通过对STEAM教育成功案例的实践研究，验证该模式在中小学教育实践中的科学性、有效性，以期使该模式为各学校开展STEAM教育活动提供参考。

【关键词】项目 “五步三维” STEAM教育 模式 实践

STEAM教育是包含科学（S）、技术（T）、工程（E）、艺术（A）、数学（M）等领域的跨学科教育，近年来在我国受到广泛关注，同时也面临着“如何开展”等诸多问题。2021年6月，国务院印发了《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》，指出要激发青少年的好奇心和想象力，增强科学兴趣、创新意识和创新能力，培育一大批具备科学家潜质的青少年群体，为加快建设科技强国夯实人才基础。因此，探索基础教育中的STEAM教育理念、STEAM教育模式，对学校开展STEAM教育、推动科技创新教育实践具有积极的现实意义。

一、STEAM教育理念

STEAM教育是一个内涵丰富、系统完整的教育体系。根据联合国教科文组织2019年报告《探索21世纪STEAM能力》，可以得出STEAM教育的设计理念：STEAM教育以真实问题为基础，以培养能力为根本，深度融合科学（S）、技术（T）、工程（E）、艺术（A）、数学（M）等学科知识，并将这些学科的知识与技能统筹运用。基于此，我们可以整理出中小学STEAM教育的基本理念：

（一）基于真实情境，解决真实社会中的具体问题

STEAM教育项目紧密融合学习、生活、社会实践，创造性地解决真实社会中的具体问题，能够激发学生的内在学习动机，使学生在不断探索中逐渐增强创新意识、形成创新思维，继而提升创新能力。

（二）运用项目学习方式，设计目标导向的教育活动

项目式学习强调学生以任务目标为导向进行自主学习。项目驱动的学习能够整合多学科知识，让学生在真实情景中积累学习经验、树立正确的价值观，在构建自我认知、培养创造思维过程中提升创新实践能力。

（三）讲求团队合作，提升学习者多维度技能

STEAM教育活动大多以团队形式开展，在共同学习目标环境中，成员之间的任务需要有效的沟通协作。团队合作的学习模式，可以培养学生的团队意识，以及自主探究、协作探究能力，还能促使学生为了配合多角色分工，自主学习多维度的技能。

二、“五步三维”STEAM教育模式构建

STEAM教育倡导对“知识+技能”的培养，与传统教学模式相比，STEAM教育更加注重“能力本位”，國内学者已多次验证跨学科STEAM教育对学生高阶思维的培养具有显著效果。当前被大家普遍认可的STEAM教育活动原则以STEAM素养提升为目标，以解决真实情境问题为基础，强调跨学科学习。目前较为成熟的STEAM教育模式主要有“5E教学模式”和“6E教学模式”，“5E教学模式”包括Engagement（参与）、Exploration（探究）、Explanation（解释）、Elaboration（迁移）及Evaluation（评价）环节，教学活动以学生为中心;“6E教学模式”包括Engage（引入）、Explore（探索）、Explain（解释）、Engineer（设计）、Enrich（深化）以及Evaluate（评价）。这些STEAM教育模式为我校的教育实践活动提供了重要参考。

基于国内外常用的STEAM教学模式，结合我国中小学的实际教学情况，本研究设计了适合我国中小学STEAM教育的“五步三维”STEAM教育模式（见图1），该模式包括项目确定、团队组建、功能实现、项目完善、评审优化五个活动步骤，以及活动步骤、活动内容、计算思维培养三个维度。模式对每个活动步骤的内容进行了具体展示，并且标识出每个活动步骤相应的计算思维核心能力培养。

三、“五步三维”STEAM教育模式实践研究

（一）实践案例

本研究选取深圳市罗湖区一所学校的“防烫伤智能安全餐具”项目作为案例，对“五步三维”STEAM教育模式展开实践研究。“防烫伤智能安全餐具”项目源于学生对现实生活中被烫伤情况的解决想法，经过项目团队的不断创新与改进，最终形成了完善的作品，并在多个科创类竞赛中获奖。

1.项目确定，制定前期规划

在项目的开发过程中，方向一旦出现问题，则意味着后期大量的人力、物力、时间的投入都无法取得预期的收益，因此，项目开发初期最重要的便是前期开发规划。在确定“防烫伤智能安全餐具”项目后，团队成员需要利用思维导图构建项目问题矩阵，制定项目规划。

2.团队组建，成员开发能力维度自查与技能补齐

通过对成员能力维度表的分析，根据成员的个人特长，安排相应的“工作任务”，让每个团队成员扮演一种角色，并提升相应的能力。如“项目经理”（提升项目管理能力）、“产品设计师”（提升二维、三维创作能力）、“硬件工程师”（提升开源电子开发能力）等。

3.功能实现，进行项目功能设计及硬件、软件功能实现

项目形成方案的过程中，可以结合奥斯本检核表法确定样机功能，对项目功能进行进一步优化，形成更详细的设计方案。然后根据团队自身的情况进行删减，确定最初的项目功能。

功能设计完成后，就要开始实现作品的硬件功能和软件功能。

（1）硬件功能实现。青少年科技创新作品一般不需要考虑“产品化量产”的需求，因此推荐使用开源硬件进行原型机开发。“防烫伤智能安全餐具”使用Arduino进行开发，其特点是硬件价格低廉，扩展性强;软件开发环境免费，支持大量图形化编程软件。初步选定了硬件平台之后，需要完成硬件功能拆解，并选择相应的模块（器件），再通过软件开发调试，逐一实现其功能。在功能拆解环节，前期拆解得越详细，项目的开发进度就会越快。

（2）软件功能实现。选定硬件产品后需要下载代码才能运作。Arduino平台常用的编程软件包括官方软件Arduino IDE，图形化软件的Mind+和Mixly等，入门都比较简单。在进行软件编程之前，必须结合前期的产品功能逻辑和硬件功能规划拆解，对软件运行的流程进行对应的梳理，确定软件编程逻辑，这样可以起到事半功倍的效果。

4.项目完善，完成作品的外观设计

计算机辅助设计是产品设计行业最常用的方式，相关的设计专业软件也非常多。结合软件的普及性、功能性与难易程度，“防烫伤智能安全餐具”项目使用了CREO、KeyShot 、Photoshop等几种功能强大、兼容性强、资源丰富的软件，对作品的外观进行设计（见图2）。

5.评审优化，进行项目评审及迭代优化

项目在开发的过程中，评审与优化始终存在。在青少年创新的项目评审中，以协作的形式来进行评审更为合适，不需要资深的专家，可以是同学、家长、教师等，只要愿意参与测试就可以。协作启发式评审以小组为单位，能够很好地整合出更多的问题，并加以改进。

通过协作启发评审小组会议讨论，把相同、相近的问题统一，可优化的问题保留下来，然后整理出整个项目存在的各种问题。用评审结果分析阵图（阵图象限的分离可以根据不同项目类型进行调整）把问题分为6～8个大类，分别跟项目评审中的问题记录对应，分析阵图图纸由中心向外按照问题严重等级依次为：小问题、次要问题、主要问题、灾难性问题，把问题标注出来，使评审结果一目了然。

通过协作启发式评审，可以得知当前作品存在哪些问题;通过阵图分析，可以厘清哪些模块最迫切需要优化。以此为依据，项目成员可以对作品进行高效的迭代优化。

（二）实施效果

“五步三维”STEAM教育模式在罗湖区多所中小学进行小组单元教学实践，各小组项目均顺利完成，并取得优异成绩，其中“防烫伤智能安全餐具”“自动飞行救生圈”项目获得了广東省青少年科技创新大赛一等奖及深圳市比赛一等奖。同时，“五步三维”STEAM教育模式从教学实践出发，系统分析STEAM课程实践的教育模式，将跨学科的知识点、能力点统筹归纳并可视化表达，参加该模式教学实践的学生通过学习已对学习环节安排、自主学习补齐技能掌握更熟练、运用更高效，并且，在完成一个项目的学习后，学生的跨学科知识及各种技能都得到显著提升。

从对学生知识技能、思维发展的研究中可以得出：

（1）学生能够掌握STEAM各方面的知识技能。从课堂学习观察、项目任务完成情况来看，团队成员都能够在项目学习中顺利完成知识技能的学习，并予以应用。

（2）学生的计算思维显著提升。在开展项目学习前后对学生计算思维的创造力、逻辑思维能力、问题解决能力、批判思维能力、合作能力等各个维度进行检测，结果显示计算思维各个方面均值都有明显提升。因为本次实践数据是面向较优秀学生进行采集的，所以在后续的实践研究中将通过增加各层次研究对象来验证数据的代表性。

（3）学生在项目课程后对STEAM职业兴趣明显增加。经过一个周期的STEAM课程学习，学生的STEAM职业兴趣显著增加。通过对参与学习的学生群体进行问卷调查，结果显示超过90%的学生希望将来从事STEAM相关方面的工作。

四、总结与展望

基于项目的“五步三维”STEAM教育模式，有助于明确教学目标、教学内容以及教学策略，把握STEAM教学的整体教育实践方向，促进学生核心素养的养成。本研究从STEAM教学实践出发，通过成功的教学案例，明确基于项目的“五步三维”STEAM教育模式，能够促进学生知识、技能的提升，助力品格和态度的养成，推动学校立德树人根本任务的实现。本模式研究目前还只是面向学校的社团小组群体，数据采集还不是十分完善，后续将扩大“五步三维”STEAM教育模式的实施范围，增加各层次研究对象，以获得更加科学的实验数据。

当前中小学的STEAM教育实践还存在一些问题和矛盾，通过本次研究提出如下建议：深化课程改革，加速STEAM教育模式从概念体系向教学实践的转化;加强各学科整合，提升STEAM教学的学科融合程度;加大STEAM教师专业培养力度，保障STEAM教育课程的设计与实施顺利进行;增加真实情境学习环境，升级STEAM教育教学的学习实效。