STEAM理念下PBL课程在中学科技创新教育中的实践——以“构建未来(月球)城市的智慧防疫系统”为例

赵嫣然 史承灼

(1.合肥上海世界外国语学校 2.合肥市望湖中学 安徽合肥 230051)

创新是科学技术发展的必由之路。中学时期是培养学生科技创新意识和能力的重要时期，学校肩负培养和造就高素质创新人才的重任。因此，探索高效培养学生科技创新能力的实施路径，成为学校科技创新教育的当务之急。

一、基于STEAM理念的PBL课程的学习特点

基于STEAM理念下的科技创新教育，即是在课程的设计之初就将科学、技术、工程、艺术和数学学科融为一体，打破学科边界，支持学生以跨学科的方式认识世界，以综合创新的形式改造世界，从而培养学生解决问题的创新能力的教育方式。秦德增等人研究发现，STEAM教育实施的核心是开展项目式学习，即通过项目式学习(PBL)课程的教与学，为深奥难懂的科学问题赋予真实情境，将其转化为多个可操作、可分解的探究项目，将需要学生掌握的知识、技能等融入真实情境的问题解决中，切实培养学生的创新精神和能力。

二、“构建未来(月球)城市的智慧防疫系统”项目实施

(一)课程设计背景

新型冠状病毒肺炎疫情及嫦娥五号登月两件重大社会事件引起了学生极大的关注与兴趣。为了引导学生树立正确价值观，以社会性事件促使学生关注社会、理解社会，唤醒学生的责任意识，设计课程主题为“构建未来(月球)城市的智慧防疫系统”。作为科技创新课程的载体，该课题兼具真实性、复杂性与趣味性，侧重于学生想象力的激活和释放，能引发学生强烈的探究欲望。

通过跨学科的探究，学生能够在多学科融合背景下锻炼解决真实复杂问题的能力，提升思考问题的主观能动性，培养科技创新的能力，符合PBL课程的选题标准。同时，该课题所需的多学科背景能够将科学、技术、工程、艺术、数学等学科领域有机融合，将城市运行作为一个整体进行系统化的考量与重构，体现了STEAM教育的综合性与融合性。

(二)课程目标及实施方式

1.课程目标

PBL课程“构建未来(月球)城市的智慧防疫系统”的目标如图1所示。

2.实施方式

该课程采用STEAM教育与PBL教育相结合的实施方式，包括课程导入、确定核心驱动性问题、制订时间计划书、收集资料、实地调研、合作实践、中期答辩、修改迭代、成果展示及自评互评等阶段。下文将针对该课程实施的几个重要阶段进行详述。

3.课程预期成果

根据PBL的成果展示及多维度评价原则，将课程预期成果确定为科技论文撰写、制作科学展板、现场答辩、科普剧演绎等多项内容。

(三)前期准备阶段

1.课程导入

PBL的主要特点是学生占课堂的主导地位，教师在合适的时候提供知识脚手架，辅助项目的正常推进。笔者针对课题并结合项目式学习的教学特点，将课程导入阶段确定为初识月球、病毒的防御与免疫机制两个部分。

初识月球采用无领导的小组讨论形式探讨经典问题——月球生存问题，病毒的防御与免疫机制采取常规学习方式。无领导的小组讨论作为项目的第一课时，形式新颖，便于激发学生对项目的兴趣，符合PBL课程学生主导课堂的原则。同时，教师能够以观察者的角色快速全面地了解学生的个性及专长，便于后续开展针对性地指导，该方式是PBL较为适合的教学形式。

2.确定驱动性问题

驱动性问题是PBL课程的核心，不同于项目主题的设计标准。虽然二者都具有开放性和挑战性的特点，但项目主题更为宏观复杂。驱动性问题应当起到抽丝剥茧的效果，凝练项目主题与学习目标，直指项目中的核心问题，或是学生最感兴趣的问题，或是与课程标准结合最紧密的问题，给予后续的学习探究以明确的目标导向。

本项目作为科技创新课程的载体，更注重学生的科研兴趣引导及创新素养培养，在前期设计时以学生最感兴趣的问题作为探究核心，驱动性问题也由学生讨论产生。学生对驱动性问题的界定如下：

无论是在未来的月球上，还是如今的地球，预防高传染性疾病基本都存在一个问题——假如生活中出现新的病原体，我们该如何判断它的毒性？如何在第一时间发现病毒并快速做出反应？如果这两个问题能够解决，那么便能够在疫情未造成大范围传播的情况下，将疫情扼杀在摇篮里，避免更多的损失。

因此我们最终确定驱动性问题为“如何利用科技手段快速阻断病毒传播？”

学生自主讨论产生驱动性问题的过程，是从“教师让学生探究什么”到“学生想要探究什么”的转变过程，也是学生自主探究及深度学习的充分体现。

(四)中期实施阶段

1.制订项目计划

制订项目计划是实施阶段的重点，也是PBL中项目管理方法的核心所在。现阶段，教师需要指导学生搭建系统雏形，确定关键任务及完成的时间节点，以及倒推分解各模块子任务与分工。

项目实施中，学生首先确定了关键任务及时间节点，商定模块任务负责人和其他辅助配合人员，如图2。这种分工方式能够实现团队成员之间的知识和能力互补，有助于培养学生的学习兴趣，团队协作、人际关系处理、问题解决等方面的能力和技能。

项目计划书的严格执行关乎项目的顺利推进及团队的有效沟通，但其内容并非一成不变，实施过程中要根据实际情况进行评估，适时修改方案。

2.制作项目成果

该阶段为目标顺利达成的关键阶段，涉及跨学科的知识较多，专业性及不确定性较高，因此要求指导教师发挥自己的专业经验，充分利用各种社会资源，以保障能够及时应对学生在项目实施过程中遇到的此前未能预见或当下无法解决的问题。

围绕驱动问题“如何利用科技手段快速阻断病毒传播”，学生提取了关键词“科技手段”和“快速阻断”，并据此产生了很多看似“天马行空”的想法，但因知识储备所限无法将设计落地。教师此时应积极引入社会资源，拓宽学生眼界，引导学生进一步深入思考、改进方案和落地实践。根据实际情况，笔者联系并带领学生前往安徽创新馆和卓越城中的科研单位参观调研。前沿科技的体验让学生在创新性及可行性方面获得了极大灵感。

制作项目成果的过程是学科知识向核心素养有效转化的主要过程。因此，教师在指导过程中应注重课程内容与课标及核心素养的结合。图文信息转化能力作为学生应具备的核心素养，也是本项目在该阶段着力培养的重点。

学生围绕主题“智慧防疫”设计了新型隔离房屋，并详细描述了自主设计的清风与水处理一体机的工作流程：

月球房屋系统将熔融的月球土壤电解获得氧气，一部分供人们呼吸，产生的部分二氧化碳会由“玻璃”罩中的植物吸收。此外，植物也通过光合作用释放出一部分氧气，从而使房屋中的氧气与二氧化碳比例维持在一定的区间。另一部分氧气通过高压电转换成臭氧，用于房屋及循环水的消毒。房屋中的生活用水由月球两极的冰块融化后经过离心、吸附、消毒等步骤后可以使用，生活废水也会经过以上步骤进行重新循环再利用。

此时，教师首先应对学生的创新性、逻辑性表示认可与赞扬，同时进一步引导学生利用生物知识将上文描述的复杂工作流程绘制成清晰的流程示意图。

学生通过绘图，提取信息中的有效内容和价值，并对其进行分析和整合，把复杂的文字条理化、提纲化、形象化，从而逐步达到准确运用知识、正确阐释事物、完整论述问题的能力。

(五)展示与评价阶段

对成果的公开展示是许多教育活动中容易忽视的一个环节。对学生成果进行公开展示可以在很大程度上提升学生的学习动力，增强学生学习科学的兴趣，从而达成培养学生科学态度的目标。本项目设置了多元公开展示方式，包括撰写科技论文、制作科学展板、现场答辩、出演科普剧等四个维度。多元能力培养和评价方式贯穿整个PBL实施过程，多元能力内容框架来源于21世纪核心素养5C模型。多元展示方式逆向驱动多元评价模式，正向驱动多元能力培养，真正实现高阶思维与深度学习的并轨践行。

(六)项目反思

STEAM并不是科学、技术、工程、艺术和数学的简单叠加，而是强调各科知识的自然融合。这种综合性探究不可避免地需要涉及学生对各学科基础知识的掌握与综合运用，对各学科基础知识的缺乏会阻碍学生进一步探究和创造。因此设计合适的驱动性问题，并提供螺旋上升式的问题链，适当地对具体问题进行分析指导，从而达到学科知识渗透，才能在过程中实现知识和技能的掌握与迁移，提升学生核心素养。

教师在PBL课程实施过程中需要适应角色及功能的转变。虽然学习目标的实现很大程度取决于教师的引导，但教师在指导过程中一定要遵循PBL课程的理念，改变过去传统授课方式，应在学生学习过程中，根据具体情境给予恰到好处的知识脚手架，支持他们解决问题，并根据学生需求提供辅导和资源。如在论文撰写过程中适时指导学生查阅文献资料、规范论文格式；在论文写作过程中，通过“图、表、文字”三种表示方式的对比，让学生自行确定科学可视化的形式。这种由需求与结果导向的学习过程，不仅能够帮助学生建构自己的知识体系，同时也培养学生的学习积极性与主动性，体现PBL课程的价值和意义。

三、结语

本文所阐述的基于STEAM理念的PBL课程在科技创新教育中的实施，通过真实情景解决问题，以产品化的成果培养学生理性思维和批判质疑、勇于探究的科学精神。从结果来看，课程取得了良好的效果：该项目获得2020～2021年度“未来之城”中国区总决选中学创意组全国冠军、最佳展板设计奖；科技论文成果《未来之城Cozy Net温馨防疫系统的设计》发表于《百科知识》。这得益于PBL课程以学生为主导，能够充分调动学生的学习自主性和积极性，教师尊重学生的创意创造，只在学生有需求时提供资源与知识脚手架，使得最初的想法能够落地实施为最终的产品成果。

PBL课程模式在科技创新教育中的尝试，打破了以往的“小制作”模式，而STEAM教育理念的引入改变了以往只依托于竞赛的单一评价模式，切实提高了学生工程思维能力、问题解决能力与创新实践能力。