STEM视野下项目式学习跨学科融合课程开发与实践研究

吴 波

（南京师范大学附属中学江宁分校，江苏南京 211102）

近年来，随着各类信息技术，特别是大数据技术和人工智能技术的发展，对学生的能力素质有了更高的要求。映射到基础教育阶段，就是要求在中学教育阶段培养学生较好的创新思维能力以及较强的综合学科核心素养，树立起终身学习意识。而在对学生综合能力、高阶思维能力、沟通协作能力的培养上，原有的传统教学模式往往显得比较力不从心，因而有一些研究人员提出，在课程设计和教学中，要有针对性地对现有基础课程进行整合或者开设一些新的研究性课程，有效地对传统教学模式的缺点和劣势进行补充和改进，进而促进学生综合发展，养成自主学习的能力。STEM 教育从本质上属于跨科学、技术、工程、数学等四门学科的项目式学习教育方式，因而能够很好地培养和发展学生解决现实问题的能力，有助于培育创新型人才，这一特点与当前我国新课程改革发展的要求是一致的。

一、STEM 理论基础

STEM 教育理念最早由美国科学委员会于20 世纪八十年代提出，该教育理念取自科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科的英文首字母。顾名思义，STEM 课程就是指在设计课程的过程中，有机地对科学、技术、工程、数学这四门学科进行整合，形成一种有别于传统学科课程，以项目式学习为主要形式，具有融合性特征的课程。从课程内容方面来分析，基于STEM 视野下的课程设计内容上应当以项目的内容作为主要载体，在设计项目内容的过程中以对实际真实问题的解决为基本遵循和导向，设计过程中要充分考察融合多学科知识，以提升和培养学生在真实情境下解决问题的能力。从课程结构方面来分析，现有的STEM 课程大多重视科学和数学，轻视工程和技术。基于此，基于STEM 视野下的课程设计应当以工程设计作为设计核心，设计过程中要充分体现和遵循数学和科学等自然科学规律来引导和帮助学生正确认识自然界的规律，并采取正确的手段改造事物。

二、基于项目式学习的STEM 课程的开发原则

（一）价值引领与科学探究相结合

价值观往往对于整个课程设计的方向和效果起着非常重要的指导作用，而高中生核心价值观问题本质上就是知行合一问题，因而在基于STEM 视野下对项目式学习跨学科融合课程的开发过程中，需要坚持正确的核心价值观，这也会对整个开发设计过程和结果起到价值解释、价值产生和传递的作用，在课程开发和实践的过程中潜移默化地将学生由价值认同引导至价值共识，进而使其养成正向的理想信念及行为习惯。在坚持正确价值观的基础上，还需要充分考量学科的严谨性和探究性，引导学生在课程开发和实践的过程中养成以探索、发现、质疑、创新等视角看待课程要素之间的关系，并不断检验和完善课程的开发体系和结构。

（二）活动序列化与多学科统整相结合

在基于STEM 视野下的项目式学习活动的设计中，需要有序构建项目式学习的活动主题、目标、方式、评价等，进而确保整个课程教学活动能够保持系统化、规范化、科学化，提升学生在学习过程中的主动性和效率，避免出现“高耗低效”问题。与传统学科教学不一样的是，跨学科STEM 教育具备较强的生成性和综合性，本质上属于多学科知识融合发展的新型教育模式和形态，其核心的要义就是“融合”，因而基于这一视野下的课程开发必须要充分运用学科整合的思维对传统的课程进行改造和提升，从全局、系统、整体的角度对课程开发过程进行综合权衡和考量，不能只停留在学科、教材和案例上。

（三）实践操作与高阶思维发展相结合

新课改背景下要求在教学过程中将学生被动、单一的学习方式向自主性学习、合作学习、动手实践等多元学习方式转变，因而在对课程开发设计的过程中应当注重发展和提高学生的高级思维。项目式学习的形式和模式引导课程教学对象在课程实施的过程中，特别是在学习项目的创设、探究、制作、评价等环节中，逐步提升分析问题、创新思维、综合运用等方面的能力，进而拓宽其思维宽度和维度，提高其高阶思维能力。

（四）课程成果评价与过程性评价相结合

和传统教学模式相比，基于STEM 背景下的项目式学习跨学科融合课程在进行课程评价中更加注重综合过程与结果，因而在教学开发和实践的过程中，要特别注重和强调对项目研究和学习成果的检验，将对学生通过项目研究实现多学科知识构建能力的培育充分体现在对课程评价的过程中来。此外，还可以通过学习和项目成果的展示和交流提高学生之间的交流协同能力。在基于STEM 视野下对项目式学习跨学科融合课程的开发过程中，要特别注重将结果评价和过程评价进行有机结合，不应当只注重对成果的终结性评价，还应当对学生在整个课程实施过程中、项目开发过程中所展现出的方法、技能、知识、情感、价值观等因素进行综合考量和评价，使课程评价真正发挥其促进学生全方位发展的重要作用，进而激发学生参与项目式学习进行探究互动的积极性和主动性。

三、基于项目式学习的STEM 课程目标确立

梳理分析基于《普通高中信息技术课程标准（2020 年修订版）》（以下简称新课标）关于综合实践活动类课程的教学目标，包括以下几点。

（一）知识融通与实践应用

知识融通与实践应用主要是指学生在课程教学的过程中逐步培养能够通过个人在实际生活中与其他事物、自然环境的接触获取跨学科知识和实践经验的能力，实现多学科领域的有机融合，在此基础上形成关于人类社会、自然地理的理解与认知，形成能够用知识和经验解决现实问题的能力。

（二）系统设计与问题解决

系统设计与问题解决主要是指通过课程开发和实践，使得学生在的课程教学过程中面对STEM 项目式课程内容，能够通过综合使用科学、技术、工程、数学四类学科领域的综合知识，在授课教师的指导下，综合各类知识设计提出针对某一类问题的解决方案，形成分析解决实际问题的能力。

（三）创意物化与交流表达

创意物化与交流表达主要是指在实际的课程开发和实践过程中，学生要能够通过指导教师在教学项目实施过程中提供的工具和材料，基于创意工作方案进行实践，将纸面上的设计方案转变为实践，并在完成项目学习的过程中能够与小组成员围绕问题进行交流沟通，进而提高自身动手能力和合作交流能力。

（四）文化体验与价值认同

文化体验和价值认同主要是指在课程开发和实践的过程中，学生能够通过课程教学学习和实践项目，初步了解和掌握工程设计、科学技术等内容和要求，并在学习的过程中能够感受到学科内容所要传达的文化体验，获得从理论到实践的价值认同。

（五）科学态度与责任担当

科学态度与责任担当则主要是指通过课程开发和实践过程，学生能够逐步形成运用科学的手段和规范探究问题的能力和习惯，建立一定的社会担当意识，培养起尊重生命、保护环境、自立自强的意识以及自立严谨的生活态度。

四、课程内容组织

课程内容的组织以《普通高中信息技术课程标准（2020年修订版）》为依据，针对中学生群体的教学需求，以项目活动作为课程内容的主要载体，建立核心知识网，统一整合概念性知识和实践性技能，选取适合中学教育学习过程的项目活动内容。课程内容结构见附图1。

五、课程实施程序

基于前文研究基础，参照《普通高中通用技术课程标准》，以电子控制技术课程中《趣味传感器》课程项目为例，对项目式跨学科融合课程设计与实施过程进行说明。

（一）确定项目主题内容

首先，教师要充分了解和分析受众学生的关注点和兴趣爱好，而后再结合相应受众群体的国家课程标准筛选、选择、归纳相应的课程内容，内容上要尽量体现学生的兴趣和关注点，确定项目式学习的主题和内容。基于STEM 背景下，在确定和设计课程主题及学习内容的过程中，不但要依据课程教学目标和要求，同时还要注重与教学对象的生活环境和经验相联系，从而激励其主动探索的积极性。本课程教学目标见附表1。

表1 教学目标

（二）确定项目驱动性问题

STEM 视野下的课程是生成性的而非预设的，是开放性而非封闭的，是动态而非静态的。一个好的STEM 课程或课题不仅应当具备富有吸引力的内容，更应当体现以学习者为中心的教育理念以及学科之间的碰撞。因此，在课程实施的过程中，如何寻找一个好的驱动性问题成为决定课程内容方向和效果的关键问题。好的驱动型问题可以作为概念聚合器，引导学生能够以更快的效率和更好的效果探索学习内容。在设计驱动性问题的过程中要充分考虑学生实际的学习经验，不能超越学生的认知水平，同时要注重对实际需要解决的问题或者假定的项目问题进行一定程度的抽象和延伸。以电子控制系统的教学为例，在实际的课程教学实施过程中，授课教师可以首先播放门锁演变的视频，引入电子控制技术及电子控制系统的概念（电子控制系统如图2 所示），引导全班学生结合日常生活讨论生活中哪些商品属于电子控制系统，它们的被控量和被控对象分别是什么？教师可以从生活中的实例中抛出问题，进而引导学生自主探究分析电子控制系统的组成和工作过程。

图2 电子控制系统组成结构图

（三）制订项目学习计划

基于STEM 背景下面向高中生教育培养项目式学习跨学科融合课程的学习计划可从以下几个方面着手：首先，要结合课程设计目标和要求科学设计和统筹项目的内容和教学活动计划安排，对项目式学习的目标和任务进行明确，并按照逻辑顺序对内容进行统筹编排；其次，在此基础上，要科学、灵活地安排项目和教学活动的阶段性划分和阶段任务；再次，要进行进一步细化，在阶段划分的基础上对各阶段活动和时间顺序进行拟定和安排；最后，确定具项目学习和教学活动实施过程中涉及的成本和材料，拟定相应的计划，以确保教学顺利进行。以趣味传感器教学为例，其项目学习计划如附表2 所示。

表2 项目教学内容安排目标

（四）开展基于项目实践的深度融合和探究

STEM 教育本质上是对技术、科学、数学、工程等课程学习内容的融合，在对课程内容和教学活动进行设计的过程中，应当遵循学科的核心逻辑主线，以项目学习作为主要内容载体，引导学生在课程学习的过程中综合运用技术、科学、数学、工程设计等知识，并适当地鼓励学生进行综合知识的融合和深度探究，以提高学生的认知水平和学科知识的领会能力，构建综合认知结构体系，同时也能够在提升学生通过旧知识迁移学习新知识的能力。基于此，确定跨学科教学内容框架如附图3 所示。

（五）展示和交流项目化学习成果

在项目式学习跨学科融合课程实践的过程中，学习成果的展示与交流是课程开发与实践过程中的关键环节，其主要目标是帮助学生加深对核心概念的理解，同时也收获解决实际问题的成就感和喜悦感。要确保该环节的教学效果，通常至少应当包括成果介绍、成果展示、总结收尾三个环节。教师在组织开展交流展示的过程中，应当为学生展示和交流的成果提供内容和形式上的辅助和指导，帮助学生全方位展示其成果和收获，激发学生学习的热情和信心，同时通过展示与交流帮助学生对学习内容和知识获得新的领会和升华。

（六）完成课程教学评价与总结

对跨学科融合课程进行教学评价和总结的过程中必须要遵循教学实践、教学成果、教学目标以及教学评价在标准和出发点上的一致性，要兼顾过程性评价和总结性评价对学生参加课程教学的效果进行评估，评估标准应当与教学目标保持一致。此外，还要注意对课程的教学评估要保持贯穿始终。与其他学科课程的教学不同，基于STEM 视野下的项目式学习跨越融合课程的教学更加关注学生在实际项目和活动中的独立分析能力和团队协作能力，更加关注课程的过程性，在对课程评价的形成过程中，要始终根据课程过程评价结论对下一步的教学进行调整和设计。在课程设计和实施时，要首先拟定规范统一的评价量规，为学生探究实践活动评价提供可靠权威的评价和指导。评价问卷如附表3、4、5 所示。

表3 学生自评表

六、结语

在信息技术时代，国家的发展离不开创新人才的推动，事实已经证明，学科交叉是创新的源泉，而STEM 教育作为创新人才培养的重要手段，在未来一段时期内必将是我国基础教育课程改革的着力点之一。为了进一步推进我国基础教育STEM 课程发展，今后的研究可从以下几个维度开展：一是组织具有跨学科整合性的知识结构；二是构建STEM 课程评价指标体系；三是建立STEM 教师联合培养机制。

附图

图1 课程内容结构图

图3 项目跨学科知识框架

附表

表4 组内互评表

表5 教学效果评价表