STEM教育理念下高中生基于项目学习的模式探究

李红斌 裴永亮

一、背景

当下，科技创新型人才培养和创新型国家建设备受关注，越来越多的国家重视STEM教育并将其作为教育发展的新动向。面对新的科技突破和新问题的出现，以及新的教育变革，我们必须顺应时代变迁，顺应科技进步，在教育方面应用新的教育理念和模式，让学生在未来的机遇和挑战中从容应对。本文提出将项目式学习（PBL）纳入到高中课程教学中，应用STEM教育理念，培养学生具备系统的、全面的问题解决能力和问题处理方式，具备拔尖创新型人才的基本素养，抓住新的机遇，应对新的挑战，立足于人工智能时代。

二、项目式学习的意义

项目式学习是基于问题的教学法，是一种跨学科的，以学生为中心的教学模式。相较于传统教学，项目式学习具有更直接地与校外生活相联系、有明确的目标等优点。

美国教育学家克伯屈认为，学校不是为生活而设立的，学校本身就是生活，有目的的行动是生活价值的典型单元，因此，有目的的行动也应该成为学校教学过程中的典型单元。基于有目的、有计划、有行动的教育，是对生活最好的准备，同时也是目前生活的本身。“孕育STEM创新生态系统，打造人才战略高地”是STEM教育研究中心在《中国STEM教育调研报告》中提出的，将关注点由局部转变为整体，强调系统性，解决因零散、分裂造成的STEM学习中目标和价值的丧失问题。因此，对于学生来说，项目式学习具有深远的意义。

三、基于STEM的项目式学习教学策略

目前，项目式学习被广泛应用于中小学教学中，它在STEM教育理念下，注重多学科的融合，注重理论与实践的结合，注重团队协作。对教师而言，要提出好的项目，激发学生的学习兴趣，并挖掘学生的学习潜能。

1.學习环境的设计要注重

让学生接触到所学内容，即让学生能够把所学的知识融合到当前的学习环境中，并应用所学知识去拓展学习；可见性的学生思维，即利用视觉元素，来帮助学生学习；从他人知识体系中学习，即通过小组合作学习来借鉴别人的观点来整合学习；主张自主学习和终身学习，即通过项目式学习提高自身的学习能力。

2.STEM理念下PBL学习的重要性

把之前所学知识通过PBL学习进一步加深理解并巩固；在PBL学习模式中学会反馈、评价和反思；为了学生所学知识和可预见性知识开展PBL教学；促进学生元认知技能的发展，即让学生意识到自己的思维并对之进行反思的知识和技能。

项目式学习一般要经历“问题分析—调查设计—选择评估—作品制作—测试改进—现场演示—反思评价”七个环节，逐一展开，由浅入深。在整个教学过程中始终贯彻STEM教学理念，提高学生学习和实践的综合能力。

四、基于STEM的项目式学习教学实践

本文以“聪明的机器人”为例，研究并探索STEM教育理念下基于项目学习的教学流程。作品评分标准由以下五部分组成：目标与创意占比30%，材料描述规范严谨性占比15%，设计制作占比25%，现场展示占比20%，团队协作占比10%。

（一）项目背景

国务院于2017年7月印发了《新一代人工智能发展规划》，将人工智能上升为国家战略的高度。我校科技创新工作室主要以学习和应用计算机编程、单片机、传感器为主，在STEM教育理念下，应用项目式学习来开展教学，并在教学中应用所学知识开展项目设计，创作出一些智能产品模型。以下为在省级比赛中获得一等奖的项目研发过程，此作品主要由智能分类垃圾桶（原材料、单片机、传感器、C语言程序）和手机App（基于Appinventor2平台编写）两部分构成。

（二）项目描述

首先分组围绕“聪明的机器人”主题展开讨论，各抒己见，统一意见。再由各小组开展调研工作，调研数据主要围绕生活垃圾对环境造成的污染，对人类生活造成的影响，对自然生态系统造成的破坏，以及如何有效地去应对污染，如何从源头解决等问题展开。最后形成可行性报告并确定项目名称。

（三）项目主题及目标

该项目的名称为“智能垃圾分类机器人”，根据数据调研及垃圾分类问题，学生以小组形式通过团队协作，应用所学知识，在STEM教育理念下，选用生活中的常用工具和器材，综合各学科知识，思考、设计并制作出智能垃圾分类机器人，以便人们将生活垃圾轻松归类，减少对大自然的污染。

（四）项目设计思路

基于已有问题，项目通过语音识别功能来实现对垃圾的智能分类。开发小组采用C语言、Arduino UNO单片机、传感器、App Inventor2设计，开发集语音识别、自动分类、环保积分等功能于一体的智能分类垃圾桶。

（五）项目设计流程

根据项目所需，先用舵机来控制对应垃圾种类的区域调整，再用语音识别模块来调动舵机实现投入口的转换，从而做到垃圾自动分类。然后将红外传感器固定在垃圾投放口处进行检测，最后使用蓝牙模块连接手机APP和OLED显示屏查看垃圾种类。

1.设备清单

3.手机APP介绍

通过AppInventor2平台开发手机APP，采用蓝牙模块与手机相连接，目的是使用“环保积分”项来调动用户垃圾分类的积极性，加强对环境的保护意识。使用TinyWebDb网络服务器，来实现用户账号注册、登录、积分排行及反馈等功能。

手机App主要功能为，用户通过扫描二维码注册、登录账号，手机蓝牙与“智能垃圾分类机器人”蓝牙模块相连接来获取数据，将接收到的数据储存到该账号，实现积分排名及用户的反馈信息。

（六）项目测试及作品展示

成品“智能垃圾分类机器人”分为四个区，分别为金属、纸张、塑料和其它，靠语音识别来启动装置并回收相应的垃圾。当有声源说出对应的垃圾时，单片机就会控制舵机将相应的垃圾回收区域转动到投放口，完成垃圾投放，同时手机APP端将完成数据的记录与统计工作。

（七）反思评价

“智能垃圾分类机器人”项目以STEM教育理念为基础，充分利用所学知识和日常生活技能，通过小组间讨论交流、课外观察调研、组内总结等方法，经历确定主题、开发思路、项目设计、项目测试及不断完善等环节，既提升了学生自主学习的能力和团队协作的精神，又增强了学生的创新思维能力。项目不足之处如选材盲目，作品较粗糙，缺乏美学元素等。整体来看，效果不错，学生的积极性表现良好，项目执行过程有条不紊，充分体现了STEM教育理念，为学生的创新意识和实践能力打下了基础。

作者单位：李红斌 兰州市第五十一中学

裴永亮 渤海大学历史文化学院

基金项目：本文系甘肃省教育科学“十三五”规划课题2020年度一般课题“STEM教育理念下高中科技创新类课程的开发与实践研究”（GS〖2020〗GHB0220）的研究成果。