核心素养导向的STEM项目学习设计与实践

【摘 要】在义务教育阶段实施STEM教育，以自制实验仪器为载体，组建STEM教育师生学习共同体，不仅能将四门学科内容交叉融合形成有机整体，有效解决诸如教师STEM教育观薄弱、学校STEM资源匮乏、学生动手探究能力低下等诸多困境，还能发展学生的高阶思维，培育学生动手能力，润育自律、尊重、责任、合作等必备品格，进而发展学生的核心素养。

【关键词】STEM项目学习；自制实验仪器；核心素养

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）011-087-02

问题的提出

STEM教育强调将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科内容交叉融合形成有机整体，培养学生包含科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的STEM 素养，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。但在具体实施STEM教育的过程中，我们发现存在三大阻碍STEM项目学习推进的症结。

一是教师的STEM教育专业素养不足。STEM课程是生成性的而非预设的、是开放的而非封闭的、是动态的而非静态的。这就要求教师必须具备良好的STEM教育的课程观，充分理解STEM教育需要教什么、学什么和如何设计教学等内容。但很多教师是缺乏STEM课程观的。

二是STEM教育资源匮乏。STEM教育的具体实施需要相关的教学资源，如实验器材、工程设备、电子设备及一系列应用软件等。但在一般学校中，很难配齐这些资源，甚至连物理、化学等实验室设备都配备不全，严重阻碍了STEM教育的推进。

三是学生的动手探究能力严重不足。STEM教育的核心任务是培养学生获得在真实世界应用相关学科知识解决问题的能力。但是现实中教师缺乏STEM教育观，导致教师在实验前基本都设计好了虚假的实验情境，为学生“过度”准备好各种实验器材，使学生本该亲身经历的实验设计、器材选取、动手组装、实践验证、问题解决等环节都大大简化，由此，学生真正的探究能力培养也就无从谈起了。

解决问题的过程与方法

第一阶段：组建STEM课程教师团队，开启STEM课程之旅。2015 年3月，北京市润丰学校物理学科教师在多年研发自制教具的成功经验基础上，组织了部分物理、数学、科技、信息技术学科教师，开始系统学习聚焦跨学科整合的STEM课程的教育理念、基本特征、价值取向、基本模式及实施策略等内容。

第二阶段：组建师生学习共同体，STEM课程项目正式启动。2015年7月，教师团队利用暑假组织部分学生形成STEM项目师生学习共同体，确定项目学习的主题为“自制实验仪器”，并以自制“焦耳定律演示仪”为主题对项目活动进行了初步设计。

（1）项目活动启动。活动内容：对比自制实验仪器与标配实验仪器在观感、实验原理、培养探究能力方面的优缺点；根据标配仪器“焦耳定律演示仪”分析其不足之处；上网查找相关实验视频；深入学习物理原理并布置改良实验仪器任务。

（2）项目任务设计。活动内容：启发学生设计自制教具的制作过程；分小组初步设计自己的“焦耳定律演示仪”图纸及外壳模型；寻求体现原理的实物配件，计算材料成本，得出最佳方案。

（3）项目实践探究。活动内容：小组选择材料规格并完成配件购买；配件组装及外观制作；实验测试；不断调试、完善，若有必要则进行重组。

（4）项目作品评估。活动内容：各组展示作品；开展自评、互评、师评；反思总结。

第三阶段：巩固项目实践成果，形成STEM课程模式。STEM项目师生学习共同体扩充了教师数量和学生数量，组建了多个STEM项目师生学习共同体。共同体成员一方面梳理、收集现有实验仪器的种种不足；另一方面埋头于各种物理教育教学类期刊，汲取其精华，进而开启大规模的实验仪器改良与研发。经过三年的努力，大家不仅研发制作了一批高质量的实验仪器，还进一步总结出了STEM课程的基本模式和实施策略，为其他项目学习提供了可借鉴的模板。

第四阶段：深化项目实践成果，推广STEM课程模式应用。2018年至今，基于自制实验器材的STEM项目师生学习共同体研发的各种实验教具，在北京市各区的课堂教学中都得到了广泛而深入的应用。同时，在STEM项目学习中所形成的课程模式，扩展到利于学生发展核心素养的其他项目，如润丰学校的无人机项目、AI项目，都取得了丰硕成果。

STEM课程项目的主要成果

1.研发与自制了一批实验仪器

STEM项目师生学习共同体历经近十年的深入学习和艰苦探究，一共制作与改进了二十余种物理实验仪器（其中获国家专利5件），极大地满足了物理实验探究的需求，使可探究的物理实验范围、规模都得以扩大，从而大大降低了学生学习物理的认知负荷，有效助力了学生对物理知识的理解。

2.形成了研发和制作模式

STEM项目师生学习共同体并不简单满足于研发一些可供师生使用的实验仪器，而是进一步粹取、凝练在研发过程中的心路历程，如发现问题提出猜想、查找资料分析原理、绘制模型材料准备、制作模型数学验证、仪器成型反思总结，以便为其他有志于STEM教育的老师提供可资借鉴的课程研发经验。

3.建构了STEM项目设计模式

为实现“研发自制实验仪器，培养学生STEM素养”的目标，由教师引导学生一起进行实验仪器的研发与制作，经历了项目学习的全过程，并摸索出了较为稳定的STEM教学模式与基于STEM项目学习的“自制实验仪器”的基本环节。

4.开发了基于自制实验仪器的STEM校本课程

STEM项目学习共同体团队的教师们以学校科技社团为平台，还开发出了“自制实验仪器”的STEM校本课程“科海畅游”。该校本课程以研究团队研发的实验器材为基础，注重培养学生学会质疑、学会动手、学会探索、学会合作、学会交流。

STEM项目实践效果

基于自制实验仪器的STEM项目研究获得的不仅是实验仪器创新，在发展学生素养方面也取得了很多效果。主要体现在以下三个方面。

1.培养学生的动手能力

基于自制实验仪器的STEM项目师生学习共同体，营造了学生动手动脑的积极氛围，很好地调动了学生动手动脑的积极性。学生通过自主尝试、动手动脑、交流合作、设计选材、制作调试等环节，以及在教师指导下的反复修改、优化和试用，大大提高了动手能力，增强了学习自信心。

2.促进学生必备品格的发展

学生在STEM项目学习中，自身的品格获得了极大发展。一是自律，基于自制实验仪器的STEM项目是分组进行的，及时学习数学知识、物理原理等是每个学生要自己独立完成的任务。二是尊重，STEM项目式既是小组团队的项目，还是整个师生学习共同体的项目，用自己的努力提出自己的真知灼见，是尊重别人的学习成果和劳动成果的最好诠释。三是认真，亦即是责任。只有用科学的态度去制作实验仪器才能成功，每个参与者都要认真对待自己的任务，以期整个团队能尽快更好地完成项目任务。

3.STEM项目学习促进学生高阶思维发展

在学习和实践中，学生会调用多门学科知识，围绕项目主题来解决实际问题。学生会从多门学科视角分析主题、解释现象、完成任务、创造作品。他们始终处在分析、综合和评价的认知水平上，强调知识的整合、运用和再建构，而非单纯学习更多新的知识。从项目启动到作品完成，学生会经历很深刻的分析和项目评价，高阶思维得到深度发展。

在“双减”背景下，如何提高课堂效率、增加学生学习的获得感，变成了教育同行热议的话题。STEM 教育作为新时代一种新的跨学科教育范式，对学校培养具有创新能力和综合能力的人才起着重要作用。学校教师亟需厘清相关课程中融入STEM教育理念面临的问题，推动STEM教育理念融入学校课程的深度发展。

作者单位：北京市润丰学校

编 辑：徐靖程