基于STEM理念的高中跨学科特色课程实践

【摘 要】STEM教育建立在学科融合的基础上，注重知识的整合与联系，重视学生综合运用知识的能力，成为全球教育改革的重要方向。本案例引导学生关注厨余垃圾处理的社会问题，并以此为驱动，借助数字化应用设计并实施“厨余垃圾华丽变身”项目式学习，有效提升了学生的科学素养，增强了学生对环境保护的责任感和变废为宝的理念，促进了学生跨学科思维的发展，取得一定社会影响。

【关键词】STEM教育；厨余垃圾；跨学科教学；项目式学习

【中图分类号】G434 【文献标志码】B

【论文编号】1671-7384（2024）09-060-03

STEM教育源于美国，是科学、技术、工程和数学四个领域融合教育的简称。STEM教育理念强调培养学生的探究能力、创新能力和实践能力，其在课程中的应用和实施，是未来教育发展的必然方向。作为一种教育教学的新方式，STEM教育以项目式学习为实施流程，将科学、技术、工程、艺术及数学等学科知识综合应用于学科教育，旨在推动技术驱动的教学创新[1]。

基于STEM理念的跨学科项目式学习

项目式学习（Project-Based Learning）由20世纪的“设计教学法”演变而来。北京师范大学杨明全教授将其定义为：项目式学习是一种建构性的教与学方式，教师将学生的学习任务项目化，指导学生基于真实情境而提出问题，并利用相关知识与信息资料开展研究、设计和实践操作，最终解决问题并展示和分析项目成果[2]。教育部颁发的《义务教育课程方案（2022年版）》中提出，各门课程原则上至少要用10%的课时设计跨学科主题学习，强调学科间知识与方法的“联结”。

本案例以学校厨余垃圾的处理问题为驱动，借助数字化应用在高中一年级的特色课中开展了“厨余垃圾华丽变身”项目式学习，探讨借助数字化应用设计基于STEM理念的高中阶段跨学科融合课程。

基于STEM理念的跨学科项目式教学实践

1.STEM跨学科特色课程的内容分析

本项目式学习基于垃圾对于环境影响的现状，聚焦厨余垃圾的资源化处理。教师在宣传和指导学生开展垃圾分类学习和实践的基础上，从厨余垃圾中寻找“宝藏”，对部分垃圾开发再造。比如，用果皮与菜叶进行堆肥或制作酵素；用废油制作肥皂或香皂。该项目将可用垃圾变废为宝，重新服务我们的生活，同时尝试通过自己的行为影响身边的人和事发生变化，创造可持续发展的生态环境等。

本课程内容基于高中化学和生物的核心知识，重点关注科学分类、合理转化、改善环境三个方面，以厨余垃圾为研究对象，基于物质的存在形态合理选择分类标准，基于物质的不同性质进行合理转化，最终实现变废为宝、改善环境的美好结果。

根据项目内容分析，教学内容包括实地调查、查阅文献资料、设计方案并实践、分享交流、广泛宣传五个方面，以如何让学校里3个食堂内的厨余垃圾华丽变身为宝的真实情境贯穿于整个过程。

2.STEM跨学科特色课程的学生分析

高中一年级学生已经完成国家义务教育阶段全部课程，具备了一定的逻辑思维、抽象思维和创新能力，但对各学科的兴趣尚未固定。他们需要在高中阶段学会独立思考和解决问题，培养自主学习的能力；学会与同学、老师交流沟通，共同完成学习任务，培养团队协作能力；关注人类面临的紧迫社会问题，培养社会责任感、参与意识和决策能力。但是因高中学业紧张，导致很多实验学习只是停留在视频阶段，有些学生被动选择而不求甚解。

3.STEM跨学科特色课程的项目目标

STEM教育的目标是培养学生的STEM素养，即学生通过在真实项目中的实践，从多个方面对一种科学现象进行探索与思考，提升科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，以达到培养学生跨学科多元思维的目标[3]。

本项目的学习以如何将学校食堂厨余垃圾变废为宝而华丽变身为真实情B2ADpOFQamvL6ViyxDSdYg==景，基于STEM设计理念及高中课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，围绕发展学生核心素养，制订如下学习目标。

（1）S（科学原理维度）：了解各类厨余垃圾属性及其分类方法；了解厨余垃圾制作的环保酵素、发酵堆肥、制作肥皂的原理；探究条件改变对于酵素、堆肥效果的影响。

（2）T（技术手段维度）：了解厨余垃圾的处理方法；了解各类实验材料的使用方法；选择适当的工具制作酵素、堆肥以及制作肥皂。

（3）E（工程思维维度）：了解厨余垃圾分类和处理的完整流程；利用思维导图等来梳理厨余垃圾的资源化处理方法；根据学校食堂的实际问题制定解决方案，并修改完善。

（4）M（数学方法维度）：了解数据统计的方法，根据实际需要收集数据并进行分析；掌握问卷调查和制作方法；根据需要计算所需材料，进行成本预算；培养利用理性思维和严密的逻辑思维来解决问题的能力。

（5）态度责任维度：增强环保意识和社会责任感，树立利用科学技术解决问题的意识，尤其增强废物利用、变废为宝的理念。

4.STEM跨学科特色课程的安排

本项目从实际情况出发，利用学校每周三下午第9节的特色课时间开展，共10课时，约3个月内完成，由多学科教师共同参与。课程先后安排了前测、调研学校内三个食堂每日的厨余垃圾处理情况、学习相关STEM词汇、设计废物利用的方案、分组体验、改进工具和方案、设计宣传方案以及给校长写信、后测等十多个学习任务，突显教学内容的系统性、实用性、创新性和跨学科性。

课时1：在线上与线下混合学习环境中，学生进行前测后观看“厨余垃圾去哪儿了”（华南师范大学黄嘉华提供省大学生微课比赛作品），初步了解厨余垃圾现有处理方法，依据模拟转化垃圾的选择情况进行分组，课后对身边的厨余垃圾数量和处理情况做调查。

课时2：在混合学习环境中，学生交流调查结果，学习相关STEM 词汇，如厌氧发酵、好氧发酵、皂化反应等等。

课时3：在混合学习环境中，学生通过模拟实验进行工具的设计和选择，课后进行制作或准备。

课时4：在混合学习环境中，学生择优展示工具后，分组设计实验对比表格，为实验操作课重新制定标准。

课时5～7：在实验室或生物园中，学生分小组进行堆肥、制作酵素、制作肥皂等实践活动，进行相关职业体验；设计宣传方案。

课时8：在混合学习环境中，学生分小组进行成果展示和答疑，体验成果的喜悦；交流各自的宣传方案；课后在家庭或社区进行垃圾分类及垃圾变废为宝的宣传。

课时9：在混合学习环境中，学生用思维导图的形式整理厨余垃圾华丽变身的流程，分享各自的宣传效果。

课时10：在混合学习环境中，学生给校长写信，就学校厨余垃圾现状提供宝贵意见；进行后测。

在学习开展过程中，教师结合实际问题让学生感受物质变化与化学反应在解决生产生活实际问题中的应用，融合STEM 教育理念，重点关注物质与能量、稳定与变化两组跨学科概念。奠定学生基本的世界观，为其客观理解自然及自然现象、进而揭示未知世界打下基础，同时理解自然界一切事物都在变化之中，但又具有相对稳定性，通过变化可以寻找事物内在的规律。整个项目活动以解决厨余垃圾变废为宝的问题为核心，基于工程设计和多学科融合展开，让学生通过任务打卡方式学习强化知识的同时，深刻体会“世上没有绝对的垃圾，只有放错位置的资源”。

5.STEM跨学科特色课程的实践活动

本项目是基于真实情景：学校内三个食堂每日近千斤的厨余垃圾如何科学处理，驱动学生思考本质问题并尝试解决实际问题。项目的本质问题是关于物质变化的学科性知识，由教师在设计课程中提出，属于抽象问题，也是学科知识中的关键问题。项目通过真实问题作为驱动，引发学生的思考和探索，在课程名称中就蕴含了驱动性问题“厨余垃圾如何变废为宝实现华丽变身”？围绕上述问题设计活动，让学生经历走访调研、科学实验等实践活动，培养学生化学、生物、数学等学科核心素养。

走访调研属于社会性实践，侧重培养学生沟通、交流、倾听、讨论、尊重他人、寻求帮助、团队和合作、口头和书面报告等能力。如第1课后的任务是调查学校和普通家庭每日产生厨余垃圾的数量以及处理方式。

教师提出调研指引：请你在课后选择校园餐厅负责人、社区垃圾处理站负责人、小区物业管理员、居民其中的一人或多人进行采访，了解厨余垃圾的数量以及收集方式，制作采访单后进行调查，要注意根据被采访者的身份变化采取不同的提问方式。

科学实验属于探究性实践，学生分小组进行了厨余果蔬堆肥、制作环保酵素、制作肥皂等实践活动，在这个过程中通过观察和记录，从而深刻理解物质的变化，探究反应条件的控制等；各小组还在教师指导下种植了菜苗，通过生长情况对比肥料效果，体验将厨余垃圾变废为宝的喜悦感；此外，宣传海报的设计过程也让学生充分思考了如何将科学进行艺术性表达。

6.STEM跨学科特色课程的数字化应用

本项目的学习方式多样化，除了实践操作在化学实验室进行，还运用数字化工具获取、管理与制作数字教育资源，如制作微课视频、动画演示垃圾处理原理以及利用NOBOOK虚拟实验室等，并依据项目目标设计了融合数字技术资源的教学活动，如前后测问卷、模拟实验、给校长写信等，均是在混合学习环境中完成，其过程可留痕且互动性强。

7.STEM跨学科特色课程的成果展示

（1）结果分析

通过前测和后测问卷，收集了学生在环境知识、态度和行为方面的变化数据。课程实施前后的对比分析显示，学生在环境知识掌握方面有了显著提高。在实践活动中，学生能运用所学的化学知识解决实际问题，如通过pH值的调节优化堆肥过程等。此外，学生们在设计和实施调查问卷的过程中，提高了数据分析和批判性思维能力。给校长写信的活动增强了学生的社会参与意识和沟通表达能力。

（2）取得的成效与社会影响

通过此次活动，我们取得一些成效：学生对厨余垃圾的处理有了更深入的了解，环保意识得到了提高，变废为宝的理念进一步被强化；我们成功地探索出了一种适合学校环境的厨余垃圾处理模式；学生的科学素养和创新思维能力得到了锻炼和提高。

此次活动在社会上也产生了一定的影响，引起了学校领导、部分参与同学的家庭对厨余垃圾处理的关注，并为其他学校开展环保活动提供了借鉴。此外，通过学生的实践活动，促进学校、社区的环保建设，增强了学生的社会责任感和团队协作能力。

基于STEM理念跨学科特色课程项目的亮点

通过课内外结合、线上线下结合的科学教育活动，引导学生探索厨余垃圾处理的创新方法，实现资源的有效利用。高中学生具备化学和生物的基本知识，对于厨余垃圾的处理方法可以作出合理解释，并结合实际情况提出新的处理方法设想，通过查阅文献优选方案，锻炼了批判性思维、创新思维和问题解决能力、动手能力等科学素养。同时，为其他学校开展类似活动提供可借鉴的经验。

“厨余垃圾华丽变身”特色课程的成功实施，证明了STEM教育在高中特色课程教学中的可行性和有效性。该课程不仅提高了学生的环境知识和科学素养，还促进了他们在环境态度和行为上的积极变化。就在近期，国务院新闻办公室发布《中国的海洋生态环境保护》白皮书并举行了新闻发布会，生态环境部领导在会上向记者展示了一条有着水清滩净、鱼鸥翔集、人海和谐图案的漂亮丝巾，迅速引起网友们的热议，这也让所有参与过本项目学习的学生兴奋不已，因为这条丝巾是由废弃塑料瓶制成的。当了解到丝巾的原产地是广州市南沙区坦头村后，有部分同学当即计划利用暑期研学去一探究竟。

注：本文系广州市教育科学规划2022年度课题“素养导向的STEM教育探索创新团队”（课题编号：202213992）的阶段性成果

参考文献

孙江山，吴永和，任友群. 3D打印教育创新：创客空间、创新实验室和STEAM[J]. 现代远程教育研究，2015（4）：96-103.

杨明全. 核心素养时代的项目式学习[J]. 课程·教材·教法，2021，41（2）：57-63.

傅骞，刘鹏飞. 从验证到创造：中小学STEM教育应用模式研究[J]. 中国电化教育，2016（4）： 71-78.