基于STEAM教育理念的项目式学习的设计与实施

[摘" 要] 随着课程改革的推进，“综合与实践”领域进一步细化内容和要求，这是机遇也是挑战. 初中阶段的“综合与实践”多以项目式学习模式展开，研究者将有效实现项目式学习作为目标，探索基于STEAM教育理念的项目式教学操作流程，以“快速解冻肉的小妙招”项目为例，提供初中数学项目式教学设计参考.

[关键词] 初中数学;项目式学习;STEAM教育;跨学科

作者简介：张露文（2000—），硕士研究生，从事数学教育研究.

通信作者：夏小刚（1966—），教授，博士，主要从事数学教育研究工作.

2022年3月25日，中华人民共和国教育部下发《关于印发义务教育课程方案和课程标准（2022年版）的通知》，要求各地统筹谋划、系统推进义务教育课程方案和课程标准（2022年版）（下文简称新课标）落地实施[1]. 就内容而言，“综合与实践”是此次修订中变化最大的[2]. 一是明确学习方式，以跨学科主题学习为主，采用主题式学习和项目式学习方式，课程应用不少于10%的课时设计跨学科主题[3];二是划分与细化学习内容，分学段列举供教师参考的学习活动及具体内容. 新课标对“综合与实践”部分的要求，是新机遇也是新挑战. 虽然目前关于“综合与实践”的教学已有大量的理论研究和实践探索，但由于教学开展需要考虑多方面的因素，如主题/项目的选择、真实背景的创设、跨学科的体现、实际问题到学科问题的转变和多元评价的实施等，都需要有更为清晰的设计路径指引.

初中阶段的“综合与实践”领域以项目式学习为主，新课标中第四阶段的“体育运动与心率”“绘制公园平面地图”和“国内生产总值（GDP）调研”等项目学习基本在跨学科的真实情境下开展. STEAM教育将各个学科不同的实践过程和精神内涵相融合，是跨学科综合教育的有效形态. 基于STEAM教育理念进行项目式学习，有助于落实课标要求，达成跨学科目标，突现综合性与实践性.

义务教育阶段的劳动教育烹饪课程颇受学生喜爱，其中包含解冻肉的知识，涉及数学、物理和化学等学科. 本研究针对初三学生，运用STEAM教育理念，设计并实施“快速解冻肉的小妙招”项目，结合物理实验，探究数学项目实施方法，以期为一线教育工作者提供项目式学习设计路径的指引.

STEAM教育与项目式学习

1. STEAM教育与项目式学习

STEAM教育是融合科学（Scie-nce）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）的超学科教育，STEAM是科学、技术、工程、艺术和数学五个英文单词首字母的缩写[4]. STEAM教育以项目任务为驱动，引导学生运用不同学科的知识解决实际问题[5]. STEAM教育目前已被多个国家或地区认可并作为国家教育战略，如美国[6]、韩国[7]、英国[8]，以期培养顺应国家发展需要的复合型、实践型创新人才. STEAM教育在我国迅速发展，经过本土化改革和校本实践，多方面展示了学科知识的教育价值，提升了基础教育的实践创新能力.

项目式学习（Project-Based Learning，简称PBL），是由美国进步主义教育家克伯屈（William Heard Kilpatrick）基于杜威“做中学”的教育理论所创立的一种教学模式. 它是一种常用的教学模式，主要围绕项目进行跨学科的综合运用，涉及学生的设计能力、调查能力、分析能力、决策能力等，旨在让学生有机会在相对长的时间内开展相对自主的工作，并最终做出现实的产品或演示[9]. 项目式学习的研究历史悠久，自20世纪70年代全球教育改革浪潮以来，该教学法已被广泛采用. 20世纪90年代，项目式学习进入我国. 在21世纪，随着核心素养的提出和STEAM教育的兴起，项目式学习成为研究热点. 研究者发现项目式学习具有“以学生为中心”、基于真实情境、能与学科教学融合等特征，在以核心素养为导向的教学中具有重要优势[10]，并将项目式学习定义为：以问题为驱动，学生在真实、多样、具有一定挑战性的情境中，综合应用多学科知识，使用适切的策略、方法解决情境中的问题[11].

2. 基于STEAM教育理念的项目式教学

新课标强调，项目式学习的关键是发掘合适的项目，要关注问题是否是现实的，还要关注问题是否是跨学科的;要关注学生能否解决问题，还要关注学生能否提出问题;要关注解决问题过程中的数学计算，还要关注解决问题过程中的数学表达. 基于STEAM教育理念进行项目发掘，可实现以上六点关注. 首先，关注问题的现实性和跨学科性. 学生所经历的现实事件是最佳生成土壤，如学校进行操场扩建或绿化整修等. 在无适时的现实事件选择下，开展项目式学习可考虑利用STEAM教育框架中提供的细化方向进行项目选择. 确定项目后，教师需挖掘项目实施过程中蕴含的多学科要素（如图1所示[12]），紧扣要素间的联系以突现项目的跨学科性. 其次，关注问题解决与问题提出. 现实问题的解决依据不仅仅是数学学科知识，更需要在多学科基础上有效调用已有经验以及新知识和技能. 教师作为引导者提供学生解决现实问题的支架，要进行多学科知识问题设计，以驱动项目进行. 在达成问题解决的同时，学生也能在创设的真实情境中提出自己的思考与疑问，教师可进一步引导学生解决有利于项目实施的问题. 最后，关注解决问题过程中的数学计算与表达. 解决问题的工具主要由STEAM教育五要素提供. 其中，数学是科学的支柱，是技术的保障，数学表达使艺术精确，数学计算让工程得以验证. 正因如此，教师要在预设项目目标和项目活动时，牢牢抓住数学与其他要素之间的关系，并以数学核心素养为中心，思考如何引导学生选择恰当的数学计算方法，培养学生用数学语言合理表达、解释和分析数据的习惯.

所以，基于STEAM教育理念的项目式教学，即在项目式教学的基础上，综合应用科学、技术、工程、艺术和数学的知识和技能解决生活中的实际问题[13]. 在克伯屈提出的项目实施四步骤（目标、计划、实施、评价）上，结合STEAM教育的特征，得到图1所示的操作流程.

研究设计

1. 研究目的

针对初中所学的函数相关知识，结合物理、化学等知识，让学生在实验中体会数学思想方法解决实际问题的过程.

2. 研究对象

初三学生，已完成初中函数学习，掌握了研究函数的方法和路径，能从现实情境中抽象出变量间的关系，并用表格、解析式、图象进行表达.

3. 研究工具

实验报告单、GeoGebra动态数学软件、PowerPoint演示文稿软件.

4. 数据的收集与处理

实验报告单上的实验数据的填写要求以两种形式呈现：表格和图象. 表格对应3种单因素控制变量实验，实验要求重复3次，一个小组统筹安排9次实验，完成实验数据的收集后取平均值绘制图象，采用GeoGebra曲线的解析式拟合函数图象并得到拟合曲线的解析式.

“快速解冻肉的小妙招”项目的

设计与实施

1. 预设项目目标

项目目标与课时目标的设置类似，其关键在于学生通过独立思考、动手操作和合作学习达成知识理解. 项目式学习的知识并不局限于教科书或学科，是随着项目进行动态发展的. 同时，学生应在学习过程中获得关键技能，如整合搜集能力、合作交流能力、反思互评能力等. 综合学情分析，对本项目的目标设置如下：

（1）通过搜集整理、交流讨论和电脑查询等方式，了解生活中解冻肉的方法，并在教师的帮助下设计出探究实验，发展发现问题、提出问题的能力，会用数学眼光观察现实世界.

（2）基于跨学科知识，对“影响冰块融化的因素”实验的结果运用信息技术进行分析，作出函数图象，发展分析问题、解决问题的能力，会用数学思维思考现实世界.

（3）对项目产品进行清晰的汇报展示，并针对项目结果进行自我反思和小组互评，在思考和讨论中形成正确的情感、态度和价值观，会用数学语言表达现实世界.

2. 创设项目情境

分解项目并预设后，依据众多解冻实验，进行项目实验设置的STEAM要素分析（见表1），便于教师创设出既贴近现实又能体现多学科知识的项目情境. 同时，分析要素及其相互关系，旨在服务问题驱动设计.

根据前面的准备，创设项目情境如下：随着时代的快速发展及生活水平的不断提高，越来越多人追求快节奏、高质量的生活方式. 当人们下班回家准备用猪肉快速做一道美食饱餐一顿，却发现猪肉还在冷冻室时，在不影响肉的营养和口感的前提下，如何帮助他们在有限的时间内快速将猪肉解冻？你能通过实验验证你的想法吗？

教学说明" 教师提出上述情境后，应引导学生构建实验思路，并提供资料查询与讨论的平台. 具体需要注意以下问题：①提示“有限时间”的限制;②选择符合实际和预设的解冻方法并提取影响解冻的因素;③导向实验，对解冻方法进一步探究;④提出实验应考虑经济性（食物浪费）和可行性（密度相近），将实验对象替换为冰块;⑤师生共同确定实验报告单的内容.

情境分析" 解冻食材是日常生活中常见的事件，在转化情境时设定时间限制，促进学生思考项目解决方案，例如，有哪些加速解冻的方法？如何验证？这些方法有最优的使用方式吗？怎样对比？这些思考可指向：影响因素实验设置、运用函数寻找最优解、多因素实验改进等. 另外，教师发现冰块融化时间长，为确保实验的实用性，决定使用6 cm3的冰块进行实验.

3. 问题驱动设计

本环节主要设计探究实验要素及其背后原理，教师提出系列问题，引导学生发现背后隐藏的学科知识.

问题1" 影响冰块融化的主要因素有哪些？

教师引导：空气温度、盐、水等.

问题2" 冰块在空气中会融化的原理是什么？

教师引导：冰块融化的过程实际上是一个能量传递的过程. 冰的熔点（晶体熔化时的温度）为0 ℃，当环境温度高于0 ℃时，冰吸收空气中的热量，使冰分子获得足够能量以摆脱固体结构. 随着水分子热运动的增强，冰的晶体结构瓦解，最终转化为液态水.

问题3" 为什么撒盐能使冰块融化得更快？

教师引导：盐的主要成分是氯化钠，并且氯化钠十分容易溶于水，若在冰上撒盐，则冰表面就会有一层氯化钠溶液（盐水），而盐水的凝固点（晶体凝固时的温度）比水低，使得冰在较低的温度下也能融化. 因此，在相同的温度下，加盐能使冰融化得更快.

问题4" 为什么把冰块放水里融化得更快？

教师引导：把冰放在水里，水的温度比冰高，水的能量会传递给温度更低的冰，使得冰融化，这是一个热传递的过程. 另外，水的比热容（一定质量的某种物质，在温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比）大于空气，即水下降一度释放的能量大于空气，因此冰在水中融化得更快.

4. 开展项目活动

将项目活动分解为表2所示的环节，主要由实验与展示两部分组成.

学生了解实验相关事项后，自主分组并分配角色. 实验环节主要由学生独立完成，教师则提供必要的指导和技术援助. 图2展示了学生的实验操作，图3是学生绘制的拟合函数图.

实验报告单由教师根据学生的想法制定，要求小组合作完成. 实验报告单主要包含实验目的、实验仪器和器材、实验原理、实验步骤、实验数据以及实验结论. 学生完成实验后填写实验数据并用GeoGebra软件拟合图形曲线，然后根据图象得出实验结论.

展示交流环节由教师主持、学生主导. 学生根据实验报告单总结实验过程，展示实验数据、图象，分享解读和分析数据及图象的思路，提供小组讨论得出的实验结果，并给出实验改进建议及实际解冻的方法（如图4）. 教师在学生汇报后简评实验成果，总结并扩展知识点和基本经验. 教师在这一环节中扮演关键角色，引导问题深入，促进学生发展跨学科的高级思维能力.

5. 项目活动评价

评价方式分为三种：教师评价、小组评价和学生自评. 评价主要涵盖本项目的基本目标、操作步骤、实验方法、实验结果和整体流程等一般性评价，以及物理学科融合价值、情境创设和策略性结果的特殊性评价;是多主体参与的、以学生为中心的动态过程性评价，涵盖设计、过程和结果的全面评价. 针对上述要求，设计评价量表如图5所示.

总结与启示

项目式学习是初中教学中培养学生综合与实践能力的重要方式. 项目式学习有两大难点，一是发掘项目，二是发挥功效. 教师选定的项目应具备现实性、跨学科性、创造性、实践性和综合性，更重要的是教师应具备在实施项目式学习时挖掘和传达其教育价值的能力. 有效的项目式学习应：

1. 在“真情境”中做到“真融合”

真实情境是项目基石，教师应基于实际事件构思项目，确保学生在活动中能有感而发. 教师设定项目目标，强化学科基础，利用STEAM分析整合和拓展知识，促进多要素互动，实现学科融合. 解决实际问题需要跨学科的知识、技能和方法.学科之间相互影响，帮助学生在社会中成为终身学习者.

2. 在“真探究”中做到“真思考”

学生是项目式学习的核心参与者，教师则扮演辅助角色，提供必要的指导和支持.在学生的探索过程中，教师应及时总结学生的发现，并在此基础上提出可行的解决方案，成为推动学生深入探究和提升思考能力的关键. 项目情境的建立是教师和学生共同参与的过程. 教师构建现实情境，与学生一起转化这些情境，并引导学生用数学视角观察世界，提出问题，激发他们利用所学知识探索真实问题，促进学生积极参与项目构建，积累经验.

3. 在“真实践”中做到“真创造”

项目富有创新性和实践性，师生在解决问题的过程中，需运用跨学科的知识，并灵活调整策略，以达成项目目标. 学生通过发现、提出、分析和解决问题的过程，积累经验并形成解决问题的策略，这些策略可应用于社会实际.项目式学习不仅关注知识和技能，更重视培养学生的数学素养、实践和创新能力.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部. 教育部关于印发义务教育课程方案和课程标准（2022年版）的通知[EB/OL]. http：//www. moe. gov. cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

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