基于STEM的课堂教学实例浅析

赵超鸿

STEM是由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathmatics）四门学科整合而成的，它以设计和探索为目的，并对技术问题进行科学的探索。STEM课程的培养目标中包含了科学素养、技术素养、工程素养、数学素养等方面，这和新课改倡导的核心素养不谋而合。

STEM是在建构主义理论基础上提出来的，它强调的是跨学科的课程融合，追求的是知识建构的过程。它认为学习是现实世界上万事万物在实践过程中与头脑中的知识体系的关联，STEM摒弃知识灌输逐渐形成了新的教学方式：让学生通过教师的导引，以项目学习为载体，与同伴分享自己的想法；通过探究、合作等方式完成他们感兴趣的、源于生活的项目，并从中构建各学科和跨学科的知识。由此可见，STEM教学具有跨学科、趣味性、情境性、合作性等特征，不仅能让学生将结构化的知识应用到非结构化的项目设计中，完成知识的构建，还能激发学生的灵感，培养他们的创客思维。

作为一种综合的教学模式，STEM教学不仅要求教师具备跨学科的知识融合能力，还要求学生具备跨学科合作学习的能力，在合作中互动，在探究中学习，所以STEM教学最能抹平知识理论与社会经验之间的鸿沟。在STEM教学中，教师以STEM的项目教学作为载体，运用适当工具和配套资源，促进学生跨学科的学习。学生通过作品的生成来展示自己的学习成果，分享给教师、同伴。

作为STEM教学的载体，项目的设计要符合STEM的教学理念，具体来说，项目不仅要具有一定的情境性、趣味性，符合学生的生活体验，具有跨学科知识融合的特征，更要使学生容易解构成S.T.E.M各门学科的子项目，以达到引领其开展意义学习的目的。在实际应用中，项目更类似于自然状态下的实际应用，具有知识体系的劣构性，所以教师在选定项目的同时，还要关注项目的可解构性，将劣构的知识体系结构化，这样有助于减轻学生的知识负担，帮助学生良性地建构知识。下面以“设计Arduino音乐播放器”为教学案例，分别从教师和学生两个角度论述STEM模型下的课堂设计。

● 教师的教学设计

图1是笔者在使用STEM进行教学设计的流程图。教师在实施STEM教学前，要做好学情分析、确定教学目标、编写导学案、制作预设作品等环节。

1.学情分析

在STEM教学中，学生是学习的主体，他们的学习状况会随着时间、教师、环境的不同而呈现出差异，这就要求教师在备课的时候必须了解学生的具体情况，分析他们在课上可能出现的状况，并找出相应对策，这是确定教学目标的重要依据。笔者所教的是高一年级的学生，他们是时代的弄潮儿，也是科技的发烧友，经常脑洞大开，呈现一些意想不到的创意。他们认为学习必须是有“意义”的，最好社会需要什么就学什么，甚至想，如果能通过众筹的方式集资开发一个项目，解决一个社会问题，那该多么有趣啊。

2.确定教学目标

与传统的知识体系教学不同，项目教学中的项目是劣构的，是源于现实世界的真实应用。项目中隐含的知识体系是非结构化的，这需要教师根据学情分析和教学进度确定教学目标，这个目标在教学过程中可能比较隐晦，但在教学设计中必须明确。此外，教学目标还应是学生阶梯式向前跨一步的目标，是能在课堂上通过自己的努力和同伴的帮助达成的目标。考虑到STEM的教学模型，STEM的教学目标可以分解为S.T.E.M四个子目标。

在本案例中，笔者充分考虑学生特征，以STEM为理论依据，在不同学科设计了不同的S.T.E.M子目标，最后统一在“设计一个Arduino音乐播放器，播放器能实现随机播放乐曲、随时中断播放、随时启动播放的功能”这个项目目标下。被分解的四个子目标具体为：①理解单片机的音符是如何产生的，会用频率表示不同的音符（S）。②理解中断技术的原理，能在Arduino IDE中编写中断程序（T）。③能根据科学组的研究写出程序，控制Arduino随时播放、停止音乐，还能随机播放歌曲（M）。④将科学组、技术组、数学组的研究成果整合，协调整个项目的完成（E）。

3.编写导学案

教师要以教学目标为线索，以分解出来的S.T.E.M子目标为引导，撰写出适合学生使用的导学案。导学案是实施STEM教学策略的抓手，也是STEM教学模式的落脚点，它能将一个教学目标分解成四个子目标，又能将四个子项目合成一个完整的项目。因此，STEM的导学案应根据实际需求分成四个，即科学组导学案、技术组导学案、工程组导学案和数学组导学案，分别对应S.T.E.M的导学案。每个导学案都由自主学习、合作交流、设计制作和展示反馈四个环节构成，每个环节环环相扣，形成一个有机整体，最终为教学目标服务。每个环节又由导和学两部分构成：导部分主要体现了教师在该环节对学生的要求，或者说是该环节的小目标；学部分是为了让学生更好地学习而由教师为学生设计的学习支架，学生根据学习支架开展意义学习。如果说S.T.E.M四个导学案是在空间上对项目人员的安排，那么每个导学案的四个环节就是在时间上对项目作业流水的安排，而导部分和学部分则是对教师主导课堂、学生主体学习的安排。

下页表是笔者设计的技术组导学案。该导学案包含了技术组学生的学习目标、学习重点、学习难点及学习步骤，其中学习步骤包括自主学习、合作交流、设计制作、展示反馈四个环节，每个环节通过“导”的要求告诉学生通过什么手段能完成，通过“学”的要求告诉学生该环节的学习内容是什么。在設计导学案时，还要多关注一些难点如何解决，如合作交流中使用伪代码描述一个例子，笔者一般会在设计中预先隐含一个例子，然后通过学习支架的形式给出一个参考答案，让学生模仿完成，这有利于降低学习的难度。

4.制作预设作品

为了使学生更好地理解项目要实现的目标，教师在备课时有必要制作一个成品，以便学生情境化地进入教师预设的状态，更具体地理解教学目标。

● 巧妙的分组策略

在STEM教学中，一个项目需要综合运用多个学科知识，所以我们根据STEM的学科特征，可以将学生分为科学组（S）、技术组（T）、工程组（E）、数学组（M）四个组，简称S.T.E.M组。这样分组的巧妙之处在于，在合作交流环节，学生能形成团队合作、同伴互助的氛围。但这样的同质分组不利于作品的设计，异质分组则可以解决这个问题。只要在同质分组的基础上，在每个大组中抽出一位学生，以四个人为一组，那这个组中的每个人就必然是S.T.E.M组中的一员，这种分组方式有利于开展项目设计，因为每个人都有明确的课堂任务，都是项目设计中的重要角色。

由此可见，学生在STEM课堂中既有互为同伴、互相交流的并行分组，又有互为因果、流水线式的串行分组，这种同一个角色在不同的场景中出现的分组方式充分体现了STEM教学理念的优越性。笔者也在实际应用中将这一分组策略付诸实践，下页图2是笔者采用的教室分布图。教室里摆放着四张大圆桌，对应着S.T.E.M的四个大组；每个小组有四把椅子，分别贴着S、T、E、M字样，对应着四位组员的座位，桌子上摆放着设计用的工具、器材等。学生会先以大组形式在讨论区进行合作、交流，然后以小组形式在设计区进行项目设计。

● 学生的学习设计

下页图3是学生的学习设计流程图。课堂上，教师先展示项目教学的成品，介绍本节课的学习目标，并根据分组情况将导学案分发给对应的学生。学生在明确S.T.E.M各小组的学习目标及任务后，进入自主学习环节，根据导学案的引导，借助教科书、学习资料、互联网等完成自主学习的内容，如果在学习过程中遇到不能解决的问题，可以记录下来，等到交流环节寻求同伴解决。

在合作交流阶段，四大组的学生带着各自的导学案和疑难问题，围坐在圆桌前讨论、交流，虽然四大组交流的主题、内容都不同，但都是为了项目学习。在本案例中，科学组重点讨论了音符产生的原理，技术组重点讨论了中断的原理和中断技术的应用，工程组重点讨论了各种传感器的极性和Arduino针脚使用方式，数学组重点讨论了如何使用结构体表示简谱。同伴间的互相学习，能最大限度地调动学生的主观能动性，高效率地内化知识，构建出符合作品设计的结构化知识，从而为设计制作环节打下坚实的理论基础。

同质分组的合作交流结束后，进入异质分组的设计制作环节。每个大组的一位成员与其他三个大组的三位成员（每组一位成员）组成一个小组，四个人通力合作，各负其责，互为联系，互相协助，完成项目教学中作品的设计、制作。在本案例中，S同学负责音符的音频设计、音长设计，T同学负责中断技术的设计，M同学负责程序中数据结构的设计和算法的设计，E同学负责Arduino硬件接口的设计和统筹整个工程项目资源的分配。这个阶段是整个STEM教学的高潮，它既能检验学生在自主学习和合作交流阶段的成果，又能检验学生是否能学以致用。学生不但能享受制作过程的乐趣，还能体验项目成功后的喜悦。

作品完成后，进入展示反馈环节。学生除了在同伴间展示自己的作品外，还会收集教师、同伴的意见，修改自己的作品，使其更完美。在本案例中，教师原本只预设了《两只老虎》《粉刷匠》《一闪一闪亮晶晶》三首儿歌来实现随机播放的功能，但有的学生从网上搜索了一些流行歌曲的简谱，来增加随机播放歌曲的数量，有位学生还听取了教师的意见，用扬声器代替蜂鸣器播放音乐，出众的音质得到了全班同学的一致赞扬。

参考文献：

[1]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（4）.

[2]闫寒冰.信息化教学的学习支架研究[J].中国电化教育，2003（11）.

[3]傅骞，王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术，2014（10）.

本文是全国教育信息技术“十三五”规劃重点课题“基于STEAM的高中跨学科课程整合教学研究——以中山市第一中学技术课程整合为例”（立项号：163622884）的研究成果之一。