在STEM教学中与学生一起经历真实的项目

(东南大学自动化学院，江苏 南京 210096)

1 引言

众所周知，STEM是科学、技术、工程与数学四个学科的首字母组合，对STEM教育严格的定义虽然还有所争议，但是一般认为，STEM教育是一种多学科融合的教学模式，[1]有学者将STEM拓展为STEAM或其他更复杂的形式，以期STEM教育所涉及的学科不仅包括理工科领域，也应包含人文、社会、艺术等社会科学领域。[2]

STEM教育目前已经成为众多国家提升自身综合国力的重要战略，[3]并给予了提升学生科技创新素养、提高学生创造创新能力等众多期望。[4]在STEM教学的研究与实践中，笔者一直在探索STEM教育到底能带给学生怎样的收获。

2 项目教学与STEM的结合

目前，诸多文献提出其实施的STEM教育与PBL(Project Based Leaning，基于项目的教学)教学法是紧密结合的。[5-8]PBL面向现实世界、面向实用的教学理念，有着蓬勃的生命力，因此也能和STEM形成天然的整合。[9]

STEM教育在国内兴起，是教育模式在长期应试教育压抑下的一次释放，也是对传统教学模式的一种补充。大量的文献对STEM与PBL进行了诸多诠释，教师在进行STEM+PBL教学设计时往往会为遵循某种特性而过度设计，或者忽略一些重要细节，从而使教学过程失去了一些原本应有的教学意义，这些问题包括：

(1) 过于为了真实的情境而创造“真实”的情境。在原有活动的基础上“讲故事”，从而形成模拟的甚至是虚构的“真实问题”。

(2) 过于僵硬地执行项目过程，不能真正理解项目中的每一个环节的真实作用。

(3) 过于生硬地进行多学科融合，但是在融合中忽略了学科之间内在的关联，使得学科的融合变得生搬硬套。

(4) 教师给出了过于完美的解决方案，从而压缩了学生创意和思考的空间，使得学生的动手过程变成了按图索骥，也使整个课程变成了说明书式的课程。

(5) 课程设计重视学生自由探究的过程，但是过于放手探究，或过于重视课程作品的可展示性，对问题的探究浅尝即止，忽视了引导学生抓住问题的本质。

(6) 教师对项目的实施缺乏自信，由于教师本身工程经验的缺失，难以把控整个项目的进展，并难以解决学生在项目中遇到的各种问题。

3 真实的项目教学

无论是STEM，还是PBL，重要的不是具体的概念和范畴，而是在教学过程中，真正以学生为中心，为学生的探索、收获和进步去思考，并以开放的心态去面对项目，面对学生，面对学生的困惑。在这过程中，教师不一定是所有知识和技能的传授者，但一定是整个项目过程的指引者、激励者。因此需要教师和学生一起去经历真实的项目，共同去面对困难，相互鼓励并提出有效的解决方案。

3.1 真实的情境

在目前的学科教育中，学生面对的问题具有一定的抽象性，它们虽然面向科学概念和规律，但是脱离生活和应用，其潜在问题是学生不知道为什么要学，也不知道学了有什么用。面向真实的情境，是为了让学生在实践中的体验更加深入，是为了让学生在学习后能运用所学。也只有在真实的场景中，学生才会发现那些在习题与考试中不会考虑、却又是至关重要的细节。

目前，教师们往往习惯于在每一个STEM主题的开篇，引入一个现实且具有应用价值的情境。比如，在活动“搭房子”中，有教师创设的情境是因为发生了自然灾害，要重建家园。然而，真实的房屋与学生搭建的模型差异巨大，通过这样的情境会不会让孩子误解建个房子就是像搭建模型一样简单呢？如果把情境变成“构建仓鼠的家”，或者“小人国历险记”，会更加贴近学生所构建的房屋模型的属性。

在真实的情境中，学生必须考虑模拟环境中“不需要”考虑的问题。一座模拟的房子可能不需要考虑楼梯，而对于仓鼠的家，那么每一层的楼梯就不可以是摆摆样子，而是仓鼠真的能爬上去的。房子每一个空间，是不是仓鼠都能到得了？会不会有仓鼠通不过的通道？仓鼠排泄物的清理是否方便？仓鼠晚上喜欢睡在你为它搭建的“床”上吗？这一系列的问题都是基于对真实情境的思考。

虽然我们在STEM中提倡问题的“实用”性，但有趣的问题亦可以是很好的STEM主题。曾有教师为一些趣味性远远超过实用性的STEM主题的情境创设绞尽脑汁，比如“水火箭”和“水果电池”。但是，与其制造一个生搬硬套的应用场景，不如坦然地和学生一起体验其“趣味”。

STEM情境的选择，关键在于符合学生的学段，能与其平时所接触的事物产生共鸣，并在此基础上进行拓展和延伸。

3.2 理解工程的每一个环节

通常一个项目会经历许多步骤。不同的文献对项目所经历的步骤描述是不同的，但大致都会经历前期调研、工程设计、工程实施、测试分析等环节。[9-12]理解各个步骤在STEM活动中的作用，才能带着学生真正融入这些过程，而不是表面上形式化的参与。

在文献[9]和[10]中，STEM活动的各个步骤被设计呈环形，也就是对项目过程进行整体的大循环设计。但是，在真实的工程中，回溯可能发生在项目的任意一个步骤，并可向前追溯到任意一个步骤。工程人员通常期望问题在整个过程中越早暴露越好，因为问题越早暴露，那么修正该问题的代价也就越小，这也正是工程设计的重要价值所在。

设计是工程人员相互交流的最有力的语言。设计方案(图纸)能够让所有的成员都明白团队要做什么，自己应该怎么做，以及相互之间如何衔接。设计也是为了避免错误的发生，在动手之前，就预先能判断问题，并进行纠正。

3.3 多学科的、自然的融合

在实际的工程中，需要调用一切可用的理论知识和工程资源来解决问题。因此，面向真实问题时，STEM中的融合也不是简单地将多个学科拼凑到一起，而是根据项目和工程的实际需要自然形成的。

例如在以笔者为主要设计者的南京师范大学附属小学《博物馆之夜》的课程中，为了解决报警器的问题，光学、信息学科自然地融入课程中；为了搭建模拟场景，结构工程自然地融入了进来；为了在有限的镜子反射下建立更为有效的激光防护网，几何学知识也会融入其中。

3.4 给予学生创意与思考的空间

开放性的路径是STEM教育中学生思维培养的重要途径。只有开放的达成途径才能促使学生从多个角度去思考问题，去主动地寻找解决问题的方法，而不是由教师给出现成的路径。因此，教师在STEM课程设计中，须避免面面俱到，在必要的环节进行“留白”，给予学生思考和创意的空间。

真实的工程任务，其设计目标不可能是单一指标，当需要对多个工程目标进行协调时，就必然出现不同的选择。在工程设计中，多目标的开放性设计是工程方案设计的重要特点，工程设计没有所谓的正确答案，只有更多更好的优化方案。

开放性多元的设计方案，还需要多元的器材支持。STEM课程鼓励学生尽可能使用身边容易获取的材料作为他们探究的器材。学生在选择材料时，需要从材料的特点、材质、用途、价格等多方面进行考量，同时还需要考虑安全、环保等问题。

3.5 带着学生去寻找问题的本源

为了更好地让学生发现和解决问题，思考问题的本源至关重要。教师能不流于形式和表面，引导学生找到不同现象背后相同的本质，或者能够发现类似现象背后截然不同的原因。很多科学课程中都有类似的实验设置，比如探究暗盒背后秘密等，但这里所讲的发现问题的本源，通常是在工程实施的过程中，能够找到影响实施效果的各种关键因素。

在学生活动中，设置一些小小的不起眼的问题，往往背后却有着重要的思维锻炼意义。例如，我们总是说三角形最坚固的结构，那为什么在“鸡蛋保护计划”的STEM活动中，立方体结构小组保护鸡蛋的成功概率可能比三棱锥结构小组更高？

寻找问题的本源，是运用合理的科学和数学原理，抽丝剥茧，拨开云雾，去伪存真，看到影响事物进展的关键性因素。这里既有科学的探讨，更有对学生思维的锻炼，以及面对问题的态度。在任何时候，我们都期望学生能养成勤于思考的习惯，因为在未来他所要解决的任何问题都必须经历思考的过程。

4 建立STEM教师的自信

STEM教育对教师提出了新的要求，STEM多学科的整合，使得很多习惯于单科教学的教师无所适从，因而对STEM教学缺乏自信。新加入STEM教学领域的教师必须尽快进行角色转变，并建立起自身对STEM教学的自信。这些自信来源于以下几个方面：

(1) 教师要多接触科普书籍，拓展自身在科学领域的知识面，养成善于发现与思考问题的好习惯。

(2) 积极参与相关的STEM教育活动，亲自动手感受STEM。只有通过自身的实践，才会有更多的对工程技术的领悟和体会。

(3) 在课程教学中转变角色，用更包容、更开放的心态看待自身与学生的关系。教师不再是唯一的知识技能传授者。在STEM项目的实施过程中，教师更多的是项目研究的引领者、项目进度的监督者、项目团队在遇到困难时的鼓励者。教师也不是高高在上的项目管理者，而应该更多地参与到学生的项目中，与学生一起共同进步。

(4) 专业问题求助专业人士，让更多不同背景的教师、专业领域人士(大学教师、企业工程师等)参与到课程中来，对学生技术上产生的问题进行指导。

5 结语

STEM教育是学科教育的重要补充，同样，“没有学科知识和思维方法的支撑，仅仅通过STEM综合活动，不可能有良好的培养效果。”[4]我们期望STEM教育能够让每一个学生都能受益，除了提高STEM素养与创新能力之外，我们还期望学生养成思考的习惯，在面对问题时勇于探索坚持不懈。与学生一起经历真实的STEM项目，需要在STEM教学的过程中，透过形式化的外表，加深学生对项目本身的真实体验，激发学生的创意，引发学生对问题本质的思考，并在此过程中，教师能够对教学不断地进行反思与改进。