基于活动理论的STEM教学模式探索

摘 要：活动理论强调教学活动过程要以学习者的活动为中心，活动的最终目的是培养学生的主体性，而STEM教育作为一种全新教育范式，其教学实践过程多是通过活动的形式展开。为了能够有效地实施STEM教育，将活动理论与STEM教育进行整合，建构基于活动理论的STEM教学活动模型，对探索实施STEM教学活动和促进STEM知识的学习具有非常重要的意义。本文通过介绍活动理论的内涵与构成要素，尝试建构基于活动三角模型的STEM教学活动模型，并在活动理论的指导下采用基于问题的STEM教学模式实施机器人教学活动。通过教学实践发现，基于活动理论的问题解决型STEM教学活动对提升学生的问题解决能力与创新实践能力具有良好的促进作用。

关键词：活动理论；STEM教育；模型

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2018）02-0081-06

收稿日期：2017-10-16

作者简介：胡喜霞（1991— ），女，甘肃庆阳人，硕士，主要从事现代远程教育研究。

一、引言

作为对教育方式一种质性的描述[1]，STEM教育在培养学生解决现实问题能力方面富有创新性意义[2]。它强调从真实问题出发，旨在以动手体验的方式让学生在发现、探索与解决问题的过程中提高问题解决能力与批判性思维能力。由于社会对复合型人才质量要求不断提高，STEM教育中融入Art（艺术）元素，形成STEAM教育，STEAM教育不仅强调通过基于项目和基于问题的学习，而且非常重视创新素养的培养[3]。

目前我国学者对STEM教育的研究主要集中于美国STEM教育实践、STEM教育融合、STEM教育人才培养以及构建本土化的STEM教育整合模式等方面。而据詹青龙等人的文献分析显示，当下国外STEM教育研究已从理论研究逐渐转向实践研究，且实践层面已取得相关研究成果[4]。与国外相比，尽管我国部分地区（如上海等地）实施了一些STEM教学活动，但效果有待验证，而国外已有大量的教学实证研究。从目前的教学实践形式来看，STEM教育是在“做中学”理念指导下基于真实问题情境的探索式学习[5]。基于问题（Problem-based Learning）和基于项目（Project-based Learning，缩写为PBL）的教学方式在目前STEM教学实践研究比较多[6]，因此研究STEM教学活动设计对我国STEM教学实践探索具有深远意义。

活动理论强调主体、客体、共同体以及工具在知识与技能形成过程中的核心作用，可用于指导基于问题的STEM教学活动。该理念不仅可用于检验教师与学生的活动参与情况、工具使用情况、目标完成情况，而且也为分析教师与学生的活动行为提供了模型框架[7]。本研究基于活动理论的相关理念，以机器人教学活动为案例来探索和实施STEM教学活动，目的是为促进STEM领域知识的学习提供借鉴。

二、活动理论介绍

（一）活动理论的内涵

活动理论的产生与苏联心理学的研究密不可分，它萌芽于马克思主义哲学，孕育于维果斯基的社会文化和历史心理学理论，成熟于鲁利亚与列昂捷夫的心理学实验研究中，是社会文化活动与社会历史研究的成果。“活动”是活动理论中解释和研究人的心理活动的逻辑起点与中心范畴[8]。其核心“活动”是主体为了一定的目标而进行的实践[9]。活动理论研究的是人与形成事物的社会环境与物理环境之间的交互过程，以及在特定的文化背景下人类的实践发展过程和结果[10]。

（二）活动系统的构成要素

作为活动理论的核心，活动系统由主体、客体、共同体、工具、劳动分工和规则6个基本成分构成。其中，主体、客体和共同体是活动系统的主要成分，工具、规则、劳动分工是其次要成分。它们之间不是孤立的，而是通过相互之间的影响共同构成活动系统。活动理论的子系统由交流系统、分配系统、生产系统和消耗系统构成。活动结构是子系统内部及其之间包含目标导向用以形成客体的行动层级活动、行动和操作[11]。

三、基于活动理论的STEAM教学活動模型建构

基于活动理论的STEM教学活动，以工具为中介，以活动的层次性与发展性为主体，通过主客体间的交互共同构建STEM教学活动系统，本研究在活动理论的指导下尝试采用基于问题的STEM教学模式实施教学，目的是让学生在问题探索与解决过程中提升STEM综合技能并发展批判性思维能力与问题解决能力。基于问题的STEM教学模式分三个阶段。问题提出阶段，需教师依据STEM教学目标设计问题情境，并给出问题解决的活动支架和所需的心理与物质工具。问题解决阶段，教师须为学生提供所需的智力支持及监控规则，并以问题为纽带通过与学生有目的的分工协作进行问题解决。成果展示与评价阶段：一方面教师需要组织学生展示自己的作品；另一方面还需采用多种形式对学生进行评价，而评价的内容不仅仅局限于知识本身，还应关注学生综合知识的迁移运用能力与全面发展的综合技能[12]。

在基于活动理论的问题解决式STEM教学活动过程中，活动初期以活动的支架与工具为主，活动中期则是劳动分工与协作占据主导地位，活动末期评价则成为体现活动结果的客体。总之，活动系统的各要素在每个阶段所表现出的侧重点略有不同，但都共同作用于STEM教学活动的每个阶段。依据活动理论构建的STEM教学活动模型[13]，如图1所示。

（一）主体——学生

在STEM教学活动中，学生首先明确教师给出的问题，然后通过提供的中介工具进行问题分析与模仿，其次通过合作探究进行问题解决，最后进行成果展示并接受评价。在STEM教学实施过程中，随着相关活动的进行，学生个体集聚成具有共同知识基础与兴趣稳定的团体，通过相互协作与学习，最终实现知识技能与高阶思维的提升。

（二）客体——STEM学习目标

客体指用学习行为的结果或成果来描述学生内部与外部达到的学习目标。基于中介工具的支持，客体最终被塑造并转换为STEM学习结果，活动的目的及意图在该过程中得到了体现[14]。在STEM教学过程中，客体是随着活动的开展不断变化的。活动初期，客体的呈现形式是以学生掌握基本的概念操作、熟悉具体的工程技术要领为主；活动中期，学生通过与同伴协作进行实践操作，此时，客体的呈现形式除具有显性的技能外，还有隐形的知识共享；随着活动系统的不断演变和发展，在活动后期，客体最终被塑造并转化为完整的STEM学习结果。

（三）共同体——STEM学习群体

STEM学习中，与学习主体共同完成任务的是其他活动成员，例如学习协作小组、学习伙伴、班级等。学习群体是师生以及学生之间通过合作为完成任务而形成的教与学共同体。通过合作，共同体不仅影响着教学活动的学习效果，还可以形成互惠互利、相互信任、和谐融洽的学习氛围，这充分体现了学生自主的学习理念。在基于问题的STEM教学过程中，活动共同体的作用主要发生于支架教学与问题解决阶段，此阶段，师生或者生生通过合作共同解决问题。

（四）工具

工具在学生与环境间的交互过程中起到了中介的作用，具体来说，工具包括内部工具和外部工具，内部工具主要指心理工具，而外部工具主要指物理工具，二者共同调节着学生的学习活动。学生与环境的交互形式由工具来决定，工具通过这种形式影响着学习结果。随着活动的不断深入，师生间、生生间的交互也越来越复杂，工具也开始从单一的心理工具发展成满足特殊要求的、具有创新功能产品的物质工具。

（五）规则

规则指STEM学习成员共同遵守的活动标准、规范等。它不仅是活动过程中的一种制约与约定，而且是维持共同体参与活动发展的保障，通过规范成员行为，达到互相影响和约束的目的。STEM教学中，规则一般可划分为操作规则、赏罚规则与交互规则等。随着活动的不断深入，规则的规范性会不断加强。

（六）劳动分工——师生分工

劳动分工指师生之间或学生之间为完成活动任务而产生的分工。不同的活动阶段，师生或学生之间的角色扮演与任务分工有所不同。活动初期，教师作为引导者依据STEM教学目标提出问题情境，并设计教学提供丰富的教学范例，以帮助学生进行知识建构。学生依据教师设计的问题情境和范例对规则和技术要领进行学习。活动中期，教师可作为参与者或者评价者对学生的工程、技术操作行为进行规范与指导，同时评估与纠正学生的不规范行为。学生通过与同伴的交流与合作，以问题为纽带，对产品进行设计与改装以促进知识的整合与运用。活动后期，教师主要作为评价者对学生的STEM综合技能进行考查与评估。学生也可以作为评价者对个人的发展变化客观地进行自评。

四、机器人教学活动案例——仓储库存定向搬运

机器人融合了科学、技术、工程及数学等学科的相关内容，并因其自身的设计组装和操控对引导学生学习STEM知识、提高学生STEM综合技能具有重要的积极作用。本研究基于活动理论的相关理念，以机器人教学活动为案例，采用基于问题的STEM教学模式进行教学，以探索和研究活动理论视野下STEM教学模式的实施状况。为了能够有效地实施机器人教学活动，我们需将案例的活动时长设计为120分钟，因为传统的课堂时间对于实施机器人教学活动并不充足。同时实施本案例以30人的标准班则需至少配备2名教师，以保证活动的顺利实施。

3.活动内容与流程

为了使问题解决型教学模式在本案例中得到充分的应用，本教学案例中的活动采用基于问题解决的形式进行教学活动。在本案例实施的过程中，学生的主要任务有3个：数线原理的学习；解决定向搬运的问题；成果展示与评价。活动过程中学生3人一组，2组一队。活动初期，需要1名教师负责教学，学生以组为单位进行实际操作与练习。活动中期，由1名教师负责主管课堂的教学秩序，其他教师协助团队进行问题解决，每位教师负责2—3个团队的管理，学生以队为单位进行实践，组内的具体分工根据任务由队员自行协商分配。活动末期，教师组织作品展览和评价。

本案例的基本活动流程为：

（1）问题提出阶段（5分鐘）。教师在提供与本节课相关的图片及视频资料的基础上，将学生带入仓储库存定向搬运问题情境中，突出仓储库存定向搬运的重要性，激发学生探究仓储库存定向搬运的兴趣。之后播放以突出工程实际应用为主的视频资料，最后运用已经完成的实物小车进行实物演示，以此激发学生的学习动机。

（2）支架教学阶段（30分钟）。此阶段以数线功能原理教学为主，具体可以分为以下3个阶段：教师讲解；学生实操；问题答疑。在该阶段，为了调动学生参与学习的积极性，突出基于活动理论的STEM教学，教师可以通过游戏的活动方式进行教学。小车的运动轨迹主要受地面黑线数量的控制，感知黑线数量的元件为光学传感器，在控制过程中，学生需要掌握以下4个知识点：①学会并使用变量来记录数线。②学会使用while-if-else循环条件结构来控制小车的行进时间和距离。③学会判断循环终止的条件。④学会判断状态变量和正确计数。例如，为了说明第4个知识点，教师可以让一组中的某一成员模拟并记录黑线数目的变化，其他两名成员分别模拟小车的行进和模拟计数器并给出“变量加1！”的指令。之后，学生通过实践练习数线功能，教师需对出现过的问题进行统一答疑，使学生的疑惑得到解答。

（3）问题解决与协作探究阶段（50分钟）。这一阶段主要是完成仓储库存定向搬运任务。教师首先向学生发放“仓储库存定向搬运任务说明书”，在该说明书中教师对任务进行了详细的描述，并且说明了操作规则。之后，学生以队为单位依据“问题解决设计表”展开对问题的分析、理解和解决。“问题解决设计表”用于帮助学生将问题进行拆解和分工，有利于学生解决问题的逻辑思维的培养，避免了学生遇到问题不知从何处入手的问题。全队成员的交流与协作对问题的解决具有重要意义，而教师仅作为引导者帮助学生理解并解决问题。

（4）成果展示与评价（35分钟）。该阶段学生以队为单位在实体场地中集中演示小车仓储库存定向搬运全过程，学生需以队为单位对问题的解决、劳动任务分配、具体实施过程中遇到的问题等以PPT的形式进行现场报告。成果展示完成之后，教师需要对本次任务的完成进行教学评价。评价的目的在于观察学生是否通过本次任务活动掌握了相关的知识，且重点应该放在学生将机器人作为工具解决问题的过程，具体来说，主要包括团队问题解决过程的评价、新知识运用能力的评价、团队内成员工作能力的评价、团队合作精神的评价及相关知识的客观题测试等。

五、总结与启示

针对目前我国STEM教学实践，本文从STEM课堂本身的特点出发，探索和应用活动理论进行STEM活动设计，并用机器人教学活动进行具体说明，在实施过程中应注意以下几点：

（一）开展STEM教师专业培训，提高STEM教师教学能力

在基于活动理论的STEM教学活动中，由于活动的复杂性和易变性，教师除了需具备丰富的学科知识和优秀的教学设计能力，还需要在教学策略、教学效果评估方式及学生学习成就评价方法等方面进行创新。[15]这就需要教师通过培训和进修提高专业发展的个性化与专业程度。鉴于美国STEM教师培养的经验，我们可以从宏观和微观上进行把握。宏观方面，一方面我们需争取政府、学校及社会等多方面对STEM教师培养的支持，如加强与企业、领域专家、政府等多方面的合作关系，得到他们最大的支持。还可以依据STEM相关学科的专业性和学科特点，进一步细化教师资格证书制度的分类，明确不同学科间融通的办法，提出教师资格的退出机制，完善教师资格认证制度。[16]另一方面开展对STEM教师进行职前与职后的培训，提升他们的专业技能。微观方面，STEM教师自身需具备终身学习的理念，不断更新自己的知识体系，提升自身的知识融合能力与实践操作能力。总之，对STEM教师的培养需要国家、社会、学校及教师本人共同的努力。

（二）增加对弱势学生群体的关注，缩小学生间差距

由于学生之间的发展存在着个别化差异，一些学生在与其他学生的合作交流过程中不能很好地理解和内化某些非常重要的知识概念，这就造成了学生在团队中的自卑感，导致学生在学习上产生厌倦与懈怠心理，从而阻碍了学生学习技术行为，并影响整个团队的学习效果。这就需要教师在教学活动的不同阶段给予相应的学习支持服务，如教师可以更多地关注与引导这些学生，并利用技术优势提高他们的参与度等。

（三）优化对STEM教学活动模式的设计

STEM教学活动本身就具有一定的开放性与实践性，设计基于活动理论的STEM教学模式，一定程度上是对STEM教学活动本身的规范，但其效果在于设计者对于课堂本身的设计与把握。本文基于活动理论的STEM教学模式设计，设计者以机器人教学活动为案例，采用基于问题的教学方式进行教学，教学过程中进行阶段性划分，每个阶段教师的角色扮演与教学任务因活动而异，教学效果具有一定的差异性。因此，在构建基于活动理论的STEM教学模式时首先要对STEM教学活动模式进行优化，在优化的基础上融入理念的设计，这就需要我们不断地探索与创新。因此本研究所构建的STEM教学活动模型在一定的条件下具有适用性，但是任何事物都具有特殊性，因此该模型的教学效果仍有待在教学中进一步考证。

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（责任编辑 孙志莉）

Abstract： The activity theory emphasizes that the process of teaching activities is centered on learners activities.The ultimate goal of the activity is to develop the students subjectivity.As a new paradigm of education，STEM education is mostly carried out in the form of activities.In order to effectively implement STEM education，to integrate activity theory with STEM education，and to construct the STEM Teaching Activity Model which is based on the activity theory，it is of great significance to explore new ways of implementing STEM teaching and promote the learning of relevant subject knowledge.This paper first introduces the connotation and constituent elements of the activity theory.Second，it tries to construct the STEM teaching activity model which is based on the active triangular model.Besides，it adopts the problem-based STEM teaching model to carry out the case of robot teaching activities under the guidance of the activity theory.Through the implementation of the teaching，it is found that the problem-based STEM teaching activities based on the activity theory have a positive effect on improving students problem-solving ability and innovation and practice ability.

Key words： activity theory；STEM education；model