小学阶段跨学科的STEM项目学习实践及启示

王小乐　姜玲　朱艳梅

摘 要 近年来，国内对STEM课程实践的热度逐渐升高。STEM项目学习是STEM课程与PBL的融合，具有项目制和跨学科性两个特点。本研究从课程设计、项目开展与实施对南京师范大学附属小学的三个典型STEM课程案例进行研究分析。研究发现，STEM课程设计可以从问题引入、学习支持、工程设计、测试优化四个方面着手；STEM课程需要建立一个有向心力的专业共同体；教学评价应该将过程性评价和真实性评价相结合。根据这些研究结果，从学校的视角提出了以下四个方面的建议：建立 STEM课程顶层架构；校内外联合，建立多学科的专业共同体；形成真实、可操作的评价体系；建设完备高效的后勤体系。

关键词 STEM项目学习 案例研究 实践

0 引言

STEM项目学习是一项长期的，跨学科的，基于真实问题情境和实践的学习活动。STEM项目学习活动为不同的学科整合提供了条件。“跨学科的学习可以帮助学生建立高阶思维技能，也可以帮助学生在不同学科领域形成有意义的联系，从而更好地理解周围的现实世界”。 ①②STEM项目学习是STEM和PBL的整合。

“STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Math）四个学科英语首字母的缩写”。 ③但并“不是将这四个领域简单的叠加，而是学科之间有意义的连接”。 ④PBL（Problem-Based Learning），基于项目的学习，一直被用于医学、工程、教育、经济领域，是围绕项目组织学生参与学习并获得知识的一种学习模式。“项目学习的任务是学生通过解决真实情景中的问题来促进能力的提高，完成的标志是产品的产出”。⑤在小学科学领域，将STEM教育思想和项目学习融合，并充分考虑小学教育与生活中真实问题的解决之间的联系，这是一种新的教育趋势，但在我国尚缺乏经验。

《降落伞》、《博物馆之夜》、《飞跃地平线》三次STEM项目学习实践分别代表南京师范大学附属小学（以下简称南师附小）初次试水、逐渐专业化、形成模式化的不同阶段。本研究将从案例设计、项目学习的开展与实施等方面介绍南师附小三次STEM课程实践，试图总结学校在实践初期和形成自己模式阶段的做法和优秀的STEM项目学习的经验及启示。

1 STEM项目学习案例设计

南京师范大学附属小学是江苏省首批STEM教育实验校，该校STEM项目团队，于2014年初尝试将STEM和PBL融合在一起，他们计划在未来五年内自上而下开设覆盖所有年级和班级的STEM课程。截至2018年，已经形成了包括全校STEM普及课程、STEM兴趣课程和全校STEM工程挑战赛在内的STEM课程体系。其中第一类，全校性STEM普及课程是针对全校学生开设的，以班级为单位，每年开设两次，每次开设时间共四个星期；第二类，STEM兴趣课程，主要是面向全校对STEM感兴趣的学生，以俱乐部的形式，以3D打印、开源硬件等器材为依托，课程每周开设1.5小时。第三类，STEM全校工程挑战赛面向全校学生，以项目小组的形式进行，无课时限制。项目往往持续很长时间。这些项目通常来自各个创新大赛。

1.1 STEM项目学习案例概况

1.1.1 STEM项目学习实践案例一——《降落伞》

2016年上半年，南师附小开发和实践了《降落伞》，主题来源于苏教版四年级科学下册《降落伞》一课。降落伞经常运用在航空、救灾等现实环境，项目开发者将飞行员保护计划故事设置为背景情境，要求学生协助飞行员制作一架救援降落伞。在工程任务引领下，学生观察降落伞的形状、结构，了解制作降落伞的各种技术，通过数学统计的方法分析寻找解决问题的最佳方案，最终使用工程设计的方式制作出符合要求的降落伞。《降落伞》分四次课程，主题是STEM项目团队尝试在依托小学科学课程的基础上，第一次将STEM思想和PBL结合起来。

1.1.2 STEM项目学习实践案例二——《博物馆之夜》

2016年下半年，南师附小开发和实践了《博物馆之夜》，主题灵感来源于电影《偷天陷阱》。生活中也存在真实的博物馆偷盗现象，STEM项目小组，以电影中博物馆的防御系统导入，学生围绕“制作一个模拟的博物馆安全防御系统”的工程任务展开学习和挑战活动。课程共设置了三个探究式活动，四个解决任务式活动。在《博物馆之夜》中，学生了解形成光路的相关科学知识，了解光的反射，学习框架搭建，报警装置，3D打印各种技术手段，通过工程设计的方法完成最佳防御系统的任务，为了到达最优方案，小组间将挑战攻破其他小组的防御系统的任务。相比较《降落伞》而言，《博物馆之夜》基于科学课本知识，尝试设置一个情景主题，有意识地整合技术、突出工程设计部分。

1.1.3 STEM项目学习实践案例三——《飞跃地平线》

2017年上半年，南师附小开发和实践了《飞越地平线》，主题灵感来源于电影和现实的融合。除了教师的日常教学实践，还有电影中《速度与激情7》中的场景，还有现实生活中存在的飙车场景。STEM項目小组以制作飞的最远的一辆小车为工程任务展开学习活动。学生在车辆改装工程任务的引领下，学习车辆动力、结构等方面基本知识，熟悉各种工具的使用，经历设计、制作、分享、迭代等一系列工程过程，最终设计出不同动力的小车，挑战飞跃高楼和水池的任务。相比较《降落伞》、《博物馆之夜》，《飞跃地平线》是STEM和PBL整合比较成熟的课程。在课程设计、教学实施、团队建设方面摸索出学校自己独特的模式。

三个主题都是STEM思想和基于项目的学习相融合，都是以工程设计为基石，以任务解决式项目为载体，学生将科学、技术、数学、工程等学科领域的知识综合用于真实情景的问题解决。南师附小系列STEM课程中都通过项目学习的方式，引导学生通过不同工程任务的主题下的探究获得需要的知识，在活动中建构知识，最终做出任务要求的产品。教师则通过学生在活动过程中的表现和学生完整的作品来考量学生对各个学科概念及技能的掌握情况。

南师附小的STEM项目学习可以总结出一个大致的操作流程：选择项目主题、课程设计、教学实施、学生活动、评价。即在真实问题情境或小学科学课本内容中提取选定主题后，依照活动框架进行课程设计。其中课程设计将围绕项目展开。在整个项目学习中，PBL不仅是一个大任务，还是多个任务的集合，学生只有掌握了所有的小任务才能达成工程任务的最优方案。学生活动以小组的形式进行，评价则融于整个课程流程中（见表1）。

1.2 STEM项目学习的课程设计

STEM项目学习课程设计可以总结为四大活动框架：问题引入、学习支持、工程设计、测试优化（见表2）。⑥

1.2.1 问题引入

问题和情境中的科学知识必须贴近生活，具有真实性。南师附小STEM项目以工程设计为基石，提出一个STEM问题情境之后，STEM项目团队会根据主题思考学生需要获得哪些知识和技术支持。项目组通常会选择贴近学生生活的问题，提出适合学生年龄特征的工程任务。然后引导学生进行任务分解。如果模拟情境与现实生活有差距，教师需要直接告诉学生。例如《博物馆之夜》主题中，在真实的博物馆防御系统中，防御网用的是单凭肉眼难以观测到的红外线，课程中教师用红色激光来模拟红外线并告知学生缘由，学生可以借助水壶喷出水雾、喷洒粉末等方式看到红色激光。

1.2.2 学习支持

学习支持具有实时性、自发性、灵活性。此阶段南师附小根据工程任务解决过程中需要运用到的知识和技能，同时开设多样的符合多水平学生的主题探究课程。学生可以根据自己的意愿选择不同的课程，进行学习探究，然后将探究发现运用于自己和小组的任务解决过程中。例如在《博物馆之夜》主题中，学生们发现建立博物馆安全防御系统需要报警装置，STEM团队设置两种不同的课程供学生进行选择性学习：一种是Arduino课程，教师引导学生了解Arduino的硬件特点和软件编程后，学生组装搭建并编写程序，通过光感是否能接收到激光来做出报警判断，自制一个报警器；另一种是乐高EV3的技术课程，教师引导学生了解和学习已经使用EV3编程的报警器的使用方法。

1.2.3工程设计

工程设计阶段具有自主性和开放性。学生明确终极挑战工程任务后，教师引导学生从不同的视角，设计多种方案来解决和完成工程任务。在这一过程中，教师引导学生不断的测试和优化设计方案。学生小组内独立设计，教师不干涉学生的想法例如在《飞跃地平线》中，终极工程任务是制造一辆能从三米高空飞下的小车，分项研究时，设置了数学、科学、美术、技术等多个领域不同内容，不同的课程内容。教师分别从不同的学科视角引导学生设计方案。但在STEM项目学习过程中，每一步都涉及工程设计原则，例如问题识别、概念形成、观点分析等。

1.2.4测试和优化

测试优化阶段是一个不断迭代的过程。课程设计者根据学生在活动中的反馈及时优化课程，教师也在学生经历工程设计的过程中，通过挑战任务帮助学生测试与优化寻找最优方案。例如，在《博物馆之夜》中，为了复现真实情景，项目开发者制造了一个模拟的框架——一个围起来有六道门的博物馆。每个小组负责一扇门的看守。每个小组首先需要完成一个由镜子和激光线以及警报器组成一个防御系统、然后通过自己探索破解方式优化设计，最后接受其他小组成员挑战，小组成员挑战后再改善设计（见表3）。

2 STEM项目学习的开展与实施

如何有效的将STEM项目学习开展与实施，是STEM成功落地小学课堂必须考虑的问题。学校在实施过程特别关注两个方面问题：第一，如何在长期项目学习中激发和保持学生的学习兴趣；第二，如何促进项目学习过程中小组合作学习。为了解决以上两个问题，STEM项目组采取了几个措施：第一，将探究式教学方法贯穿于STEM项目学习的整个过程；第二，开创性地引入动态小组的学习组织形式；第三，建立真实、灵活的评价体系；第四，建立高效畅通的信息沟通方式；第五，建立高效专业的STEM专业项目团队。

2.1 探究式教学方法贯穿整个过程

南師附小在实践STEM项目学习时，多种探究式教学方法贯穿始终。“探究式学习的过程本身就是运用综合能力解决问题的过程，有利于创新能力的培养” 。⑦探究式学习、基于项目的学习是侧重不同方面的探究式教学方法。而STEM项目学习是一种特殊的探究形式。STEM项目学习中的探究学习，“学生研究的项目是基于现实世界的任务，教师指导学生自己回到自己的小组寻找问题答案”。⑧在学校开展STEM项目学习活动时，以学生为主体，学生带着要解决的工程任务，和小组一起选择感兴趣的学习支持的活动，通过探究式学习的方式来研究。例如在探究《降落伞》这一主题的STEM项目中，共设置五个探究活动。在教学过程中表现为，第一节课工程任务是让儿童制作一架降落伞。教师第二节课的课程设置之前预设好降落伞的的影响因素。例如降落伞的快慢与伞面大小之间的关系。然后结合第一课的儿童课堂情况，在基于工程任务下进行探究式学习，教师在任务下引导学生，这在长期保持学生学习兴趣上有很大帮助。

2.2 开展动态化小组合作学习

南师附小在STEM项目学习中基于动态化小组合作形式，对学生进行教学引导，帮助不同小组进行团队建设。在全校性普及课程中，学校通常采用四个星期中的四个下午开展四次大的课程活动，第一次课由同一班级的学生组成若干原始小组，STEM项目团队在学校开设不同主题课程，每个原始小组的组员根据自己的学习兴趣，自行选择相关主题内容进行学习。在每个主题的班级，形成新的小组。然后成员带着在不同班级学习到的知识和技能回归到原始小组。通过开展动态性小组合作，学生学习科学知识和概念更有导向性，带着问题去学习。

小组合作时STEM项目学习重要的学习组织形式。教师在STEM课程中通过帮助学生明确分工和责任，建立团队文化等方法保持学生在长期项目学习中的学习兴趣和积极性。例如，学生在原始团队时，教师会引导学生设置自己团队的口号，设置高效合作的原则建立团队文化。

2.3 建立真实、灵活的评价体系

南师附小STEM项目团队，在STEM项目学习过程中对学生学情进行诊断，对学生学习过程进行评价，引导学生进行自评和他评，引导学生探讨课程活动中的部分评价标准。教师对学生的制作过程、测试过程、汇报演讲，反思改进等环节采用即时评价方式。通过学生小组的工程报告和汇报进行总结性评价。其中为了更好地进行评价，依托东南大学自动化学院李骏扬博士的技术支持，遵循真实性和过程性评价原则，建立了一个评价平台。教师对学生的制作过程、测试过程、汇报演讲等环节以小组为单位实时打分。小组成员可以通过手机和平板安装APP的方式将作品拍照或者给其他组实时评分。其中每一项都是用1～10的分值来表示，不同水平的孩子有不同的分数，分成了水平一、水平二、水平三。水平一属于基本完成任务的，水平二属于很好的完成任务的，水平三属于非常好的完成任务的。学生可以在打分平台上实时看到自己小组和其他小组的作品图片以及点赞人数。学生可以通过工具实时记录和观看其他小组数据，激励学生也让学生实时了解自己的不足。

2.4 建立高效、畅通的信息沟通方式

STEM项目团队通过解决家校合作的问题，教师合作的问题，学生合作的问题，实现了高效畅通的信息沟通。针对家校合作，在课程开展之前，学校向参与的同学和家长，发送了《告家长书》、《学生倡议书》，明确了上课的时间、教室的安排，学生如何选课等，帮助学生和家长了解活动的内容和流程，提高了课程开展的效率、也获得家长的支持；针对教师合作，STEM项目组在校长室的领导下解决培训和开课时间统筹和人员安排的问题，并且邀请班主任参与课程开课时班级课堂管理，给参与STEM课程班级的班主任发送《STEAM主题管理说明》，介绍STEM项目学习背景以及学校的STEM项目活动，告知上课时需要班主任协助的管理要求：管理学生、管理课程、课程的安排等；针对小组合作，在不断完善STEM项目的课程设计的基础上，STEM项目团队提议STEM项目学习以流动和固定小组的小组组合方式组织学生参与项目学习，学生改变了以往听从教师发送指令和固定班级的学习方式。

2.5 建立高效、专业的STEM项目团队

南师附小在STEM项目学习实践中逐渐形成一支包含学校校长和书记以及多名数学、科学、信息、数学等学科专业老师共同组成的STEM项目团队。校长、书记负责全面指导、监督，副校长负责硬件落实，每学期领导小组都会召开专题会议，研究、部署STEM教育活动的开展情况，多名学科专业教师定时开展教研。从组织形式上看，领导的参与保证了时间和人员安排的高效有序。各位老师也经历了克服学科思维方式的阶段，共同参与课程研发和设计。在立足自己学校的情况基础上，寻求省、市、区教研员等专家的合作，寻求东南大学的教师进行合作，在课程开始前提前告知家长，让学生了解流程，将学校STEM项目建设成资源、空间、教师、学生、课程拥有多方支持的模式。

3 STEM项目学习实践的启示

首先，整合学校自身的资源和条件，建立STEM课程的顶层架构。设计、开发整合符合学校实情的STEM课程。各地小学可以综合学校当地的人文、自然、科学等环境与资源进行STEM项目学习设计，设计出基于问题或基于生活情景的STEM主题，以学校为单位设置顶层框架，在不断实践和结合优秀课程实践经验的基础上，先修改调整出符合学校实际的STEM课程体系。

其次，校内外联合，建立多学科的专业共同体。寻求外部支持、加强教师团队建设。各个学校在立足自己学校的情况基础上，可以寻求校外专家的合作，让班主任管理融入到课程管理中去，将学校STEM项目建设成资源、空间、教师、学生、课程的多方支持的模式。“STEM教师需要采用一体化的教学和学习方法，不需要明确区分出具体学科内容在教学处理上形成动态的、连贯性的学习”，⑨所以各个学校在进行自己学校STEM教师共同体建设的时候，可以采用课前STEM工作坊等多种培训的方法提升教师的专业能力。

然后，建立真实、可操作的评价体系。基于STEM是多学科融合的产物，就需要进行灵活的过程性评价和针对学生知识产品的真实性评价。过程性评价可以给学生提供定期的反馈来调节学生的学习过程。上课教师参与到评价当中。多种评价形式并存。除了通过学生的实验报告，还可以使用即时评价模式。

再次，建设完备、高效的后勤体系。建立以校長为领导的专项项目组。校领导的参与可以促进STEM项目实践的展开与实施。保证教师备课与上课时间的一致性，保证时间上、人员上的后勤的支持，及时提供STEM课程相关的实验设备和技术。

注释

① Ivanitskaya，L.，Clark，D.，Montgomery，G.，&Primeau;，R.（2002）.Interdiciplinary Learning：Process and outcomes.Innovative Higher Education，27，95-11.

② Fulton，K.，&Briton;，T.（2011）.STEM teachers in professonal learning communities：From good tescher to great teaching.Washington，DC：National commission on Teaching and Americas Future.

③ 范燕瑞.STEM教育研究——美国K-12阶段课程改革新关注[D].华东师范大学，2011.

④ （美）阿尔帕斯兰Y屔？基于项目的STEM学习.候玉杰，朱玉冰等译.上海：上海科技教育出版社，2016：3-15.

⑤ 黄明燕，赵建华.项目学习研究综述——基于与学科教学融合的视角[J].远程教育志，2014.32（2）：90-98.

⑥ 冯凌.促进融合的学习——小学STEM教育案例[M].南京：江苏凤凰教育出版社，2016：1-6.

⑦ 韦钰.十年“做中学”为了说明什么——以科学研究为基础的教育改革之路[M].北京：中国科学技术出版社，2012：247-261.

⑧ （美）罗伯特Y孧Y尶ㄆ绽薜？基于项目的STEM学习（第2版）.王雪华，屈梅，译.上海：上海科技教育出版社，2016：89-98.

⑨ 李杨.STEM教育视野下的科学课程构建[D].浙江师范大学，2014.