基于STEM理念的中小学生问题解决能力培养模型研究*

王一敏，姚昕雨

（华南师范大学 教育信息技术学院，广东 广州510631）

一、问题的提出

新时代我国对创造型与实践型人才需求的不断提升，呼唤着利用跨学科思维重构原有课堂教学、探索新型教学模式、培养创新人才。教育部部长陈宝生指出要把质量作为教育的生命线，深化基础教育人才培养模式改革，努力培养学生的创新精神和实践能力，凸显创新人才培养的重要性与紧迫性。[1]《中国学生发展核心素养》提出，要以培养“全面发展的人”为核心，注重学生“批判性思维、问题解决、技术运用”[2]等能力的培养，强调实干而非纸上谈兵。经济合作与发展组织（OECD）开展的PISA项目在评测学生的知识领域时，不仅关注学生在学习和知识运用过程中的表现，还关注学生的思维和解决问题的过程，可以看出问题解决能力是创新型人才必备的能力之一。[3]问题解决是指学生在特定的情境下，按照一定的目标，运用所学的知识对面临的问题采取一系列措施、使问题得以解决的过程。[4]现实生活中的劣构问题大多需要应用跨学科思维与多学科知识解决，这与STEM主张的跨学科理念不谋而合。应用STEM理念能为学生解决问题建构真实的情境，激发学生多视角思考问题的意识，并明晰学生利用不同学科知识寻找多种解决问题的途径。[5]本研究从问题解决的一般过程出发，分析了STEM理念对中小学生问题解决能力培养的支持作用，构建了基于STEM理念的中小学生问题解决能力培养模型并验证其有效性，以期为新时代培养创新型人才提供有益借鉴。

二、相关研究述评

1.中小学生问题解决能力研究述评

问题解决能力是指个人运用认知过程来面对并解决一个真实的、跨学科情境中问题的能力，[6]是机体（包括人类和动物）通过不断的试误发现正确的解决方法的过程。[7]目前关于中小学生问题解决能力的研究主要包括内涵梳理、策略构建和具体学科实践等几个方面，如伍远岳等通过文献研究，梳理出问题解决能力的内涵、结构与特点；[8]方惠慧等结合中小学生核心素养，提出培养中小学生问题解决能力的相关策略；[9]郭新春依托小学数学课开展实践研究，构建了提升小学生数学问题解决能力的教学模式。[10]综合上述分析发现，现有对中小学生问题解决能力培养与提升的研究仍处于起步阶段，基于STEM理念的中小学生问题解决能力培养路径尚未明晰，应用STEM理念开展中小学生问题解决能力培养与提升的实践仍需探索。

2.STEM理念在中小学生中的应用研究述评

STEM教育的核心理念是跨学科。国外的STEM教育项目覆盖面广，基本囊括了整个K-12学段，涉及众多学科内容并注重从实践中培养学生的跨学科素养和问题解决的能力，如北卡罗来纳州中学学生通过项目实践活动整合多学科知识解决现实中的问题；[11]非盈利的STEM教育项目工程冒险（Engineering Adventures）和项目引路（Project Lead To the Way，PLTW）通过创新课程，以基于项目的形式使学习者学习数学与科学等知识，并通过真实项目提高其问题解决与反思能力。[12]国内STEM教育在中小学生中的应用主要聚焦于理论梳理和基于项目或问题的教学实践，如傅骞等将STEM作为一种教学策略，梳理出验证型、探究型、制造型和创造型应用模式；[13]秦瑾若等通过实践构建了基于STEM的真实问题情境跨学科教学模式；[14]余胜泉提出了基于STEM课程的跨学科整合模式，[15]综合上述分析可以看出，STEM理念在中小学生中的应用研究现已全面铺开，但大多从理论梳理和课程实施的视角切入，聚焦学生问题解决能力培养与提升的实践研究仍需探索。

三、基于STEM理念的中小学生问题解决能力培养模型构建

1.问题解决的一般过程

问题解决是一系列的心理认知过程，为了寻找解决问题的途径，学生需要经过一系列思维活动，运用多学科知识，将其应用到具体的问题情境，包括对问题的表征、推理、反思等。综合杜威、波利亚、斯滕伯格等人关于“问题解决流程”的观点发现，问题解决的首要条件是具备提出问题的意识，对问题展开描述，然后根据线索或资料寻找解决问题的方法。之后的学者在此基础上提出了协助问题解决的一系列策略，包括重视教学情境的创设、让学生处于真实情境中发现问题，[16]以及提出开放性问题以吸引学生讨论[17]等。因此，在培养学生问题解决能力时应面向每一个环节进行设计，注重情境的创设和跨学科知识的联合。在评价学生问题解决能力时也应注重过程性评价，利用问题解决量表，[18]从多个环节测量学生解决问题的能力，例如理解问题的能力、辨别问题的能力、表述问题的能力、解决问题的能力、反思交流的能力等。[19]基于此，本研究梳理出“发现问题—分析问题—解决问题—反思问题”的问题解决的一般流程，如图1所示。该流程以基于项目的学习为主，学生在特定的教学情境下发现问题，通过匹配合作伙伴，在真实情境中分析问题，规划研究方案，利用相关的工具和资源解决问题，达到教学目标。同时，在教师和同伴的帮助下，学生能够对解决方案进行修订，提高其反思、质疑的能力。

2.STEM理念对中小学生问题解决能力培养的支持

图1 问题解决的一般流程

根据现有对在跨学科真实情境中解决问题的实践研究，可以看出STEM理念对中小学生问题解决能力培养有以下支持作用：

（1）创设真实情境，聚焦学习目标。问题解决的过程中，学生是解决问题的主体。基于STEM理念实施问题解决学习，教师可以利用多种学科知识为学生创设真实的学习环境，这些学科知识涉及科学、数学、工程素养等领域，聚焦学习目标，为问题解决奠定基础。

（2）提供多元工具、交叉学科知识。解决问题需要工具和资源的支持。基于STEM理念实施问题解决学习，学生可以通过学习不同学科的知识，利用工具和交叉学科知识解决问题，逐步形成利用跨学科思维解决真实问题的习惯，为问题解决提供支持。

（3）群组互补交互，促进互动协作。STEM理念具有协作性，强调在群体协同中互相帮助、互相启发，通过群体协作知识建构的方式达成问题解决。基于STEM理念实施问题解决学习，学生之间可以互补短板，扩大群组协作共识，促进群组互动协作，为问题解决提供保障。

3.基于STEM理念的中小学生问题解决能力培养模型

通过对问题解决过程的一般梳理，结合STEM教育跨学科理念，在教学设计理论、建构主义理论等学习理论的支持下，本研究从教师、学习者和教学流程三方面出发，结合PISA对问题解决的一般流程，构建了STEM理念下中小学生问题解决能力培养模型，如图2所示。

教师通过教学分析选择恰当的教学内容，设计教学项目，以项目或问题为中心，为学生提供大量的教学资源和工具，让学生在情境中发现问题，合作探究，提出解决问题的方案，然后通过交流展示完善方案，解决问题。

图2 STEM理念下中小学生问题解决能力培养模型

该模型贯穿杜威“做中学”理念，以学生为主体，设计了以 “发现问题-分析问题-合作探究问题-确定解决问题方案-修订方案-总结反思”为主线的教学流程，并参照余胜泉提出的STEM课程整合模式，重视教学情境的创设，着力于问题活动的选择与设计，积极启发学生思考，解决问题。

（1）设计项目主题，奠基问题解决

教师首先明确项目学习主题，确定教学内容，绘制内容的知识地图，展示跨学科知识之间的关联，制定学生的学习路线；随后，教师对教学内容进行结构化设计，分阶段细化教学任务；最后，教师设计学习任务清单，创设问题情境，引导学生在自学过程中发现问题，形成大致解决问题的思路。

（2）创设真实情境，支持问题解决

教师应为学生创设真实教学情境，在教学的过程中设置一些能引起学生注意的矛盾点，引发学生的认知冲突，继而启发诱导学生，让学生提出问题；当学生发现问题后，选择合作伙伴一起探究问题。教师引导学生分解问题，规划整个研究方案，用思维导图展示问题解决的过程，明确过程中运用的跨学科知识内容和工具。

（3）提供多元工具，推动问题解决

在探究阶段，教师提供大量的工具帮助学生探索问题，设计解决方案，培养学生主动学习的习惯。教师组织组间互动交流，共享难题，启发学生分解难题，循序渐进。

（4）组织分享交流，促进问题解决

教师组织学生多次展示作品，在班级内群体讨论，进行互相点评，促进学生的自我反思与内化。组间讨论时，学生可以任意走动，相互交流，与同伴之间进行对话、评论和整合等活动，进行更深入的思考，不断修正学生本人的观点，养成与人交流、分享与协作的习惯。

（5）开展多元评价，内化问题解决

教师在学生问题解决的过程中全程进行监控，不断检查、指导、启发学生的思路，促进学生的问题解决。

四、基于STEM理念的中小学生问题解决能力培养模型实践

1.课程目标与内容

本研究所选择的课程配件是乐高MINDSTORMS头脑风暴教育EV3机器人组件，利用其有效的软件应用和教材资源开展STEM教育，通过一系列基于现实的学习主题练习，协助教师培养学生的理性思维，促进提高学生的问题解决能力。

本研究选取与航天知识相关的内容——“驶入太空”为学习主题，通过探险活动吸引学生的兴趣，使学生迅速融入课堂，学习与航天发射器相关的知识内容。航天知识的教育内容一直是学生向往和感兴趣的学习主题，通过探究活动能够拉近学生与梦想的距离，普及航天知识，促进培养学生的创造力。实验对象为小学五年级学生，课程持续两次，每次2个小时，以5～6人的小班学习为主。利用小班授课协助实现个性化教育，教师了解每个学生的学习步调，引导学生积极提问，促进学生主动进行思考，积极寻找问题解决的方案。

本研究的课程目标是通过借助橡皮筋的弹性功能设计制作弹射装置，使学生在动手制作弹射器时完成体验。认知目标是让学生了解各项航天器的名称及功能，增强对航天知识的了解；技能目标是将所学习的物理（弹力）、数学及编程等知识通过编程软件运用到弹射装置的制作中，利用橡皮筋实现弹射装置的设计制作。课程的重难点在于相关物理知识的迁移及应用，因此教师选择以合作探究的方式进行学习，培养学生的交流和沟通能力，通过生生互助和师生引导的方式完成探险活动。

2.课程开展与实施

课程实施过程主要分为五个环节开展，如图3所示。

图3 《驶入太空》课堂教学环节

（1）课前准备，确定主题。在课程开始前，教师确定项目主题为“驶入太空”的探险活动，并准备各种航天器的名称以及功能介绍，制作成阅读材料在课前发放。确定教学目标后，教师将弹射装置的制作分解为五阶段目标，给学生分配角色任务，让学生自主探究合作解决问题。教师同时给学生提供橡皮筋、底座等装置，让学生能够完成设计，在建模中完成任务。

（2）主题引入，创设情境。教师播放太空探险的主题音乐与视频，提出问题“我们如何驶入太空呢？”在调动学生的兴趣之后，展示由弹射装置制作的“航天飞船”，并发放课前制作的教学材料，让学生了解各种航天发射器的名称及功能。然后教师抛出问题“宇宙飞船是由什么组成的？”引导学生积极思考，并鼓励学生拆解弹射器，提出“宇宙飞船需要能量脱离地球引力”，完成情境引入。

（3）灵感构思，解决问题。教师请一位同学现场拆解装置，分析“航天飞船”的组成，然后对弹射装置进行结构分析，抛出问题“几步可以完成飞船”，并引导学生将飞船的制作细分为“设计底座-设计发射器-设计弹射动力结构-添加起飞程序”四个步骤，组织小组承担四个子任务的完成。

a.设计底座

学生首先明确目标，设计一个发射器的底座及动力结构，然后对比拆解的“宇宙飞船”，模仿拆解顺序，利用机器器件进行组装，教师在此时插入物理知识的讲解，让学生分清主动轮与从动轮的概念，能够用圆梁将其连接固定，左右对称。在学生的操作中，教师及时抛出与正确组装顺序相关的问题，引导学生按照正确的方向、位置进行组装，如图4所示。

图4 主动轮与从动轮的组装

b.设计发射器

设计完成底座之后，教师抛出问题“如何安置发射器”，引导学生思考，要将发射器安装在底座之上，通过展示一般的发射器图片，教师圈出发射器共同的结构——凹槽，并组织学生利用圆梁按照图片进行组装。学生在各小组内对组装工作进行分工，分别做好连接、固定等工作。

c.设计弹射动力结构

教师展示学生已完成的组装设计，抛出问题“如何让拥有底座和发射器的飞船起飞？”并播放橡皮筋制作弹射结构的微视频，利用弹力公式“FN=KX”示范讲解，引导学生动手设计制作弹射装置。在学生组装完成后，教师展示宇宙飞船的外观，继而提出“飞船是否可以成功起飞？”确定需要添加编程内容，使电机“蓄力”。

d.添加起飞程序

教师制作了起飞程序编写的微视频，根据制作的模型编写了一个“起飞”的程序，学生在观看视频后，结合教师对模型的讲解，在编程中实现相关功能。如图5所示。

图5 编程软件实现“起飞”

（4）课堂展示，拓展思考。在学生都完成设计和组装之后，教师策划 “比比谁弹射得更远”的游戏，在游戏中每个小组分别展示自己的“飞船”，然后进行起飞竞赛。在游戏中，教师针对学生的表现提出“如何提升弹射的距离”、“增加橡皮筋是否能达到目的”、“如何做到连续发送多个飞船”等一系列问题，鼓励学生回答和分享经验。在课程结束后，教师对学生的作品进行点评，并对表现优秀的小组进行奖励，让学生评选出性能最好的飞船。

（5）知识回顾，总结提高。游戏之后，教师总结制作弹射器的相关内容，标明学生在操作中遇到的问题和错误，协助没有成功制作的小组完成任务，并优化一些小组的操作。同时，教师也对知识拓展中的疑问进行回答，鼓励学生课后继续完成拓展问题中的操作，下发拓展学习资料。

在整个学习过程中，通过选取与生活密切相关的航天探险主题活动，激发了学生的探索兴趣，提高了学生的学习动力，使其能够积极配合教师完成教学任务。在制作弹射装置的过程中，教师通过环环相扣的问题引导学生思考、解决问题，从底座设计到添加程序，完成“宇宙飞船”的设计，提高了学生合作解决问题的能力，并通过微视频、阅读材料等教学资源丰富了学生的视野，拓展了学科知识层面，锻炼了学生动手制作的能力。同时，在合作进行探究的过程中，学生逐步解决子问题，完成了弹射装置的设计，激发了学生的成就感，使他们能获得完成任务的满足感，以保持更加高昂的热情完成日后课程的学习。

3.效果与评价

为确保学生的问题解决能力得到提升，在课程结束后，对学生及教师进行了问卷调查和深入访谈。问题解决能力的评测标准包括理解问题的能力、辨别问题的能力、表述问题的能力、解决问题的能力、问题解决之后的反思能力和解决问题中的交流能力，因此笔者从这五个维度设计了调查问卷，并采用李克特量表的五点量尺，从“非常不符合”到“非常符合”采用“-2、-1、0、1、2”的计分方式。教师访谈的主要内容是学生在学习过程中对任务的理解程度和完成程度，以及存在的问题等。

对调查问卷统计分析结果如表1所示。

经过问卷调查发现，学生能够较好地理解教师所创设的情境，识别教师提出的问题，并能根据教师抛出的疑问进行思考，寻找解决问题的答案。在明确任务之后，学生能够合理分配时间，利用工具完成任务，并在问题解决后进行反思。同时，学生在与同伴的交流讨论中表现优秀，能够积极与同伴就问题进行讨论，维持良好的合作关系，互相影响，互相进步。但学生在关联各学科之间的知识、多角度解决问题、对预料之外的问题做出对策等方面表现稍差，教师访谈之后发现：①学生对机器组件的热情很高，在组装中花费了较多的时间，但常常忽略教学视频的作用，易做错误示范；②编程任务容易让学生产生焦虑感，学习中对预料之外的问题产生放弃情绪，学习压力较大；③小组内的学生步调不一致，整体进度较慢；④学生对拓展任务兴趣不高，常常忽略作品完成后的反思。

表1 问题解决能力评价量表

针对上述问题，本研究提出了一些改进的措施：①在“灵感构思，解决问题”环节加入教师对操作流程的简单讲解，配合教学视频，使学生熟悉“宇宙飞船”的一般组装流程，用正确示范引导学生有秩序地进行组装；②在添加程序前，分解编程任务，细化“起飞”程序，让学生先熟悉编程软件，通过提问软件界面的功能加强学生对编程的理解，再通过演示与连续的提问引导学生完成程序，并设置小游戏比拼学生的速度和完成效果，及时给予激励；③在学生合作学习的过程中，设置“小小航天员”，邀请在每一个环节中表现优秀的同学分享任务经验，也收集每一环节中各个小组中出现的问题和困难，协助解决，共同进步。