STEM理念下信息技术课程项目式学习研究

本期文章选自2018年举办的第26届全国青少年科技辅导员论文征集活动中的一等奖获奖论文。本届论文征集活动主题为“科学教育：开启培养未来创新人才的新探索”。

摘要：STEM教育以培养具有跨学科素养和解决真实问题能力的创新型人才为目标。项目式学习多学科交替融合，为信息技术课程开展STEM教育提供了一种可供操作的模式。本研究梳理了STEM教育发展和研究现状，分析了项目式学习内涵，提出了信息技术课程项目式学习模式。通过项目式学习模式，学生能最终解决并形成一个植根于真实问题的产品，从而发展跨学科知识连接能力和问题解决能力。

关键字：STEM 信息技术课程 项目式学习

一、引言

21世纪现代经济社会需要具备拥有能解决真实问题能力和态度的工人、工程师、研究员和发明家。这些人才是提高国家创新能力的重要因素之一。培养人才的关键是在学生中推广科学、技术、工程和数学技能。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）4门学科的简称，强调多学科的交叉融合[1]。STEM教育不仅是把科学、技术、工程和数学知识进行简单叠加，而是特别强调将本来分散的4门学科自然地组合形成新的整体。作为培养具有全面科学素养和创新探究能力人才的教育新形态，STEM教育将会是21世纪教育事业成功的关键‘”。

2015年9月，教育部发布《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》，其中明确指出：“探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识”。STEM教育为学校科技教育课程的变革及创新人才的培养，提供了崭新的思路和路径。研究中我们发现，学校科技教育课程存在问题，比如过于局限某一学科，课堂缺乏有效的学习模式，无法有效发展学生STEM跨学科知识连接的能力，尤其是数学的分析及科学探索，导致学生解决实际问题的能力欠缺。本研究通过对STEM教育和项目式学习进行分析，进而构建可依循的项目式学习模式及教学实施过程，为学校开展STEM教育提供参考与借鉴。

二、STEM理念下信息技术可能项目式学习模式构建

（一）项目式学习内涵

项目式学习，即Project-basedLearning，简称PBL。与其他学习方式相比，项目的学习更倾向于应用综合知识，目标是解决问题。学生在教师指导下制订真实、复杂的项目，结合已有的知识和技能，积极主动地学习并完成一些真实、开放的任务，从而形成一个植根于问题的产品[2]。

STEM是科学、技术、工程和数学学科的自然交叠。项目式学习体现了跨学科，它克服了传统课堂上知识学习与动手实践的割裂状况，帮助学生通过动手实践内化知识。学生在学习和实践过程中能有效提高学生的创造力、批判性思维和解决问题的能力和沟通协作能力。因此，STEM教育尤其适合使用项目式学习。

（二）STEM理念下信息技术课程项目式学习的内涵

信息技术课程以全面培养和提高学生的信息素养为基本目标，注重培养学生的创新精神和实践能力。在信息技术课程教学中，教师把STEM教育理念融合在教学中开展项目式学习，有利于实现信息技术课程目标。STEM理念下信息技术课程项目式学习是指在信息技术课程中，学生以工程学为思想，以技术为工具，解决并形成一个植根于真实问题的产品，从而发展跨学科知识连接能力和问题解决能力。STEM理念下的信息技术课程项目式学习具有以下特征。

1.聚焦真实问题

项目学习内容必须与现实真实世界密切联系，符合学生思维发展和身心发展的特点，才能激发学生探究和创造的欲望。因此，真实问题贯穿信息技术课程项目式学习必须以解决真实问题作为学习情境导入，学习的结果是解决并形成植根于真实问题的产品。但是真实问题往往比较复杂，教师需要根据评价标准把真实问题的核心转化为一系列学习任务，引导学生开展探究，达到对科学、技术、工程和数学知识与技能的意义建构和涤层次理解。

2.以跨学科融合为核心

以跨学科融合为核心体现在两个方面。第一，项目解决涉及的科学原理：学生需要运用科学、技术、工程和数学知识解释项目涉及的科学原理，并最终解决问题。第二，达成的目标：通过问题的解决，发展学生跨学科知识的连接能力。

3.以工程学为思想

工程是应用数学、科学和技术领域的概念系统解决真实生活问题。教学中，教师需要引导学生用数学和计算方式表达已有的关系和原理，例如项目的功能结构图和软件开发流程图，从而让学生运用这些模型预测项目开发执行情况，并使项目具有创造性[3]。因此，信息技术课程项目式学习以工程学为思想能提升项目开发的质量。

4.以信息技术为开发工具和手段

信息技术课程的项目式学习最终会形成一个植根于问题的产品。产品开发需要学生运用3D建模、Arduino硬件编程、App Inventor手机编程等信息技术工具。学生往往在配有平板电脑、传感器、电路板、单片机、3D打印机、电线等先进科技工具，充满合作机会的工作坊中展开学习，在学习中分享与合作，增强学生理解他人、欣赏他人的能力和水平。

5.以科学探究、数学分析为整合与应用要素

工程是设计及研发科技产物的过程，此过程需要整合科学原理.并运用数学辅助设计、测试和改良，以获得最合适的成果。学生需要通过自主探究挖掘项目涉及的科学原理，并尝试进行数学建模，设计算法。学生在探究活动中领悟科学本质，培养科学逻辑思维能力和严谨科學态度。

（三）STEM理念下信息技术课程项目式学习模式图

基于项目式学习特征，笔者构建了信息技术课程项目式学习模式，如图1所示。

从教师活动看，中学生尤其是高中学生，不喜欢来自教师的直接指导，因此教师在学生的学习过程中是引导者和协助者。作为引导者，教师创设情境体验让学生关注真实生活，从生活中挖掘问题，确定项目。教师要制订项目评定标准，并围绕标准构建项目涉及的已学和未学的科学、技术、工程和数学知识技能体系，开发微课，为学生开展原理探究、项目设计和开发搭建“脚手架”。在工程设计环节，教师应分解项目，通过一系列学习任务引导学生开展探究，并细致观察学生在学习过程中表现出的STEM素养、实践能力和探究意识，及时纠正学生设计和制作过程中存在的错误。在技术开发环节，教师应及时纠正学生出现的错误，让学生少走弯路。在展示反思环节，教师需要对学生小组的项目展示和汇报进行点评，尤其对学生的跨学科知识连接能力、问题解决能力进行评估。

从学生活动看，学生在学习过程中充当发现者、探究者和实践者。在问题提出环节，学生在教师引领下挖掘生活中存在的问题，并展开批判性对话和交流，最终确定项目。在科学探究环节，学生根据教师提供的微课，研究项目涉及的科学原理，并对疑难开展交流，最终会用科学原理和数学辅助解释项目。在工程设计环节，学生以小组为单位开展项目设计，包括功能结构设计（各具体功能模块的实现过程）、硬件设计（购置的硬件及连接图）和软件设计（流程图）。更重要的是在技术开发环节，学生根据设计图动手实践，购买硬件材料，组装硬件和开发相应程序，并调试运行。在展示反思环节，小组共同展示项目演示效果，并向教师和同学汇报项目的开发过程和创新点，其他小组同学参照教师的项目技术标准给予评价。师生围绕标准展开点评，促使学生进一步反思工程设计和开发存在的问题，最终促进学生科学、技术、工程和数学知识与技能的内化。

数字化资源能降低信息技术课程项目式学习的复杂度，提高学生开展项目式学习的兴趣、动力和成功率，促使学习走向深入。在问题提出环节，课堂运用视觉元素创设情境激发学生设计与开发的欲望。由于项目原理探究和设计制作涉及学生已学或未学的技术、工程、数学和科学知识技能，学生往往因为知识技能的遗忘或缺失而对项目开发失去信心。微课凭借其短小精悍，满足了学生快速获取知识和个性化学习的需求，让学生更加灵活地、有针对性地选取学习的内容。以微课为基础构建的知识与技能体系更能为学生探究和制作搭建脚手架。学生还可以利用QQ、微信等即时通讯工具进行质疑、互动和反思，从而促进自主探究学习和协作学习。

三、信息技术课程项目式学习实践研究

1.学习内容分析

“手机控制LED灯”是高中信息技术选修课程“移动应用设计”的学习内容。案例要求学生能够初步进行基于蓝牙的数据传输，设计基于移动应用的问题解决方案，开发基于真实任务的简单移动应用。案例聚焦“智能家居”社会热点，针对改善家居生活的问题开发手机控制LED灯，激发学生探究和开发的欲望。

2.学习目标

案例要求学生开发手机控制LED灯项目，项目使用App Invertor编写程序，通过蓝牙通信模块与Arduino单片机进行通信，从而完成对LED灯亮灭的控制。项目体现了跨学科融合：科学方面是了解蓝牙传输数据的特点和Arduino功能、基本结构;技术方面是掌握利用App Inventor实现蓝牙数据传输编程;工程方面学会利用Arduino的硬件、软件感应蓝牙数据变化，实现对外界的控制完成作品;数学方面学会整理并分析Arduino软件上的数据。学生完成项目的同时，STEM跨学科知识连接能力得到发晨。

3.教学过程

问题提出环节。随着电子技术在现实生活中的广泛应用，智能家居日渐普及，为人们享受生活提供了一个广阔的平台。教师确定的主题是“智能家居”，利用微课创设情境，学生通过小组质疑研讨提出问题：晚上回家时，家里黑黑的，什么也看不见，要摸黑开灯;睡觉前，需要下床关灯，很不方便，而直接用手机控制吊灯就比较方便。由此确定项目开发内容：采用手机实现家居灯的开关。在这个环节，教师从引导学生从现实生活中发现存在的问题，体现了技术为生活服务。

科学探究环节。教师围绕主题项目开发蓝牙传输、Arduino结构和AppInventor编程3个微课，让学生展开项目原理的探究。①Arduino的基本结构和元器件的功能;②蓝牙技术和数据传输的特点;③App Inventor与蓝牙数据连接的实现。

工程设计环节。学生以小组为单位开展手机控制LED灯项目的设计。包括系统功能设计（项目的工作流程图和各模块的功能）、硬件设计（需要购置的设备）、软件设计（App手机端应用程序的功能、界面设计和流程图设计）。设计好方案后，小组之间展开头脑风暴，进一步挖掘项目的其他功能和创新点。

技术开发环节。小组按设计方案进行技术开发，对Arduino拉制器、蓝牙调试模块、蓝牙2.0模块、USB线、LED灯等硬件进行组装，运用AppInventor开发手机控制LED灯，运用Mixly For Arduino开发Arduino主板程序，并进行调试、测试。

展示反思环节。开发作品后，教师组织成果交流会。小组展示手机控制LED灯的效果，并汇报App手机端应用程序的流程图设计及项目创新点。小组汇报后，学生需要展开反思，交流本小组制作的项目存在的问题，并进一步完善该项目。

4.教学反思

本节课使用App Invertor与Arduino完成的作品，即用App控制LED灯的亮灭。课例让学生经历发现问题、探究科学原理、设计项目方案和开发产品等过程，最终掌握移动应用设计与开发的思想方法。项目立足工程学思想，教师在教学中有意识引导学生如何应用科学与数学知识解决问题，较好地完成了科学与数学知识的学习迁移。随着项目学习进一步深入实施，学生跨学科连接知识的能力和解决实际问题的能力得到有效提高。而在教学中，教师需要提供学生更多设计、探究、分析、测试与综合评估的学习机会。

参考文献

[1] Rodger W. Bybee，R. W.What is STEM education？ Science，2010，（329）：995-996

[2] 明洁，刘革平.基于Sakai平台的项目式学习模式研究.西南农业大学学报（社会科学版），2011，9（10）

[3] 赵中建.基于项目的STEM学习.上海科技教育出版社，2011（8）

作者简介

庄小云，广东华侨中学，中学高级教师，电子信箱：532308985@qq.com。

点评

当前，许多科学教师和科技辅导员正在顺应时代潮流，通过科学教育，开启培养未来创新人才的新探索。本文作者也是据此考虑，将发达国家提出的STEM教育理念本土化，依托自身所任教的信息技术课，通过项目式学习的模式，聚焦學生开发手机控制LED灯的项目，分别从问题提出环节、科学探究环节、工程设计环节、技术开发环节和展示反思环节5个阶段进行了教学实践尝试。其所介绍的案例，以及获得的经验和体会，对广大科学教师和科技辅导员开阔思路、积极探索，具有一定的启发、导向和示范作用。

如果作者能够更为深入理解STEM教育理念，规范相关概念的界定，以及为自身的观点增添更多案例或统计数据作为佐证，则可使本文的科学性和学术性更为明显。

——翟立原（中国青少年科技辅导员协会理论工作委员会副主任委员，第26届仝国青少年科技辅导员论文征集活动评审委员会主任委员）