基于PBL的STEM教学策略及实践探索

钟琦 唐遥 曾祥志

(1.赣南师范大学 数学与计算机科学学院，江西 赣州 341000； 2.赣南师范大学 物理与电子信息学院，江西 赣州341000)

中国教育科学研究院STEM教育研究中心发布的《中国STEM教育白皮书》指出，我国的STEM教育已经进入了蓬勃发展阶段，在教育实践、理论研究和教育政策等方面取得明显进展。STEM教育有利于培养有创新思维、动手能力强的人才，以满足经济社会发展的需要。相关研究表明，基于项目的教学能有效激发学生对学习知识的兴趣，提高学生的学习能力和在社会中的竞争力，影响学生的职业选择[1]。目前，我国针对STEM教育教学方法的实践探索集中在高校和科研所[2][3]，在基础教育领域的一线教师很少有效开展STEM教育实践[4]。我国基础教育，尤其是经济欠发达地区的中小学教育，一些地方着眼于学校的升学率，忽视学生的个性发展，学生学习负担过重，导致其学习积极性和主动性较差。在项目式方法广泛应用的背景下，探索新的STEM教育教学实践方式对我国尤其是经济欠发达地区的基础教育能起到一定的辅助和推动作用。

一、相关概念

（一）STEM教育的概念

STEM由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写组成。每个学科各自的优势和作用在STEM的结合下组成一个整体，贯穿了多技能综合教学，着眼于学生全面发展，并有效顺应时代需求。STEM是对数学、科学、工程、技术等学科的有机融合，突破了传统单一的学科教学模式，有利于增强学科之间的横向联系，是当下对学生智力发展和知识技能提高的一种有益的创新教学模式。

STEM教育具备技术增强性、趣味性、协作性、多维性、艺术性、跨学科性、体验性、情境性、设计性等九大特征[5]。它将多个学科进行有机融合，特别注重创新。它强调教学过程中学生的学习兴趣和主动建构知识的重要性；要求教师创设良好的学习情境，学生在情境中学习才能形成稳固而深厚的智慧；提倡发掘新的学习方法和学习技能，注重数字化、信息化学习，使学生在特定的条件支持下学习，从而取得一定的效果；倡导参照一定的目标主题开展学习，结合教学评价机制和信息反馈。

目前我国中小学致力于发展STEM教育，经济发展水平较高的沿海地区、东部地区STEM教育普及面广、形式多样、实践较多，欠发达的中西部地区、边远少数民族地区，由于教学条件、师资力量相对薄弱等因素，STEM教育有待提高。发展STEM教育是大势所趋，如何更好地结合本地区的时间、空间、教师、学生、教学设施和信息资源等因素，探索出一条符合本地特色的STEM教育模式是大多数基础教育工作者关注的现实问题。

（二）PBL的起源与发展

PBL（Project-Based Learning）最早由美国教育家帕克和杜威提出，是从农业和手工业借鉴而来的，随后才被延伸到课堂教学。PBL项目式教学法是一种通过教师和学生一起完成项目，从而共同取得进步的教学方法。PBL的突出特点是：把项目作为主轴，教师引导，以学生为主体。主要体现在：目标指向多重性；培训周期短，见效快，可控性好，注重理论与实践相结合。学生在教师有目的、有计划、有步骤的引导下,解决一个个相对独立的问题，其中涉及的信息收集、方案规划、项目开展和项目评价都由项目组学生分工协作完成。学生能积极主动地参与到项目中，熟悉并掌握项目实施的全过程和每一个中间环节中的基本操作流程和方法。

二、 基于PBL的STEM教学策略

目前，教育界较为典型的学习方法主要有以下几种：问题式学习、探究式学习、设计式学习和项目式学习。其中，项目式学习为学生提供了融入真实情境的体验，这些体验能够辅助学生学习，帮助学生对科学、技术、工程和数学各领域的知识加深理解，因此成为广泛关注的焦点。

基于PBL的STEM教学提供了丰富的学习情境，引导学生自主思考并解决若干实际问题，要求小组成员共同协作完成任务，展示并介绍最终成果与所涉及的相关知识点。因此，好的项目设计是教学成功的关键。

首先，学习环境设计要把握以下原则：①学生易获得学习内容，即让学生在当前的学习环境和背景下，能够直接接触到所要学习的知识；②思维过程具有可见性，即让学生能够清晰认识到解决问题过程中的逻辑思维；③引导学生向他人学习，即让学生在合作交流的过程中能够吸收、整合他人的观点；④促进学生主动学习，即让学生通过参与活动，学会学习。

其次，教师要深刻认识到学生并不是空着脑袋进入学习活动中的，在STEM教学活动中要深入结合学生已有的知识经验，并要促进学生的“元认知”的发展，即学生意识到自己的思维并对之进行反思的知识和技能。

最后，教学内容设计要注重以下几点：①优选项目，设计应体现学科知识的相互融合；②激发兴趣，设计合适的项目导入方式，激发学生的学习热情；③激励学生，鼓励学生根据现有条件和自己的认知水平设计出相应方案；④有效指导，教师的有效指导是学生完成任务的关键，有方向、有目标，学生的实践操作会更加轻松；⑤促进优化，优化过程是学生对学习的反思，分析评价是学生对学习的总结，有总结才有收获[6]。

在基于PBL的STEM教学活动中，学生一般要经历“问题分析—调查设计—选择评估—作品制作—测试改进—现场演示—反思评价”七个环节，层层递进，纵向深入。学生的活动渗透并融合了教学的要素，贯彻了STEM育人的理念。基于PBL的STEM教学应将教学过程、实践操作、实验探究、工程设计、学习思考、小组合作等合为一体，引导学生进行有效的学习，获得切实的体会，充分激发学生的潜能，使学生形成良好的逻辑思考能力和动手操作能力。

三、基于PBL的STEM教学实践

本文以江西省全南县首届青少年科技运动会中的某个竞赛项目为例，研究并探索基于项目的STEM教学流程。2019年10月26日，由全南县科学技术协会、教育科技体育局联合主办，赣南师范大学创新工场承办的全南县首届青少年科技运动会成功举行。本次科技运动会吸引了全县27所中小学的310名参赛选手及指导老师、裁判员、志愿者共计500多人参加，共进行了水火箭、铁丝陀螺、抛石机攻城、纸桥承重、落体缓降、气弓箭共6个项目12个组别的竞赛。本次运动会的总体目标是培养青少年科学思考、追求真理、勇于创新的精神，让他们养成爱科学、学科学、用科学的习惯，提高对科学学科的学习兴趣，促进青少年德、智、体、美、劳全面发展。所有项目前期都经过了“教师培训—原理学习—项目说明—学生选拔—组织参赛”的准备环节。在实地参赛过程中，参赛选手分组经过“问题分析—调查设计—选择评估—作品制作—测试改进—现场演示—反思评价”等流程，按照比赛要求完成项目任务。各个项目尽管形式不一，制作的原理和要求也不一样，但是对STEM教育的推广和应用都起到了“桥梁”作用，是STEM教育的创新实践，促进了学生的全面发展。

接下来，笔者以“纸桥承重”为案例来说明基于项目的STEM教学过程。

(一)案例背景

“纸桥承重”项目涵盖了数学、工程、技术、科学、物理等学科，是一个非常适合青少年个性发展和年龄特征的综合性STEM教学案例。该项目要求学生借助一些简易的现成材料，发挥自己的想象力、创新和创造力，设计并制作出纸桥，能够根据制作作品的亲身经历并结合原有的知识经验背景获得“重量、压力、长、宽、高”等物理概念并加深理解，探讨出影响纸桥承重的因素有哪些。学生以小组为单位在规定时间内制作出纸桥，经历多次修改，因此在作品制作过程中会涉及“因素分析—纸桥设计—选材制作—承重实验—作品修改、记录”几个基本环节，后两步往往有多次循环，直到满意或者比赛时间到为止。学生学会了完整的纸桥制作流程，领悟了工程设计和技术实施的要点，提升了计算思维能力和动手操作能力。

(二)案例描述

1.项目主题

该项目的主题为“纸桥承重”，纸桥作品成品示意图如图1所示。

2.项目目标

图1 纸桥作品成品示意图

学生通过团队协作，运用生活中常见物品，如纸张、胶水或胶带、钢直尺、剪刀、铅笔等材料和工具，思考、设计、制作出纸桥，加深对“重力、压力”等物理概念的理解，深入探讨影响纸桥承受的重力的因素，体会其中的工程理念，掌握一定的设计和作品制作技术，形成良好的计算思维。

3.项目过程

根据“纸桥承重”项目的任务要求和预期目标，该作品制作过程要经历独立思考、问题钻研、制作纸桥、小组演示、总结反思等环节，如表1所示。

表1 纸桥作品制作过程中的活动环节和具体内容

续表

4.项目资源

项目资源是指项目实施过程中所需的材料和相关工具。

“纸桥承重”允许使用的材料有A4纸35张、液体胶水 1 瓶（10ml）、双面胶 1 卷（8mm×10m）。以上材料由赛事组委会统一提供，各参赛小组不得自带。（注：如用完胶水，胶水瓶身不可作为纸桥的制作材料。）同时，还可以有以下辅助材料：小组自备的草稿纸、绘图笔、签字笔、作品设计单和登记表等，用作比赛前期和后期的纸桥制作准备和完善工作。（注：辅助材料不得用作纸桥。）

“纸桥承重”比赛时可用参考工具包含钢直尺、美工刀、剪刀、铅笔、圆棒、垫板等，均由各参赛小组自备。

5.项目要求

“纸桥承重”制作要求：不限制纸桥构造结构，要求制作好的纸桥能够放入测重装置两个桥台之间的位置（桥台高度为14cm，宽度为15cm，间距为50cm，如图2所示），桥面不能搭到桥台平面上，桥面能通过测重车（为同步轮履带车，如图3所示）及测重物。不能同时满足以上要求的桥梁视为不合格，不得进行承重测试。

图2 “纸桥承重”项目测重装置“桥台”示意图（单位：cm）

图3 “纸桥承重”项目测重装置“测重车”示意图（单位：cm）

6.测试规则

（1）参赛小组将完成制作的纸桥交至测重区，按裁判要求对纸桥称重、贴标签、抽签确定比赛顺序。

（2）测重时由参赛小组自行将纸桥放置至测重装置的两个桥台之间，纸桥不得粘接到测试装置；选手将障碍物通过桥主跨，不能通过则不得进行测重；自行选择组委会提供的测重重物，加载至测重车上，加载完毕，通过遥控器操控测重车从一侧桥台通过桥面行驶到另一侧桥台上停下，测重车能完全通过桥面则此时承重量记为有效。每组有3分钟测试时间，3分钟内不限测试次数，取承重量最大一次记为最终成绩。

（3）测重车行驶过程中不得触碰纸桥及测重车，两次测重之间可以对纸桥进行整理、扶正、位置调整、加固，加固只能利用纸桥本身的材料，不能从场外拿取。

（4）测重车从桥台驶不上纸桥、在桥面行驶过程中倾倒掉落、行驶不到对面桥台即为失败，终止该次测试。

（5）测重结束后，由裁判对纸桥进行破坏性检查，如发现纸桥内夹杂有其他非组委会提供的影响承重的材料则视为违规，取消成绩。

（6）比赛结束，以测重车所承载重量大小顺序排名，若承载重量相同，则纸桥自重轻者胜。

（7）人员构成：每个小组4～5位学生、1位指导老师。

7.项目评价

“纸桥承重”作品评价要素主要包括纸桥自重量、承重量、稳定性，作品设计清单和实验记录等。

（三）案例具体说明

“纸桥承重”项目的教学及实施流程如图4所示。

图4 “纸桥承重”项目的教学及实施流程

项目实施前准备环节，即“纸桥承重”相关培训，包括原理的学习、项目的说明、学生的选拔等事宜，其中老师需引导学生了解项目、提高学生参与度。接下来的教学实践中，教师要创设良好的、规范的、真实的工程情境，即“打造出一座横跨两岸的坚固的桥，使其能承受尽可能多的重量，又能使桥上的通行车辆安全通过”，从而引出“纸桥承重”项目学习要接触的重力、压力等科学概念。同时根据项目的要求选取相应的实验材料，如若干A4纸、钢直尺、美工刀、剪刀、铅笔、圆棒、垫板等，指导本组学生进行实验探究。在学生进行研究和制作纸桥的过程中，教师要提供适当的指导，帮助学生顺利开展纸桥制作，同时记录学生实验探究和作品制作过程中的难点和易错部分，包括纸桥的形状设计、几何图形选取和拼接、胶水粘合纸张的操作等。在纸桥初步制作完成后，教师指导本组学生进行纸桥承重检测，优化、改进纸桥的不足之处。最后在作品展示之后要引导学生进行学习交流，总结经验。

参赛小组学生在指导老师的带领下进行纸桥的探究、设计、加工，系统完成“纸桥承重”项目作品制作。首先，小组学生进行问题分析，根据各自已经掌握的知识经验分析、理解问题，初步设想纸桥的外观和形状并进行讨论；其次，在实验探究、调查之后，根据影响纸桥承重的因素权衡方案，选择合适方案，此过程在时间允许的情况下要反复经历调查、设计、评估、选择几个环节，旨在为纸桥的制作做好全面的准备；然后，相互协调、分工合作，根据纸桥的设计进行成品的制作，包括用纸张制作所要求的形状、对材料和工具的调度、进行纸桥组合和拼接等；再次，要将制作好的纸桥模型放入桥台，用规定的器材进行简单承重测试，观察数据并记录，改进、完善纸桥，不断提高作品质量，在能发现问题并时间允许的条件下重复进行这几个环节；最后，在现场演示、评委打分后，根据最终成绩进行反思总结、交流经验，并记录学习心得，做好小结。

在“纸桥承重”的学习过程中，小组学生经历了知识的迁移拓展、学习的迁移升华，不仅拓宽了知识面，而且自我学习能力得到了提高，同时锻炼了实践能力，也领会了新的学习经验。

(四)案例评价

在“纸桥承重”的STEM项目教学流程中，学生以小组合作的形式与指导老师共同经历了工程设计、技术应用、项目实施的过程，增强了团队凝聚力和合作学习能力。学生在“纸桥承重”的STEM项目教学具体情境中，通过思考交流、探究讨论为纸桥制作奠定了理论基础，培养了严谨的科学研究方法和态度。在纸桥的制作过程中，将科学、数学、物理、技术和工程等学科相关知识与技能运用于实践中，学生手脑结合、理论联系实际、知识与技能并重。这一过程把知识教学、科学研究和工程实施有效结合，增强了学生的创新思维和实践学习能力，有利于教师的成长和学生的成才。

“纸桥承重”项目的教学调动了教师教育的热情和学生学习的积极性，教学过程组织有序、教学资源发挥得当、教学效果良好，是基于项目的STEM教学的一次良好的实践，是欠发达地区推行STEM教育的有益尝试。欠发达地区要最大限度地发挥自身的优势，整合当地的教育资源，加强对STEM教育专业师资的培训，创新驱动、卓有成效地开发适合本地区教育发展的STEM教学项目，并加强实践，才能不断缩小和发达地区STEM教育的差距，以促进学生的智力发展，培养新时代所需要的人才。

四、总结和展望

从当前我国教育发展现状来看，在学校课程设计上，多学科横向渗透交叉学习有待更深入地开展，将工程、科学、数学等多学科融合教学尚须进一步推广，尤其是欠发达地区。基于项目的STEM教学在学生科学探究、工程设计、技术素养和数学思维能力的培养方面，以科研、工程、技术、项目相整合的方法实现了跨学科探究学习与综合应用[7]。当下，欠发达地区应利用已有条件，改革传统的教学模式，朝大众化STEM教育发展，以学生为本，提升学生的综合素养。