基于STEM教育理念的项目式学习探索——以“单透镜望远镜的设计与制作研究”为例

乔 兰

“STEM”指的是科学（Science）、技术（Tech⁃nology）、工程（Engineering）和数学（Mathemat⁃ics）四门学科。STEM教育强调将对科学知识的解释、科学探究实践以及教授内容与工程设计相结合，其目标是整合各领域的知识、技能，将课堂学习的知识运用于实际生活，培养创新型人才。其教学过程需融合各学科知识，形式上多结合项目式教学，主要开展研究性学习，实现跨学科整合，关注新技术及其实践应用。

项目式教学强调学生计划、实施并投入的过程，相比普通的学习任务有着更强的实践性。将“项目”这一概念与STEM教育相结合，可以让学生在真实的问题情境中，联系已有的知识，调查研究、大胆设计、反复测试，将生活经验与课堂学习相结合；同时，教师在课堂教学中将科学、技术、工程、数学等学科知识相互融合，使学生在解决问题的过程中提高创新能力，增强其社会责任感，提高其学科综合素养。

一、基于STEM教育理念的项目式教学

STEM教育理念下的项目式教学，强调将课堂教学与师生的生活实践相结合，解决实际问题。所以，在课堂上如何呈现富有真实性、趣味性和挑战性的研究项目，整合各学科相关知识，培养学生的创新精神，提高学生的实践能力，是教师需要思考的重要问题。本文中，笔者以“单透镜望远镜的设计与制作研究”的课堂教学为例，说明在STEM教育理念的支持下，如何在物理课堂中实施项目式教学。

1.明确任务，构建标准。

在课堂正式开始之前，教师向学生介绍本课的学习任务：小组合作动手制作一架以针孔为目镜的单透镜望远镜，分析望远镜的制作参数对其成像效果的影响。

明确研究任务后，学生在教师的引导下查找并学习几何光学和物理光学的相关资料，发现成像的分辨率、像的大小、像的亮度等因素都会影响人们观察像的清晰度时的主观感受。受实验条件的限制，笔者最终选择以上三个因素作为评价望远镜成像效果的标准。之后，教师可以引导学生从几何光学和波动光学的角度深入研究小孔成像的过程，从理论上推导出分辨率与孔径、物距和像距的关系，为后续学生自主实践打下理论基础。

2.引入项目，分组实验。

基于以上理论基础的铺垫和对学生动手实践能力的课前评估，笔者设计了两个教学环节，让学生在循序渐进的实践过程中完成探究任务，提升自身科学素养。

教学环节1：自制开普勒式望远镜的引入

带领学生进入光学实验室，为学生提供实验器材，引导其自行组装一台开普勒式望远镜，通过调试使之实现望远的功能，同时借助光学仪器分析开普勒式望远镜成像的物理原理。

【设计意图】通过活动调动学生的积极性，将书本上的知识应用到实际生活中，激发学生的研究兴趣，在实践后将研究内容回溯理论，引导学生分析成像原理、巩固所学知识，在活动中感受知识的力量，产生学习的愿望和动力。

教学环节2：挑战制作“单透镜望远镜”

在了解了开普勒式望远镜的成像原理后，教师可引导学生思考并讨论是否可以用针孔代替凸透镜作为目镜，制作一架单透镜望远镜。

【设计意图】在制作简易开普勒式望远镜的基础上，设置新的有难度的问题，打开学生的思路，为学生制造挑战自我的机会，在研究中学会先从理论角度利用自己的物理学科知识储备，分析实验的可能性，之后利用简单的实验器材进行实验，验证理论的准确性和可行性。

学生在以上课堂活动中分成三个小组，分别设计出不同材质、性能的望远镜，各项数据如表1所示。

表1 望远镜材料明细表

3.小组互评，展现风采。

在课堂最后的评价环节，教师将学生分成汇报方、讨论方及评价方，展开了一场热烈而友好的讨论交流会。

首先汇报方从课题分析、模型建立、理论分析、产品制作、评估与分析、结论、产品展示等环节对小组的研究过程进行汇报。接着，讨论方针对汇报方的汇报，结合本组的研究指出汇报方在各个环节研究的优缺点，并针对问题提出需要进一步深入研究的方向。在这个过程中，讨论方小组的研究过程及成果也得到了展示。在双方讨论结束后，评论方就刚才双方的讨论内容，概括双方研究的重点问题，对双方的陈述过程进行评价，总结双方的优缺点，之后展示本组的研究过程及成果。

在以学生为主体的教学评价环节中，学生不仅展示了各自小组的研究成果，同时也在交流中发现了自己和对方研究中的优点和不足，提高了自身创新、动手实践、总结反思等各方面的综合素质和能力。

二、“STEM”项目式学习的收获和反思

“单透镜望远镜的设计与制作研究”以2017年IYPT比赛中第3题（https：//archive.iypt.org/poblems/）为灵感，结合学生的学情及我校作为“STEM教育基地”的特点，充分体现了STEM课程教育跨学科、项目式学习、解决生活中实际问题等特点。通过本项目的课堂教学实践，笔者认为基于STEM教育理念的项目式教学应注意以下三个方面。

1.依据学科知识建构基础模型，让STEM项目学习有章可循。

STEM教育鼓励学生在真实情境中开展科学探究，采用实验设计、创意发明、手工制作等方式进行学习。但是，STEM教育的目的不是培养“能工巧匠”，而是培养“全面发展的人”，所以教师设计的研究项目中必须有基础学科的知识原理渗透，引导学生根据学科知识对研究问题进行科学的建模，明确学习过程中需要研究的具体方向。

2.在实践探究中掌握科学知识和方法，形成科学精神。

STEM教育打破了“静态的课堂”教学模式，鼓励学生做中学、玩中学，形成以主动、探索、创造为特征的新型学习方式。但需要强调的是，STEM教育要把重点放在由学科知识理论引导下的有效的实践探索中，并在过程中引导学生更深入地理解科学知识、掌握科学方法，进而形成科学精神。

3.关注研究过程，收获深刻的学习体验。

在STEM教育的项目研究活动中，教师应该关注学生的学习过程，允许学生犯错、试错，给学生提供组间表达、对话、建议的机会，让学生在交流中认识到自我的不足和优势，寻找问题深层次的科学原因，改进研究方法，提高科学素养。

基于STEM教育理念的项目式学习利用跨学科的方式建立起科学、技术、工程、数学和艺术等学科知识之间的联系，并强调将理论知识和实际社会应用相结合，让学生通过学习、协作和实践，树立终身学习的意识，提高科学创新和实践能力，进而获得全面发展。