STEM理念下基于问题解决能力培养的项目学习设计

庄小云

摘 要：培养学生问题解决能力，是新时代全面深化课程改革、落实立德树人根本任务的内容之一。项目式学习是培养学生问题解决能力的有效途径之一。针对当前的项目学习忽视问题解决过程中学生能力的培养问题，文章以STEM理念为理论指导，提出了基于问题解决能力培养的项目学习设计流程，并在“智能家居”项目案例中展开实践。

关键词：STEM理念;问题解决能力;项目学习

中图分类号：G633.67 文献标识码：A 文章编号：2095-624X（2021）23-0083-02

一、基于社会、自然和学生需求分析确定学习主题，体现“从生活中学”

学习主题的确定是项目学习的第一步。项目从何而来？STEM课程注重从“在真实的活动情境中学”，我们通过开展基于真实情境的项目化学习，让学生在解决问题的过程中学会把知识灵活运用到具体场景中。真实情境的项目学习主题来源于社会、自然和学生三个方面。

例如，“智能家居”项目我们更多从社会和学生两个角度确定主题。

（一）社会发展

随着互联网技术和智能终端技术的迅速发展，家居系统网络化、智能化是一股强大而不可逆转的潮流。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、智能、舒适的居家环境。智能家居为人们提供安全舒适的家庭生活空间，而且可以通过高科技把智能带进家庭，为消费者提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，为人们有效合理地安排时间，增强家居生活的安全性以及为各种能源费用节约资金。

（二）学生需求

高中生拥有一定编程基础，对电子元件有一定兴趣爱好并有一定创意，希望运用技术解决现实问题。家居对学生来说是一个非常熟悉的场景。基础良好的学生完成“智能家居”探究项目，学有余力的学生可以尝试开发“智能家居”创新项目。

二、指向问题解决能力制定项目学习目标，体现“学科融合中学”

STEM理念下基于问题解决能力培养的项目学习目标是培养学生运用跨学科知识解决问题的能力。台湾学者黄茂在、陈文典在《“问题解决”的能力》一文中从三个维度分析学生的问题解决能力，即“问题解决的态度”“问题解决的方法和策略”“问题解决的品质”[1]。基于此，我们把基于问题解决能力培养的项目学习目标界定为如下三个。第一，问题解决的态度：对运用科学、数学、技术及工程工具和学科方法解决问题具有积极的心态和认识。第二，问题解决的方法和策略：能根据真实问题情境提出问题，明确关键问题，抽象处理，并用形式化的方法表述;能提出植根于真实产品的解决方案，并运用信息、技术工具和学科方法落实这一方案。第三，问题解决的品质：能主动对产品进行展示和交流，具有解决问题的毅力，能遵守知识产权法律法规。

实践中，我们还需要结合案例进一步明细以上目标，体现通过问题的解决，学生对科学、技术、工程和数学知识形成综合认知。下面以“智能家居”项目学习目标为例。

（一）问题解决的态度

第一，通过“智能家居”探究项目开发，形成对运用技术与工程解决生活问题的意识。

第二，通过“智能家居”创新项目开发，学会积极主动运用技术与工程解决生活问题。

（二）问题解决的方法和策略

第一，通过“智能家居”探究项目开发，理解“光敏电阻”和“超声波感应器”等传感器原理。

第二，通过“智能家居”项目开发，能提出住家存在的问题，并用思维导图和流程图的方式设计解决问题的方案。

第三，掌握arduino板、传感器、LED和蜂鸣器组装技巧。

第四，能运用Arduino IDE编程完成“光控灯”“感应式垃圾桶”项目，并会调试测试。

第五，尝试把工程和技术迁移至“智能家居”创新项目“智能读写姿势提醒机器人”或“室内环境检测装置”开发中。

（三）问题解决的品质

第一，通过在项目开发中对困难的克服，养成的解决问题的毅力。

第二，能以开放的视角去学习、评价、借鉴他人的观点，养成包容的品德和善于與他人协作交流的习惯。

三、构建结构化并具有挑战性的活动、开发微课资源，体现“做中学”

（一）基于问题解决的活动设计理论

安德森的思维适应性控制理论（简称ACT理论）指出问题解决过程中认知技能的获得最关键的一步是知识编辑过程，包括程序化与合成两个过程。程序化即形成专门的问题解决方法和技能。合成是组块化过程，提高问题解决的速度[2]。基于问题解决能力培养的项目学习活动应体现工程项目迭代开发的结构化过程，并设置一系列具有挑战性的活动，促使学生在不同难度的问题情境中运用跨学科知识。我们提出从问题提出、原理探究、方案设计、软件开发、硬件组装、调试测试、拓展创新、交流与评价、反思完善与总结九个环节构建基于问题解决能力培养的项目学习活动。

（二）开发微课资源，为问题解决提供有力支持

学生基础参差不齐，部分学生缺乏项目开发的技术与经验，他们在问题提出后会处于无所适从的状态。教师需要准备一些基础性资源引导他们快速掌握项目完成需要掌握的技术和方法。但是有一部分学生由于具有较丰富的项目开发经验，能在较短时间内完成基础任务，对于这些学生，教师需要准备一些资源引导他们更深入地开展创新研究。微课是以“微视频”为核心，围绕“学科知识点”和“教学环节”设计的一种新的资源构成方式 。微课短小精悍、半结构化且易于扩充、交互性强。因此，微课是非常适合用于开展项目学习的课程资源。项目学习中，教师可以开发两类微课资源：一类是围绕项目主体引导学生科学探究的微课资源;另一类是围绕项目技术开发的微课资源。这些资源能提高项目学习的效率，使不同层次学生完成自己的目标任务。

（三）设计自主学习任务单，促进学生深度探究和问题解决