基于项目式学习的STEM课程开发研究

在教育改革的大背景下，我国积极探索STEM教育模式的应用，提升学生的信息素养和创新能力，建立各级部门相融合的STEM教育生态系统。[1]而项目式学习主要是通过创设一个真实情境，让学生以小组合作的形式解决问题，在解决问题的过程中形成跨学科思维以及探究能力。由此，项目式学习可以为STEM课程提供有效的发展路径。[2]

一、项目式学习与STEM课程开发

1.项目式学习

项目式学习强调以学生为主体，鼓励做中学。受建构主义理论的影响，项目式学习理论认为，学习是个体积极参与构建的过程，而不是被动的“一传一收”的过程。在学习中，学习者根据自己的已有经验，构建理解。[3]在该理论的指导下，教师的任务不再是简单的“传道授业”，而是创设合理、真实的问题情境，巧妙地提出有意义的问题，鼓励学生大胆表达自己观点，培养他们的创新意识，提高他们的创新能力。[4]Tanner认为，项目式学习能带给学习者探究的成就感与喜悦，这需要他们在探究过程中逐渐发现学科核心概念或设计产品，这不仅能提升教学效果，有利于知识内化，而且能培养其探究精神、科学精神以及创新能力。

梳理项目式学习我们发现，它通过设计任务或者问题来引导学生主动学习，调动他们的积极性，让他们成为学习的主体。在学习过程中，教师给予学生充分探究的机会，让他们以团队合作的形式，共同探究指定的项目内容，同时，注重多媒体技术的利用，尽可能地拓展其视野，补充与主题相关的知识、资讯，为他们的学习保驾护航。

2.STEM课程开发

课程开发模式主要包括目标模式、过程模式、情景模式和实践模式四种模式。[5]泰勒的目标模式被认为是非常经典的课程开发模式，它以教育目的为指向，设计和开发课程。英国课程论专家斯腾豪斯的过程模式认为，课程开发包括规划、实际体验和验证三部分，主张通过合理的课程组织加强学生对系统知识的学习，把课程设计局限于学科结构的分析。[6]情景模式吸收了目标模式和过程模式的长处，认为课程开发是以实际情况为基点的。[7]实践模式的代表人物斯瓦布认为，课程由教师、学生、教材、环境四个要素构成，且四要素之间持续的相互作用构成了实践性课程的内涵。[6]

根据相关文献的研究，[5][8]我们总结出了STEM课程开发的四个步骤。

（1）确立STEM课程的各领域目标

教师可以根据要开发的STEM课程的理念和目的，以及培养学生哪一具体方面的能力或思维，确定开发课程的总目标。随后，教师进行学情分析，选择跨学科领域，基于真实情境，确定项目主题，并确立STEM课程所对应的各领域目标。

（2）设计STEM课程内容

教师可以根据学情分析和课程目标，设计相应的课程内容。先整体设计STEM课程，将其划分为课程阶段、安排课程进度以及选定课程场所等；再设计课程具体内容，在课程整体设计的基础上，确定每一阶段的授课内容、授课方法和授课材料。

（3）选择适当的教学策略

教师可以根据STEM课程各领域目标的要求及课程内容的规划，针对不同层次的学生，选择不同的教学策略或方法，如小组分工合作、讨论、演示等。

（4）设计多元的评价体系

教师要根据课程目标和课程内容，明确评价内容。在课程评价方法上，要设计多样的评价方式，形成性评价和结果性评价并进，实行评价主体多元化。多元的评价体系可以使教师更加了解STEM课程实施的效果，以此来调整和改进课程的设计。

基于以上分析，教师采用项目式学习的方式开发STEM课程有以下几个优势。首先，STEM课程本身具有工程设计思想，而项目式学习的融入，提高了课堂所学内容在现实生活中的实用性。其次，项目式学习让学生参与复杂问题解决的过程中，有多种可能的解决方案。最后，STEM课程与项目式学习结合，对学生完成真实任务的要求很高，既包含限制条件，又涉及评估标准，可以强化学生的高阶思维。

二、基于项目式学习的STEM课程框架

结合上述理论，我们构建了基于项目式学习的STEM课程框架（如图1）。

基于项目式学习的STEM课程框架围绕着STEM项目开展，分为项目明确、方案设计、模型测试、实施评价四个阶段。这四个阶段循环迭代，以学生为中心，以任务为牵引，锻炼他们解决问题、批判和创造等能力，培养他们的高阶思维。

1.项目明确阶段

该阶段中，教师通过创设真实情境引导学生发现问题，并根据问题开展基础研究。在学生研究的基础上，教师要对整个项目有较为系统的分析，提出适合学生的任务，引导他们开展小组合作学习，并及时监控他们的学习过程。在合作学习中，学生结合相关学科知识，分析问题，明确项目目标。

2.方案设计阶段

这个阶段要求教师发挥指导和督促作用，引导学生将问题和任务分解为多个子问题，进一步简化任务，充分发挥学生在探究学习过程中的创新性和自主性。学生用自己所学的知识判断获得信息的价值，并进行小组头脑风暴，制订问题解决方案，按照设计的方案搭建初步模型。

3.模型测试阶段

在这一阶段，学生需要测试模型能否达到目标，并根据测试结果，改进设计方案，最终达到完善作品的目的。为此，教师组织学生选择科学的方式来测试作品，引导他们对作品进行优化、迭代。学生经过头脑风暴形成的初步设计方案，在实施过程中可能会遇到问题，或者出现新想法，进而重新设计。当学生出现问题时，教师不要急于纠正错误，应鼓励他们多尝试，通过不断调整找到解决问题的途径，加深他们对知识的应用。

4.实施评价阶段

在形成最终优化方案后，师生可以进行实地验证，这不仅能够丰富学生的生活经验，而且能够让他们对模型有一个评估、反思的过程。学生在交流讨论、反思评价中可以增长知识，提升能力水平，将所学知识运用到生活实际中，找到学习的意义。

三、基于项目式学习的STEM课程案例展示

基于上述理念，我们开发了“植物监测仪”课程。

1.“植物监测仪”课程目标

科学：知道植物受土壤水分、光照强度、空气温湿度等生长条件的控制；知道传感器的原理；掌握编程的基础知识，并能运用科学方法分析问题。

技术：掌握掌控板、Mind+软件以及Easy IoT软件的使用方法；能够运用编程思维解决实际问题，具备根据工程目标编写程序的能力；了解物联网中的传感器系统，能够安装温度、湿度、光控传感器来解决工程问题并接入物联网平台，构建简易的传感物联系统；具备运用合适的材料搭建植物监测仪的能力。

工程：能根据实际问题制订项目计划，掌握植物监测仪由编程到模型装配，再到与物联网连接的基本流程、方法；能够按照工程设计思路，对植物监测仪进行设计、搭建、测试、修正，优化的工程思维能力；能够根据实际情况对植物监测仪的外壳进行设计制作。

数学：利用数值转换公式，判断编程条件的使用；了解数据处理的过程包括数据采集、数据预处理、数据分析和数据可视化，学习在物联网平台接收数据，读取数据，并用折线图呈现数据；测量植物监测仪外壳的尺寸大小，按比例设计、制作外壳。

2.“植物监测仪”课程实施

（1）项目明确阶段（1课时）

【创设情境】在节假日期间，由于不能及时照料校园里的植物，不仅会影响其正常生长，甚至会导致其死亡。有没有什么办法可以解决这个问题呢？

【提出项目】设计一个植物监测仪在假期替人们照料植物，守卫校园绿植。

【头脑风暴】在项目开展之前，想一想植物在生长过程中可能会遇到哪些问题，小组讨论、交流，填写问题清单。

问题清单

①植物的生长离不开水分，如何确保植物有充足的水分供给？

②光合作用能帮助植物健康生长，如何在室内环境也让植物拥有足够的光照？

③对于花卉，温度和空气湿度也会影响其生长，如何检测空气温湿度，并帮助植物营造合适的生长环境？

④节假日时，如何远程监控植物的土壤湿度、光照强度、空气的温度和湿度等各项数据？

⑤实现这些功能需要哪些硬件？

（2）方案设计阶段（1课时）

本阶段的核心内容是通过相关资料的学习、思考，将植物监测仪所需功能分解，根据其功能小组合作，设计植物监测仪的规划方案，整理所需材料及具体操作方案（见表1），为下一阶段模型的制作与测试做准备。

【收集资料】通过查阅资料，收集并填写问题清单中所列问题的解决方案。认识掌控板并下载学习Mind+、Easy IoT等软件的使用方法和相关资源。

【设计方案】通过相关资料的学习、思考，初步整理植物监测仪可以具备检测土壤水分、光照强度、空气温度和湿度的功能，并且能够根据各项数据对植物进行自动浇水、自动补光、降温或除湿等。根据其功能，小组合作，设计植物监测仪的规划方案。

（3）模型测试阶段（5课时）

【测试1】自动浇水功能测试。根据方案制作并连接模型，在Mind+软件上设计编写程序并运行。通过土壤湿度传感器检测植物是否缺水，当湿度较小时，转动舵机触发浇水装置。

【测试2】自动补光功能测试。利用掌控板自带的环境光传感器检测光线强度，当光照较弱时，点亮RGB灯带进行补光。

【测试3】自动通风功能测试。利用DHT11温湿度传感器检测空气的温度、湿度，当温度或湿度较高时，启动电机带动风扇，来降温或除湿。

【测试4】物联网数据监测功能测试。通过使用物联网，在Easy IoT软件中定义4个Topic，分别向Topic发送水分、光照、温度、湿度的数据，这样在每个Topic中，可以对应查看各个数据的折线图和数值。

【测试5】设计、制作外壳，测试改进。根据以上所连接的硬件为基础，需测量掌控板的大小，推算出植物监测仪外壳的大小，在设计单上按比例绘制植物监测仪外壳原型图例。最后，按照设计图，选择合适的材料与工具为植物监测仪制作外壳，提升作品的美感，培养学生的数学思维和工程思维能力。若在测试过程中，无法实现设计功能，需及时检查并调试相关程序，直至测试成功。

（4）实施评价阶段（1课时）

本阶段的核心内容是分小组进行班级内展示、汇报所制作的植物监测仪，测试植物监测仪的效果。教师和其他小组可以提出改进建议，进一步完善和优化作品。最后，学生对本次项目进行反思评价，总结交流，分享本次项目的收获与感悟。教师帮助学生形成学习的闭环，加深在项目进行的过程中得到的锻炼和对项目的理解。

本课程可以将总结性评价与形成性评价相结合，设计两种评价量表：

“植物监测仪”作品评价表（见表2），按照量化标准对各组作品进行评价，包括组内自评、组间互评和教师评价。

“植物监测仪”项目评价表，对项目实施过程的和学生的表现进行评价，包括组内自评、组间互评和教师评价。其中，项目实施过程主要涉及基础学科应用、方案设计、工程应用、作品制作等要素，学生的表现涉及创造力、团队合作、问题解决、沟通交流等方面（见表3）。

总结

STEM教育作为一种跨学科整合的教育形式，可以为我国培养新型创新人才的教育目的增砖添瓦。本研究从项目式学习视角出发，设计了基于项目式学习的STEM课程框架，并开发了具体的STEM课程案例，为该框架提供实践路径。

基于本项目的研究，教师可以对项目式学习与STEM课程的结合进行更深层次的探索。具体可以根据不同单元的教材内容特点和课程标准内容，设计不同的STEM课程，将项目式学习贯穿学生的整个学习生涯。这样可以培养学生的创新思维、深度学习、实践探究和解决实际问题的综合能力，从而带动科学教育的发展，培养出更多具备跨学科素养的创新型人才。

[课题：重庆市教育科学“十三五”规划2020年度规划重点课题“科学教育专业本科生STEM课程整合能力及其培养研究”，编号：2020-GX-010。项目：教育部首批新文科研究与改革实践项目“融合STEM教育理念的科学教育本科专业课程体系及教材建设研究与实践”，编号：202107006]

（作者：樊秋瑜，重庆师范大学科学与技术教育硕士研究生；徐彩霞，通讯作者，重庆师范大学科技教育与传播研究中心副教授，硕士生导师；林长春，重庆师范大学科技教育与传播研究中心教授，硕士生导师）

参考文献

[1]王宪廷，李睿，计祝保.我国STEM教育供给困境与改革路径[J].现代教育，2021（06）.

[2]彭迪.基于项目式学习的STEM课例教学模式研究[D].青岛：青岛大学，2022.

[3]何克抗.建构主义革新传统教学的理论基础（上）[J].电化教育研究，1997（03）.

[4]温彭年，贾国英.建构主义理论与教学改革——建构主义学习理论综述[J].教育理论与实践，2002（05）.

[5]黄杰秀.促进科学观察能力提升的小学科学校本课程开发研究[D].桂林：广西师范大学，2021.

[6]吴刚平.校本课程开发的思想基础——施瓦布与斯腾豪斯“实践课程模式”思想探析[J].外国教育研究，2000（06）.

[7]黄存良.通识课程视阈下大学审辩性思维课程设计研究[D].上海：上海师范大学，2019.

[8]周玉华.基于STEM理念的小学科学课程开发研究[D].武汉：华中科技大学，2019.