基于STEM理念的校外科技教育活动方案设计和项目学习手册开发研究

    郑思晨

    

    【摘要】分析了校外科技教育跨界融合发展的背景，探讨了基于项目的STEM学习的内涵与特征，以中福会少年宫为个案，呈现了少年宫科技教育课程的规划，及其基于项目的STEM教学设计和项目学习手册的编制框架和项目案例，并结合实践研究现状，提出了教学内容、形式及资源等方面的反思与展望。

    【关键词】STEM?科技教育?项目式学习?学习手册

    科技教育活动是校外科技教育的主要手段，是提高未成年人科学素养的重要工作之一。青少年校外科技教育活动通常由校外教育机构通过兴趣小组等形式组织，在一个时期或一个阶段内，在课外活动、研究性学习或综合实践活动中集中进行，具有特定主题，并要达到一定思想教育目的和科学技术知识普及要求。活动内容通常涉及生物学、物理学、环境学、化学、地理学、气象、能源等方面，与学校科学课程更注重学科逻辑和知识体系不同，校外科技教育活动通常围绕一个主题，引导学生在设定的情境中综合运用科技知识和技能，完成学习特定任务，因而更接近项目式学习。

    在学科跨界融合的大趋势下，STEM（科学Science，技术Technology，工程Engineering，数学Mathematics）教育得到各国教育界高度重视，发展迅猛。中国近年来也积极引介STEM教育理念和方法。在这一背景下，我们探索基于STEM理念的校外科技教育活动，通过教学活动设计将STEM和项目式学习的理念、方法相结合，引导学生在解决问题的情境中有效促进跨学科知识、技能的整合。

    在自主探究学习越来越重要的今天，一项科技教育活动的成功，很大程度上依赖于学生学习的主动性和有效性。而教师在活动过程中需要扮演引导者的角色，为学生的自主学习提供“支架”。在这一思想指导下，我们不仅基于STEM和项目学习的理念，重新规划了少年宫科技教育课程，更新了教学活动方案，还开发了供学生使用的项目学习手册。

    一、基于项目的STEM学习的内涵与特征

    基于项目的STEM学习，是“在一个明确目标下的模糊定义的任务”。这个任务被置于丰富情景下，同时具有明确的目标，要求学生解决若干问题，通过学生完整的作品展示来考量他们对STEM所涉及的各個学科知识技能的掌握情况。它能为学生提供整体认识世界的机会，让学生能够把所学的零散知识，变成互相联系的统一整体，以消除传统教育中各学科知识割裂、不利于学生综合解决实际问题的障碍。我们认为，基于项目的STEM学习的主要特征有：

    （1）通过一个问题或任务驱动学习。教学活动紧紧围绕这个真实问题或任务开展，学生在教师指导下主动寻找问题解决方案。

    （2）以团队合作的方式推进学习。全体学生形成一个团队，或分成几组，师生、生生之间合理分工、相互合作，共同推进学习。

    （3）强调学习活动的实践性与体验性。基于项目的STEM教学要求学生对生活中的真实问题进行实践探究，体验将书本知识与现实生活相结合。

    （4）尝试多种工具与资源的运用。基于项目的STEM教学倡导学生运用多种认知工具和信息资源，教师在教学中引导学生提高获取、加工和处理信息的能力。

    （5）以作品回应问题。学生学习并综合运用多学科知识技能，在一系列学习工具的支持下，最终通过完成作品来回应最初的问题。

    二、少年宫科技教育课程体系的重新规划

    （一）总体课程框架

    在学科跨界融合的大背景下，社会对少年儿童综合素养、实践能力的要求越来越高。我们结合当今社会发展需求，以及校外教育特点，对中福会少年宫现有课程体系进行重新规划和完善。

    中福会少年宫科技教育教学兴趣小组主要面向幼儿园中班至小学六年级的学生，由于不同年龄层次的学生在认知水平上存在显著的差异，少年宫科技教育部总结多年来的实践经验，结合近年来在STEM教育方面的研究与探索的成果，在原有的多元智能课程、科技创新课程的基础上进行了调整，使得课程体系更有条理、更有层次、更符合学生发展规律。

    多元智能课程，面向幼儿园中班至幼儿园大班的学生，课程内容以趣味性见长，引导孩子在玩中学，了解生活中的科学常识。

    科技创新课程，面向小学一、二年级的学生，以深入浅出的方式，尝试体验科学小实验、小创意，激发兴趣，培养创新精神。

    STEM课程，面向小学三至六年级的学生，以团队合作的模式，跨学科学习并探索解决生活中的问题。

    （二）STEM课程方案

    1.课程目标

    培养学生与其年龄相匹配的基本科学知识与技能、批判性思维意识与能力、跨学科问题解决能力、信息检索与处理能力、创新意识与能力。

    2.内容模块

    采用项目式教学模式，在3至6年级每个年级分别设置了3个主题模块。3个模块均基于任务驱动，设置阶段目标，分层次让学生由低到高、由浅入深地进行自主性学习。各模块之间的关系有并列关系、分层递进关系。下面，以2017秋季学期课程模块为例，呈现少年宫STEM课程内容架构。

    本学期STEM课程的总主题是“智慧城市”，每个年级设立相应的学习分主题。其中，三年级的主题为“未来超市”，内容涉及“舌尖上的美食”、智能型产品、无人化管理;四年级的主题为“未来工作坊”，内容包括“科学小博士”“小小工程师”“结构小达人”;五年级的主题为“时空旅行”，内容涉及月球旅行车、时光穿梭机、星际传奇舰;六年级的主题为“智慧生活”，内容包括智能乐器、智能家居、智能穿戴。

    在每个课程系列中，我们都尝试挖掘“跨学科点”，引导孩子关注最新的科学进展，融入生活中的情境，整合相关学科知识，以动手制作、科学探究、团队合作的方式，通过设计完成一个小作品来解决生活中的实际问题。

    3.教学方法

    谈话法、讨论法、讲授法、演示法、实验法、发现法等。

    4.评价内容与形式

    评价内容：动手实践能力、演说能力、探究能力、实验操作能力、设计能力等。评价形式：专家评价、教师课堂即时评价、学生自我评价、小组互评、成果展示等。

    课程方案实施过程中，每个主题的学习结束之后，我们根据学生的反馈，积累STEM教学经验，着重反思如下问题：

    （1）授课内容与学科的关联度是否高度一致？

    （2）课程中是否存在部分科学性错误，导致学生最终完成的作品不能解决实际问题？

    （3）课程结构是否过于固定模式化？课程内容是否过于形式化？是否刻意将毫无关联的知识内容拼装式组合进课程？

    （4）对学生的评价是否仅仅是浅尝辄止的初探？

    通过对上述问题的反思，及时调整，对不合理的地方进行修改、补充、完善，为第二年的课程实施做好铺垫。

    三、基于项目的STEM教学设计

    在规划STEM课程方案的同时，我们也在教学实践中探索基于项目的STEM教学。基于项目的STEM教学以学生为中心，强调小组合作学习，要求学生对现实生活中的真实性问题进行探究。通常其操作程序分为选定项目、制定计划、活动探究、作品制作、成果交流和活动评价等六个步骤。

    （1）选定项目。在基于项目的STEM教学中，项目的选择很重要，它应该由学生根据自己的兴趣来选择，教师在此过程中仅仅只能作为指导者的角色。可根据身邊现实社会中的看到的现象和问题，也可以通过电视新闻，或者与人交谈，走访有关部门信息中，找到当今社会关注的热点或急需解决的问题为科学调查项目活动的主题，如“家庭节水马桶的改造”“居住小区植物群落的优化方案”“小区绿地生态系统建模设计”“社区节能路灯的创意设计”等。

    （2）制定计划。计划的内容有教学时间的详细安排和活动计划。时间安排是学生对项目学习所需的时间作一个总体规划，做出一个详细的时间流程安排。活动设计是指对基于项目的STEM教学中所涉及的活动预先进行计划，如采访哪些专家，人员的具体分工，从什么地方获取资料等。

    （3）活动探究。活动探究是基于项目的STEM教学的主体，学生大部分知识内容的获得和技能、技巧的掌握都是在此过程中完成。

    （4）作品制作。作品制作是基于项目的STEM教学区别于一般活动教学的重要特征。学生运用在教学过程中所获得的科学、工程、数学等知识和技能来完成作品的制作。

    （5）成果交流。学习小组通过展示、交流和分享他们的研究成果来表达他们在项目学习中所获得的知识和所掌握的技能。

    （6）活动评价。基于项目的STEM教学模式中，评价由专家、老师、同学及学生自己共同来完成。它不但要求对结果进行评价，同时也强调对教学过程进行评价，做到定量评价和定性评价、过程性评价和结果性评价、个人评价和小组评价、自我评价和他人评价之间的良好结合。

    四、项目学习手册的开发

    为更好地实施基于项目的STEM课程教学，我们结合校外科技教育特色，运用奶酪（Cheese）法则——C（Curiosity）好奇：激发兴趣，H（Hypothesis）猜测：设计方案，E（Exploration）探究：自主探究，E（Explanation）解释：科学解释，S（Spread）延伸：发散拓展，E（Evaluation）评价：激励评估，在比特实验室、上海STEM云中心、智勇教育的协助下，一同开发了适用于3～6年级的《STEM项目学习手册》。

    在开发的过程中，考虑到我们原先创设的STEM+课程体系即“2+2”模式，需要同时兼顾到长课程和短课程，因此，我们决定采用模块组合的方式设计《STEM项目学习手册》。每个年级的长课程中设计3个模块，可以挑选3个模块中的1个模块用于短课程的教育教学中。

    本次设计的《STEM项目学习手册》共设5个模块，分别是模块一“舌尖上的美食”、模块二小小工程师、模块三星际穿越、模块四未来音乐家、模块五光影魔术师。每个模块均来源于各年级STEM课程内容，前4个模块各由5个项目组成，项目内容上由浅入深、分层递进，分别适用于3、4、5、6年级的STEM教育教学。每个项目2课时，每课时45分钟（2017少年宫秋季STEM课程每次课2课时，各完成一个项目，一学期15次课）。其中，模块一：“舌尖上的美食”以科学实验的形式为主，模块二“小小工程师”以动手搭建的形式为主，模块三“星际穿越”以视频教学的形式为主，模块四“未来音乐家”以物联网应用的形式为主。模块五“光影魔术师”以摄影摄像为主，含有2个项目，是特别为4至6年级具有一定美术基础的学生设计的。

    项目学习手册架构如下表所示：

    五、反思与展望

    （一）补充教学模块，丰富教学内容

    目前的教学模块设计仅仅是3～6年级每个年级段最初的尝试，经过这个学期的实践之后，根据教学反馈，我们发现在最初的教学模块中仍存在很多需要调整、补充的地方。另外，2018年春季，我们还将陆续推出更多的教学模块来承接2017秋季的教学，这样我们就初步完成了“2+2”模式中的第一个“2”，也就是春秋长课程STEM体系的打造。此外，在2018年夏季的STEM特训营中，我们还将补充和积累更多的短课程模块来充实STEM内容，今后还将在冬季的STEM科考营中添加些许STEM教学模块，从而实现“2+2”模式中的第二个“2”。

    未来我们将及时调整、补充相应的教学模块，丰富STEM教学内容，进一步完善校外科技教育课程体系。

    （二）拓展教学形式，充实课程体系

    少年宫2017年秋季的STEM课程的教育教学工作都是在少年宫的科技教室中进行的，为了让教学形式更丰富，我们打算“走出去”，将STEM教学场所安排到上海科技馆、梦清园等大型科普教育基地、营地，或者在大自然中开展教学活动。

    （三）优化教学设施，改善教学环境

    STEM教育实践与研究需要一系列硬件设施保障。在上海教育信息化建设的过程中，大部分中小学都完成了教学硬件的更新换代。反观少年宫的科技教室，设施设备还停留在十多年前的水准，在一定程度上限制STEM教育教学活动。我们计划在未来几年内将少年宫的科技教室打造成融合传播学、心理学、空间设计、教学论、科学技术等理论的“未来教室”，使多种学习方式得以顺利开展，促进学习者的自主探究、团队协作等能力的全面发展。

    （四）融合优势资源，加强跨界合作

    在开展睿智少年STEM特训营、组织2016 STEM与科技创新教育国际高峰论坛、举行2017全国青少年STEAM创意展示交流活动、实施少年宫2017秋季STEM课程、开发STEM项目学习手册的过程中，我们都得到了来自社会各界的支持，获得很多启示和帮助。未来，我们将继续开展STEM教育主题论坛，组织STEM展示交流活动，吸纳更多有志于STEM教育的机构，整合优质社会资源，加强跨领域的交流与合作，发挥1+1>2的功效，不断提升校外STEM教育品质。

    参考文献：

    [1]赵中建.基于项目的STEM学习：一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式[M].上海世纪出版股份有限公司，2016.

    [2][美]达西·哈兰德 著.中国科协青少年科技中心译.STEM项目学生研究手册[M].科学普及出版社，2013.

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    [4]张杏娟，刘恩山.5E教学模式在发展学生能力和课程建设中的价值及作用[J].生物学通报，2015.

    [5]杨晓哲，任友群.数字化时代的STEM教育与创客教育[J].开放教育研究，2015，（10）.

    [6]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，（4）.

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