STEAM教育理念下问题解决能力培养策略研究
何雪仪 黄馨
摘 要 首先分析steam教育理念与问题解决能力的关系，阐述STEAM教育理念下培养问题解决能力的优势，构建STEAM理念下问题解决能力的培养策略，并以案例的方式进行验证，最后提出相关建议，以期为STEAM理念下问题解决能力的培养提供参考。
关键词 STEAM教育;问题解决能力;PISA;创新型人才;知识建构;动态型问题
中图分类号：G640 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）01-0003-03
1 引言
国际经济合作组织（OECD）2012年PISA（The Programme
for International Student Assessment）测试结果显示，上海的学生互动型问题的解决能力远远低于静态型问题解决能力;中国学生擅长学习知识，却不会运用知识解决实际问题，严重缺乏运用知识解决问题的能力。这反映了我国学生存在嚴重的“高分低能”问题，也从另一个角度反映了我国基础教育存在的不足，即对学生问题解决能力（problem solving skill）的培养力度不够。随着各个行业对人才的要求不断提高，创新型人才培养显得尤为重要。创新型人才培养不再是以教师灌输、学生被动接受为主的过程，而是学生主动地、不断地实践探索的有意义活动。传统的“以教为主”的学习已经不能满足知识经济时代的要求，学生要有热爱思考、敢于探究的意识和精神，能够运用所学知识解决真实生活中的各种问题。
STEAM（Science，Technology，Engineering，Art，
Mathematics）教育不是五个学科的简单相加，而是强调科学、技术、工程、艺术、数学五门学科的有机融合，主要以项目或问题为任务驱动，通过学生的合作交流与自主探究相结合的方式，有效地完成项目或解决问题，旨在培养学生的创新思维、创新能力及问题解决能力。STEAM教育以做中学为宗旨，注重学生在实践中应用知识并体验学习任务和作品的完成过程，以便促进问题解决能力的发展。可见，STEAM教育对问题解决能力的培养有着重大意义。
2 STEAM教育理念与问题解决能力的关系
问题解决能力的培养现状 20世纪80年代以来，越来越多的国家将培养学生的问题解决能力作为教学的目的，国外的学者创建了一系列可以提高学生问题解决能力的教程，如心理学家鲁宾斯坦的一般问题解决模式、弗斯坦教授的思维工具强化教程、德波诺关于思维训练的科尔特（CORT）
教程等[1]。经过多年发展，基于问题的学习理论逐渐形成PBL模式。PBL模式被广泛应用，国外的各级院校大多采用这种模式进行教学。目前，国际上对于问题解决能力培养是比较重视的，从2003年开始，国际经济合作与发展组织（OECD）在PISA测试中加入问题解决能力测试模块，更加奠定了问题解决能力在学生培养方面的重要地位。
20世纪80年代以来，国内专家也在问题解决能力培养方面提出很多建议。如马云鹏在《小学数学教学论》（第四版）一书中专门编写了关于数学问题及其教学的章节，介绍了数学问题及其解决的一般过程与方法，同时提到如何培养学生数学问题解决能力的一般策略[2]。国内很多一线教师在日常教学中也总结了大量单科问题解决能力培养的经验并提出各类培养建议，如特级教师李光树提出的数学问题解决能力的培养措施[3]。有很多教师认为，在培养学生问题解决能力时，首先要让学生学会发现问题并提出问题;其次让学生掌握解决问题的策略。“问题解决”与“项目式教学”在2017年的高中信息技术课程标准中被多次提及，可见问题解决能力的培养与项目式教学在实际教学中的重要性。清华附小的“1+X课程”在数学与科技领域，配合国家数学和科学课程的课程标准，补充相应的数学与科学阅读、数学与科学游戏等整合内容。
国内关于问题解决能力的培养大多集中于单学科领域，这不利于学生的全面发展。生活中的真实问题是不局限于某个学科的，一般都涉及多个学科的知识，所以单单培养学生某个学科领域的问题解决能力是远远不够的。现实生活中的劣构问题大多需要应用跨界思维与多学科知识解决，这与STEAM教育主张的跨学科理念不谋而合，学生解决问题应该以跨学科知识融合为基础进行问题的分析与思考，进而解决问题。赵慧勤等人提出STEAM教育理念可以指导21世纪学生必须具备的四项能力即“4C”能力的培养，分别是批判性思维能力、沟通能力、协作能力、创造创新能力[4]。为此，本文旨在基于STEAM理念，通过设计与开发一系列案例，进而培养学生的问题解决能力。
STEAM教育过程与一般问题解决过程的关系 STEAM教育的教学过程可以分为五个步骤，分别是确定问题、规划、尝试、修改和交流[5]。OECD在PISA 2003中将问题解决能力定义为个体在没有明确解决方案的情况下，利用认知过程来理解和面对真实的、跨学科的问题情境并寻求解决方案的能力[6]。本文主要从一般问题解决的过程进行研究与分析，一般问题解决过程即解决问题时个体所涉及的认知过程。不同的研究者对于个体在一般解决问题时的认知过程的理解是不同的，但也有很多共同之处。其中，最为典型的分析就是PISA 2012将问题解决过程概括为四个方面，分别是探索与理解（Exploring and understanding）、
表征与建模（Representing and formulating）、计划与执行（Planning and executing）、监控与反思（Monitoring and reflecting）[7]。
STEAM教育的教学过程中的关键步骤与问题解决的一般过程是相符的，两者的联系如图1所示。STEAM教学过程的“确定问题”环节与一般问题解决过程的“探索与理解”“表征与建模”两大环节相对应;STEAM教学过程的“规划”“尝试”环节与一般问题解决过程的“计划与执行”环节相对应;STEAM教学过程的“修改”“交流”环节与一般问题解决过程的“监控与反思”环节相对应。由此可以得知，利用STEAM教育理念培养学生的问题解决能力是可行的。
3 STEAM教育理念下的问题解决能力培养策略与教学案例
STEAM教育理念下培养问题解决能力的策略 由以上分析可知，在STEAM教育教学过程中可以培养学生的问题解决能力，因此，为了更好地培养学生的问题解决能力，可以基于STEAM教学过程的五个步骤和问题解决能力的四大过程重新设计一个教学过程来引导学生，培养学生的问题解决能力，具体如图2所示。每个环节会在相应程度上锻炼他们的问题解决能力，因为问题解决的四个过程也是个体认知的过程，可以看作问题解决能力需要具备的能力。基于此，本文将问题解决的四大过程作为问题解决能力需要培养的四大方面能力，进行教学过程设计。
教学过程的设计共有四个环节，分别是设置情境与引入问题、知识建构与分解问题、头脑风暴与任务执行、交流与反思。学生的活动分别是发现问题、分析并确定问题、制定解决方案并执行、修改与交流。问题解决过程中的四大能力分别是探索与理解、表征与建模、计划与执行、监控与反思。
1）“设置情境与引入问题”环节，教师给学生展示PPT或視频，导入本节课的内容，引导学生进行讨论;学生进行思考，发现并提出问题。该环节可以培养学生的探索与理解能力。
2）“知识建构与分解问题”环节，教师进行必要知识点的讲解，并引导学生进行知识建构;学生通过知识建构，梳理问题的关系，分析并确定问题。该环节可以培养学生的表征与建模能力。
3）“头脑风暴与任务执行”环节，教师出示任务卡与提供教学材料，巡视并引导学生;学生分组进行讨论分析，制订解决方案并执行。这个过程可以培养学生的计划与执行能力。
4）“交流与反思”环节，教师提供自我评价表与他人评价表，对小组的方案或成品进行点评;学生对成品进行修改、展示与交流。这个过程可以培养学生的监控与反思能力。
这一设计有利于全面培养学生的问题解决能力。其中，在整个教学过程中还会涉及一些教学资源的设计，如任务表、评价量规等。
STEAM教育理念下培养问题解决能力的教学案例 根据以上分析，本文对STEAM教育理念下培养问题解决能力的教学过程进行了设计。案例选自科学课“保护鸡蛋”的教学，通过设计保护高空坠下的鸡蛋来体验工程设计中的冗余与容错思维。这种活动的设计答案不唯一，学生可以发散思维，寻找最佳的解决方案。这一过程的设计可以针对性地培养学生的问题解决能力。本案例的课程内容设计融入了工程、物理、艺术和生物的知识，教学过程的四大环节如下。
1）“设置情境与引入问题”环节。教师给学生播放蹦床运动、高空抛物、建筑工地保护、伞兵跳伞、宇宙飞船降落等视频导入本节课的内容，通过“高空坠落的物品会怎样？从高空中洒下一桶水会伤人吗？视频中提到了哪些减缓坠落的方法？这些方法的原理是什么”等问题，引导学生进行讨论;学生进行思考，发现并提出问题。通过这个环节培养学生的探索与理解能力。
2）“知识建构与分解问题”环节。教师进行冗余与容错知识点的讲解，进一步分析视频中的减缓坠落方法并引导学生进行知识建构;学生通过知识建构，梳理减缓坠落的方法及其原理，分析并确定可以有效减缓坠落的最优方法，从而培养学生的表征与建模能力。
3）“头脑风暴与任务执行”环节。教师出示任务：
以小组为单位，制作一个地面缓冲装置，使鸡蛋从三米高的地方落下不会碎。先进行方案设计，再领取材料制作。
学生分组进行讨论分析，教师巡视并通过“缓冲装置软点儿好还是硬点儿好？如果你把装置做成蹦床，可能会出现什么问题？怎样防止这些问题”等问题，引导学生制定解决方案。各小组做好后依次进行三次实验并记录实验效果。这个过程可以培养学生的计划与执行能力。
4）“交流与反思”环节。各小组根据实验记录修改缓冲装置并展示介绍自己小组的缓冲装置原理及设计思路，教师提供自我评价表与他人评价表，对小组的缓冲装置进行点评，学生对缓冲装置进行修改、展示与交流。这个过程可以培养学生的监控与反思能力。
4 结语
随着STEAM教育、创客教育等新型教学模式的出现，问题解决能力的培养模式也有了新的发展。本文认为STEAM教育理念下培养问题解决能力，应结合STEAM教育理念，有机融合多门学科的知识，设置教学情境导入，打破学生的固定思维局限，利用情境化培养学生解决问题的能力;同时注重培养学生的动手操作能力，使学生在动手过程中发现问题的本质，掌握解决问题的方法并灵活解决问题。在教学情境取材的时候要注意联系实际生活中的问题，这样有利于引导和帮助学生学会解决实际生活中的真实问题，提高他们解决动态型问题的能力。
参考文献
[1]陈琦，刘儒德.当代教育心理学（修订版）[M].北京：北京师范大学出版社，2007.
[2]马云鹏.小学数学教学论[M].4版.北京：人民教育出版社，2013.
[3]李光树.小学数学教学论[M].北京：人民教育出版社，
2003.
[4]赵慧勤，王兆雪，张天云.面向智能时代“4C能力”培养的创客课程设计与开发：基于STEAM理念的实施路径[J].远程教育杂志，2019，37（1）：104-112.
[5]STEM与计算思维[DB/OL].http：//mp.weixin.qq.com/s/_6bIR5z0V29IJlPWA4_AqA.
[6]OECD.The PISA 2003 Assessment Framework： Mathema-
tics， Reading， Science and Problem Solving Knowledge
and Skills[R].Paris（France）： Organisation for Econo-mic Cooperation and Development Publishing，2003.
[7]OECD.PISA 2012 Assessment and Analytical Frame-work： Mathematics， Reading， Science， Problem Solving and Financial Literacy[R].Organisation for Economic Cooperation and Development Publishing，2013.
