STEM教育背景下小学生问题解决能力培养课程设计
王蕊 詹镜 焦新月 范淑文 王培鑫
我国发布的《中国STEM教育白皮书》将STEM教育纳入国家创新性人才培养战略，强调构建系统化的STEM课程。[1]STEM教育注重学生学习与实际生活之间的联系，强调“做中学”“学中做”的教学理念，注重开展基于真实问题情境的探索式学习。[2]虽然STEM立足于真实问题情境，但是现有的STEM课程缺乏对学生问题解决能力的培养。因此，本文结合王一敏等人提出的STEM理念下中小学生问题解决能力培养模型，设计主题为“神奇的航海寻宝之旅”的STEM课程，以期通过实际课程培养小学生问题解决能力。
● 文献综述
1.STEM教育
STEM教育旨在通过科学、技术、工程和数学四门学科的有机整合，培养学生的STEM素养，即让学生能够综合运用科学、技术、工程和数学等相关领域知识解决生活中的实际问题，从而培养学生的创新能力和综合实践应用能力。[3]从特点来看，余胜泉强调STEM以整合的方式培养学生掌握知识和技能，能让学生灵活迁移应用解决真实世界的问题，并提出了STEM教育的九个核心特征：跨学科性、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性。[4]
2.问题解决与问题解决能力
从问题解决的含义来看，问题解决是指学生在特定的情境下，按照一定的目标，运用所学的知识对面临的问题采取一系列措施，使问题得以解决的过程。[5]从问题解决能力的培养来看，方慧惠结合中小学生核心素养，制订了中小学生问题解决能力培养目标，从教学过程中创设情境，引起学生问题意识，加强问题解决实践，促进中小学生养成问题解决能力。[6]
3.基于STEM教育培养问题解决能力
STEM教育中，强调利用多学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限，从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力的教育目标，这些问题往往是真实的，并将问题转化为可执行的任务，让学生通过协作完成学习任务并外化学习结果。[4]根据目前在跨学科真实情境中解决问题的实践研究，可以看出STEM教育对中小学生问题解决能力培养有以下支持作用：①创设真实情境，聚焦学习目标;②提供多元工具、交叉学科知识;③群组互补交互，促进互动协作。[7]因此，STEM教育对学生问题解决能力的培养有积极作用，让学生通过协作，切身感受问题解决流程，完成教学任务并切实学习跨学科知识。
目前STEM教育在我国蓬勃发展，在理论研究、跨学科教学设计以及课程建设等方面取得了丰硕成果。在STEM教育背景下学生问题解决能力培养的研究也有一定进展，如樊雅琴等人通过分析问题解决的学习机制，设计了问题解决模型[8];秦瑾若等人提出基于真实问题情境的跨学科式STEM教育的应用模式设计[2];王一敏等人构建了基于STEM理念的中小學生问题解决能力培养模型。[7]但是，将STEM教育融入我国基础教育还存在很多挑战，如何在实际课程中基于STEM教育培养学生的问题解决能力仍然值得我们探索。
● 基于问题解决能力培养的STEM课程设计模式
STEM教育是一种典型的建构主义教学实践：为学生提供学习情境，让他们积极地建构知识，从而强化对知识的记忆和促进迁移;以小组为单位进行活动，为知识的社会建构提供优越条件。[9]因此，STEM课程的教学活动环节设计需要满足建构主义教学实践的几个基本要求：①学习情境;②待学习的知识或待解决的问题;③小组合作探究。
问题解决是一系列的心理认知过程，为了寻找解决问题的途径，学生需要经过一系列思维活动，运用多学科知识，将其应用到具体的问题情境中。[7]因此，在培养学生问题解决能力时，应面向每一个环节进行设计，注重情境的创设和跨学科知识的融合，这与STEM教育的教学理念相辅相成，将二者有效融合，能够很好地培养学生的问题解决能力和跨学科整合学习能力。
本文将STEM跨学科项目设计模式中的学习活动过程设计环节与学生问题解决能力的培养紧密联系，结合STEM项目设计模式[4]以及STEM理念下中小学生问题解决能力培养模型[7]，得出一种基于问题解决能力培养的STEM课程设计模式（如图1）。本模式在“教学分析”的基础上，以“问题”为核心立足点，设计问题解决过程中的学习资源与工具、学习支架、学习评价等关键环节，并参考问题解决能力培养模型设计学习活动过程，同时关注项目完成后，学生获得知识的系统化与结构化迁移，并有相应的强化练习与总结提升，引导学生做中学，以培养学生在真实情境中运用知识解决问题的能力。
● 基于问题解决能力培养的STEM课程教学设计案例
1.确定项目主题
（1）项目主题阐述
本套课程以“神奇的航海寻宝之旅”为主题，共设计6个课时的系列课程。结合科学、技术、工程及数学知识，将学生置身于真实的情境中，利用编程学习中的“顺序结构”“条件判断语句”和“循环结构”知识，同时结合位置、坐标、方位角等知识，组织学生合作探究，让学生解决问题，完成寻宝任务，在此过程中逐步培养学生的问题解决能力。
（2）跨学科知识地图分析（如下页图2）
（3）学生特征分析
本套课程面向小学六年级学生，首先，学生具有一定的图形化编程基础，学习态度端正，养成了一定的学习习惯;其次，学生对实际的探究问题有浓厚的兴趣，愿意尝试新奇的课程;最后，部分学生动手操作能力较差，独立解决问题的能力偏弱，需要教师和同伴的引导进行学习。
2.分解教学任务
（1）最优路线选择
学生通过教师给定的宝物位置和行驶起点，根据mBlock平台的积木代码，编程实现理想化状态下起点与宝物之间的最短路线。
（2）礁石问题
学生通过学习礁石的形成原因，分析如何在行进过程中躲避礁石，得出躲避礁石路线，并使用mBlock编程平台实现礁石的躲避路线。
（3）台风问题
学生通过学习台风的形成原因及危害，利用数学知识解决台风躲避问题，运用编程实现小船的信息传递行驶路线。
3.教学活动设计
（1）活动一：最优路线选择（80min）
本环节通过最优路线的选择，让学生应用知识，将知识与实际问题的解决联系起来，根据问题的实际情况提出相应的解决方案，以培养学生的创新精神与实践能力。
①发现问题。教师为学生陈述问题情境：假设你在海上航行时发现了一个宝物，请设计两种方法让你的船到达宝物所在处。学生通过教师的讲述了解了问题情境，明确了要解决的问题。
②分析问题，合作探究。学生通过分析问题，分解教学任务，指出小船到达宝物所在处的两种路线。通过教师的问题引导，学生思考如何让小船按照一定的距离和方向连续运动，并尝试通过编程实现运动。
③确定问题解决方案，修订方案。学生按照小组讨论的方法进行编程，使小船按照两种路线抵达宝物所在处。在规定时间到达后，教师展示正确的代码，让学生思考哪种路线更短，并讨论实现最短路径的编程方法，修改完善问题解决方案，以拓展学生的思维能力。
④总结反思。教师带领学生总结本节课所学知识，并明确两点之间线段最短。学生独立完成课堂反思记录表，来及时反思本节课的问题解决过程。
（2）活动二：礁石问题（80min）
本环节旨在让学生整合各学科知识解决实际问题，学生通过独立思考、小组合作的方式，探究问题的解决方案，教师在这一过程中为学生提供必要的帮助，逐步引导学生运用所学的颜色传感器、条件判断语句解决实际问题，以培养学生的协作能力、交流能力、问题分析能力。
①发现问题。教师请学生观看礁石形成视频，然后陈述问题情境，学生观看完视频后，倾听教师的陈述，独立思考问题。
②分析问题，合作探究。教师帮助学生分析问题，构建问题解决的思路，学生合作探究问题，分析礁石的特点以及如何实现小船在行进过程中的礁石识别。学生通过独立思考，发现可以使用颜色传感器判断礁石的出现。小组讨论，得出判断是否可以使用条件判断语句躲避行进途中的礁石。
③确定问题解决方案，修订方案。各小组为小船连接颜色传感器，设置黑色为预警颜色，当颜色传感器识别出黑色时，代表行进前方有礁石出现。编写条件判断语句，并将程序输入小船，以达到当颜色传感器识别到黑色时，小船立即停下的目的。在确定方案之后，小组各自进行实践，确保小组所设计的程序能够实现小船车躲避障碍物并停下。最后，根据教师给出的范例进行解决方案的修改、调试，以实现最终的问题解决方案。
④总结反思。教师总结条件判断语句知识点;学生将自己小组的方案与教师呈现的方案进行对比，复盘整个问题解决过程，并完成课堂反思表。
（3）活动三：台风问题（80min）
本环节是上一环节的递进，也是将数学（位置与方向）、科学（台风）、编程等知识融合的关键环节。本环节将实际知识与真实问题结合，发挥学生问题解决的主体作用，引导学生运用所学的传感器、顺序结构、条件判断语句解决实际问题，逐步培养学生解决问题的能力。
①发现问题。教师让学生观看台风的危害视频，然后陈述问题情境，学生观看视频，倾听教师的陈述，思考问题。
②分析问题，合作探究。教师引导学生分解问题，合作探究问题，分析其中所需的知识。通过小组讨论，得出小船行进方案，并利用礁石判断程序检测行进途中的礁石。
③確定问题解决方案，修订方案。首先计算出小船的临界速度，然后检测行进途中的礁石。之后编写程序，并输入小船，使小船按照临界速度行驶。最后，小组交流，各小组针对教师提出的修改建议进行解决方案的修改、调试，以实现最终的问题解决方案。
④总结反思。学生复盘问题解决过程，小组成员之间进行交流讨论，总结各自的意见观点并完成课堂反思表。
4.教学支持文档设计
学习活动指导资源：Mbot小船的构件、组装参考材料、坐标纸、宝藏模型、组装好的小船。
学生学习记录文档：活动中的小组合作任务单及课堂记录反思表。
学生自主学习评价表格：问题解决能力调查问卷、问题解决能力调查量表、数学方向角及位置坐标基础知识测验、小船基础出行语句模块测试。
● 结语
本文结合STEM项目设计模式以及STEM理念下中小学生问题解决能力培养模型，得出了一种基于问题解决能力培养的STEM课程设计模式，在问题解决过程中贯彻跨学科整合理念，引导学生做中学，以培养学生在真实情境中运用知识解决问题的能力。
根据此模式，为学生创设情境，立足于真实的航海问题，设计需要整合各学科知识内容解决的问题，通过mBlock编程平台，融合各学科教学内容，结合问题解决能力培养模型的步骤，设计相应教学环节，形成本套课程。整套课程的设计过程与STEM项目设计模式相符，将各学科的知识进行整合，促进学生知识运用能力、问题思考能力、协作探究能力的提升。
本团队在后续研究中会继续将此模式应用于实践中，并针对实际应用中存在的问题，不断进行完善与修改，从而将STEM教育与各学科课程内容的整合落到实处。
参考文献：
[1]中国教育科学研究院.中国STEM教育白皮书[EB/OL].http：//www.ict.edu.cn/uploadfile/2018/0507/20180507033914363.pdf， 2017-06-20.
[2]秦瑾若，傅钢善.STEM教育：基于真实问题情境的跨学科式教育[J].中国电化教育，2017（04）：67-74.
[3]蔡苏，王沛文.美国STEM教育中社会组织的作用及对我国的启示[J].中国电化教育，2016（10）：74-78.
[4]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，2015，21（04）：13-22.
[5]Paris（France）.The PISA 2003 Assessment Framework： Mathematics， Reading， Science and Problem Solving Knowledge and Skills[M].The PISA 2003 assessment framework： mathematics， reading， science and problem solving knowledge and skills. Organisation for Economic Co-operation and Development， 2003：199.
[6]方惠慧，覃兵.核心素养视野下中小学生问题解决能力审视与培养策略[J].科教导刊（下旬），2017（06）：153-154.
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[9]Sanders，M.（2009）.STEM，STEM education，stemmania[J].The Technology Teacher，68（04）：20-26.
