智慧教育背景下的STEM课例教学活动设计案例研究
刘琦孔晶
摘要：随着技术的高速发展以及智慧教育的出现，未来的就业和社会发展对人才提出了新的要求。STEM教育的出现能帮助我们在教学中更好地培养未来人才，因此STEM课程案例的开发成为当下的重点。作者从第一届粤港澳促进STEM教育大会中的STEM教学设计案例入手，通过主题界定、目标、过程、学习活动支架设计、作品创作、评价等维度对课程案例进行分析，找出课例教学设计中存在的共同点，并在当前STEM课程教学设计案例的基础上，提出在智慧教育背景下设计STEM课程的若干建议，以期为同行提供借鉴。
关键词：智慧教育;STEM课例;案例分析;教学活动设计
中图分类号：G434? ? ? ?文献标志码：B? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）08-0030-04
一、引言
随着物联网、AI技术的发展，人们的生活和生产方式正在发生着巨大的变化，未来社会的发展对人才提出了新的要求。21世纪的人才要想在快速发展的社会中拥有更强的核心竞争力，就必须具备不断掌握新知识与技能的能力，以处理日益复杂的问题，因此也特别需要具备从数字媒体中快速获取信息的能力。从各国的经验来看，不难发现STEM教育有助于培养探究能力、信息处理能力、创新意识等未来人才所必备的技能和能力，以帮助他们更好地适应未来快速发展的社会需要。
当前，各国都在进行新一轮的技术创新和产业升级，想要在竞争中胜出只能不断提高自身的竞争力，因此各国政府都十分重视人才的培养。世界经济论坛发布的《2019全球竞争力报告》中，新加坡排名第一，成为了最具竞争力的国家，美国排名第二，中国排在第二十八位[1]。2019年7月24日，世界知识产权组织（WIPO）发布的2019年全球创新指数（GII）中，美国排第三，英国排第五，中国排在第十四位[2]。但即使是排名比较靠前的美国也相续出台了一系列的人才培养政策，如《STEM 2026：STEM教育创新愿景》报告等等[3]。近年来我国也在不断地推动着STEM教育的发展。在当今信息时代，只有真正将STEM的理念注入到教学中，才能培养出符合新时代社会需要的相关人才。
二、STEM教育与智慧教育
1.STEM教育
STEM教育最早出现在1986年美国国家科学委员会发表的《本科的科学、数学和工程教育》报告中，此后STEM教育开始慢慢被世界各国所熟知。我国教育部在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中也明确要求“探索STEM教育、创客教育等新教育模式，使学习者具有较强的信息意识与创新意识” [4]。
STEM教育着重强调跨学科学习，将四门学科知识内容重构后形成一个新的整体，在整个教学过程中以解决问题为任务，在解决问题的过程中教会学生综合运用相关技能以及学科知识，将新旧知识与技能进行重新建构，促进学生自主进行深度学习和探究性学习，以此提高学生解决问题的综合能力和培养学生的创新思维。
2.智慧教育
当今智能化技术不仅影响着人类的生活、出行以及工作方式，也在悄悄地改变着人类的教育、学习乃至思维方式。智能化技术的出现，引领教育逐步走向智慧教育阶段。我们更要合理、有效地应用现代技术来提高课堂的教学效率以及学校的教育质量，为未来社会培养符合社会需求的创新型人才。
2018年4月，教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》中明确提出：以教育信息化支撑引领教育现代化，是新时代我国教育改革发展的战略选择，对于构建教育强国和人力资源强国具有重要意义[5]。
三、STEM课例教学活动设计分析
1.研究问题
要想真正将STEM教育落到实处，STEM课程案例的开发是重中之重。随着STEM教育的发展，我国的STEM课程案例也在不断增多，对已有的STEM课程案例进行分析能帮助我们吸取别人的优点，设计出更适合自身发展的STEM课程。
2.研究目标
随着信息技术的发展，学生学习的方式也发生了翻天覆地的变化，不再是单一地在教室里听教师授课，还涉及到动手实践部分。虽然基于智慧校园的建设，使我们有了较好的资源支持，但我国的中小学生在动手实践、操作方面的能力相对于理论知识来说比较薄弱。目前，在我国的《义务教育小学科学课程标准》中已经加入了技术与工程领域的内容，这意味着国家开始重视学生工程设计思维的培养，也意味着将科学、工程、技术等整合在一起的STEM课程将逐渐应用于教学当中。
笔者从第一届粤港澳促进STEM教育大会（以下简称“大会”）中的STEM教学设计案例入手，通过主题界定、教学目标、教学过程、学习活动支架设计、作品创作、评价等维度对课例进行了深入分析，通过分析课例教学设计中存在的共同点，提出了在智慧教育背景下设计STEM课程的若干建议。
3.研究方法
文献研究法主要是指通过搜集、整理相关文献资料，并对文献的研究形成科学且客观认识的研究办法。在本文中主要是对有关STEM教育的文献进行搜集、整理、汇总，加深对STEM教育理念的理解，为后续的分析提供理论支撑[6]。
案例分析法是结合文献资料对某一对象进行分析，得出事物的一般性、普遍性规律的方法。在本文的撰写过程中，笔者收集了大会中的STEM教育教学设计案例文集，根据教学设计案例中存在的一些共同点进行了分析、总结[7]。
4.数据收集
笔者通過大会共收集到29个案例，其中包括香港地区2个、澳门地区1个以及广东地区26个。
5.数据分析
（1）主题界定
通过分析29个STEM项目的主题，发现基本都是基于现实生活中的问题来确定项目主题，学生通过项目主题能够明确自己的学习目标，也清楚最终项目作品的展现方式。这样有助于学生明确自己每个学习阶段的学习任务以及目标，也有助于项目的顺利开展。比如，珠海梅华中学的《奇妙乐音之自制水杯乐器》，学生一看到项目标题就清晰地知道项目最终的成品是制作水杯乐器，在这个过程中还会学习到声学知识、乐理知识等，利用工程思维设计制作乐器，这样有明确目的地进行学习将有助于优化课堂教学效果，提高课堂教学效率。
（2）教学目标分析
项目设计中的教学目标大部分是按照STEM目标进行撰写，从科学、技术、工程、数学四个方面的知识目标、能力目标进行分析，将项目中相关的知识点融入STEM目标当中。本次教学设计文集中，教学目标分析部分能与培养学生的核心素养相贴合，科学与数学目标中学生通过项目习得了基本的学科知识;技术目标的设立有助于培养学生的科学精神，帮助学生学会学习;工程目标的达成过程中又帮助学生形成了工程思维以及问题解决能力，进一步激发了学生的创造力。
例如，佛山吉利小学的《搭建温室》一课，在教学STEM目标分析中每个方面都有对应知识与能力的培养。学生通过参观温室、阅读相关材料，了解温室的相关知识;通过温度、光照对植物生长的影响实验，认识到适宜的温度和光照有利于植物的生长;在温室搭建方案设计和搭建、测试、分析、改进的过程中，亲身体验了完整的工程设计、制作流程，培养了学生的工程思维以及创新能力;通过实地考察并设计温室生态空间模型，加深了对新型农业的认识。通过项目的学习，学生不仅掌握了基础的学科知识，也提高了问题解决的能力，培养了他们的科学探究精神以及实践创新能力。
（3）教学过程设计
教学设计文集中采取的教学方式都是项目式学习，项目式学习中融入STEM理念，帮助学生通过一个统整项目学习多学科知识，有利于学科知识进行融合，扩大了学生的知识面。在教学过程设计中，港澳地区的案例按照课题导入（头脑风暴、确定问题）→知识学习、科学探究与应用活动→工程规划与技术制作活动→创意活动→学习评价等几个环节开展学习，学生在教师的引导下思考问题、发现问题、解决问题，让学生们想学、会学、懂学。而广东地区的教学活动一般按照生活问题导入，需求分析→知识学习，问题研究→提出解决方案，设计作品→测试作品，修改、完善作品→评价反思等环节开展项目式学习活动。
文集中教学设计案例在教学过程中渗透着STEM的5E教学模式（参与Engagement、探究Exploration、解释Explanation、加工Elaboration 、评价Evaluation，简称5E），引导学生运用工程思维设计制作作品，帮助学生在无意识的情况下形成工程思维。
（4）学习活动支架设计
关于学习活动支架设计，教师在课堂上通过提供学习指导的资料，把管理学习的任务逐渐从教师角色转移给学生，学生掌握、建构、内化为自己的能力后教师撤去支架，学生能从事更高层次的学习活动，学生在这样的学习活动中能更多地对学习进行自我调节。
在29个教学设计案例文集中，仅有30%的教学设计文集涉及到学习活动支架设计。学习活动支架设计中一般包含课时安排、课程安排、课程目标、教师引导方式方法、学生收获分享与交流五个方面的内容。在整个学习活动过程中，教师担任的是引导者的角色，教师在项目过程中可以通过带领学生实地考察、提供材料、帮助学生确定主题等行为帮助学生完成整个项目的学习，并在最后的评价交流分享环节充当主持的角色，在项目的开始介绍STEM课程，在项目结束时强调总结项目的重点知识内容，学生通过学习支架的帮助，习得新的技能、新的知识，收获经验。
（5）作品创作设计
在作品创作设计方面，主要分析最终呈现的作品方式，在整个案例文集中，共有24个项目的最终成品是一个实物作品，5个项目的成品是活动方案或者调查报告，共有80%的STEM教学设计是以作品为最终目标导向的。在STEM教学设计中，教师更偏向于将理论知识与现实生活相结合，激发学生学习动机，让学生在做中学，自己参与完成作品的诞生，发挥他们在课堂上的主体作用。
（6）教学评价设计
在项目的教学评价环节，一般采用多元学习活动评价的方式。评价指标中包含基础知识、项目日志、设计与制作、项目成果汇报、团队合作能力等，评价者分为自评、他评以及师评。上面描述的是整个大项目完成之后的评价，在完成项目的过程中还有学生们每节课结束之后进行经验分享与交流，同时学生们还会在每个环节结束之后完成一张学生学习反思PMIQ表，P（Plus）指学生已经学懂的知识、M（Minus）指学生还未学懂的知识、I（Interest）指学生还想继续关注的知识、Q（Question）指学生仍然存在疑问的问题，填写PMIQ表能够帮助教师及时了解学生的学习情况，及时调整课程学习资源，提供真正符合学生需求的学习资源，在课堂上引导学生思考，帮助学生完成项目。
四、研究结论
在教学目标分析方面，主要按照STEM的四个方面来阐述教学目标，其中也融入了当前所提倡的核心素养，但是在阐述目标时仍有不足，每个方面目标表达的内容可以根据核心素养中提到的文化基础、自主发展、社会参与三大维度再进行细分，添加与学生学习、生活相关的目标内容，帮助学生明确了解这个课程的作用是什么。哪些技能能够真正地运用到我们的日常生活中。这样的目标才能更具科学性，也更贴切生活与社会对人才的需求。
在教学过程设计方面，教学模式均采用项目式学习。在学习活动开展之前，教师会提供相应的学习活动支架，学生通过解决生活中的真实问题，完成个人的知识建构，培养学生的工程思维能力和创造力，提升学生的学习、生活技能。相比于传统的课堂，STEM课堂的教学过程除了关注学生的认知发展特点外，更关注学科之间的知识联系，学生在完成项目的过程中不知不觉地完成了知识的建构，形成个人的知识网。教学评价环节在整个教学过程中也起著十分重要的作用。本次教学案例文集中，教学评价环节大都采用了多元、多维的评价方式，其中的PMIQ表对于课堂教学的促进以及激发学生学习的积极性有着重要的影响。
五、建议
1.注重各学科知识之间的联系，充分发挥各种学习资源的作用
传统的课程目标往往是分科制定，但在制定STEM课程目标时需要考虑各个学科要素之间的关系。STEM教育最重要的目标就是使学生能够将学习到的零散知识串联起来去处理问题，从而在整个过程中提升学生的创新能力和综合实践能力。在进行课程设计时，要注意运用信息技术手段，为学生提供多种形式的学习资源，学生通过项目的学习重新建构知识，拓宽个人知识面。
2.选择贴近学生生活、合适的课程内容
目前我国的STEM课程并没有专门的课程标准，课程内容也没有统一规定。STEM课程一般采用项目式学习方式，以生活中的真实情境问题激发学生的学习兴趣。要解决生活中的问题需要多门学科知识的配合，因此教学内容的选择要尽量贴近学生的实际生活，教师可以在此基础上结合相关学科知识进行课程内容的设计，让学生有自由发挥的空间。比如，在工程与技术领域讲解相关工程的内容时，可以与物理的机械运动内容结合起来，并将机械运动的某些装置带到课堂让学生体验，帮助学生理解相关的抽象知识。
3.注重提高学生的课堂参与度和合作學习的能力
传统的课程教学往往是教师在课堂上向学生单向地传递知识，学生缺乏课堂的参与感。而STEM课程是以学生为主体，在课堂上要求学生“动”起来，课程往往是以问题或者项目为任务导向，工程设计思维贯穿整个教学过程，最终呈现一个产品或者是一个问题的解决方案，这就要求教师在教学过程中重视学生的参与程度以及团队合作能力，学生只有真正地参与到课堂当中，在团队中能够表达自我、与同学互相合作，才能真正地爱上STEM课程，才能真正地获得知识与能力。
4.搭建相关的STEM课程资源网站
课程资源能够帮助教师加快推动课程的实施，随着信息技术的不断发展，课程资源也逐渐走向网络化。美国的STEM课程在线平台为其STEM教育提供了最新的STEM信息和优质的STEM课程资源，在全美范围内共享资源。虽然我们可以从国外引进资源，但国外的资源不一定适合我国的教学实情，国内也有不少中小学开展了STEM课程教学，国家可以搭建相关的STEM课程资源网站，让不同的学校将自己开发的STEM课程上传到该平台上共享，与此同时也能在别人的基础上进行二次开发，从而不断促进我国STEM教育的发展。
参考文献：
[1]世界经济论坛.世界经济论坛发布《2019全球竞争力报告》[EB/OL].https：//mp.weixin.qq.com/s/cx9B-5ad34IUw67s8r8N0w.
[2]国家知识产权局.全球创新指数2019：中国排名再创新高[DB/OL].http：//www.sipo.gov.cn/zscqgz/1140826.htm.
[3]王素.《2017年中国STEM教育白皮书》解读[J].现代教育，2017（7）：4-7.
[4][美]罗伯特·M·卡普拉罗、[美]玛丽·玛格丽特·卡普拉罗、[美]詹姆斯·R·摩根编，王雪花、屈梅译.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：上海科技教育出版社，2016.
[5]教技[2018]6号.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[Z].
[6]阚雯雯.基于STEM的高中生物拓展课程的设计和实践研究[D].徐州：江苏师范大学，2018.
[7]苗梦莹.美国STEM课程案例及其启示研究[D].徐州：江苏师范大学，2018.（编辑：李晓萍）
