趙超鴻

STEM是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathmatics）四門學(xué)科整合而成的，它以設(shè)計(jì)和探索為目的，并對技術(shù)問題進(jìn)行科學(xué)的探索。STEM課程的培養(yǎng)目標(biāo)中包含了科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)等方面，這和新課改倡導(dǎo)的核心素養(yǎng)不謀而合。

STEM是在建構(gòu)主義理論基礎(chǔ)上提出來的，它強(qiáng)調(diào)的是跨學(xué)科的課程融合，追求的是知識建構(gòu)的過程。它認(rèn)為學(xué)習(xí)是現(xiàn)實(shí)世界上萬事萬物在實(shí)踐過程中與頭腦中的知識體系的關(guān)聯(lián)，STEM摒棄知識灌輸逐漸形成了新的教學(xué)方式：讓學(xué)生通過教師的導(dǎo)引，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為載體，與同伴分享自己的想法；通過探究、合作等方式完成他們感興趣的、源于生活的項(xiàng)目，并從中構(gòu)建各學(xué)科和跨學(xué)科的知識。由此可見，STEM教學(xué)具有跨學(xué)科、趣味性、情境性、合作性等特征，不僅能讓學(xué)生將結(jié)構(gòu)化的知識應(yīng)用到非結(jié)構(gòu)化的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，完成知識的構(gòu)建，還能激發(fā)學(xué)生的靈感，培養(yǎng)他們的創(chuàng)客思維。

作為一種綜合的教學(xué)模式，STEM教學(xué)不僅要求教師具備跨學(xué)科的知識融合能力，還要求學(xué)生具備跨學(xué)科合作學(xué)習(xí)的能力，在合作中互動，在探究中學(xué)習(xí)，所以STEM教學(xué)最能抹平知識理論與社會經(jīng)驗(yàn)之間的鴻溝。在STEM教學(xué)中，教師以STEM的項(xiàng)目教學(xué)作為載體，運(yùn)用適當(dāng)工具和配套資源，促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過作品的生成來展示自己的學(xué)習(xí)成果，分享給教師、同伴。

作為STEM教學(xué)的載體，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要符合STEM的教學(xué)理念，具體來說，項(xiàng)目不僅要具有一定的情境性、趣味性，符合學(xué)生的生活體驗(yàn)，具有跨學(xué)科知識融合的特征，更要使學(xué)生容易解構(gòu)成S.T.E.M各門學(xué)科的子項(xiàng)目，以達(dá)到引領(lǐng)其開展意義學(xué)習(xí)的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，項(xiàng)目更類似于自然狀態(tài)下的實(shí)際應(yīng)用，具有知識體系的劣構(gòu)性，所以教師在選定項(xiàng)目的同時(shí)，還要關(guān)注項(xiàng)目的可解構(gòu)性，將劣構(gòu)的知識體系結(jié)構(gòu)化，這樣有助于減輕學(xué)生的知識負(fù)擔(dān)，幫助學(xué)生良性地建構(gòu)知識。下面以“設(shè)計(jì)Arduino音樂播放器”為教學(xué)案例，分別從教師和學(xué)生兩個(gè)角度論述STEM模型下的課堂設(shè)計(jì)。

● 教師的教學(xué)設(shè)計(jì)

圖1是筆者在使用STEM進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的流程圖。教師在實(shí)施STEM教學(xué)前，要做好學(xué)情分析、確定教學(xué)目標(biāo)、編寫導(dǎo)學(xué)案、制作預(yù)設(shè)作品等環(huán)節(jié)。

1.學(xué)情分析

在STEM教學(xué)中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，他們的學(xué)習(xí)狀況會隨著時(shí)間、教師、環(huán)境的不同而呈現(xiàn)出差異，這就要求教師在備課的時(shí)候必須了解學(xué)生的具體情況，分析他們在課上可能出現(xiàn)的狀況，并找出相應(yīng)對策，這是確定教學(xué)目標(biāo)的重要依據(jù)。筆者所教的是高一年級的學(xué)生，他們是時(shí)代的弄潮兒，也是科技的發(fā)燒友，經(jīng)常腦洞大開，呈現(xiàn)一些意想不到的創(chuàng)意。他們認(rèn)為學(xué)習(xí)必須是有“意義”的，最好社會需要什么就學(xué)什么，甚至想，如果能通過眾籌的方式集資開發(fā)一個(gè)項(xiàng)目，解決一個(gè)社會問題，那該多么有趣啊。

2.確定教學(xué)目標(biāo)

與傳統(tǒng)的知識體系教學(xué)不同，項(xiàng)目教學(xué)中的項(xiàng)目是劣構(gòu)的，是源于現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)應(yīng)用。項(xiàng)目中隱含的知識體系是非結(jié)構(gòu)化的，這需要教師根據(jù)學(xué)情分析和教學(xué)進(jìn)度確定教學(xué)目標(biāo)，這個(gè)目標(biāo)在教學(xué)過程中可能比較隱晦，但在教學(xué)設(shè)計(jì)中必須明確。此外，教學(xué)目標(biāo)還應(yīng)是學(xué)生階梯式向前跨一步的目標(biāo)，是能在課堂上通過自己的努力和同伴的幫助達(dá)成的目標(biāo)?？紤]到STEM的教學(xué)模型，STEM的教學(xué)目標(biāo)可以分解為S.T.E.M四個(gè)子目標(biāo)。

在本案例中，筆者充分考慮學(xué)生特征，以STEM為理論依據(jù)，在不同學(xué)科設(shè)計(jì)了不同的S.T.E.M子目標(biāo)，最后統(tǒng)一在“設(shè)計(jì)一個(gè)Arduino音樂播放器，播放器能實(shí)現(xiàn)隨機(jī)播放樂曲、隨時(shí)中斷播放、隨時(shí)啟動播放的功能”這個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)下。被分解的四個(gè)子目標(biāo)具體為：①理解單片機(jī)的音符是如何產(chǎn)生的，會用頻率表示不同的音符（S）。②理解中斷技術(shù)的原理，能在Arduino IDE中編寫中斷程序（T）。③能根據(jù)科學(xué)組的研究寫出程序，控制Arduino隨時(shí)播放、停止音樂，還能隨機(jī)播放歌曲（M）。④將科學(xué)組、技術(shù)組、數(shù)學(xué)組的研究成果整合，協(xié)調(diào)整個(gè)項(xiàng)目的完成（E）。

3.編寫導(dǎo)學(xué)案

教師要以教學(xué)目標(biāo)為線索，以分解出來的S.T.E.M子目標(biāo)為引導(dǎo)，撰寫出適合學(xué)生使用的導(dǎo)學(xué)案。導(dǎo)學(xué)案是實(shí)施STEM教學(xué)策略的抓手，也是STEM教學(xué)模式的落腳點(diǎn)，它能將一個(gè)教學(xué)目標(biāo)分解成四個(gè)子目標(biāo)，又能將四個(gè)子項(xiàng)目合成一個(gè)完整的項(xiàng)目。因此，STEM的導(dǎo)學(xué)案應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求分成四個(gè)，即科學(xué)組導(dǎo)學(xué)案、技術(shù)組導(dǎo)學(xué)案、工程組導(dǎo)學(xué)案和數(shù)學(xué)組導(dǎo)學(xué)案，分別對應(yīng)S.T.E.M的導(dǎo)學(xué)案。每個(gè)導(dǎo)學(xué)案都由自主學(xué)習(xí)、合作交流、設(shè)計(jì)制作和展示反饋四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，每個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，形成一個(gè)有機(jī)整體，最終為教學(xué)目標(biāo)服務(wù)。每個(gè)環(huán)節(jié)又由導(dǎo)和學(xué)兩部分構(gòu)成：導(dǎo)部分主要體現(xiàn)了教師在該環(huán)節(jié)對學(xué)生的要求，或者說是該環(huán)節(jié)的小目標(biāo)；學(xué)部分是為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)而由教師為學(xué)生設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)支架，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)支架開展意義學(xué)習(xí)。如果說S.T.E.M四個(gè)導(dǎo)學(xué)案是在空間上對項(xiàng)目人員的安排，那么每個(gè)導(dǎo)學(xué)案的四個(gè)環(huán)節(jié)就是在時(shí)間上對項(xiàng)目作業(yè)流水的安排，而導(dǎo)部分和學(xué)部分則是對教師主導(dǎo)課堂、學(xué)生主體學(xué)習(xí)的安排。

下頁表是筆者設(shè)計(jì)的技術(shù)組導(dǎo)學(xué)案。該導(dǎo)學(xué)案包含了技術(shù)組學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)重點(diǎn)、學(xué)習(xí)難點(diǎn)及學(xué)習(xí)步驟，其中學(xué)習(xí)步驟包括自主學(xué)習(xí)、合作交流、設(shè)計(jì)制作、展示反饋四個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)通過“導(dǎo)”的要求告訴學(xué)生通過什么手段能完成，通過“學(xué)”的要求告訴學(xué)生該環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容是什么。在設(shè)計(jì)導(dǎo)學(xué)案時(shí)，還要多關(guān)注一些難點(diǎn)如何解決，如合作交流中使用偽代碼描述一個(gè)例子，筆者一般會在設(shè)計(jì)中預(yù)先隱含一個(gè)例子，然后通過學(xué)習(xí)支架的形式給出一個(gè)參考答案，讓學(xué)生模仿完成，這有利于降低學(xué)習(xí)的難度。

4.制作預(yù)設(shè)作品

為了使學(xué)生更好地理解項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，教師在備課時(shí)有必要制作一個(gè)成品，以便學(xué)生情境化地進(jìn)入教師預(yù)設(shè)的狀態(tài)，更具體地理解教學(xué)目標(biāo)。

● 巧妙的分組策略

在STEM教學(xué)中，一個(gè)項(xiàng)目需要綜合運(yùn)用多個(gè)學(xué)科知識，所以我們根據(jù)STEM的學(xué)科特征，可以將學(xué)生分為科學(xué)組（S）、技術(shù)組（T）、工程組（E）、數(shù)學(xué)組（M）四個(gè)組，簡稱S.T.E.M組。這樣分組的巧妙之處在于，在合作交流環(huán)節(jié)，學(xué)生能形成團(tuán)隊(duì)合作、同伴互助的氛圍。但這樣的同質(zhì)分組不利于作品的設(shè)計(jì)，異質(zhì)分組則可以解決這個(gè)問題。只要在同質(zhì)分組的基礎(chǔ)上，在每個(gè)大組中抽出一位學(xué)生，以四個(gè)人為一組，那這個(gè)組中的每個(gè)人就必然是S.T.E.M組中的一員，這種分組方式有利于開展項(xiàng)目設(shè)計(jì)，因?yàn)槊總€(gè)人都有明確的課堂任務(wù)，都是項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的重要角色。

由此可見，學(xué)生在STEM課堂中既有互為同伴、互相交流的并行分組，又有互為因果、流水線式的串行分組，這種同一個(gè)角色在不同的場景中出現(xiàn)的分組方式充分體現(xiàn)了STEM教學(xué)理念的優(yōu)越性。筆者也在實(shí)際應(yīng)用中將這一分組策略付諸實(shí)踐，下頁圖2是筆者采用的教室分布圖。教室里擺放著四張大圓桌，對應(yīng)著S.T.E.M的四個(gè)大組；每個(gè)小組有四把椅子，分別貼著S、T、E、M字樣，對應(yīng)著四位組員的座位，桌子上擺放著設(shè)計(jì)用的工具、器材等。學(xué)生會先以大組形式在討論區(qū)進(jìn)行合作、交流，然后以小組形式在設(shè)計(jì)區(qū)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

● 學(xué)生的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

下頁圖3是學(xué)生的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)流程圖。課堂上，教師先展示項(xiàng)目教學(xué)的成品，介紹本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并根據(jù)分組情況將導(dǎo)學(xué)案分發(fā)給對應(yīng)的學(xué)生。學(xué)生在明確S.T.E.M各小組的學(xué)習(xí)目標(biāo)及任務(wù)后，進(jìn)入自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，根據(jù)導(dǎo)學(xué)案的引導(dǎo)，借助教科書、學(xué)習(xí)資料、互聯(lián)網(wǎng)等完成自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容，如果在學(xué)習(xí)過程中遇到不能解決的問題，可以記錄下來，等到交流環(huán)節(jié)尋求同伴解決。

在合作交流階段，四大組的學(xué)生帶著各自的導(dǎo)學(xué)案和疑難問題，圍坐在圓桌前討論、交流，雖然四大組交流的主題、內(nèi)容都不同，但都是為了項(xiàng)目學(xué)習(xí)。在本案例中，科學(xué)組重點(diǎn)討論了音符產(chǎn)生的原理，技術(shù)組重點(diǎn)討論了中斷的原理和中斷技術(shù)的應(yīng)用，工程組重點(diǎn)討論了各種傳感器的極性和Arduino針腳使用方式，數(shù)學(xué)組重點(diǎn)討論了如何使用結(jié)構(gòu)體表示簡譜。同伴間的互相學(xué)習(xí)，能最大限度地調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，高效率地內(nèi)化知識，構(gòu)建出符合作品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化知識，從而為設(shè)計(jì)制作環(huán)節(jié)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

同質(zhì)分組的合作交流結(jié)束后，進(jìn)入異質(zhì)分組的設(shè)計(jì)制作環(huán)節(jié)。每個(gè)大組的一位成員與其他三個(gè)大組的三位成員（每組一位成員）組成一個(gè)小組，四個(gè)人通力合作，各負(fù)其責(zé)，互為聯(lián)系，互相協(xié)助，完成項(xiàng)目教學(xué)中作品的設(shè)計(jì)、制作。在本案例中，S同學(xué)負(fù)責(zé)音符的音頻設(shè)計(jì)、音長設(shè)計(jì)，T同學(xué)負(fù)責(zé)中斷技術(shù)的設(shè)計(jì)，M同學(xué)負(fù)責(zé)程序中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和算法的設(shè)計(jì)，E同學(xué)負(fù)責(zé)Arduino硬件接口的設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌整個(gè)工程項(xiàng)目資源的分配。這個(gè)階段是整個(gè)STEM教學(xué)的高潮，它既能檢驗(yàn)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和合作交流階段的成果，又能檢驗(yàn)學(xué)生是否能學(xué)以致用。學(xué)生不但能享受制作過程的樂趣，還能體驗(yàn)項(xiàng)目成功后的喜悅。

作品完成后，進(jìn)入展示反饋環(huán)節(jié)。學(xué)生除了在同伴間展示自己的作品外，還會收集教師、同伴的意見，修改自己的作品，使其更完美。在本案例中，教師原本只預(yù)設(shè)了《兩只老虎》《粉刷匠》《一閃一閃亮晶晶》三首兒歌來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)播放的功能，但有的學(xué)生從網(wǎng)上搜索了一些流行歌曲的簡譜，來增加隨機(jī)播放歌曲的數(shù)量，有位學(xué)生還聽取了教師的意見，用揚(yáng)聲器代替蜂鳴器播放音樂，出眾的音質(zhì)得到了全班同學(xué)的一致贊揚(yáng)。

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本文是全國教育信息技術(shù)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)課題“基于STEAM的高中跨學(xué)科課程整合教學(xué)研究——以中山市第一中學(xué)技術(shù)課程整合為例”（立項(xiàng)號：163622884）的研究成果之一。