蔣繼征

筆者所在學(xué)校結(jié)合STEM教育理念，教師和學(xué)生一起在教學(xué)過程中設(shè)計了無錫惠山古鎮(zhèn)探究、校園文化研究、簡易機(jī)器人制作、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、3D創(chuàng)意打印等一系列項目。所有的項目都是真實(shí)的，都是基于學(xué)校和學(xué)生的實(shí)際情況，都是可操作的；每個項目既是獨(dú)立的又是聯(lián)合的，都由項目確立、實(shí)施、結(jié)束和結(jié)果評估等階段構(gòu)成；項目實(shí)施活動所給予學(xué)生的并不是簡單地將各學(xué)科組合起來，而是要把學(xué)習(xí)的過程轉(zhuǎn)變成一個探究世界相互聯(lián)系的過程。項目學(xué)習(xí)一般以開發(fā)最終作品或“人工制品”為出發(fā)點(diǎn)，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生按自己的設(shè)計思路，采用科學(xué)的方法完成作品設(shè)計。作品設(shè)計是項目學(xué)習(xí)貫穿的主線和驅(qū)動力，學(xué)生在完成作品的過程中進(jìn)行檢索、討論、演算、設(shè)計、觀察等學(xué)習(xí)活動，并解決一個或多個問題，從而獲得知識和技能。作品制作是STEM學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，但更為重要的是，學(xué)生在制作作品過程中獲得跨學(xué)科的知識和技能，并獲得創(chuàng)造性運(yùn)用知識的社會性能力。基于項目的學(xué)習(xí)并非只強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識的掌握，還側(cè)重對教材內(nèi)容以外知識的體驗(yàn)與經(jīng)歷，旨在豐富學(xué)生對事物的認(rèn)識，注重生活經(jīng)驗(yàn)知識的增長。整個學(xué)習(xí)過程應(yīng)真實(shí)可信，是反映真實(shí)情境和現(xiàn)實(shí)生活的體驗(yàn)性活動，體現(xiàn)將學(xué)術(shù)性學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為生活經(jīng)驗(yàn)知識價值取向。

筆者以八年級簡易機(jī)器人項目為例，深入實(shí)踐STEM教育理念并提出一些思考。這一制作項目包括焊接機(jī)器人線路板、學(xué)習(xí)編程、拼裝小車、將線路板安裝在小汽車上、進(jìn)行簡易機(jī)器人調(diào)試等實(shí)踐過程。

焊接過程：實(shí)踐與提高

片段一：在一個5厘米×5厘米的線路板上要焊接27個電子元器件，密度大。有的電子元器件管腳還很多，如安裝一個單片機(jī)就要焊接28個管腳。因焊接的電子元器件數(shù)量多，管腳密度大，使得馬蹄形頭的電烙鐵無從下手，因?yàn)樯圆蛔⒁饩蜁⒐苣_粘連在一起，出現(xiàn)短路現(xiàn)象。如何解決這一難題？有學(xué)生建議焊錫少點(diǎn)，實(shí)踐操作下來并不能徹底解決這一問題。有一位學(xué)生建議將馬蹄形頭烙鐵統(tǒng)一換成尖頭烙鐵，因?yàn)樗约簩?shí)踐后都能避免粘連短路問題。師生們采納了這一建議，并付諸實(shí)踐，的確取得了很好的效果。在后面的制作過程中又遇到了新問題，有的學(xué)生因元器件焊接錯誤后再將元器件取出重新焊接，就會把線路板上的孔堵住，或在焊接時稍不注意會有錫落在線路板上，把其他孔堵住。為了在有限的面積上放盡量多的元器件，線路板采用了雙面板，因此堵住孔的錫很難去除，而且在去除的過程中也很容易損壞線路板。學(xué)生們又想了很多方法，如用除錫針、吸錫器，但實(shí)踐下來效果不理想。繼續(xù)思考、討論、實(shí)踐，有一位學(xué)生提出“用熱烙鐵將錫融化，然后直接將元器件管腳穿過孔，再進(jìn)行焊接就可以了”。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這一辦法最優(yōu)，于是又一個問題解決了！

學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)是對過程的體驗(yàn)、思考和感悟，而不是體現(xiàn)在試卷上的學(xué)習(xí)結(jié)果。STEM教育重視學(xué)習(xí)過程，不僅主張通過自學(xué)或教師講授習(xí)得抽象知識，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手、動腦參與學(xué)習(xí)過程，在積極參與的學(xué)習(xí)過程中，使學(xué)生通過觀察與實(shí)際操作來獲得真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在學(xué)習(xí)體驗(yàn)中探究、反思與提高，實(shí)現(xiàn)理論知識與實(shí)踐技能的有效銜接，促進(jìn)知識的深層次建構(gòu)。它通過為學(xué)生提供多種真實(shí)情境和先進(jìn)工具，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。當(dāng)學(xué)習(xí)鑲嵌在運(yùn)用該知識的情境之中時，有意義的學(xué)習(xí)就發(fā)生了，因?yàn)樵擁椖康膯栴}既是基于真實(shí)的生活情境，又蘊(yùn)含著所要教的結(jié)構(gòu)化知識。這樣，學(xué)生在解決問題的過程中，不僅能獲得知識，還能獲得知識的社會性、情境性及遷移運(yùn)用的能力。情境性問題的解決，可以讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的生活，獲得社會性成長。在參與和體驗(yàn)學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生不僅獲得了結(jié)果性知識，更重要的是，提高了自身的學(xué)習(xí)能力，學(xué)會從多學(xué)科、多視角、多維度來分析和解決問題，收獲了蘊(yùn)含在真實(shí)問題情境中的過程性知識，在焊接的過程中，不斷有好的方法來解決意外，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從“學(xué)會”到“會學(xué)”的質(zhì)的突破。

交流評價：協(xié)作與建構(gòu)

片段二：所有元器件都焊接好是不是就意味著機(jī)器人電路板焊接成功了呢？因?yàn)槲覀兿Ｍ吹诫娐钒搴附油旰螅姵匮b入電池盒，打開開關(guān)就能看到8個小燈依次發(fā)光閃爍，小蜂鳴器能鳴唱出生日快樂歌，這樣才算成功。首次實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)成功率很低，有的只有幾個燈亮，有的小喇叭不唱歌，有的甚至一點(diǎn)反應(yīng)都沒有，大面積的不成功給學(xué)生帶來了挫敗感，他們的學(xué)習(xí)情緒有點(diǎn)低落。如果學(xué)生的電路板制作不成功，將會直接影響到下面的程序編寫。如果教師將所有問題電路板收上來逐一修好，那將需要較長的修理時間。怎么辦？筆者又一次調(diào)動學(xué)生，讓已經(jīng)做成功的學(xué)生幫著沒有做成功的學(xué)生一起檢查和維修。幫著檢查的學(xué)生，在指導(dǎo)中深化了對該工作原理的理解，實(shí)現(xiàn)了自己知識意義上的建構(gòu)；初次失敗的學(xué)生也在同伴的協(xié)作下，感受到了成功的喜悅。在檢查和維修的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力以及自己解決實(shí)際問題的能力，在這樣的操作下，學(xué)生基本都能做成功。

STEM教育的本質(zhì)是基于真實(shí)問題的探究性學(xué)習(xí)，要解決真實(shí)問題，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在復(fù)雜情境中發(fā)展解決問題的能力。問題往往瞬息萬變，復(fù)雜多樣，難度較大，所以學(xué)生只有通過與教師以及同學(xué)進(jìn)行交流討論、協(xié)同探索，才能將問題順利解決，才能有效完成對知識意義的建構(gòu)。愛玩、喜歡和同伴合作學(xué)習(xí)是孩子們的天性，教育的使命就是讓教學(xué)回歸真實(shí)生活，在做中學(xué)，在玩耍中體驗(yàn)，解放學(xué)生的天性。教師讓做成功與沒有做成功的學(xué)生搭配在一起，以小組為單位進(jìn)行學(xué)習(xí)，彼此之間分工合作，互相之間進(jìn)行思維上的碰撞，共同商討，解決問題。小組學(xué)習(xí)最后的評價環(huán)節(jié)也是以小組成員的共同表現(xiàn)為參考，而不是根據(jù)個人的表現(xiàn)進(jìn)行獨(dú)立評價。如此一來，學(xué)生參與到趣味的教學(xué)活動中，在快樂中學(xué)習(xí)，能夠體驗(yàn)到問題解決的成就感和愉悅感。

學(xué)科跨界：融合與創(chuàng)新

片段三：在本項目的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生還需要學(xué)習(xí)編程，編程用的是ArduBlock教育版軟件。如何實(shí)現(xiàn)LED小燈的亮和滅？筆者首先介紹了原理：要讓LED小燈亮，只需將小燈正極管腳接到電源的正極，另一個腳接到電源的負(fù)極，這樣就完成了電路的連通，之后電流從高電位流向低電位，LED小燈就亮了。而通過編程，讓接LED小燈正極管腳的那個端口作為高低電位來使用就可以實(shí)現(xiàn)小燈的亮和滅。學(xué)生通過練習(xí)很快就掌握了，但是學(xué)生并沒有滿足于此，他們在此基礎(chǔ)上發(fā)揮自己的想象力進(jìn)行了創(chuàng)新，有的做出了霓虹燈效果，有的做出了跑馬燈效果，有的做出了交通信號燈效果……

通過對光感的編程可以實(shí)現(xiàn)讓小車循跡行駛。這里的循跡是指小車在白色地板上循隨機(jī)彎曲的黑線行走，我們采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光。當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)通過光感傳輸過來的數(shù)值，利用數(shù)學(xué)中的比較，來確定小車與黑線的位置關(guān)系并制訂下一步的行走方案。這樣不斷地比較判斷，始終讓小車保持沿著黑線走。學(xué)生通過完成這項任務(wù)可以體驗(yàn)到糾錯的思想。

在編程的過程中，學(xué)生主要運(yùn)用自然科學(xué)知識、數(shù)學(xué)知識和信息技術(shù)知識相結(jié)合，使用學(xué)科知識整合取向分析各學(xué)科最基本的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)，找到不同學(xué)科知識點(diǎn)之間的連接點(diǎn)與整合點(diǎn)，將分散的課程知識按跨學(xué)科的問題邏輯結(jié)構(gòu)化。將各學(xué)科內(nèi)容改造成以問題為核心的課程組織，通過序列化的問題有機(jī)串接起各學(xué)科知識，使課程要素形成有機(jī)聯(lián)系和有機(jī)結(jié)構(gòu)。知識整合取向模式一般采用基于問題的學(xué)習(xí)模式（problem-based learning），強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)計在復(fù)雜、有意義的問題情境中，通過學(xué)生合作解決嵌入真實(shí)情境中的問題或與真實(shí)世界相關(guān)的問題，促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)知識的理解與建構(gòu)，從而習(xí)得隱含于問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。它可以使學(xué)生通過體驗(yàn)知識獲得的過程，促進(jìn)元認(rèn)知能力的發(fā)展，通過應(yīng)用知識解決問題達(dá)成對知識的靈活掌握，并能對知識進(jìn)行社會性、情境性的遷移運(yùn)用。解決問題的目的是讓學(xué)生掌握蘊(yùn)含于問題之中或支持問題解決的知識，問題是多學(xué)科知識融合的交叉點(diǎn)與整合點(diǎn)，是觸發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與探究的觸發(fā)器，是創(chuàng)新學(xué)習(xí)的載體。

實(shí)踐思考：反思與建議

筆者所在學(xué)校設(shè)計并開設(shè)了一些基于STEM教育理念的課程，但在實(shí)施過程中教師有幾個問題需要把握：①在項目實(shí)施過程中容易出現(xiàn)偽探究、偽問題解決的狀況，從而導(dǎo)致學(xué)生挫折感強(qiáng)，無法形成系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)以及教師主導(dǎo)地位缺失等問題。②在學(xué)生問題解決過程中，教師應(yīng)發(fā)揮協(xié)調(diào)、指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、計時和評價等作用。能力較強(qiáng)的學(xué)生可以擺脫傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化課堂教學(xué)對個人學(xué)習(xí)與設(shè)計活動的約束，能更好地發(fā)揮個人能力；而一些能力弱的學(xué)生會對學(xué)習(xí)過程中的自由度不適應(yīng)，需要教師更多的指導(dǎo)；同時由于項目任務(wù)非結(jié)構(gòu)化，所以很難實(shí)現(xiàn)對學(xué)生技能最終結(jié)果的全面評估。③不管采用哪種取向的整合模式，將知識情境化與社會化都是其優(yōu)勢，但各學(xué)科原有知識體系結(jié)構(gòu)的劣構(gòu)化是它們面對的共性問題，容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)知識結(jié)構(gòu)的不均衡，可能某些知識掌握得較好，有些知識卻沒有觸及。這種基礎(chǔ)知識的結(jié)構(gòu)性偏差對中小學(xué)生來說是個很大的問題。

STEM教育跨學(xué)科整合最核心、最重要的工作是項目或問題的設(shè)計。教師應(yīng)以“項目或問題”為核心立足點(diǎn)，設(shè)計項目完成或問題解決過程中的學(xué)習(xí)資源與工具、學(xué)習(xí)活動過程、學(xué)習(xí)支架、學(xué)習(xí)評價等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時關(guān)注項目完成后，學(xué)生獲得知識的系統(tǒng)化與結(jié)構(gòu)化遷移，并有相應(yīng)的強(qiáng)化練習(xí)與總結(jié)提升。有效的STEM教育項目設(shè)計，必須以有效的學(xué)習(xí)活動為中介，促進(jìn)知識的內(nèi)化，只有這樣才能真正提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的發(fā)生。為了在教學(xué)活動過程中更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，教師需要在教學(xué)過程中不斷進(jìn)行形成性評價，總結(jié)與強(qiáng)化練習(xí)，項目結(jié)束后需要適時進(jìn)行教學(xué)總結(jié)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者將零散的知識系統(tǒng)化。項目方案試用與改進(jìn)項目實(shí)施過程中，教師一方面要嚴(yán)格按照設(shè)計的方案進(jìn)行實(shí)施，確保教學(xué)方案的執(zhí)行，另一方面要根據(jù)現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件和形成性評價的結(jié)果不斷修訂設(shè)計方案，保證靈活性，使學(xué)生具有較強(qiáng)的信息意識與創(chuàng)新意識。