張雪 張靜 熊建文

[摘? ?要]全球科學技術(shù)和社會迅速發(fā)展所帶來的轉(zhuǎn)變與挑戰(zhàn)，催生了對跨學科整合型課程的迫切需求。具有跨學科核心特征的STEM教育已成為國內(nèi)外教育理論與實踐發(fā)展的潮流。當前我國一線教師的STEM教學經(jīng)驗有限，迫切需要全面認識整合理念、嘗試突破實踐困難。本研究梳理了國內(nèi)外跨學科整合的STEM教育研究現(xiàn)狀，以項目學習為實施方式構(gòu)建STEM項目學習模式，并在高中物理課程中順應項目活動主線進行實踐，旨在為跨學科整合理念的落實提供借鑒和參考。

[關(guān)鍵詞]STEM;跨學科;整合;項目學習;物理

在第四次工業(yè)革命的時代背景下，信息技術(shù)的高度綜合化和現(xiàn)實問題的復雜多樣化，使得科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革呈現(xiàn)出交叉融合的態(tài)勢，社會各領(lǐng)域關(guān)鍵問題的解決都需要構(gòu)建跨學科的合作機制。社會現(xiàn)實的時代訴求同步影響著教育范式的變革，教育領(lǐng)域?qū)W科交叉和知識融合提出了新需求，越來越多的國家投入跨學科整合的課程改革浪潮。如中國、美國、加拿大等國家，均已將跨學科學習納入國家基礎(chǔ)教育課程標準，從傳統(tǒng)的分科立學走向跨學科整合教學成為教育發(fā)展的必然趨勢。

STEM被視為科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）教育的集成，可以作為解蔽分科教學的突破口。STEM教育強調(diào)通過學科間的交叉滲透與融合培養(yǎng)復合創(chuàng)新型人才和全面發(fā)展的人，[1]因其高度的跨學科核心特征而備受推崇并引起教育界的重視。面對技術(shù)性、復合性、創(chuàng)新性人才的迫切需求，我國提倡在基礎(chǔ)教育階段組織STEM教學實踐的呼聲日益增高，但當前對整合理念的有限認識、改革突破的實踐困難，仍是一線科學教師面臨的重要挑戰(zhàn)。

一、跨學科整合的STEM 教育研究

1.跨學科整合：引領(lǐng)STEM教育的核心理念

STEM教育產(chǎn)生的動因和背景十分復雜，學界就其本質(zhì)展開了激烈的討論，在理解上也不盡相同。從廣義上講，它既可以指STEM所涉及的各個學科的總和，也可以指一種超越學科界限的教與學的方式。前者通常指傳統(tǒng)的理工科教育，不要求學科間的聯(lián)系和整合;[2]后者鼓勵將四門學科進行有意義的整合，系統(tǒng)地解決真實世界中的問題，[3]這一理解符合綜合性科技人才培養(yǎng)的本質(zhì)要求，與美國建立STEM教育的初衷相一致。當前，整合理念已經(jīng)獲得了大部分機構(gòu)和學者的支持，[4]即整合的策略和愿景引領(lǐng)了這種教育形態(tài)的持續(xù)發(fā)展。

隨著STEM教育的發(fā)展，整合性課程建設(shè)逐漸成為主流，在STEM教育推廣過程中，首先要厘清課程整合的內(nèi)涵和方法。綜合瓦斯奎茲（Vasquez）[5]和泰勒（Tytler）[6]等依據(jù)學科關(guān)聯(lián)度的研究，整合水平可劃分為多學科、學科交叉和跨學科三個層次（見表1）。聚焦STEM教學來看，在多學科關(guān)系中，學習內(nèi)容被分割為不同的學科模塊，但是可以通過一個主題聯(lián)系到一起。例如圍繞水這個主題，可劃分為水的物理性質(zhì)、水的凈化技術(shù)、水壩工程建設(shè)等模塊，但學科融合度不高。

學科交叉?zhèn)戎赜谥R和技能的深化，基于學科知識間的內(nèi)在聯(lián)系獲取相關(guān)的知識與技能;[7]跨學科是通過解決現(xiàn)實問題將STEM各學科內(nèi)容聯(lián)系起來，重點是真實問題或項目任務的解決，不再把問題分割為單獨的模塊，不只將問題置于單獨的學科中探討。跨學科的教育思想兼顧學科性以及統(tǒng)整性，引導學生在確定實際問題所涉及學科的前提下，嘗試打破不同學科知識體系的束縛，培養(yǎng)學生從容運用課程整合知識應對并解決問題的能力和品格。

2.項目學習：落實STEM整合理念的有效方式

為了促進跨學科整合理念和課程內(nèi)容的深度融合，教學方式不應再局限于傳統(tǒng)學科知識的接受式學習，而應立足解決真實問題，圍繞一定的探究過程展開。基于項目的學習聚焦真實情景中的整體學習任務，強調(diào)學生的主體地位和多學科知識的學習與運用，是當前學生發(fā)展跨學科素養(yǎng)最為重要[8]、整合課程開展數(shù)量最多[9]的學習模式。項目任務通常是具有一定挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品設(shè)計與制作，需要學生調(diào)動跨學科思維，綜合運用多學科學習成就進行自主學習。[10]學生選擇最優(yōu)的學習資源，參與團體互動以探尋項目解決方案并予以實施。項目學習綜合了跨學科性、情境性、協(xié)作性，立足于前沿的社會生活問題，可解決單科課程教學之弊。項目學習與STEM教育理念的有效契合，對于促進STEM教學具有得天獨厚的突出優(yōu)勢。

基于項目的STEM學習（以下簡稱“STEM項目學習”）適宜跨學科學習。在此，STEM既是目標也是手段，項目學習既是方式也是過程。從國際研究來看，STEM項目學習的整合過程多聚焦于工程和技術(shù)，科學及數(shù)學的學習常被忽略，對于科學和數(shù)學領(lǐng)域的投入也多側(cè)重于零碎知識的應用而非科學探究過程。[11]此外，教師在開展教學時，通常以真實情景問題為驅(qū)動、采取非結(jié)構(gòu)化教學設(shè)計，類似于有組織、有重點的經(jīng)驗學習。教師在設(shè)計整合性STEM項目學習時，一方面，要確保學科知識的均衡覆蓋和難易適度，平衡理論性探究和設(shè)計實踐制作;另一方面，還要將分學科的知識按項目邏輯進行跨學科重組，把握課程內(nèi)容與學習過程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計。也就是說，在項目學習過程中，必須提前清晰規(guī)劃STEM知識和方法，將學科內(nèi)容系統(tǒng)地融入設(shè)計和制造階段，激勵學生創(chuàng)造性地解決問題。

二、整合型STEM項目學習模式的設(shè)計

為了準確地將跨學科整合理念形象化和實用化，本研究提出了一種整合型STEM項目學習模式（見圖1），該模式以項目主題為核心，囊括跨學科內(nèi)容要素和項目學習過程兩個子元素，且二者相互關(guān)聯(lián)、相互作用。

1.跨學科內(nèi)容要素

跨學科內(nèi)容要素由科學、技術(shù)、工程和數(shù)學組成。STEM項目學習以科學為出發(fā)點，理清項目主題中的科學原理，是學生展開探究設(shè)計的前提，也是貫穿整個學習過程的關(guān)鍵;技術(shù)是幫助學生完成實踐任務的工具或設(shè)備，如電工技術(shù)、三維建模技術(shù)等，學生可以通過使用技術(shù)找到問題解決的辦法，甚至創(chuàng)造新產(chǎn)品;工程被視為一個循環(huán)的、迭代的設(shè)計過程，與作品設(shè)計的反復試錯與重新審視相聯(lián)系，特別是在結(jié)構(gòu)建模、材料選擇、性能測試中，以尋找最佳方案為突出表現(xiàn)。數(shù)學是運算與推理工具，能將事物的本質(zhì)、關(guān)系、規(guī)律可視化，數(shù)據(jù)分析、數(shù)學繪圖等內(nèi)容都是產(chǎn)品設(shè)計與制作的重要支撐。

2.項目學習過程

項目學習的順利實施離不開教師前期的充分準備，包括分析學習者的知識儲備和能力水平;發(fā)掘社會資源，選擇與現(xiàn)實生活相接的項目主題;梳理其中蘊含的STEM跨學科知識;提供適宜的學習環(huán)境和豐富的學習資源與工具，如3D打印機、三維建模工具等。項目學習過程以工程設(shè)計任務為開端，通過探究活動逐一尋求解決問題的方案，著力促進學生新知識和新經(jīng)驗的生成。其以教師為主導、以學生為主體，全程由“項目活動啟動—項目任務設(shè)計—項目實踐探究—項目作品評估”四個階段構(gòu)成。

（1）項目活動啟動

教師圍繞項目主題創(chuàng)設(shè)問題情境，提出具有開放性的、體現(xiàn)學科整合的驅(qū)動性問題。而學生則要明確項目設(shè)計任務，查閱資料，理解任務背后蘊含的科學原理，并根據(jù)“組內(nèi)異質(zhì)、組同異質(zhì)”的原則組建學習共同體。

（2）項目任務設(shè)計

教師需要提供相關(guān)的學習資料，承擔答疑解惑的任務，確保學生設(shè)計工作的穩(wěn)步推進。而學生個人聚焦問題之后，要嘗試進行理論探究、思考方法，以頭腦風暴的方式分享各自觀點，同伴協(xié)商制定出最佳方案。任務規(guī)劃要具體，包括每個人需要完成哪些工作、怎么做等。

（3）項目實踐探究

教師在本階段是監(jiān)督指導的角色，要監(jiān)控和管理學生行為，跟進學生工作，給予技術(shù)指導。學生根據(jù)前期知識儲備進行實踐探究，分析各類數(shù)據(jù)，選擇合適的器材類型，采取有效的技術(shù)手段開始工程建造，循環(huán)測試與改進產(chǎn)品效果。

（4）項目作品評估

教師組織小組成員展示研究過程與項目作品，并及時開展綜合評價，包括自評、互評、師評等?；ピu和師評要同時關(guān)注結(jié)果與過程評價，學生根據(jù)交流結(jié)果總結(jié)反思，完成自我評價。

三、整合型STEM項目學習的實踐

物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，也是一門精密的定量科學，其嚴密的理論體系廣泛應用于生產(chǎn)技術(shù)的各個部門，對現(xiàn)代工程科技的影響更是舉足輕重，因此，其具有承載STEM項目學習的天然優(yōu)勢。本研究選取社會熱點問題“無線電能傳輸設(shè)備”作為項目背景，考慮到高二學生雖掌握了電磁感應等科學知識，但工程實踐和技術(shù)體驗有限，擬定課題為“制作無線點燈”，最終產(chǎn)品能體現(xiàn)電流的無線傳輸即可。協(xié)調(diào)智慧教室和實驗室保障學習環(huán)境，最終在湖北荊州市高中物理課堂中開展了為期一個月的實踐。

1.跨學科內(nèi)容要素的整合

“制作無線點燈”項目涉及豐富的跨學科內(nèi)容整合，具體內(nèi)容如圖2所示。

2.項目學習過程的設(shè)計

依據(jù)整合型STEM項目學習模式開展“制作無線點燈”項目，其學習過程共有四個階段，具體活動內(nèi)容和所涉及的跨學科要素如表2所示。

3.項目實踐效果的分析

從展示結(jié)果來看，80%的團隊都嚴格遵循項目要求完成了作品。小燈泡被隔空點亮的結(jié)果，體現(xiàn)了學生對互感原理的理解程度、工程設(shè)計能力以及能量數(shù)據(jù)計算的嚴格性。外觀設(shè)計也百花齊放，如作品中荊州古城墻的地方特色、UFO的科幻色彩等（見圖3），學生的審美意識和設(shè)計思維在實踐中得以激發(fā)。對學生的訪談結(jié)果顯示：90%以上的學生對STEM項目課程是滿意的，當被問及是否愿意繼續(xù)參加這類課程時，學生也表示愿意。自評結(jié)果顯示，學生普遍“深刻感受到物理知識與生活息息相關(guān)、掌握了科學探究的基本過程”“從內(nèi)部和外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計中體驗到了工程建筑的不易”“在處理各類數(shù)據(jù)時知道物理和數(shù)學的密不可分”“習得了3D建模這一技能”。學生在STEM項目學習過程中形成了整合知識和方法以應對各種挑戰(zhàn)的意識，這也是跨學科整合理念得以落實的關(guān)鍵。

四、結(jié)語

整合型STEM項目學習具有較強的實踐性和針對性，不僅有助于教師破解分科之弊、引領(lǐng)教育創(chuàng)新，還有利于學生跨學科建立更完善的知識體系、發(fā)展實踐創(chuàng)新能力。整合型STEM項目學習模式以項目主題為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地將STEM跨學科內(nèi)容和學習過程合并，倡導學生通過協(xié)作探究，整合多學科知識來解決復雜問題。“制作無線點燈”案例的開發(fā)在整合教育實踐范式上進行了有益探索，可為一線教師設(shè)計跨學科整合課程提供理論和實踐方面的參考。

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（責任編輯 郭向和? ?校對 姚力寧）