在教育改革的大背景下，我國積極探索STEM教育模式的應(yīng)用，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，建立各級部門相融合的STEM教育生態(tài)系統(tǒng)。[1]而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主要是通過創(chuàng)設(shè)一個真實(shí)情境，讓學(xué)生以小組合作的形式解決問題，在解決問題的過程中形成跨學(xué)科思維以及探究能力。由此，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可以為STEM課程提供有效的發(fā)展路徑。[2]

一、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與STEM課程開發(fā)

1.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，鼓勵做中學(xué)。受建構(gòu)主義理論的影響，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是個體積極參與構(gòu)建的過程，而不是被動的“一傳一收”的過程。在學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的已有經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建理解。[3]在該理論的指導(dǎo)下，教師的任務(wù)不再是簡單的“傳道授業(yè)”，而是創(chuàng)設(shè)合理、真實(shí)的問題情境，巧妙地提出有意義的問題，鼓勵學(xué)生大膽表達(dá)自己觀點(diǎn)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識，提高他們的創(chuàng)新能力。[4]Tanner認(rèn)為，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能帶給學(xué)習(xí)者探究的成就感與喜悅，這需要他們在探究過程中逐漸發(fā)現(xiàn)學(xué)科核心概念或設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這不僅能提升教學(xué)效果，有利于知識內(nèi)化，而且能培養(yǎng)其探究精神、科學(xué)精神以及創(chuàng)新能力。

梳理項(xiàng)目式學(xué)習(xí)我們發(fā)現(xiàn)，它通過設(shè)計(jì)任務(wù)或者問題來引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，調(diào)動他們的積極性，讓他們成為學(xué)習(xí)的主體。在學(xué)習(xí)過程中，教師給予學(xué)生充分探究的機(jī)會，讓他們以團(tuán)隊(duì)合作的形式，共同探究指定的項(xiàng)目內(nèi)容，同時，注重多媒體技術(shù)的利用，盡可能地拓展其視野，補(bǔ)充與主題相關(guān)的知識、資訊，為他們的學(xué)習(xí)保駕護(hù)航。

2.STEM課程開發(fā)

課程開發(fā)模式主要包括目標(biāo)模式、過程模式、情景模式和實(shí)踐模式四種模式。[5]泰勒的目標(biāo)模式被認(rèn)為是非常經(jīng)典的課程開發(fā)模式，它以教育目的為指向，設(shè)計(jì)和開發(fā)課程。英國課程論專家斯騰豪斯的過程模式認(rèn)為，課程開發(fā)包括規(guī)劃、實(shí)際體驗(yàn)和驗(yàn)證三部分，主張通過合理的課程組織加強(qiáng)學(xué)生對系統(tǒng)知識的學(xué)習(xí)，把課程設(shè)計(jì)局限于學(xué)科結(jié)構(gòu)的分析。[6]情景模式吸收了目標(biāo)模式和過程模式的長處，認(rèn)為課程開發(fā)是以實(shí)際情況為基點(diǎn)的。[7]實(shí)踐模式的代表人物斯瓦布認(rèn)為，課程由教師、學(xué)生、教材、環(huán)境四個要素構(gòu)成，且四要素之間持續(xù)的相互作用構(gòu)成了實(shí)踐性課程的內(nèi)涵。[6]

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，[5][8]我們總結(jié)出了STEM課程開發(fā)的四個步驟。

（1）確立STEM課程的各領(lǐng)域目標(biāo)

教師可以根據(jù)要開發(fā)的STEM課程的理念和目的，以及培養(yǎng)學(xué)生哪一具體方面的能力或思維，確定開發(fā)課程的總目標(biāo)。隨后，教師進(jìn)行學(xué)情分析，選擇跨學(xué)科領(lǐng)域，基于真實(shí)情境，確定項(xiàng)目主題，并確立STEM課程所對應(yīng)的各領(lǐng)域目標(biāo)。

（2）設(shè)計(jì)STEM課程內(nèi)容

教師可以根據(jù)學(xué)情分析和課程目標(biāo)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的課程內(nèi)容。先整體設(shè)計(jì)STEM課程，將其劃分為課程階段、安排課程進(jìn)度以及選定課程場所等；再設(shè)計(jì)課程具體內(nèi)容，在課程整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定每一階段的授課內(nèi)容、授課方法和授課材料。

（3）選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略

教師可以根據(jù)STEM課程各領(lǐng)域目標(biāo)的要求及課程內(nèi)容的規(guī)劃，針對不同層次的學(xué)生，選擇不同的教學(xué)策略或方法，如小組分工合作、討論、演示等。

（4）設(shè)計(jì)多元的評價體系

教師要根據(jù)課程目標(biāo)和課程內(nèi)容，明確評價內(nèi)容。在課程評價方法上，要設(shè)計(jì)多樣的評價方式，形成性評價和結(jié)果性評價并進(jìn)，實(shí)行評價主體多元化。多元的評價體系可以使教師更加了解STEM課程實(shí)施的效果，以此來調(diào)整和改進(jìn)課程的設(shè)計(jì)。

基于以上分析，教師采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式開發(fā)STEM課程有以下幾個優(yōu)勢。首先，STEM課程本身具有工程設(shè)計(jì)思想，而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的融入，提高了課堂所學(xué)內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)用性。其次，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)讓學(xué)生參與復(fù)雜問題解決的過程中，有多種可能的解決方案。最后，STEM課程與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)結(jié)合，對學(xué)生完成真實(shí)任務(wù)的要求很高，既包含限制條件，又涉及評估標(biāo)準(zhǔn)，可以強(qiáng)化學(xué)生的高階思維。

二、基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的STEM課程框架

結(jié)合上述理論，我們構(gòu)建了基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的STEM課程框架（如圖1）。

基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的STEM課程框架圍繞著STEM項(xiàng)目開展，分為項(xiàng)目明確、方案設(shè)計(jì)、模型測試、實(shí)施評價四個階段。這四個階段循環(huán)迭代，以學(xué)生為中心，以任務(wù)為牽引，鍛煉他們解決問題、批判和創(chuàng)造等能力，培養(yǎng)他們的高階思維。

1.項(xiàng)目明確階段

該階段中，教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并根據(jù)問題開展基礎(chǔ)研究。在學(xué)生研究的基礎(chǔ)上，教師要對整個項(xiàng)目有較為系統(tǒng)的分析，提出適合學(xué)生的任務(wù)，引導(dǎo)他們開展小組合作學(xué)習(xí)，并及時監(jiān)控他們的學(xué)習(xí)過程。在合作學(xué)習(xí)中，學(xué)生結(jié)合相關(guān)學(xué)科知識，分析問題，明確項(xiàng)目目標(biāo)。

2.方案設(shè)計(jì)階段

這個階段要求教師發(fā)揮指導(dǎo)和督促作用，引導(dǎo)學(xué)生將問題和任務(wù)分解為多個子問題，進(jìn)一步簡化任務(wù)，充分發(fā)揮學(xué)生在探究學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新性和自主性。學(xué)生用自己所學(xué)的知識判斷獲得信息的價值，并進(jìn)行小組頭腦風(fēng)暴，制訂問題解決方案，按照設(shè)計(jì)的方案搭建初步模型。

3.模型測試階段

在這一階段，學(xué)生需要測試模型能否達(dá)到目標(biāo)，并根據(jù)測試結(jié)果，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，最終達(dá)到完善作品的目的。為此，教師組織學(xué)生選擇科學(xué)的方式來測試作品，引導(dǎo)他們對作品進(jìn)行優(yōu)化、迭代。學(xué)生經(jīng)過頭腦風(fēng)暴形成的初步設(shè)計(jì)方案，在實(shí)施過程中可能會遇到問題，或者出現(xiàn)新想法，進(jìn)而重新設(shè)計(jì)。當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)問題時，教師不要急于糾正錯誤，應(yīng)鼓勵他們多嘗試，通過不斷調(diào)整找到解決問題的途徑，加深他們對知識的應(yīng)用。

4.實(shí)施評價階段

在形成最終優(yōu)化方案后，師生可以進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，這不僅能夠豐富學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，而且能夠讓他們對模型有一個評估、反思的過程。學(xué)生在交流討論、反思評價中可以增長知識，提升能力水平，將所學(xué)知識運(yùn)用到生活實(shí)際中，找到學(xué)習(xí)的意義。

三、基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的STEM課程案例展示

基于上述理念，我們開發(fā)了“植物監(jiān)測儀”課程。

1.“植物監(jiān)測儀”課程目標(biāo)

科學(xué)：知道植物受土壤水分、光照強(qiáng)度、空氣溫濕度等生長條件的控制；知道傳感器的原理；掌握編程的基礎(chǔ)知識，并能運(yùn)用科學(xué)方法分析問題。

技術(shù)：掌握掌控板、Mind+軟件以及Easy IoT軟件的使用方法；能夠運(yùn)用編程思維解決實(shí)際問題，具備根據(jù)工程目標(biāo)編寫程序的能力；了解物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器系統(tǒng)，能夠安裝溫度、濕度、光控傳感器來解決工程問題并接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，構(gòu)建簡易的傳感物聯(lián)系統(tǒng)；具備運(yùn)用合適的材料搭建植物監(jiān)測儀的能力。

工程：能根據(jù)實(shí)際問題制訂項(xiàng)目計(jì)劃，掌握植物監(jiān)測儀由編程到模型裝配，再到與物聯(lián)網(wǎng)連接的基本流程、方法；能夠按照工程設(shè)計(jì)思路，對植物監(jiān)測儀進(jìn)行設(shè)計(jì)、搭建、測試、修正，優(yōu)化的工程思維能力；能夠根據(jù)實(shí)際情況對植物監(jiān)測儀的外殼進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。

數(shù)學(xué)：利用數(shù)值轉(zhuǎn)換公式，判斷編程條件的使用；了解數(shù)據(jù)處理的過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化，學(xué)習(xí)在物聯(lián)網(wǎng)平臺接收數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)，并用折線圖呈現(xiàn)數(shù)據(jù)；測量植物監(jiān)測儀外殼的尺寸大小，按比例設(shè)計(jì)、制作外殼。

2.“植物監(jiān)測儀”課程實(shí)施

（1）項(xiàng)目明確階段（1課時）

【創(chuàng)設(shè)情境】在節(jié)假日期間，由于不能及時照料校園里的植物，不僅會影響其正常生長，甚至?xí)?dǎo)致其死亡。有沒有什么辦法可以解決這個問題呢？

【提出項(xiàng)目】設(shè)計(jì)一個植物監(jiān)測儀在假期替人們照料植物，守衛(wèi)校園綠植。

【頭腦風(fēng)暴】在項(xiàng)目開展之前，想一想植物在生長過程中可能會遇到哪些問題，小組討論、交流，填寫問題清單。

問題清單

①植物的生長離不開水分，如何確保植物有充足的水分供給？

②光合作用能幫助植物健康生長，如何在室內(nèi)環(huán)境也讓植物擁有足夠的光照？

③對于花卉，溫度和空氣濕度也會影響其生長，如何檢測空氣溫濕度，并幫助植物營造合適的生長環(huán)境？

④節(jié)假日時，如何遠(yuǎn)程監(jiān)控植物的土壤濕度、光照強(qiáng)度、空氣的溫度和濕度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)？

⑤實(shí)現(xiàn)這些功能需要哪些硬件？

（2）方案設(shè)計(jì)階段（1課時）

本階段的核心內(nèi)容是通過相關(guān)資料的學(xué)習(xí)、思考，將植物監(jiān)測儀所需功能分解，根據(jù)其功能小組合作，設(shè)計(jì)植物監(jiān)測儀的規(guī)劃方案，整理所需材料及具體操作方案（見表1），為下一階段模型的制作與測試做準(zhǔn)備。

【收集資料】通過查閱資料，收集并填寫問題清單中所列問題的解決方案。認(rèn)識掌控板并下載學(xué)習(xí)Mind+、Easy IoT等軟件的使用方法和相關(guān)資源。

【設(shè)計(jì)方案】通過相關(guān)資料的學(xué)習(xí)、思考，初步整理植物監(jiān)測儀可以具備檢測土壤水分、光照強(qiáng)度、空氣溫度和濕度的功能，并且能夠根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)對植物進(jìn)行自動澆水、自動補(bǔ)光、降溫或除濕等。根據(jù)其功能，小組合作，設(shè)計(jì)植物監(jiān)測儀的規(guī)劃方案。

（3）模型測試階段（5課時）

【測試1】自動澆水功能測試。根據(jù)方案制作并連接模型，在Mind+軟件上設(shè)計(jì)編寫程序并運(yùn)行。通過土壤濕度傳感器檢測植物是否缺水，當(dāng)濕度較小時，轉(zhuǎn)動舵機(jī)觸發(fā)澆水裝置。

【測試2】自動補(bǔ)光功能測試。利用掌控板自帶的環(huán)境光傳感器檢測光線強(qiáng)度，當(dāng)光照較弱時，點(diǎn)亮RGB燈帶進(jìn)行補(bǔ)光。

【測試3】自動通風(fēng)功能測試。利用DHT11溫濕度傳感器檢測空氣的溫度、濕度，當(dāng)溫度或濕度較高時，啟動電機(jī)帶動風(fēng)扇，來降溫或除濕。

【測試4】物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能測試。通過使用物聯(lián)網(wǎng)，在Easy IoT軟件中定義4個Topic，分別向Topic發(fā)送水分、光照、溫度、濕度的數(shù)據(jù)，這樣在每個Topic中，可以對應(yīng)查看各個數(shù)據(jù)的折線圖和數(shù)值。

【測試5】設(shè)計(jì)、制作外殼，測試改進(jìn)。根據(jù)以上所連接的硬件為基礎(chǔ)，需測量掌控板的大小，推算出植物監(jiān)測儀外殼的大小，在設(shè)計(jì)單上按比例繪制植物監(jiān)測儀外殼原型圖例。最后，按照設(shè)計(jì)圖，選擇合適的材料與工具為植物監(jiān)測儀制作外殼，提升作品的美感，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維和工程思維能力。若在測試過程中，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，需及時檢查并調(diào)試相關(guān)程序，直至測試成功。

（4）實(shí)施評價階段（1課時）

本階段的核心內(nèi)容是分小組進(jìn)行班級內(nèi)展示、匯報所制作的植物監(jiān)測儀，測試植物監(jiān)測儀的效果。教師和其他小組可以提出改進(jìn)建議，進(jìn)一步完善和優(yōu)化作品。最后，學(xué)生對本次項(xiàng)目進(jìn)行反思評價，總結(jié)交流，分享本次項(xiàng)目的收獲與感悟。教師幫助學(xué)生形成學(xué)習(xí)的閉環(huán)，加深在項(xiàng)目進(jìn)行的過程中得到的鍛煉和對項(xiàng)目的理解。

本課程可以將總結(jié)性評價與形成性評價相結(jié)合，設(shè)計(jì)兩種評價量表：

“植物監(jiān)測儀”作品評價表（見表2），按照量化標(biāo)準(zhǔn)對各組作品進(jìn)行評價，包括組內(nèi)自評、組間互評和教師評價。

“植物監(jiān)測儀”項(xiàng)目評價表，對項(xiàng)目實(shí)施過程的和學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評價，包括組內(nèi)自評、組間互評和教師評價。其中，項(xiàng)目實(shí)施過程主要涉及基礎(chǔ)學(xué)科應(yīng)用、方案設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用、作品制作等要素，學(xué)生的表現(xiàn)涉及創(chuàng)造力、團(tuán)隊(duì)合作、問題解決、溝通交流等方面（見表3）。

總結(jié)

STEM教育作為一種跨學(xué)科整合的教育形式，可以為我國培養(yǎng)新型創(chuàng)新人才的教育目的增磚添瓦。本研究從項(xiàng)目式學(xué)習(xí)視角出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的STEM課程框架，并開發(fā)了具體的STEM課程案例，為該框架提供實(shí)踐路徑。

基于本項(xiàng)目的研究，教師可以對項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與STEM課程的結(jié)合進(jìn)行更深層次的探索。具體可以根據(jù)不同單元的教材內(nèi)容特點(diǎn)和課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)不同的STEM課程，將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)貫穿學(xué)生的整個學(xué)習(xí)生涯。這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、深度學(xué)習(xí)、實(shí)踐探究和解決實(shí)際問題的綜合能力，從而帶動科學(xué)教育的發(fā)展，培養(yǎng)出更多具備跨學(xué)科素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才。

[課題：重慶市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度規(guī)劃重點(diǎn)課題“科學(xué)教育專業(yè)本科生STEM課程整合能力及其培養(yǎng)研究”，編號：2020-GX-010。項(xiàng)目：教育部首批新文科研究與改革實(shí)踐項(xiàng)目“融合STEM教育理念的科學(xué)教育本科專業(yè)課程體系及教材建設(shè)研究與實(shí)踐”，編號：202107006]

（作者：樊秋瑜，重慶師范大學(xué)科學(xué)與技術(shù)教育碩士研究生；徐彩霞，通訊作者，重慶師范大學(xué)科技教育與傳播研究中心副教授，碩士生導(dǎo)師；林長春，重慶師范大學(xué)科技教育與傳播研究中心教授，碩士生導(dǎo)師）

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