目前，STEM教育和項目式學習被教育界廣泛認可并實踐。鑒于兩者在核心理念方面的一致性，很多專家學者提倡將兩者融合應(yīng)用。今天分享的文章以實際課例出發(fā)，為我們展現(xiàn)STEM教育理念下項目設(shè)計的經(jīng)驗和方法，一起來看。

STEM理念下的“智能垃圾桶”項目活動設(shè)計與實踐

文  |  王偉偉

     STEM教育發(fā)端于20世紀80年代，歷經(jīng)30多年的發(fā)展已趨于成熟。STEM教育主張“跨學科”“協(xié)作”“創(chuàng)新”“做中學”等新型學習方式。

       項目式學習有別于傳統(tǒng)的教學模式，它基于真實的問題情境，將教學內(nèi)容與生活經(jīng)驗有效整合，幫助學生自主學習和合作探究，注重對學生批判思維能力、問題解決能力、團隊協(xié)作能力及創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。

     STEM教育倡導以學習者為中心，這一點與項目式學習的理念不謀而合。STEM教育主張以項目（活動）的形式開展教學。筆者認為，將STEM理念與基于項目的教學活動相結(jié)合，即將跨學科知識嵌于項目活動之中，有助于推進STEM教育理念下的教學活動的實施。

秦瑾若指出，STEM教育教學在實踐過程中要遵循項目性、趣味性、多維性與協(xié)作性四大設(shè)計原則，其中項目的設(shè)計是整個應(yīng)用過程的重中之重。

二、STEM理念下的教學活動設(shè)計框架

      筆者基于STEM教育的核心理念，依據(jù)PBL項目式學習理論，結(jié)合教學實踐，設(shè)計了STEM教育理念下的項目活動設(shè)計框架。

     項目活動分為確立項目主題、分析項目問題、建立評價標準、設(shè)計解決方案、實施解決方案和展示評價總結(jié)六個階段開展。

（一）確立項目主題

    教師引導學生從生活實際出發(fā)選定項目主題，發(fā)現(xiàn)生活中存在的問題，提出解決方案并實施，以求解決問題。項目主題應(yīng)是跨學科的，融合科學、工程、技術(shù)和數(shù)學等多方面的知識內(nèi)容，具有趣味性、探究性、實踐性、創(chuàng)造性和綜合性，并且契合STEM理念和核心素養(yǎng)發(fā)展要求。

（二）分析項目問題

     學生明確項目主題之后，并不能馬上制訂具體的解決方案，還需對項目背景進行分析，明白到底需要解決哪些問題，并通過繪制思維導圖梳理問題，整合并利用已有的、跨學科的知識或經(jīng)驗去探索。教師引導學生分析問題，可以發(fā)散學生的思維，促進學生分析問題能力的提升。

（三）建立評價標準

     建立評價標準是項目活動設(shè)計過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。師生根據(jù)任務(wù)要求，共同建立具體的評價標準。教師指導學生參考尼爾森“逆向思維”模型，明確哪些是“需要”的，哪些是“不需要”的，最終作品的呈現(xiàn)應(yīng)該具備怎樣的特征，以此搭建“腳手架”，為學生制訂項目解決方案提供有意義、有價值的指導。

（四）設(shè)計解決方案

      項目活動實施之前，按照“同組異質(zhì)”“組間同質(zhì)”的原則對學生分組，確保每個小組各方面能力水平相當。在設(shè)計項目解決方案的過程中，各小組針對要解決的問題，依據(jù)標準，相互協(xié)作、共同探究，結(jié)合已掌握的知識經(jīng)驗并輔以教師的指導，自主搜集相關(guān)資料，展開討論，繪制草圖，設(shè)計解決方案草案。各小組設(shè)計完成方案以后，面向全體學生進行方案可行性分析與匯報，并根據(jù)教師及其他小組的意見修改，最終確定具體可行的解決方案。

（五）實施解決方案

      各小組分別根據(jù)解決方案付諸實施，其間需要各小組分工協(xié)作探究，輔以教師的適度指導完成作品，并且根據(jù)實際情況對作品進行修改與優(yōu)化，從而迭代與完善項目解決方案。

（六）展示評價總結(jié)

    教師組織各小組學生進行成果交流與展示，并參照師生共同建立的評價標準，結(jié)合制作過程對各小組成果的創(chuàng)新性、實用性、價值性等方面進行評價，提出改進建議。學生根據(jù)評價意見進行修改與完善。最后教師進行歸納總結(jié)，指導各小組完成項目反思報告，梳理并回顧項目學習活動帶來的收獲與不足，促進學生問題解決能力與協(xié)助能力的發(fā)展。

三、項目活動的設(shè)計與實施

   “創(chuàng)意智造”是筆者針對八年級學生設(shè)計的一門拓展課程，指導學生利用Arduino開源硬件與各類電子傳感器元件，制作一些富有創(chuàng)意的電子產(chǎn)品。

     筆者依據(jù)項目活動設(shè)計框架開展教學，讓學生在完成項目的過程中提高發(fā)現(xiàn)問題并分析與解決問題的能力以及協(xié)作能力，從而提升其科學精神、跨學科思維、創(chuàng)新實踐能力，同時構(gòu)建新知識。

    下面，筆者以“創(chuàng)意智造”課程中的具體項目“智能垃圾桶”為例，對STEM教育理念下的項目活動設(shè)計與實踐進行闡述。

（一）教學內(nèi)容與目標分析

1.學習者分析

    學習者為八年級學生，他們對“創(chuàng)意智造”課程具備濃厚興趣且動手能力強，樂于合作。學生已學習過Arduino數(shù)字量輸出、模擬輸入與數(shù)字輸入，基于超聲波傳感器、溫度傳感器、觸摸傳感器等傳感器與Arduino的互動編程以及用Arduino控制舵機模塊等知識。設(shè)計與制作“智能垃圾桶”需要綜合應(yīng)用Arduino編程知識和其他學科知識。

2.項目活動教學內(nèi)容與目標分析

     教師基于STEM教育理念，根據(jù)教學內(nèi)容設(shè)計相關(guān)項目活動（見表1）。學生完成“智能垃圾桶”項目任務(wù)需要融合應(yīng)用多種學科知識，特別是信息技術(shù)，以及工程（設(shè)計）思想和數(shù)學思維。

（二）教學設(shè)計與實施

     第一步，確立項目主題。據(jù)統(tǒng)計，2018年上海市日均生活垃圾清運量約26 000 噸，年均生活垃圾產(chǎn)生量超過9 000 000 噸，給環(huán)境帶來較大壓力。2019年，上海市人民政府頒布并實施《上海市生活垃圾管理條例》。

     目前，上海市在各社區(qū)設(shè)立了垃圾分類投放點。垃圾分類已成為新時尚。生活中，人們一般是將垃圾從家用垃圾桶倒入公共垃圾桶。通常每家只用垃圾桶，這不利于垃圾分類。此外，垃圾桶普遍無蓋，無法隔離異味（有些垃圾易產(chǎn)生難聞氣味）。有些垃圾桶雖有蓋子，但需手動開啟，存在感染風險。

     如何設(shè)計一款智能的垃圾桶來解決上述問題呢？師生討論后，確立項目主題為“環(huán)保小能手——智能垃圾桶”，旨在通過具體產(chǎn)品的設(shè)計與制作實現(xiàn)科學知識與信息技術(shù)的跨越以及工程設(shè)計與數(shù)學思維的融合。

     第二步，分析項目問題。各組首先依據(jù)項目背景進行分析，結(jié)合生活中家用垃圾桶的使用情況及潛在需求，列出需要（智能垃圾桶）解決的問題。

    比如：如何實現(xiàn)垃圾分類？如何排除衛(wèi)生隱患？如何提升人們的垃圾分類意識？然后應(yīng)用思維導圖呈現(xiàn)擬解決的問題。

     第三步，建立評價標準。在此環(huán)節(jié)，師生圍繞項目主題共同建立評價標準。教師簡單列出哪些是“需要”的，哪些是“不需要”的（見表2），恰到好處地幫助學生調(diào)整設(shè)計標準（難度）即可。

     第四步，制訂解決方案。學生針對擬解決的問題，參考評價標準，有針對性地制訂解決方案。

教師引導學生結(jié)合已有知識與經(jīng)驗，應(yīng)用科學知識對垃圾初步分類；利用信息技術(shù)搜索相關(guān)資料并對搜索結(jié)果進行有效篩選和分析；組織討論，制訂解決方案并繪制智能垃圾桶原型草圖，通過實踐提升學生的工程設(shè)計能力（表3為A組學生編制的項目解決方案，圖1為該組學生設(shè)計的智能垃圾桶原型）。

圖 1　智能垃圾桶原型設(shè)計

       第五步，解決方案的實施。學生按照項目解決方案付諸實施，過程分為準備制作材料、制作智能垃圾桶模型、搭建智能電路并實現(xiàn)功能和測試與優(yōu)化產(chǎn)品四個環(huán)節(jié)。

      其一，準備制作材料。各小組根據(jù)實際需要準備制作智能垃圾桶的基本材料。

       其二，制作智能垃圾桶模型。各小組分工協(xié)作，利用瓦楞紙板制作垃圾桶原型。

根據(jù)現(xiàn)有的瓦楞紙板尺寸，計算垃圾桶各部分的最佳尺寸，用工具切割出各個面，再進行組裝與拼接，制作出垃圾桶模型。同時，應(yīng)用3D打印技術(shù)自主設(shè)計鉸鏈等結(jié)構(gòu)部件，并通過畫筆等美術(shù)材料對垃圾桶原型進行裝飾。此環(huán)節(jié)的訓練有利于提升學生的空間幾何計算能力及動手能力。

      其三，搭建智能電路并實現(xiàn)功能。學生根據(jù)方案設(shè)計電路，繪制程序框圖，并應(yīng)用Mixly軟件編寫程序。

      學生在搭建智能電路和編寫程序的過程中難免遇到問題，可在組內(nèi)商議，反復實驗進行調(diào)試與修改，必要時向教師尋求幫助。這些訓練可以提升學生協(xié)作能力以及利用數(shù)學思維與編程思維解決問題的能力。

     其四，測試與優(yōu)化產(chǎn)品。智能垃圾桶初步制作完成后，學生需要對其進行測試，檢驗是否符合標準，并結(jié)合實際使用情況繼續(xù)完善。

這些訓練可以讓學生體會工程設(shè)計中不斷迭代、優(yōu)化的思想，從而提升其工程設(shè)計思維能力。

       第六步，展示評價總結(jié)。師生依據(jù)共同建立的評價標準對各組設(shè)計制作的智能垃圾桶進行評價，提出建議。

      各小組結(jié)合評價意見撰寫項目報告。教師最后進行歸納總結(jié)，并引導學生基于現(xiàn)有的智能垃圾桶設(shè)計進行拓展，比如嘗試設(shè)計工業(yè)垃圾桶，采用智能制動裝置實現(xiàn)垃圾的自動分類。

     筆者提出了基于STEM理念的項目活動設(shè)計框架，并做了實證研究。教師在項目教學中從生活情境入手，調(diào)動學生的積極性，在完成項目任務(wù)的過程中促使學生掌握專業(yè)知識，獲得實踐經(jīng)驗，學會協(xié)作，綜合應(yīng)用學科知識，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與創(chuàng)造能力。

     由于研究條件有限，筆者設(shè)計的項目活動框架還有待優(yōu)化與完善，日后將結(jié)合更多的課題深入研究與應(yīng)用，以期更好地實施STEM教育理念下的項目教學。