STEM课程的开发与实施

赵亮

一、对STEM教育的深刻认识

STEM教育以真实问题解决为任务驱动，让学生通过运用多学科知识和技能来解决实际问题，从而培养学生的实践、创新与探究能力。

1. STEM教育有利于完整知识体系的形成和综合思维能力的培养

人类的智慧来源于知识观的完整，它不是零敲碎打的，而是与整体特征密切相关的。现行的分科教学有利于系统知识的习得，但不利于完整知识体系的形成和综合思维能力的培养。STEM教育中的跨学科学习倡导根据生活中的问题设置主题，不同学科围绕同一个主题，构建相互衔接贯通的课程体系。同时强调整合各学科知识解决实际问题，从而锻炼学生的综合思维能力。

2. STEM教育是促进学生深度学习的有效方式

深度学习既是决定人工智能兴衰的关键所在，也是决定未来教育成败的关键所在。人类要想从人工智能时代的职场中胜出，就必须从强调记忆和练习的传统学习中脱离出来。因此，我们急需探寻一种新的教育模式促进学生进行深度学习。STEM教育强调还原知识的丰富情境，在面向实践的学习活动中，以技术为支持，以任务驱动的方式组织学习，鼓励学生用所学知识解决实际问题，并提供成果展示及表达的机会，最终进行多维评价，这正符合深度学习的要求。

3. STEM教育有利于培养有创意、有温度的人

在人工智能时代，有创意、有温度的事情和工作无法被智能机器人所替代。创意和温度是人工智能教育无法实现的领域，然而STEM教育却着重培养学生成为一个有创意、有温度的人。由于STEM教育涉及多个学科、多个领域，学生可以将科学、技术、工程和数学等多个学科进行交叉融合，经由实践解决现实问题、进行创新设计，不断培养和提升创新素养。STEM教育强调在真实情景下，学生通过合作探究解决实际问题，在此过程中学生的交流能力、合作能力得到锻炼，并逐步发展成一个善于与人交流、善于帮助他人的有温度的人。

二、STEM课程的缘起

1. 引导STEM试点校开展探究式项目的思考

在指导学校STEM研究过程中，我们首先引导学校开展基于学科特色的项目式学习研究。比如某试点学校组织数学、生物和物理学科积极开展了形式多样的探究式项目学习，如表1所示：

【案例】水的秘密——压强与浮力探究项目

初二物理课上，任课教师讲授压强与浮力知识点时改变传统的教学方式，将该课改编成“水的秘密——压强与浮力探究”项目。在该项目中，任课教师融合了学科内部多种知识的讲授与应用，如物质结构、压强、势能等知识。

在项目实施过程中学生需要通过帕斯卡裂桶实验理解水的压强与深度的关系，然而现实环境无法满足该实验的实施，学生在探究活动中通过利用矿泉水瓶、橡皮膜、橡胶管制作了新的实验装置并顺利完成了实验。

2. 科创项目的启发

引导学校结合自身发展特点把科技创新作为重点打造的文化特色之一，积极开展各种科创类主题项目，比如图书分拣机器人项目、水火箭制作与发射项目和无人车探险项目等。

【案例】图书分拣机器人项目

项目起因：初二年级学生在书吧借阅图书时发现老师要经常分拣、整理图书，由此提出：“是否可以发明一个分拣图书的机器人来减轻老师的工作负荷？”

项目开展：了解到学生这一想法后，信息教师牵头组织其他相关学科教师第一时间投入研究“图书分拣机器人”项目。项目开展过程中由图书管理教师讲授图书分类方法，物理教师讲授传感器、物镜、电子光学等知识，信息教师讲授编程知识，美术教师参与指导学生进行外观设计，多学科共同参与的探究活动就此展开。

3. 思考与启发

通过以上活动的开展，学生表现出对该种学习模式浓厚的学习兴趣，教师也表达了尝试这种新型教学方法的强烈意愿。所以我们的STEM教育就是要以真实问题的解决为任务驱动，让学生通过运用多學科知识和技能来解决实际问题，从而培养学生的实践、创新与探究能力，这也正是STEM教育的本质所在。

接下来我们引导学校开始思考，如何打造符合学校办学特色、学生成长特点、真正落地生根的STEM课程。

三、STEM课程的开发与实施

1. STEM课程目标的确定

STEM本质上是一种跨学科教育，是Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）学科教育的统称，其初衷是为了更有针对性地培养科学、技术、工程、数学领域的人才，始终以培养“学科素养”（单科或综合）为目标。因此，STEM课程目标首先应包含学科目标，例如数学、物理、化学、信息技术等学科目标。

同时，STEM教育不是多种学科的单一组合，其强调学生综合运用多学科知识解决实际问题，可见其重视学生综合能力的发展。然而，21世纪更需要具有创新能力的人才，更需要具有核心素养的人才。《中国学生发展核心素养》提出的我国学生应发展的六大核心素养——人文底蕴、学会学习、科学精神、责任担当、健康生活、实践创新，已成为教育改革的风向标。STEM教育因其倡导学科整合对发展学生的核心素养具有举足轻重的作用，甚至被称为发展核心素养的“疗效药”。因此，STEM课程目标也应包含核心素养目标，并主要体现《中国学生发展核心素养》中所提出的问题解决、技术运用等18个基本要点。

综上所述，STEM课程目标包含学科目标和核心素养目标两部分。

2. STEM课程定位及课程体系的形成

在这一阶段，各个学校要分析学生的特点，梳理来自学生的反馈，然后通过专业团队的研讨，最终确定STEM课程定位，形成STEM课程体系。

（1）基于学生立场

学生应永远站在学习的正中央，真正成为学习的主人，各学校专门组织学生以小组合作的方式，让学生围绕身边的校园生活尽情描绘他们心目中STEM课程的样子。结果显示，科学学习的有效工具、智能生活的特色产品、师生关系的巧妙维护、环境保护的创意发明以及未来校园的现实模样等等，都是学生的兴趣所在，也是学生乐于探究的方向。

（2）专业团队分析研讨

山东省STEM协同中心组织省内外STEM专家团队，定期与学校的STEM教师进行线上线下的专题研讨，制订详细的实施方案，为学生成长提供最有力的支持与帮助。

在研究与实践中，某初中试点学校整体工作比较突出，基于学生的培养方向和成长需求，围绕校园生活实际问题构建了5个版块、12个项目的STEM课程体系。

项目组根据每个项目中涉及的知识点难易程度以及学生的学情，将项目合理划分到不同年级，如表2所示：

3. STEM项目实施阶段

在我们指导学校开展STEM的研究过程中，我们通过前期的探索实施，初步总结出一套STEM项目实施的一般过程，该过程分为项目启动阶段、项目实施阶段、总结分享阶段和评价反馈阶段。

（1）项目启动阶段

在项目启动阶段，项目指导教师要将学生划分小组，设计项目方案，明确小组分工，制订小组计划。

（2）项目实施阶段

STEM项目的实施以活动探究为主要推进形式，通过设计难度层层递推的问题，让学生逐步解决，最终完成作品成果。在实际开展项目时，该阶段会根据项目的实际情况划分为更加具体的小阶段。

（3）总结分享阶段

在STEM项目中，学生完成一系列活动后需分享自己在项目中的收获与感悟，并展示学习成果，该成果可以是作品也可以是研究报告等。

（4）评价反馈阶段

在STEM项目的实践中，各项目试点校要通过学生的学习、教师的教学等多维视角反馈项目学习效果，通过过程性、表现性、开放性的评价体系，引领学生进行基于真实世界的深度学习。

4. STEM课程评价

基于跨学科教学的STEM课程，强调学生实现学科目标和核心素养目标，这与传统教学只强调学科目标的完成大不相同，因此在进行课程评价时应多方考虑，不仅要完善评价的内容，更应创新评价过程、评价工具和评价的主体。

为了有效评估STEM的学习，我们引导学校建立评价体系，通过多样的评价方式判断学生的知识和能力水平。评价体系包含多元的评价主体、多元的评价工具、多元的评价过程和多元的评价内容，如图2所示。

四、STEM课程实施案例

下面将通过“时间都去哪儿了”这一项目具体介绍STEM课程的具体实施情况。

1. 项目主题

时间管理器的设计制作。

2. 适用年级

7—8年级。

3. 项目背景

学生从小学升入初中后，随着学科数量的增加和课程难度的提升，时间管理的能力愈发重要。根据我们日常教学的经验来看，学业成绩往往与时间管理的能力息息相关。在对学生的问卷中学生也普遍反映出时间管理的诸多困难。

本项目通过研究时间管理的方法，制作一个多功能时间管理器，帮助学生做时间管理的规划与实施。该项目融合了科学、技术、工程、数学、物理学科知识，是典型的STEM课程案例。

4. 課程目标

科学：了解单片机计时器的原理，了解人体红外传感器的原理。

信息技术：掌握图形化编程语言，了解物联网初步知识，了解大数据的应用场景。

工程：掌握电路的连接方法。

数学：掌握变量在程序中的应用。

5. 学科目标

艺术：会用3D设计软件进行结构设计及冷暖颜色的使用。

物理：了解光的三原色。

6. 核心素养目标

人文情怀：通过对时间管理器功能的人性化设计，培养以人为本的意识。

审美情趣：通过对时间管理器的外观设计，培养感知、评价美的意识和基本能力。

勇于探究：通过对时间管理器不同功能的探究，激发学生的想象力。

乐学善学：通过对时间规划的学习，养成良好的学习习惯。

信息意识：通过对物联网的学习，主动适应“互联网+”等社会信息化发展趋势。

自我管理：通过对时间管理的学习，学会合理分配和使用时间与精力的方法。

问题解决：根据学生完成作业时间使用的现状，引导学生发现和提出问题，并指导学生制订合理的解决方案。

技术运用：培养工程思维，能将创意和方案转化为有形物品。

7. 课时安排

阶段一：项目启动

在该阶段学生以小组为单位完成项目策划书，即确定项目主题和项目目标，完成小组成员任务分配，制订项目计划并分析计划的可行性。

阶段二：功能设计

学生制作放学后的时间规划表，并根据各自的时间规划表在小组内用头脑风暴的方法讨论时间管理器的功能，并通过思维导图的形式呈现。教师与学生共同分析所列功能的可行性与实际意义，确定实现时间管理器的三个功能：定时功能、自动提醒功能、不同提醒方式。

阶段三：制作实现

在该阶段学生以小组为单位，通过组装器材、编写程序、利用3D打印机分别实现定时功能、自动提醒功能、不同提醒方式。

阶段四：总结分享

各小组制作完成时间管理器后，依次以小组为单位上台展示讲解各自的作品，并通过PPT的形式介绍在本次项目中自己的收获和遇到的困难。

阶段五：多元评价

在该阶段学生通过完成《项目式学习小组合作能力自我评价表》《项目式学习小组合作能力他评表》《学生设计方案评价表》《学生参与项目情况评价表》《项目式学习中PPT展示评价表》和《作品展示评价表》等多种评价量表实现多种评价主体、评价过程和评价内容的评价。

五、对STEM教育的思考

1. 跨学科是针对分科教学而言的，如何處理好分与跨的关系

各学科都有内在逻辑的独立性，跨学科学习需要坚实的学科基础，没有学科就没有跨学科，两者是相辅相成的，要处理好分科教学和跨学科学习的关系，从更广阔的视野认识学习的本质。

2. 学科融合方式选择的重要依据是什么

哪几门学科融合、怎么融合要根据所要培养的核心素养而定，这样可以有效避免STEM教育在实际教学中出现的学科之间盲目融合的弊端，为学生设计更有针对性的探究问题、学习内容以及实践活动，让学生能够真正掌握跨学科的思维和方法。

3. STEM教育应该更注重终期产品的生成还是过程中学生的体验

在项目开展中，虽然有时问题没有得到完全解决，或者项目没有得出最终的成果，但在参与、体验中习得知识的方式对学生今后的长远发展会产生深刻影响。

4. 开展STEM教育是否必须具备先进的教学设施和专业的STEM教师团队

有人认为实施STEM教育的前提必须建有先进的教学设施，必须具有高精专的教师团队，然而真正意义上的STEM教育强调利用学校现有的教育条件、师资队伍进行探索并逐渐完善。STEM教师团队强调包含学校各学科教师，虽然有些教师目前还不具备专业STEM技能，但在陪伴、引领学生的过程中可以实现与学生的共同成长。

5. STEM只能演变为STEAM吗

STEM教育是指科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的有机结合。随着时代发展STEM教育又强调艺术的深度融合，加入了艺术（Arts），演变为STEAM。然而无论STEM+任何元素均是源于教育的需要，源于学生的需求。因此，我们在指导学校进行STEM教育实践时，鼓励学校大胆探索，努力尝试，逐渐形成STEM+教育体系。

我们将继续引进国内外STEM教育优质资源，借鉴有效的教育模式，针对不同学校实际，采取重构、创新、优化等措施，努力探索STEM教育的实施路径，开拓一条STEM课程创新实践之路，为学生应对未来挑战、实现终身发展奠定基础。

（作者单位：山东省教育科学研究院）