STEM项目中综合学习设计的实践研究

教学现场

近期有关STEM项目的教研活动在各地蓬勃开展起来，其中包括科学学科、信息技术学科、数学学科等。在如此林林总总的群体性学科活动中，有教师提出困惑：什么才是STEM项目课程的典型特征？STEM项目课程和基础性学科有哪些关联？班级授课中的课程，究竟该如何实施？

问题分析

STEM是一种学科整体构建项目，融合了多项基础学科的内容。其典型的设计思路为综合性学习的方式，即通过选定一定的主题，据此展开综合性学习设计和活动实践，最终完成既定主题的认知任务。

综合学习设计的理论界定与特征分析

综合学习设计又称四元教学设计，其英文全称为Complex Learning Design，它是由荷兰马斯特里赫大学教育发展与研究系教授杰伦·范梅里恩伯尔教授提出。综合学习设计包括学习者提出的面向学习任务、教师呈现相关知能、提供支持程序及环境、安排专项练习任务四个阶段，对改进教学效能、实现学习迁移具有重要的现实价值，为我们培养和发展学生的综合能力提供了可行的实施途径。

综合学习设计主题选择建立在广泛的实证研究基础之上，每一个阶段均与学习过程的基本类型以及相应的教学方法紧密联系在一起。与基于问题的学习设计相比，综合学习设计模式的特征是：更关注指向能力发展的学习任务；提供更多种类的学习任务，包括问题生成、项目设置、案例分析、专业实践等；更重视任务“由易到难”的排序和“从扶到放”的教师指导。

在STEM教学设计课教学中，综合学习设计是当代教学设计理论转型成功的标志性成果。我们借鉴综合学习设计的理论精髓，对以往STEM项目中，人们习以为常的定位技术教育进行改进。改进后的学习设计，需要教师对基础学科的教学思路与策略进行反思，在“图示建构”和“规则熟巧”的目标指导下开展理论阐释和专项操练，形成面向真实任务、知行合一、扶放有度的学习设计能力培养新方式。

STEM项目中教学的现状与困境

STEM项目教学的教育环境和学习方式与传统学科教学有较大的区别，对于学生来说，设计方式和进程已经成为自身学习内容的一部分。學生使用数字化工具、信息化手段等支持环境，构建自身的认知图示。数字技术让学生的学习过程变得更加多样，促进学生不断自主构建，衍生传统学科的教学外延。

受到教学环境的限制及传统学科的负迁移，部分教师的教学设计仍沿用常规的普通学科的授课方式。例如，数学学科中注重理性概念，忽视感性构建；科学类学科中强调作品原理，缺乏算法渗透；信息类学科中重视程序搭建，缺乏实物输出等。STEM项目教学处于新名词承载旧面孔的尴尬状态。正如印度诗人泰戈尔在其诗歌《昨天的名字》中所写的：“不要用自己的学识限制孩子，因为他出生在与你不同的时代。”

综合学习设计的教学策略

阶段一：活动定向

综合学习设计的第一阶段为活动定向，即师生共同确定活动主题，由教师引导学生开展小组讨论，澄清模糊概念，界定问题，尝试提供解释，草拟解决方案，然后列出学习要点。通过对学习内容的设计，保障学习过程的指向性，为学生建立良性的认知地图。

（1）原设计

《有趣的纸电路》是STEM课程的传统项目，在常规的教学过程中，一般沿用纸电路原理说明→典型电路观察→练习搭建纸电路→作品发布→评价与调整等这一过程。教学流程中，科学学科的特征较为明显，关注串联电路的原理介绍，将能否点亮电路作为评价标准。但是，深思其中的学习过程，学生只进行了电路知识的简单学习，其并未成为一个完整意义上的STEM项目。

（2）思考焦点

在以上的设计中，传统学科的痕迹明显，STEM项目课程的因素不足。学生缺乏必要的认知定向。换而言之，学生是为学习电路而搭建，并非为搭建作品而学习电路。因此，此种传统的学习方式缺少活动定向环节，学习过程不能自主，目的模糊。

（3）改进型设计

基于综合学习设计，《有趣的纸电路》一课将进行更有指向性的设计过程，建议设计如下。

导入部分：教师提供南京秦淮灯展的照片和视频，让学生感受灯光装饰下的效果。

引发思考：如何能构建具有个性化的灯饰作品。

学生活动：分小组合作，提出创作思路。

预设1：创作玉兔吉祥。

预设2：创作勤学灯饰。

预设3：制作我的姓名。

预设N：……

提出主题：以小组为单位，确定主题，绘制思维导图。

小组分工：成员定位，确定各自在组内的身份和任务。

学习定向：分解认知内容，找出具体学习点（电路基础知识、开关按键、串联电路等）。

活动实施：根据自身需求，实施学习行为。

交流评价：各小组交流活动成果，对照任务目标，考察学习目标的达成率。

反思调整：依据评价情况，调整定位，为后续学习打下基础。

教学评析：在以上的综合学习设计中，学生不再拘泥于某一个学科的具体知识。学生发挥主观能动性，通过对学习目标的定位、学习伙伴的定位、学习项目的定位、组内合作的定位，形成完整的系列学习框架。教师成为学生的协同者，对各级定位进行必要的指导，与其共同合理完成学习过程。通过这样的学习设计，学生能够掌握的认知概念是生动明确、源于自身需要的，因此教学效果良好。

阶段二：借助良好环境进行自主学习

综合学习设计的第二阶段为构建良好的学习环境，借助适宜的学习工具，鼓励学生进行自主学习。STEM项目课程重视融合性的整体教学效能。在基于综合学习设计的教学中，环境的支持是帮助学生进行全息学习的重要维度，根据前一阶段的学习指向，进行有针对性的自主环境构建，并据此开展泛在性的深度学习。

（1）原设计

《智能路灯》是常见的STEM小项目课程，要求在1～2课时的范围内，创作相应的作品。常规的教学思路如下：教师演示智能路灯的搭建方式→讲解光敏传感器的原理→介绍相关程序模块的搭建→学生创作固件部分→学生搭建程序脚本→合成硬软件→调试作品→教师小结。

（2）思考焦点

以上过程信息技术学科的特征突出，重视机器语言和算法编程，以程序概念的介绍和语句编写为重点内容。但是作为STEM项目课程，显然本课的关注点是不全面的，缺乏关于路灯结构的内容认知，学生缺乏必要的应景性生活常识需求，所以教学过程较为单调。

（3）改进型设计

在基于综合学习设计的《智能路灯》一课中，可以进行适宜的教学环境的供给、学习工具的支持，让学生能够在力学、工程学、创客项目中得到综合能力的提升，教学建议如下。

教学环境：创客类实验室，配有无线网络及移动终端投屏设备。

教学工具：Pad或智能手机。

教学软件：个性化学习平台。

学习过程如下：

导入：教师播放全息影像，将学生带入夜晚的玄武湖，赏夜樱。

设问：当你赏樱花时，你想看到什么？你能看到什么？

回答：夜晚美丽的樱花、路灯下斑驳的幻樱、林间小道上行走的赏花人。

师：实现以上目的，需要哪些条件？

生1：随时了解光照度。

生2：通过光照度调节路灯的亮度。

生3：变化路灯的颜色。

小结：监控自然照度、控制灯光照度、调节灯光颜色……

小组合作：角色1→通过移动终端上的编程平台，搭建相关程序脚本。角色2→根据个性化平台上的指引，搭建硬件结构。

师生共建：教师组织学生商议硬件结构的稳固程度，利用移动终端投屏，展示各组作品，组织测试，观察结构是否稳固，是否符合环境要求。

建模仿真：将已经完成的结构进行仿真投射，观察其是否能够达到活动要求。

融合任务：硬、软件结构整合，在真实的环境下，进行设备的调试，观察其效能。

反思提升：各组依据实际情况，调整作品。

评价总结：组织评选，借助个性化平台进行投票，选出获奖作品。

教学评析：以上的学习设计，将力学、工程学、仿真技术、编程技术进行了有效的融合。在《智能路灯》的主题涵盖下，进行卓有成效的多重组合：力学知识帮助学生搭建适宜的路灯框架；工程学安排活动流程，仿真技术提供了多维度的初步测试，保障了学习效能。

阶段三：评估与验证学习结果

综合学习设计的第三阶段为评估与验证学生的认知达成度，即通过多维度的评价，不断对学习过程进行考察，验证其是否进行了与第一阶段指向的内容相吻合的学習过程。

（1）原设计

在中小学STEM项目课程中，《七彩泡泡机》是较为新鲜的话题。该课让学生制作富有创意的各色泡泡机，完成吹泡泡的游戏，常见于科学课和通用技术课。在STEM项目中，该课有着一定的程式。可循的学习设计如下：纸上绘制结构图→木锯或电锯切割材料→胶枪连接结构件→尝试吹泡泡→修改作品。

（2）思考焦点

以上的设计是典型的唯技术论，缺乏STEM项目的思想，因此其设计的深度和新意不足。在学习过程中，学生多操作、少思考，教师没有提供及时的评价建议，因此没有达到STEM项目综合学习的目的。

（3）改进型设计

基于综合性学习设计，可将该课进行结构化的改良，以促进学生的综合学习能力的提升，教学建议如下。

玩一玩：带着学生使用玩具泡泡机。

想一想：泡泡机是如何吹出泡泡的？

画一画：画出泡泡机的结构图。（教师判断结构是否合理，并提出改进意见）

试一试：用积木类创客套件搭建泡泡机。（小组成员判断积木使用是否恰当）

用一用：将已经完成的泡泡机与传感器相连。（教师判断其传感器的选择是否合适）

学一学：下载半成品脚本，调试泡泡机。（小组间相互评测泡泡机的效果）

教学评析：在以上学习设计中，淡化了脚本的编写，突出了搭建的过程的优化。学生在教师的指导下，不断反思自我的作品，提升综合学习能力。

阶段四：提升学习效能

综合学习设计的第四阶段为提升学习效能，即运用多种学习手段，帮助学生最大程度地挖掘学习潜能，拓展学习广度，加深学习深度，以完成学习过程的优化。

（1）原设计

《探月工程》是STEM项目中的常见主题之一，在科学课、信息技术课中都有类似的课例。常见的教学设计一般沿用以下的流程：视频介绍探月车（如玉兔号月球车）→搭建探月车（科学课用木器、信息技术课用积木件）→编写程序→模拟探月车。

（2）思考焦点

从以上的设计中不难看出，原本较为有趣的内容，变得枯燥乏味，使得学生对于探月的主题意兴阑珊，没有兴奋点。本课的项目主题和认知内容契合度不高，因此需要调整。

（3）改进型设计

在基于综合学习设计的《探月工程》一课中，教师将探月的主题进行深度挖掘，借助信息化的工具，为学生创设适宜的学习方式，提升学习效能，建议过程如下。

问卷调查：借助问卷星等便捷的通信工具，进行有关探月主题的调查。

个性学习：①对探月飞船结构好奇的组→进行有关飞船历史和结构的分析，可用演示文稿或电子报刊实现。②对飞船避障有兴趣的组→进行有关红外线传感器和超声波传感器的学习，可搭建探月小车。③对探月行动有探究欲望的组→进行有关活动流程的组合，可利用思维导图等工具。

学生竞赛：组织同类型的项目进行展示擂台，通过学生的视角，反馈学习结果。

师生提炼：教师给出提升意见，帮助各组完善作品。

教学评析：在以上的学习设计中，认知主题和学习对象均由学生提出，他们根据自我的学习需要，提出任务达成目标，实施操作行为。该学习设计采用开放的形式，让学生进行充分的个性化定制计划，发挥其主观能动性，对认知内容进行意义学习，符合STEM项目课程的要求。

STEM项目中综合学习设计的关注点

基于综合学习设计的STEM项目，注重对学生完整性能力的培养，关注学生的多维度素养的提升，具有构建综合能力的重要意义。在教学实践过程中，务必关注以下问题：

首先，有机选择学习设计的各阶段。综合性学习设计的四阶段，并非是一成不变的机械组合，可以根据课程情况进行必要的整合和区分，以期达到更为理想的教学效果。例如，在某些机械结构较为复杂的内容中，就可以将阶段三的评估与验证学习结果过程，与阶段四的提升学习效能过程进行整合，保障阶段二的课时充足，提升具体实施效能。

其次，学习设计的大、小主题选择。综合性学习设计的主题有范围的区别，既有课时较多的大主题，也有短时间内可做完的小主题。大、小主题的选择应该适应不同的学习对象、学习环境和小组成员，采用适宜的形式，确保作品的达成性。

最后，STEM项目的弹性范畴。综合性学习设计相对于问题导向设计而言，更加注重项目的综合性和整体性，强调学生多种素养的提升。因此，在设计过程中，应给与学生多种能力的锻炼机会，帮助其构建完整的作品创作思路。

参考文献：

[1]马兰.基于综合学习模式的教师教学设计能力培养[J].课程·教材·教法，2015（8）：85，112-119.

[2]钟丽佳.聚焦培育综合学习能力——访荷兰马斯特里赫特大学杰伦·范梅里教授[J].开放教育研究，2018，24（2）：4-12.

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