第一篇：STEM教育理念與跨學科整合模式

摘要：

隨著創客日益受到社會關注，開展創客教育已成為教育界討論并實踐的熱點。創客教育不能滑入到在中小學推廣創造發明的歧途，而應是推進跨學科知識融合的STEM教育，在幫助學生打好扎實的科學、技術、工程和數學知識的基礎之上，培養學生創新精神與實踐能力，促進創新型、創業型人才的成長。本文闡述了STEM教育的跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性、技術增強性九個核心理念，介紹了相關課程、廣域課程兩種跨學科整合模式，分析了三種跨學科整合的取向：學科知識整合取向、生活經驗整合取向、學習者中心整合取向，并提出了跨學科整合的項目設計模式。

關鍵詞：STEM教育；跨學科整合；課程整合模式；整合性課程；創客教育

李克強總理在2015年政府工作報告中指出，要推動大眾創業、萬眾創新，并親身探訪深圳柴火創客空間，國務院辦公廳隨后印發《關于發展眾創空間推進大眾創新創業的指導意見》。隨著“創客”風靡全國，開展創客教育也成為教育工作者熱烈討論的話題。但很多人對創客教育的理解存在一定誤區。創客教育不是一味鼓勵學生荒廢學業、不切實際地去搞創造發明、創業，而是強調創客的興趣驅動、動手實踐、創意創新的核心品質，推進跨學科知識融合的STEM教育，在幫助學生打好扎實的科學、技術、工程和數學知識基礎之上，培養其創新精神與實踐能力，促進創新型、創業型人才的成長。

一、STEM教育及其發展

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合。STEM教育并不是科學、技術、工程和數學教育的簡單疊加，而是要將四門學科內容組合形成有機整體，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力。

STEM教育（STEM Education）源于美國。美國科學教育學者最早于20世紀50年代提出科學素養概念，并得到了其他國家科學教育學者的普遍認同，認為提高國民的科學素養是提升國家綜合實力的關鍵。這與20世紀前半葉科學的迅猛發展是分不開的：那時科學在公眾心中是萬能的，科學被認為是社會發展進步的不竭動力。隨著科學知識體系的相對穩定，以及技術和工程給生活帶來的翻天覆地的變化，技術素養等因此進入公眾視野。例如，斯坦福大學赫德教授1975年指出：“技術素養與科學素養應當并列成為科學教學的主要目標”（Hurd，1975）。

到20世紀90年代，美國國家科學基金會首次使用STEM描述涉及一至多門STEM學科的事件、政策、項目或實踐（Byhee，2010）。在此之前，常見的縮寫是SMET，即科學（Science）、數學（Mathematics）、工程（Engineering）和技術（Technology）。例如，1986年，美國國家科學委員會發布《本科科學、數學和工程教育》報告，首次明確提出“科學、數學、工程和技術教育集成”的綱領性建議，SMET因而被視為STEM集成的開端（朱學彥等，2008）。

2001年后，STEM逐漸取代SMET，成為四門學科的統稱。在小布什兩屆任期內，STEM作為新概念不斷出現在美國各種改革政策和項目甚至法律中（趙中建，2012）。例如，2007 年8 月，美國國會通過《國家競爭力法》，批準2008 年到2010 年間為聯邦層次的STEM 研究和教育計劃投資433 億美元；同年10 月，美國國家科學委員會發布報告《國家行動計劃：應對美國科學、技術、工程和數學教育系統的緊急需要》，警示美國時刻不忘加強對學生開展STEM 教育。

奧巴馬總統執政之后，對STEM 教育的重視提升到新的層次。上任初，他便頒布了《美國振興及投資法案》，將增加財政投入支持STEM 教育寫進法案；第一任期內，奧巴馬先后宣布實施“競爭卓越計劃”“為創新而教計劃”以及“新科技教育十年計劃”等，不斷加大對STEM 教育發展的關注度與投入力度，對確保美國國際競爭力產生了深遠影響；2014年，白宮和美國教育部提出STEM 國家人才培育策略，針對中小學STEM 教育提出實現各州STEM 創新網絡合作、培訓優秀STEM 教師、建立STEM 專家教師團、資助STEM 重點學校和增加STEM 科研投入等切實、具體的規劃，受到世界的廣泛關注（楊光富，2014）。

值得注意的是，美國STEM 教育的推廣不是在政府指導下單純依靠學校推動，而是動員了全社會特別是企業界的力量。正如奧巴馬總統指出的：“國家的成功取決于美國在世界創新中的作用，所有首席執行官都應該知道公司的未來取決于下一代員工的創新能力，而這又取決于今天我們怎么教育學生——尤其是在STEM 方面。我們的成功不能單靠政府的支撐，還要依賴于教師、家長、企業、非營利機構和更廣泛的社區等”（Sabochik，2010）。在美國，蓋茨基金會和紐約卡內基公司支持一百多位企業CEO創建“變革方程”公益機構。他們通過利用資金、獨特的資源和影響力試圖（鐘柏昌等，2014）：1）促進STEM公益教育事業；2）激勵青少年學習STEM；3）推動基于STEM的教育改革。同樣，英國為了促進企業職工參與學校的STEM 教育，僅2009-2010學年就花費約1300萬英鎊專項經費（其中，國家級機構投入約700萬英鎊；各地相關機構投入約200萬英鎊；企業投入約400萬英鎊）（Mann，2012）。從教育目標來說，STEM 教育的基本目標是培養學生的STEM素養。美國州長協會（National Governors Association）2007年頒布的“創新美國：擬定科學、技術、工程與數學議程（Innovation America：Building a Science，Technology，Engineering and Math Agenda）”共同綱領中指出，在知識經濟時代，只有具備STEM素養的人才能在激烈競爭中取得先機，贏得勝利。他們認為，STEM素養是個體在科學、技術、工程和數學領域以及相關交叉領域中運用個人關于現實世界運行方式的知識的能力（秦煒煒，2007）。顯而易見，STEM素養包含了科學素養、技術素養、工程素養和數學素養，同時又不是四者的簡單組合：它包含運用這四門學科的相關能力、把學習到的零碎知識與機械過程轉變成探究真實世界相互聯系的不同側面的綜合能力。STEM作為一個有機整體，有其獨特的內涵與特征。

二、STEM教育的核心特征

STEM教育中四門學科的教學必須緊密相連，以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，并能進行靈活遷移應用解決真實世界的問題。融合的STEM教育具備新的核心特征：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等。

（一）跨學科

將知識按學科進行劃分，對于科學研究、深入探究自然現象的奧秘和將知識劃分為易于教授的模塊有所助益，但并不反映我們生活世界的真實性和趣味性（Morrison，2009）。因此，分科教學（如物理、化學）在科學、技術和工程高度發達的今天已顯出很大弊端。針對這一問題，理工科教育出現了取消分科、進行整合教育的趨勢。STEM教育因此應運而生，跨學科性是它最重要的核心特征。

美國學者艾布特斯（Abts）使用“元學科”（meta-discipline）描述STEM，即表示它是代表科學、技術、工程和數學等學科的統整的知識領域，它們存在于真實世界中，彼此不可或缺、互相聯系（Morrison，2006）?？鐚W科意味著教育工作者在STEM教育中，不再將重點放在某個特定學科或者過于關注學科界限，而是將重心放在特定問題上，強調利用科學、技術、工程或數學等學科相互關聯的知識解決問題，實現跨越學科界限、從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決實際問題的能力的教育目標。

（二）趣味性

STEM教育在實施過程中要把多學科知識融于有趣、具有挑戰性、與學生生活相關的問題中，問題和活動的設計要能激發學習者內在的學習動機，問題的解決要能讓學生有成就感，因此需有趣味性。STEM教育強調分享、創造，強調讓學生體驗和獲得分享中的快樂感與創造中的成就感。有的項目還把STEM教育內容游戲化（將游戲的元素、方法和框架融于教育場景），因為將基于探索和目標導向的學習嵌入游戲中，有利于發展學習者的團隊技能、教授交叉課程概念和負責的科學內容主題，可以得到更多、更理想的教育產出（Johnson et al.，2013）。例如，芬蘭大學和美國北伊利諾伊大學合作成立了Finnish-US，在K-16階段開展基于游戲的STEM教育（見網址：go.nmc.org/fins）。

（三）體驗性

STEM教育不僅主張通過自學或教師講授習得抽象知識，更強調學生動手、動腦，參與學習過程。STEM提供了學生動手做的學習體驗，學生應用所學的數學和科學知識應對現實世界問題，創造、設計、建構、發現、合作并解決問題。因此，STEM教育具有體驗性特征，學生在參與、體驗獲得知識的過程中，不僅獲得結果性知識，還習得蘊含在項目問題解決過程中的過程性知識。這種在參與、體驗中習得知識的方式對學生今后的工作和生活的長遠發展會產生深刻影響。例如，我國臺灣學者賴恩瑩等利用樂高作為模組教具培養學生有關齒輪、力矩等工程概念（Lai，Zhang & Wang，2012）。學生通過搭建樂高組件測試相關原理，不僅可以了解物理概念與知識，還在工程設計體驗中感受到這些知識的重要作用，將抽象的知識與實際生活連接起來，很好地體現了STEM教育的體驗性特征。

（四）情境性

STEM教育具有情境性特征，它不是教授學生孤立、抽象的學科知識，而強調把知識還原于豐富的生活，結合生活中有趣、挑戰的問題，通過學生的問題解決完成教學。STEM教育強調讓學生獲得將知識進行情境化應用的能力，同時能夠理解和辨識不同情境的知識表現，即能夠根據知識所處背景信息聯系上下文辨識問題本質并靈活解決問題。STEM教育強調知識是學習者通過學習環境互動建構的產物，而非來自于外部的灌輸。情境是STEM教育重要而有意義的組成部分，學習受具體情境的影響，情境不同，學習也不同。只有當學習鑲嵌在運用該知識的情境之中，有意義的學習才可能發生。教師在設計STEM教育項目時，項目的問題一方面要基于真實的生活情景，另一方面又要蘊含著所要教的結構化知識。這樣，學生在解決問題的過程中，不僅能獲得知識，還能獲得知識的社會性、情境性及遷移運用的能力。情境性問題的解決，可以讓學生體驗真實的生活，獲得社會性成長。

（五）協作性

STEM教育具有協作性，強調在群體協同中相互幫助、相互啟發，進行群體性知識建構。STEM教育中的問題往往是真實的，真實任務的解決離不開其他同學、教師或專家的合作。在完成任務的過程中，學生需要與他人交流和討論。建構主義指出，學習環境的四大要素包括“情境”“協作”“會話”和“意義建構”（何克抗，1997）。STEM教育的協作性就是要求學習環境的設計要包括“協作”和“會話”兩要素：讓學生以小組為單位，共同搜集和分析學習資料、提出和驗證假設、評價學習成果；同時，學習者通過會話商討如何完成規定的學習任務。需指出的是，小組學習最后的評價環節以小組成員的共同表現為參考，而不是根據個人的表現進行獨立評價。

（六）設計性

STEM教育要求學習產出環節包含設計作品，通過設計促進知識的融合與遷移運用，通過作品外化學習的結果、外顯習得的知識和能力。設計出創意作品是獲得成就感的重要方式，也是維持和激發學習動機、保持學習好奇心的重要途徑。因此，設計是STEM教育取得成功的關鍵因素。美國學者莫里森認為，設計是認知建構的過程，也是學習產生的條件（Morrison，2005）。學生通過設計可以更好地理解完成了的工作，從而解決開放性問題。在這個過程中，學生學習知識、鍛煉能力、提高STEM素養，因此設計性是STEM教育的又一核心特征?？茖W在于認識世界，解釋自然界的客觀規律，技術和工程則是在尊重自然規律的基礎上改造世界，實現對自然界的控制和利用，解決社會發展過程中遇到的難題。按照科學和數學的規律開展設計實踐是科學、數學、技術與工程整合的重要途徑。

（七）藝術性

也有人提出STEAM的概念，強調在STEM中加入“Art”學科。這個“A”狹義上指美術、音樂等，廣義上則包括美術、音樂、社會、語言等人文藝術，實際代表了STEM強調的藝術與人文屬性。STEM教育的藝術性強調在自然科學教學中增加學習者對人文科學和社會科學的關注與重視，例如在教學中增加科學、技術或工程等相關發展歷史，從而激發學生興趣、增加學習者對STEM與生活聯系的理解以及提高學生對STEM相關決策的判斷力；再如，在對學生設計作品的評價中，加入審美維度的評價，提高學生作品的藝術性和美感。概括來說，STEM教育的藝術性是以數學元素為基礎，從工程和藝術角度解釋科學和技術。

（八）實證性

實證性作為科學的本質（Nature of Science）的基本內涵之一，是科學區別于其他學科的重要特征，也是科學教育中學習者需要理解、掌握的重要方面。STEM教育要促進學生按照科學的原則設計作品，基于證據驗證假設、發現并得出解決問題的方案；要促進學生在設計作品時，遵循科學和數學的嚴謹規律，而非思辨或想象，讓嚴謹的工程設計實踐幫助他們認識和理解客觀的科學規律。總之，STEM教育不僅要注重科學的實證性，更強調跨學科情景中通過對問題或項目的探索，培養學生向真實生活遷移的科學精神和科學理性。

（九）技術增強性

STEM教育強調學生要具備一定技術素養，強調學生要了解技術應用、技術發展過程，具備分析新技術如何影響自己乃至周邊環境的能力。在教學中，它要求利用技術手段激發和簡化學生的創新過程，并通過技術表現多樣化成果，讓創意得到分享和傳播，從而激發學生的創新動力。STEM教育主張技術作為認知工具，無縫地融入到教學各個環節，培養學生善于運用技術解決問題的能力，增強個人駕馭復雜信息、進行復雜建模與計算的能力，從而支持深度學習的發生。

三、STEM課程的跨學科整合模式

在課程方面，STEM教育代表了課程組織方式的重大變革。目前中小學最廣泛應用的課程模式是分科教學模式，即數學、科學等學科教師負責教授各自科目，很少重視學科之間的聯系。然而，要讓學生為未來的職業發展做準備，他們必須超越學科的界限進行思考。有研究表明，學習者接受STEM教育有助于獲得對數學和科學等內容更加深入的理解（Frykholm & Glasson，2005）；同時也有助于培養他們獲得在真實世界應用這些知識解決問題的能力，因為這些問題從本質上就是跨學科的（Asghar et al.，2012）。因此，STEM教育的課程設計應該使用“整合的（integrated）課程設計模式”，即將科學、技術、工程和數學等整合在一起，強調對知識的應用和對學科之間關系的關注（Herschbach，2011）。

（一）跨學科整合的模式

針對STEM教育整合的課程設計，美國馬里蘭大學赫希巴奇（Herschbach，2011）提出兩種最基本的課程模式：相關課程（the correlated curriculum）模式和廣域課程（the broad fields curriculum）模式。相關課程模式將各科目仍保留為獨立學科，但各科目教學內容的安排注重彼此間的聯系。例如，上物理課可能需要學生預先掌握數學概念，數學和物理教師要通過溝通，將這兩次課安排在時間節點相近且數學課教學排在前面。相關課程模式與學校目前的課程模式很相近，但最大的區別在于前者需要不同學科之間的教師對課程安排進行詳細、周密的協調和計劃。

廣域課程模式則取消了學科間的界限，將所有學科內容整合到新的學習領域。STEM教育的廣域課程模式不再強調物理、化學甚至科學作為獨立的學科存在，而是將科學、技術、工程和數學等內容整合起來，形成結構化的課程結構。赫希巴奇指出，最常用的整合方式是通過活動（activities）形成連貫、有組織的課程結構（見圖1）（Herschbach，2011）。例如，教師圍繞建構和測試太陽能小車組織課程。在這樣的課堂里，教師通過設計太陽能小車，將科學、技術和工程等STEM學科相關知識均包含在內，讓學生通過活動進行學習。

總的來說，上述兩種課程整合模式各有優劣勢。相關課程模式對教師來說比較熟悉，但需要各學科教師之間密切協商與交流；廣域課程模式打破了學科間的界限，通過活動促使學生在真實情景中學習各學科的知識，但如何在打破的學科之間取得平衡、建立新的課程結構對一線教師和政策制定者提出了新的挑戰（Herschbach，2011）。

（二）跨學科整合的基本取向

STEM教育要求四門學科在教學過程中必須緊密相連，以整合的教學方式使得學生掌握概念和技能，并運用技能解決真實世界中的問題。如何將四門獨立學科知識緊密關聯實現整合，有三種取向： 1.學科知識整合取向

分析各學科最基本的學科知識結構，找到不同學科知識點之間的連接點與整合點，將分散的課程知識按跨學科的問題邏輯結構化。將各學科內容改造成以問題為核心的課程組織，通過序列化的問題有機串接起各學科知識，使課程要素形成有機聯系和有機結構。

知識整合取向模式一般采用基于問題的學習模式（problem-based learning），強調把學習設計在復雜、有意義的問題情境中，通過學生合作解決嵌入于真實情境中的問題或與真實世界相關的問題，促進學生對所學知識的理解與建構，從而習得隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力。它可以使學生通過體驗知識獲得的過程，促進學生元認知能力的發展，通過應用知識解決問題達成對知識的靈活掌握，并能對知識進行社會性、情境性的遷移運用。解決問題的目的是為了掌握蘊含于問題之中或支持問題解決的知識，問題是多學科知識融合的交叉點與整合點，是觸發學生學習與探究的觸發器，是創新學習的載體。一般來說，問題解決的過程不會持續很長，具體開展的方式方法也會多樣化，比如Web Quest網絡探究、5E教學法（engage、exploration、explanation、elaboration、evaluation）、研究性學習等。

2.生活經驗整合取向

注重知識的社會功能，也就是基于學習者的需求，以第三次工業革命為代表的知識經濟社會所必須的知識與技能為核心整合多學科知識，然后以項目設計與實施為載體，將學術性的學科知識轉化為可解決實際問題的生活性知識?；咀龇ㄊ菑膬和m應社會的角度選擇典型項目進行結構化設計，讓學習者在體驗和完成項目的過程中，習得蘊含于項目之中的多學科知識與技能，或從改造和完善現有社會的角度，選擇挑戰性項目。

這種課程整合方式強調社會實踐活動以及社會問題解決能力的培養，強調多學科知識融合到真實的社會性項目中，在項目活動中尋找各學科知識的整合點。因此，項目的過程分析、活動設計等社會分析是核心。

生活經驗與社會取向課程整合模式一般采用基于項目的學習模式（project-based learning），以實踐性的項目完成為核心，將跨學科的內容、高級思維能力發展與真實生活環境聯系起來。項目學習一般以開發最終作品或“人工制品”為出發點，在教師的指導下，學生按自己的設計思路，采用科學的方法完成作品設計。作品設計是項目學習貫穿的主線和驅動力，學生在完成作品的過程中進行檢索、討論、演算、設計、觀察等學習活動，并解決一個或多個問題，從而獲得知識和技能。作品制作是這種學習的重點，但更為重要的是學生在制作作品過程中獲得跨學科的知識和技能，并獲得創造性運用知識的社會性能力。

基于項目的學習并非只強調學科知識的掌握，還側重對教材內容以外知識的體驗與經歷，旨在豐富學生對事物的認識，注重生活經驗知識的增長。整個學習過程應真實可信，是反映真實情境和現實生活的體驗性活動，體現將學術性學科知識轉化為生活經驗知識價值取向。

3.學習者中心整合取向

這種模式不強調由教師預設問題或項目，而由學習者個體或小組調查、發現問題。它不僅強調解決問題能力的培養，還強調發現問題的創新能力，是一種依據學習者需求，以學習者生活經驗為基礎尋找各學科整合點的模式。它強調學習者成就感與自我效能感，強調學生好奇心與興趣的維護與保護，強調分享、創造的愉快。在理念上，它清晰地體現了教育的人本主義思想。

學習者中心取向整合模式采用學生主導項目的方式，學生以個人或小組為單位提出任務，任務內容需要學習并運用跨學科知識。學生在項目問題解決過程中，教師發揮協調、指導、檢查、監督、計時和評價作用。其優點在于能力較強的學生可以擺脫傳統的結構化課堂教學對個人學習與設計活動的約束，能更好地發揮個人能力；缺點在于能力弱的學生會對學習過程中的自由度不適應，需要教師更多的指導；同時由于項目任務非結構化，所以很難實現對學生技能最終結果的全面評估。

學習者中心取向整合模式強調創設學習者可以主動介入、研究與發現的豐富教育環境，讓學生在蘊含豐富STEM知識的環境中進行交互、探究與發現，創造意義、學習知識，在建構性的環境設計中尋找蘊含STEM知識的整合點。

4.三種整合取向的共性問題及應對

上述三種課程整合取向代表了課程的知識屬性、社會屬性與人本屬性的不同側面，它們相互聯系、相互補充，沒有絕對的優劣，各有適合的領域與對象，在課程跨學科整合的實踐中應該配合使用多種取向。不管采用哪種取向的整合模式，將知識情境化與社會化都是其優勢，但各學科原有知識體系結構的劣構化是它們面對的共性問題，容易造成學生學習知識結構的不均衡，可能某些知識掌握得較好，有些知識卻沒有觸及（因為所學項目沒有覆蓋）。這種基礎知識的結構性偏差對于中小學生是個很大的問題。創新精神與實踐能力培養的可持續性，其根源還在于學習者有良好的知識結構，并能不斷自我完善和發展。基礎教育領域知識的結構性缺失，會給兒童一輩子的成長帶來障礙。因此，STEM的跨學科整合，一方面要將分學科的知識按問題邏輯或項目邏輯進行跨學科重組，另一方面又要確保設計的問題和項目對所有學科基礎性知識結構的全面、均衡的覆蓋。設計和實施STEM跨學科整合的課程，要在學科知識的系統性與解決實際問題/項目中所獲知識的隨機性之間保持一定的張力和平衡，基于整體知識結構的系統性設計問題，使各問題之間包含的學習議題（如專業概念、原理等）多次地相互鄰接和交叉重疊。

在此過程中，知識地圖技術是很好的課程設計工具。知識地圖可以對課程的核心知識及其關系予以可視化展示與管理。設計具體學習問題或項目時要對其涵蓋知識進行分析，并與知識地圖進行關聯。當所有學習項目都與知識地圖關聯時，通過結構化的知識地圖，學生可以清晰地了解每個知識點上學習項目覆蓋的頻次與強度，如果某知識點出現結構性缺失，可以通過定向覆蓋的學習問題或項目設計進行平衡調節。

（三）跨學科整合的項目設計

STEM跨學科整合最核心、最重要的工作是項目或問題的設計，如果沒有良好的結構化項目設計，會導致學習困難、效率不高、挫折感強、學習收獲不大等系列問題。

STEM項目設計強調將知識蘊含于情境化的真實問題中，強調調動學生主動積極地利用各學科的相關知識設計解決方案，跨越學科界限提高學生解決實際問題的能力。

STEM教育建立在建構主義和認知科學的研究成果之上（Sanders，2009）。布魯因（Bruning，2004）等人指出，STEM教育與認知科學的主張一致：1）學習是建構而不是接受的過程；2）動機和信念在認知過程中至關重要；3）社會性互動是認知發展的基礎；4）知識、策略和專門技術是情境化的。由此可見，STEM教育是一種典型的建構主義教學實踐：為學習者提供學習情境，讓他們積極地建構知識，從而強化對知識的記憶和促進遷移；以小組為單位進行活動，為知識的社會建構提供優越條件（Sanders，2009）。因此，實踐STEM教學模式首先要符合建構性學習所強調的探究、發現、協助等基本要求。

可以說，STEM教育是一種典型的建構主義教學實踐，本文參照基于建構主義的教學設計模式（余勝泉等，2000）嘗試提出一種STEM項目設計模式（見圖2）。本模式在“教學分析”的基礎上，以“項目或問題”為核心立足點，設計項目完成或問題解決過程中的學習資源與工具、學習活動過程、學習支架、學習評價等關鍵環節，同時關注項目完成后，學生獲得知識的系統化與結構化遷移，并有相應的強化練習與總結提升。

1.教學分析

在教學設計前期，教師需要對以下三個方面進行細致分析：1）教學目標；2）學習者特征；3）跨學科知識地圖（學習內容）。分析教學目標是為了確定學習主題，對課程的三維目標做具體描述。分析學習者特征是為了確保項目設計適合學生的能力與知識水平，對學習者的智力因素和非智力因素進行充分分析。STEM教育強調學習要完成真實情境中的任務，而要確保任務中包含教學目標，就需要對學習內容進行深入分析，明確所需學習的知識內容、知識內容間的結構關系和知識內容的類型。這可以通過繪制學習內容的知識地圖，展示跨學科知識之間的關聯，為整個課程知識均衡覆蓋提供基礎。

2.學習任務設計

學習任務是整個STEM教學設計模式的核心和立足點。STEM教學是基于現實情境的，需要學習者置身于真實、非良構的學習任務中。學生學習的過程就是解決實際問題和完成實際項目的過程，問題或項目構成了驅動學習的核心，而不像教師講授那樣充當概念、原理的例子。學習任務可以是問題或項目：它們均代表連續性的復雜問題，并要求學習者采取主動、建構、真實情境下的學習方式。

學習任務一定要放在特定情境中呈現，需要將設計的問題在特定情境中具體化。由于教科書中的知識是對現實生活的抽象和提煉，所以設計學習情景就要還原知識的背景，恢復其原來的生動性、豐富性，有時同一問題在不同情景中（不同的工作環境、社會背景）的表現是不同的。STEM教學要基于前面的教學分析結果，對學習情境進行設計，使得學習問題能夠與真實學習情境相融合，不處于分離或勉強合成的狀態。

3.工具與資源設計

問題解決或項目完成需要學習者在大量信息基礎上進行自主學習、意義建構，因此設計適宜的學習環境和豐富的學習資源與工具是STEM教學設計必不可少的環節。學習環境設計主要包括教學中需要用到的設備、器材和各種信息化工具，如目前廣受關注的3D打印機、開源電路板等，還需要一些用來支持或指引擴充思維過程的認知工具，如Scratch可視化程序設計工具、概念圖工具、SPSS數據分析工具、網絡溝通工具、三維建模工具等。學習資源方面教師需要設計：1）了解有關學習問題的詳細信息和必要的預備知識；2）學生在解決學習問題過程中可能需要查閱的信息（為了對學生學習更好地提供指導）；3）強化練習材料（用于學習者在教學活動實施后進行強化練習，從而檢測、鞏固、擴展所學知識）。

4.學習支架設計

STEM教育重視學習者學習主體地位的同時，也不忽視教師的指導作用。STEM教師既需要保持對各個教學環節的控制、管理、幫助和指導，又需要從課堂主角變為幕后導演，成為學生意義建構的幫助者、促進者。學生在問題解決過程中，不同學生所采用的學習路徑、遇到的困難也不相同，教師需針對不同情況給予及時反饋和幫助，指導學生開展獨立探索或協作，調動學生參與的主動性；學生在自主學習中，面對豐富的信息資源易出現學習行為與學習目標的偏離，對此教師要在問題解決過程中設置關鍵的控制點，規范學生學習，同時也有利于學生反思、深化所學知識。因此，針對學生問題解決過程中可能遇到的困難，教師提供起支撐、承載、聯結等作用的支架，是確保學生在最臨近發展區內進行學習并解決問題的關鍵。

在STEM教育項目中，支架可以保證學生在不能獨立完成任務時獲得成功，提高能力水平以達到任務要求，幫助他們認識到潛在發展空間。支架讓學生經歷一些有經驗的學習者（如教師）所經歷的思維過程，有助于學生對知識特別是隱性知識的體悟與理解。學生通過內化支架，可以獲得獨立完成任務的技能。支架還可以展示學習任務的真實情境，讓學習者感受、體驗和進入復雜的真實情境。典型的支架包括（閆寒冰，2003）：情境型支架，設置情境幫助進入學習；問題型支架，創設問題情境，引發思維；實驗型支架，演示實驗、學生實驗、家庭實驗等；信息型支架，包括教師已有知識、網絡知識、材料等；知識型支架，主要是提供評價和產生新的經驗和信息的框架；程序型支架，是指做事的順序；策略型支架，指在不同教學條件下，為達到不同教學效果所采用的手段和謀略；范例型支架指典型事例和范例；訓練性支架指通過指導和練習強化學生認知理解，提升學生學習能力。

5.學習活動設計

學生是在完成STEM教育項目過程中獲取知識、認識客觀世界的，不是直接從書本或教師處獲得知識的，認知與學習發生在完成任務和解決問題的過程中，是通過學習活動這一中介體完成的。因此，有效的STEM教育項目設計，必須以有效的學習活動為中介，促進知識的內化，只有這樣才能真正提高學生學習效率，促進學生學習的發生。

STEM學習活動設計，就是教師根據教學目標、教學內容、教學情境靈活選擇和設計學習活動，讓學生通過參與活動進行學習。不同教學模式往往從不同教學環節和程序安排上顯示其特征，每種教學模式都有其自身相對固定的活動邏輯步驟和每階段應完成的教學任務。不同活動序列組合自然形成不同的教學模式。

6.學習評價設計

教學評價包括形成性評價和總結性評價。為了在教學活動過程中更好地達到教學目標，教師需要在教學過程中不斷進行形成性評價。形成性評價偏向于使用量表、行為觀察和知識測驗等形式了解階段性的教學成果和存在問題，及時對教學實施方案進行修改、完善?？偨Y性評價一般安排在教學活動告一段落后，為檢驗學習效果是否達到預期的教學目標而進行的評價。STEM教學側重于培養學習者解決實際問題的能力，比傳統的紙筆測試更加靈活多樣并關注學習者的真實能力。例如，它可以對小組合作完成的作品按事先制定的評價標準，由教師或小組間進行評價。形成性評價和總結性評價服務于不同目的，沒有孰輕孰重之分，兩者均起著舉足輕重的作用。

評價過程要改變以往單一的評價方式，強調多元評價主體、形成性評價、面向學習過程的評價，由學生本人、同伴、教師對學生學習過程的態度、興趣、參與程度、任務完成情況以及學習過程中形成的作品等進行評估。7.總結與強化練習

項目結束后需要適時進行教學總結，促進學習者將零散的知識系統化。STEM教學關注現實問題，著力跨學科運用知識，因此更需要對涉及的知識進行總結，將STEM學習的產出從現實問題解決延伸到抽象的知識層面，讓學生形成一定的知識體系和結構。教學總結可以由教師獨立進行，也可以采取教師指導下學生小組合作匯報等形式進行。

完成教學總結后，教師應根據小組評價和自我評價結果，為學生設計一套可供選擇并有針對性的補充學習材料和強化練習。這類材料和練習應精心挑選，既要反映基本概念、基本原理又能適應不同學生的要求，以便通過強化練習糾正原有的錯誤理解或片面認識，最終達到符合要求的意義建構。

8.項目方案試用與改進

項目實施過程中，一方面要嚴格按照設計的方案進行實施，確保教學方案的執行；另一方面，要根據現實教學條件和形成性評價的結果不斷修訂設計方案，保證靈活性。

四、結語

隨著創客在中國的火爆，創客教育出現讓人擔心的大躍進現象。不遵循教育規律，一窩蜂讓學生學習開源電路板、3D打印、機器人等，過分關注技術的炫酷，缺乏科學的教育設計，缺乏基礎性學科知識融合注入，使得創客教育變成學校秀場，出現了泡沫化苗頭。因此，本文追根溯源，對STEM教育進行梳理和研究。

STEM在國內還是個新興領域，但在國外已經受到廣泛關注，并有成熟的研究與實踐，值得我們借鑒。針對國內STEM教育尚未形成完整的理論體系和操作性強的模式的現狀，本文通過對國內外現有研究的梳理，總結了STEM教育的九大核心特征，并對STEM的課程整合模式和整合取向進行分析，然后嘗試提出STEM項目設計模型，希望能夠引起業內的關注、批評和爭鳴，促進STEM教育實踐的健康發展。

值得指出的是，在STEM跨學科整合設計中，容易出現學科知識結構性缺失的不足，本文提出通過學科知識地圖對項目設計進行總體規劃，實現跨學科知識的均衡覆蓋。STEM教育在實施過程中，容易出現偽探究、偽問題解決的狀況，從而導致學生挫折感強，形不成系統的知識結構，教師主導地位嚴重缺失等問題，本文在項目設計中特別強調了總結與強化練習環節。這些針對性的改進措施，以及借鑒中國傳統教育在知識掌握方面的優勢，可為其他國家的STEM教育實施提供參考。

作者簡介：余勝泉，北京師范大學教育技術學院教授，研究方向：移動教育與泛在學習、信息技術與課程整合、區域性教育信息化、學習的平臺關鍵技術等（yqsq@bnu.edu.cn）；胡翔，北京師范大學教育技術學院2013級科學與技術教育專業碩士。

基金項目：教育部高?？萍紤鹇裕ń逃畔⒒┭芯空n題“教育信息化對教育革命性影響的內涵、標志和路徑研究”項目。

第二篇：【跨學科教育】上海市中小學STEM教育調研報告

【跨學科教育】上海市中小學STEM教育調研報告

篇首語STEM教育，以項目式的學習方式融合各學科內容，解決真實環境下實際問題，通過針對學生設計的活動來培養學生的創新品質。在注重學生核心素養培養的形勢下，許多國家都加強了STEM教育的引入與本土化，中國上海也在這個浪潮中積極嘗試，社會、學校、教師和學生都投入了大量的成本，STEM教育在上海的實際開展情況如何？進一步推廣需要有哪些具體措施？經歷3個月的時間，本次上海市中小學STEM教育調研給出了基于實證的回答。▲ STEM教育為什么？本次調研的主要目的是了解目前上海中小學STEM教育開展情況；從調研中吸取經驗，完善健全跨學科領域課程建設；提供學校跨學科領域課程設置的建議意見。如何做？在前期準備過程中組建了一支由教研室、大學、出版社及專家組成的調研團隊，明確了調研的相關任務及要求。在前期準備過程中還編制了學生及教師網上調研問卷、評課記錄單等。在調研前兩周時間學校填寫自評報告。調研當天聽課或聽取課程介紹，并圍繞學?？鐚W科領域課程建設及課堂教學交流討論，同日學校完成相關學生、教師的網上調研問卷填寫。▲ 評課記錄單

怎么樣？▲ 上海市中小學STEM教育調研調研對象信息本次調研涉及的區縣有：黃浦區、普陀區、閔行區、徐匯區、楊浦區、靜安區、浦東新區、長寧區、虹口區共計9個區縣。本次調研涉及的學校有小學9所、初中9所、高中8所，共計26所中小學校，其中民辦學校占比15.4%，公辦學校占比84.6%。

▲ 跨越9個區縣▲ 穿越3個學段 ▲ 兼顧公辦民辦

學校重視STEM教育通過1131份學生的網上問卷調查及62份教師的網上問卷調查，得到以下基本信息：學校校長及教師99%認為STEM教育很重要，說明STEM教育被廣泛的認可。在相對重視的前提下，學校對開設這類課程所用的教室也有特別的考量，超過60%的學校建有創新實驗室或科學實驗室。▲ 教室配置拓展課成為主要選擇課時安排上，64.8%集中在拓展課課時，16.7%集中在研究型課程課時，說明拓展課、研究型課程課時是學校對STEM教育課程課時安排的主流選擇。平均每周STEM教育課時在2節課課時左右，課時安排上小初高差異不大。大多數學校選擇每周在拓展課時中拿出2課時，也有些學校采用1 1模式，即每周一節拓展課加一節自然（科學、勞技）課，整合出2個課時，滿足課時需要。學習年段上，在小學學段主要集中在小學二、三年級，初中主要集中在初中預備班、初一年段，高中主要集中在高一年段，可以發現年段設置集中在各個學段的起始階段，考試壓力相對較輕，小學一年級設置比較少或許與該階段學生學科基礎不充分相關?！?課時安排▲ 學習年段采用項目式學習所調研學校開設的STEM教育課程均采用項目式學習的方式，即圍繞一個項目主題（完成某一作品或解決某一問題），連續地通過一系列課時（4—24課時不等）來組織教學。與基礎學科建立聯系多數學校能夠主動將STEM教育課程與基礎學科建立聯系，挖掘基礎學科中可以“跨”的點，作為與STEM教育課程的結合點，從而在學生已有的知識基礎上進行合理的拓展與延伸，使得STEM教育課程有了明確的根基，不再是虛幻的空中樓閣。STEM教育與學科知識關聯調查數據顯示：STEM教育課程學習中與科學、數學、勞技三門學科關系最密切。STEM教育授課教師來源調查數據顯示：STEM教育課程授課教師排在前三位的分別是科學、勞技、物理。說明授課教師與課程內容涉及學科關聯的高度一致性，也說明目前試點學校開設的STEM教育課程內容緊扣基礎學科?！?STEM教育課程與不同學科知識關聯程度職業引導成效顯著職業引導方面，80%以上的學生對能對某些職業有所了解，超過60%的學生并對該職業產生了一定的興趣，說明STEM教育對學生的職業引導起到正面作用，在關注職業領域方面，排在最前面的是電子信息、教育、金融、航天與醫療。▲ 職業引導▲ 敏感主題 優質課程資源缺乏雖然有大量的有實力的公司和教育者在做這方面的努力，但是大多數課程都是簡單的拷貝國外的資料，沒有做任何改進，不符合本地學校情況，沒有體現STEM教育真實問題解決的理念。課程中還存在部分科學性錯誤，導致學生最終完成的作品不能解決實際問題。還有課程結構過于固定模式化、課程內容過于形式化，刻意將毫無關聯的知識內容拼裝式組合進課程、配套的輔助工具缺乏系統的規劃等等。課堂教學方式需轉型本次調研的學校提供的觀摩課中，超過一半的課堂被教師牢牢把控，教師嚴格控制著課堂教學的各個環節，從板書到問題提出、從學生實驗到交流展示，完全按照教師的節奏和意圖步步推進。學生不知道活動內容的目的和意圖，不知道活動與總項目之間關系，只是被動的被老師牽著鼻子走。這樣的課堂顯然不能有效發揮學生的主動性、培養學生的求知欲，這與STEM教育通過項目式學習培養學生的創新能力是背道而馳的，所以戴著項目式學習的帽子，穿著應試教育教學方式的里子是不可取的。教師培訓缺位首先中國傳統師范教育有大量的數學、科學方面的老師，但是缺乏工程技術方面的人才，所以STEM教育的師資培訓首先是工程技術上需要提供系統且專業的培訓。其次STEM教育不同的領域適合不同學科的教師教學，這樣可以避免教師專業基礎的缺失，以醫療領域、環境領域、建筑領域為例分別可以請生命科學老師、化學老師、物理老師來授課，但即便如此，在領域內相當大的知識覆蓋依然超出學科教師的專業范圍，所以需要在不同領域針對專業學科的教師有針對性的師資培訓。第三STEM教育的教學教法與基礎課程是有一定的區別的，某種程度上說是更難的，也是教師特別不擅長的方面，比如相對開放的課堂、跟著學生的思路節奏演繹教學等等，需要提供課堂教學教法方面的專業指導。評估體系缺失好的評估系統是教學質量的保證，由于STEM教育并不是簡單地將科學與工程組合起來，而是要把學生學習到的零碎的知識與機械過程轉變成一個探究世界相互聯系的不同側面的過程。所以對于這種項目式學習，用工程技術方法來做現實問題解決的STEM教育評估體系的開發是很有挑戰性的。STEM教育評估體系還需要對教師的能力進行考核。目前的評價機制無論是學生的成果作品評價還是學生過程性評價，都還只是淺嘗即止的初探，對教師的評價也缺乏規范的體系。▲ 老師在上“食物與能量”主題課▲ 老師嘗試過程性評價

再思考自下而上的歸納本次調研對上海市STEM教育實際情況有了總體的了解，總體看社會有需要，學校教師有需求，這與高考綜合改革方案有關，更與培養創新人才的大環境相關，很多人都寄希望跨學科領域的教育能改變學生的學習方式，培養學生的創新能力。從這次調研現場看，我們看到了個別學校的優秀課例設計，也欣喜的尋覓到課堂教學中的閃光點，給我們跨學科領域教育增添了信心。所以我們要不斷自下而上的歸納，提煉來自一線實踐的經驗，通過不斷的實踐證明“跨學科領域教育有利于學生的發展”。

自上而下的演繹本次調研發現STEM教育課程、課堂、培訓等等問題及復雜性超出預期，讓我們對跨學科領域教育研究更加有了使命感和責任感。通過自上而下的演繹指導學校區縣的工作，再結合自下而上的歸納，上下貫通才能將跨學科領域教育落到實處。作者：上海市教委教研室

管文川

第三篇：簡述跨學科教育

小學跨學科教育作業

姓名：郭思雨

學號：1143000274

班級：2014級數學二班

STEM教育介紹

通過閱讀文獻和查閱資料，我將我了解到 STEM 教育從以下三個方面進行簡單介紹。

一、什么是STEM

STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)四個英文首字母的縮寫，簡言之STEM教育就是科學、技術、工程、數學的教育，但現實問題往往無法單憑STEM中的某一門學科知識來解決，必須依靠多學科的協同因此STEM教育關于如何綜合運用STEM知識解決現實問題的能力的教育，也就是STEM素養教育。

STEM教育起源于美國，最初是美國為保持其科技創新的國際領先地位提供充足的STEM勞動力儲備，以便這些技能嫻熟的人才能夠為美國提供更加持久而強盛的競爭力。美國近年來高度重視STEM教育，聯邦STEM教育進展報告顯示美國在STEM教育領域的投資逐年增加，2016年預算突破30億美元。值得注意的是，在大力發展STEM教育的同時，美國充分利用企業、非營利機構等組織與政府部門共同建立了一個高效的跨部門合作的新模式。我國現階段也越來越關注STEM教育，并取得一定進展，但是相比美國充分調動社會各種力量共同開展STEM教育來說做得還很不夠。因此，了解美國STEM教育發展，尤其是其政府與社會力量合辦STEM項目的情況，對我國促進社會力量辦STEM教育具有借鑒意義。

二、特點介紹

STEM 教育中四門學科的教學必須緊密相連，以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，并能進行靈活遷移應用解決真實世界的問題。融合的STEM 教育具備新的核心特征:跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等。

它重點關注四種素養(Literacy)：(1)科學素養是指學生運用科學知識理解自然界、解釋自然現象、參與自然界有關決策的能力；(2)技術素養是指學生使用、管理、理解與評價技術的能力，學生應當了解某種技術的發展歷程，并知道如何使用新技術來改造社會、國家乃至整個世界；(3)工程素養是指學生應當以工程的視角去理解項目的設計與開發過程；(4)數學素養是指學生對不同情境下數學問題的分析、推理和有效交流思想的能力，學生應當主動發現問題，并清晰表達對這些問題的分析。

(一)跨學科

將知識按學科進行劃分，對于科學研究、深入研究自然現象的奧秘和將知識劃分為易于教授的模塊有所助益，但并不反映我們生活世界的真實性和趣味性(Morrison，2009)。因此，分科教學(如物理、化學)在科學、技術和工程高度發達的今天已顯出很大弊端。針對這一問題，理工科教育出現了取消分科、進行整合教育的趨勢。STEM 教育因此應運而生，跨學科性是它最重要的核心特征。美國學者艾布特斯(Abts)使用“元學科”(meta－ discipline)描述 STEM，即表示它是代表科學、技術、工程和數學等學科的統整的知識領域，它們存在于真實世界中，彼此不可或缺、互相聯系(Morrison，2006)?？鐚W科意味著教育工作者在 STEM 教育中，不再將重點放在某個特定學科或者過于關注學科界限，而是將重心放在特定問題上，強調利用科學、技術、工程或數學等學科相互關聯的知識解決問題，實現跨越學科界限、從多學科知識綜合應用的角度提 高學生解決實際問題的能力的教育目標。

(二)趣味性

STEM 教育在實施過程中要把多學科知識融于有趣、具有挑戰性、與學生生活相關的問題中，問題和活動的設計要能激發學習者內在的學習動機，問題的解決要能讓學生有成就感，因此需有趣味性。STEM 教育強調分享、創造，強調讓學生體驗和獲得分享中的快樂感與創造中的成就感。有的項目還把STEM 教育內容游戲化(將游戲的元素、方法和框架融于教育場景)，因為將基于探索和目標導向的學習嵌入游戲中，有利于發展學習者的團隊技能、教授交叉課程概念和負責的科學內容主題，可以得到更多、更理想的教育產出。例如，芬蘭大學和美國北伊利諾伊大學合作成立了Finnish － US，在 K － 16 階段開展基于游戲的 STEM教育。

(三)體驗性

STEM 教育不僅主張通過自學或教師講授習得抽象知識，更強調學生動手、動腦，參與學習過程。STEM 提供了學生動手做的學習體驗，學生應用所學的數學和科學知識應對現實世界問題，創造、設計、建構、發現、合作并解決問題。因此，STEM 教育具有體驗性特征，學生在參與、體驗獲得知識的過程中，不僅獲得結果性知識，還習得蘊含在項目問題解決過程中的過程性知識。這種在參與、體驗中習得知識的方式對學生今后的工作和生活的長遠發展會產生深刻影響。例如，我國臺灣學者賴恩瑩等利用樂高作為模組教具培養學生有關齒輪、力矩等工程概念(Lai，Zhang ＆ Wang，2012)。學生通過搭建樂高組件測試相關原理，不僅可以了解物理概念與知識，還在工程設計體驗中感受到這些知識的重要作用，將抽象的知識與實際生活連接起來，很好地體現了 STEM 教育的體驗性特征。

(四)情境性

STEM 教育具有情境性特征，它不是教授學生孤立、抽象的學科知識，而強調把知識還原于豐富的生活，結合生活中有趣、挑戰的問題，通過學生的問題解決完成教學。STEM 教育強調讓學生獲得將知識進行情境化應用的能力，同時能夠理解和辨識不同情境的知識表現，即能夠根據知識所處背景信息聯系上下文辨識問題本質并靈活解決問題。STEM教育強調知識是學習者通過學習環境互動建構的產物，而非來自于外部的灌輸。情境是 STEM 教育重要而有意義的組成部分，學習受具體情境的影響，情境不同，學習也不同。只有當學習鑲嵌在運用該知識的情境之中，有意義的學習才可能發生。教師在設計 STEM 教育項目時，項目的問題一方面要基于真實的生活情景，另一方面又要蘊含著所要教的結構化知識。這樣，學生在解決問題的過程中，不僅能獲得知識，還能獲得知識的社會性、情境性及遷移運用的能力。情境性問題的解決，可以讓學生體驗真實的生活，獲得社會性成長。

(五)協作性

STEM 教育具有協作性，強調在群體協同中相互幫助、相互啟發，進行群體性知識建構。STEM 教育中的問題往往是真實的，真實任務的解決離不開其他同學、教師或專家的合作。在完成任務的過程中，學生需要與他人交流和討論。建構主義指出，學習環境的四大要素包括“情境”“協作”“會話”和“意義建構”(何克抗，1997)。STEM 教育的協作性就是要求學習環境的設計要包括“協作”和“會話”兩要素:讓學生以小組為單位，共同搜集和分析學習資料、提出和驗證假設、評價學習成果;同時，學習者通過會話商討如何完成規定的學習任務。需指出的是，小組學習最后的評價環節以小組成員的共同表現為參考，而不是根據個人的表現進行獨立評價。

(六)設計性

STEM 教育要求學習產出環節包含設計作品，通過設計促進知識的融合與遷移運用，通過作品外化學習的結果、外顯習得的知識和能力。設計出創意作品是獲得成就感的重要方式，也是維持和激發學習動機、保持學習好奇心的重要途徑。因此，設計是 STEM 教育取得成功的關鍵因素。美國學者莫里森認為，設計是認知建構的過程，也是學習產生的條件(Morrison，2005)。學生通過設計可以更好地解完成了的工作，從而解決開放性問題。在這個過程中，學生學習知識、鍛煉能力、提高 STEM 素養，因此設計性是 STEM 教育的又一核心特征。科學在于認識世界，解釋自然界的客觀規律，技術和工程則在尊重自然規律的基

礎上改造世界，實現對自然界的控制和利用，解決社會發展過程中遇到的難題。按照科學和數學的規律開展設計實踐是科學、數學、技術與工程整合的重要途徑。

(七)藝術性

也有人提出 STEAM 的概念，強調在 STEM 中加入“Art”學科。這個“A”狹義上指美術、音樂等，廣義上則包括美術、音樂、社會、語言等人文藝術，實際代表了 STEM 強調的藝術與人文屬性。STEM 教育的藝術性強調在自然科學教學中增加學習者對人文科學和社s會科學的關注與重視，例如在教學中增加科學、技術或工程等相關發展歷史，從而激發學生興趣、增加學習者對 STEM 與生活聯系的理解以及提高學生對 STEM 相關決策的判斷力;再如，在對學生設計作品的評價中，加入審美維度的評價，提高學生作品的藝術性和美感。概括來說，STEM 教育的藝術性是以數學元素為基礎，從工程和藝術角度解釋科學和技術。

(八)實證性

實證性作為科學的本質(Nature of Science)的基本內涵之一，是科學區別于其他學科的重要特征，也是科學教育中學習者需要理解、掌握的重要方面。STEM 教育要促進學生按照科學的原則設計作品，基于證據驗證假設、發現并得出解決問題的方案;要促進學生在設計作品時，遵循科學和數學的嚴謹規律，而非思辨或想象，讓嚴謹的工程設計實踐幫助他 們認識和理解客觀的科學規律。總之，STEM 教育不僅要注重科學的實證性，更強調跨學科情景中通過對問題或項目的探索，培養學生向真實生活遷移的科學精神和科學理性。

(九)技術增強性

STEM 教育強調學生要具備一定技術素養，強調學生要了解技術應用、技術發展過程，具備分析新技術如何影響自己乃至周邊環境的能力。在教學中，它要求利用技術手段激發和簡化學生的創新過程，并通過技術表現多樣化成果，讓創意得到分享和傳播，從而激發學生的創新動力。STEM 教育主張技術作為認知工具，無縫地融入到教學各個環節，培養學生善于運用技術解決問題的能力，增強個人駕馭復雜信息、進行復雜建模與計算的能力，從而支持深度學習的發生。

三、STEM 課程的跨學科整合模式

在課程方面，STEM 教育代表了課程組織方式的重大變革。目前中小學最廣泛應用的課程模式是分科教學模式，即數學、科學等學科教師負責教授各自科目，很少重視學科之間的聯系。然而，要讓學生為未來的職業發展做準備，他們必須超越學科的界限進行思考。有研究表明，學習者接受 STEM 教育有助于獲得對數學和科學等內容更加深入的理解。同時也有助于培養他們獲得在真實世界應用這些知識解決問題的能力，因為這些問題從本質上就是跨學科的。因此，STEM 教育的課程設計應該使用“整合的(integrated)課程設計模式”，即將科學、技術、工程和數學等整合在一起，強調對知識的應用和對學科之間關系的關注。

(一)跨學科整合的模式

針對 STEM 教育整合的課程設計，美國馬里蘭大學赫希巴奇(Herschbach，2011)提出兩種最基本的課程模式:相關課程(the correlated curriculum)模式和廣域課程(the broad fields curriculum)模式。相關課程模式將各科目仍保留為獨立學科，但各科目教學內容的安排注重彼此間的聯系。例如，上物理課可能需要學生預先掌握數學概念，數學和物理教師要通過溝通，將這兩次課安排在時間節點相近且數學課教學排在前面。相關課程模式與學校目前的課程模式很相近，但最大的區別在于前者需要不同學科之間的教師對課程安排進行詳細、周密的協調和計劃。廣域課程模式則取消了學科間的界限，將所有學科內容整合到新的學習領域。STEM 教育的廣域課程模式不再強調物理、化學甚至科學作為獨立的學科存在，而是將科學、技術、工程和數學等內容整合起來，形成結構化的課程結構。

總的來說，上述兩種課程整合模式各有優劣勢。相關課程模式對教師來說比較熟悉，但

需要各學教師之間密切協商與交流;廣域課程模式打破了學科間的界限，通過活動促使學生在真實情景中學習各學科的知識，但如何在打破的學科之間取得平衡、建立新的課程結構對一線教師和政策制定者提出了新的挑戰。

(二)跨學科整合的基本取向

STEM 教育要求四門學科在教學過程中必須緊密相連，以整合的教學方式使得學生掌握概念和技能，并運用技能解決真實世界中的問題。如何將四門獨立學科知識緊密關聯實現整合，有三種取向: 1． 學科知識整合取向

分析各學科最基本的學科知識結構，找到不同學科知識點之間的連接點與整合點，將分散的課程知識按跨學科的問題邏輯結構化。將各學科內容造成以問題為核心的課程組織，通過序列化的問題有機串接起各學科知識，使課程要素形成有機聯系和有機結構。

知識整合取向模式一般采用基于問題的學習模式(problem － based learning)，強調把學習設計在復雜、有意義的問題情境中，通過學生合作解決嵌入真實情境中的問題或與真實世界相關的問題，促進學生對所學知識的理解與建構，從而習得隱含于題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力。它可以使學生通過體驗知識獲得的過程，促進學生元認知能力的發展，通過應用知識解決問題達成對知識的靈活掌握，并能對知識進行社會 性、情境性的遷移運用。解決問題的目的是為了掌握蘊含于問題之中或支持問題解決的知識，問題是多學科知識融合的交叉點與整合點，是觸發學生學習與探究的觸發器，是創新學習的載體。一般來說，問題解決的過程不會持續很長，具體開展的方式方法也會多樣化，比如 Web Quest 網絡探究、5E 教學法。研究性學習等。

2． 生活經驗整合取向

注重知識的社會功能，也就是基于學習者的需求，以第三次工業革命為代表的知識經濟社會所必須的知識與技能為核心整合多學科知識，然后以項目設計與實施為載體，將學術性的學科知識轉化為可解決實際問題的生活性知識。基本做法是從兒童適應社會的角度選擇典型項目進行結構化設計學習者在體驗和完成項目的過程中，習得蘊含于項目之中的多學科知識與技能，或從改造和完善現社會的角度，選擇挑戰性項目。這種課程整合方式強調社會實踐活動以及社會問題解決能力的培養，強調多學科知識融合到真實的社會性項目中，在項目活動中尋找各學科知識整合點。因此，項目的過程分析、活動設計等社會分析是核心。生活經驗與社會取向課程整合模式一般采于項目的學習模式(project － based learning)，以實踐性的項目完成為核心，將跨學科的內容、高級思維能力發展與真實生活環境聯系起來。項目學習一般以開發最終作品或“人工制品”為出發點，在教師的指導下，學生按自己的設計思路，采用科學的方法完成作品設計。作品設計是項目學習貫穿的主線和驅動力，學生在完成作品的過程中進行檢索、討論、演算、設計、觀察等學習活動，并解決一個或多個問題，從而獲得知識和技能。作品制作是這種學習的重點，但更為重要的是學生在制作作品過程中獲得跨學科的知識和技能，并獲得創造性運用知識的社會性能力。基于項目的學習并非只強調學科知識的掌握，還側重對教材內容以外知識的體驗與經歷，旨在豐富學生對事物的認識，注重生活經驗知識的增長。整個學習過程應真實可信，是反映真實情境和現實生活的體驗性活動，體現將學術性學科知識轉化為生活經驗知識價值取向。

3． 學習者中心整合取向

這種模式不強調由教師預設問題或項目，而由學習者個體或小組調查、發現問題。它不僅強調解決問題能力的培養，還強調發現問題的創新能力，是一種依據學習者需求，以學習者生活經驗為基礎尋找各學科整合點的模式。它強調學習者成就感與自 我效能感，強調學生好奇心與興趣的維護與保護，強調分享、創造的愉快。在理念上，它清晰地體現了教育的人本主義思想。

學習者中心取向整合模式采用學生主導項目的方式，學生以個人或小組為單位提出任務，任務內容需要學習并運用跨學科知識。學生在項目問題解決過程中，教師發揮協調、指導、檢查、監督、計時和評價作用。其優點在于能力較強的學生可以擺脫傳統 的結構化課堂教學對個人學習與設計活動的約束，能更好地發揮個人能力;缺點在于能力的學生會對學習過程中的自由度不適應，需要教師更多的指導;同時由于項目任務非結構化，所以很難實現對學生技能最終結果的全面評估。學習者中心取向整合模式強調創設學習者可以主動介入、研究與發現的豐富教育環境，讓學生在蘊含豐富 STEM 知識的環境中進行交互、探究與發現創造意義、學習知識，在建構性的環境設計中尋找蘊 含 STEM 知識的整合點。

4． 三種整合取向的共性問題及應對

上述三種課程整合取向代表了課程的知識屬性、社會屬性與人本屬性的不同側面，它們相互聯系、相互補充，沒有絕對的優劣，各有適合的領域與對象，在課程跨學科整合的實踐中應該配合使用種取向。

不管采用哪種取向的整合模式，將知識情境化與社會化都是其優勢，但各學科原有知識體系結構的劣構化是它們面對的共性問題，容易造成學生學習知識結構的不均衡，可能某些知識掌握得較好些知識卻沒有觸及(因為所學項目沒有覆蓋)。這種基礎知識的結構性偏差對于中小學生是個很大的問題。創新精神與實踐能力培養的可持續性，其根源還在于學習者有良好的知識結構，并能不斷自我完善和發展?；A教育領域知識的結構性缺失，會給兒童一輩子的成長帶來障礙。因此，STEM 的跨學科整合，一方面要將分學科的知識按問題邏輯或項目邏輯進行跨學科重組，另一方面又要確保設計的問題和項目對所有學科基礎性知識結構的全面、均衡的覆蓋。設計和實施 STEM 跨學科整合的課程，要在學科知識的系統性與解決實際問題/項目中所獲知識的隨機性之間保持一定的張力和平衡，于整體知識結構的系統性設計問題，使各問題之間包含的學習議題(如專業概念、原理等)多次地相互鄰接和交叉重疊。

在此過程中，知識地圖技術是很好的課程設計工具。知識地圖可以對課程的核心知識及其關系予以可視化展示與管理。設計具體學習問題或項目時要對其涵蓋知識進行分析，并與知識地圖進行關聯。當所有學習項目都與知識地圖關聯時，通過結構化的知識地圖，學生可以清晰地了解每個知識點上學習項目覆蓋的頻次與強度，如果某知識點出現結構性缺失，可以通過定向覆蓋的學習問題或項目設計進行平衡調節。

第四篇：對在中小學推廣STEM教育模式之我見

對在中小學推廣STEM教育模式之我見

摘 要 STEM教育是近年來由國外新引進的教學模式，對STEM教育模式應做理性分析，在應用實踐上不宜全盤照搬，應做適應性改進。

關鍵詞 STEM教育；中小學；信息技術；教學模式

中圖分類號：G620 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）13-0071-03

前言

隨著科學技術的快速發展，教育模式也在不斷更新，STEM教育便是近年來由國外新引進的教學模式。這一模式的應用，目前在國內中小?W處于起步階段，各種面向中小學教師的STEM教育培訓課程應運而生。筆者認為，從STEM教育的定義本身及實踐考察，結合我國中小學生的認知水平情況和培養目標要求，對STEM教育模式不宜全盤照搬，應做理性分析，結合時代發展要求加以改進，具體問題分析如下。STEM教育的定義探析

“STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合。STEM教育并不是科學、技術、工程和數學教育的簡單疊加，而是要將四門學科內容組合形成有機整體，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力?！盵1]以上可看作STEM教育比較典型的釋義，如何具體理解，有必要從以下三個方面進一步探討。

何謂“工程”學科 “工程”是一個怎樣的學科，這是首先要提出來進行探討的問題。查《當代漢語詞典》：“工程：[名]規模較大，需要投入較多人力、物力的建設項目、工作等：土木～|水利～|圖書出版～|希望～。”在

“STEM”教學模式中，“工程”怎樣去體現？這是在國內中小學實施STEM教育的難點所在。

理工科大學有“工程學”學科，一般的理解是：工程學是一門應用學科，是用數學和其他自然科學的原理來設計有用物體的進程[2]?？梢?，“工程”與“科學”“數學”之間其實彼此關聯，并非是互相獨立的學科。眾所周知，“工程”無論是在設計還是在建設過程中，都需要使用“科學”和“數學”知識，因此，以四個維度獨立的心態去看科學、技術、工程和數學四門學科的觀點，從邏輯上講是有缺陷的。

傳統STEM教育的時效性 由于STEM教育缺少信息技術（Information Technology）這一重要因素，從目前的情況來看，顯得缺乏時效性。STEM教育誕生時，信息技術并不發達，因此當時并沒有將信息技術整合在一起，但在當前信息技術已滲透到社會各個行業的形勢下，推廣或應用STEM教育模式顯然不能缺少信息技術或信息工程技術這一現代以至未來具有廣泛發展前景的重要元素。筆者認為，要實現STEM教育所希望實現的大融合愿景，離開信息技術或信息工程技術因素是難以取得理想效果的，因此，應用STEM教育需重視信息技術或信息工程技術的整合，以使這一模式適應時代發展要求，體現時效性。

STEM教育實踐 “STEM是科學（Science）、技術（Tech-

nology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合”，可以說這就是STEM教育理念核心的內涵。現在結合一個實例來分析STEM教育實踐性。

在本地區初中階段曾有過將物理、化學、生物、地理四個學科合并成為科學一個學科，實施學科教學大融合的經歷。2003年在課改浪潮中，深圳市將初中物理、化學、生物、地理四科合并為科學學科，實現學科大融合，經多年的教學實踐發現，學科大融合存在的問題更多，“作為初中課改的產物，將物理、化學、生物、地理等四科知識‘合四為一’的科學課，在我市經過了數年爭議和質疑后，有望于今年秋季開學后重返分科教學”[3]，后來又恢復了分學科教學。這個例子或許并不能完全說明教學模式融合的科學性問題，但從實踐角度也可以表明，對于目前國內的中小學來說，實現學科大融合應從實際出發，把握實踐要求，特別是注重其科學性。STEM教育要注意結合國內中小學教學實際

STEM教育最早始于1986年的美國?！?986年，美國國家科學委員會（NSB）發布了《本科的科學、數學和工程教育》（又稱《尼爾報告》），該報告是美國STEM教育發展的里程碑，提出集成科學、數學、技術和工程教育。2005年，國家科學總院和國家研究委員會（NRC）向美國國會提出《駕馭風暴：美國動員起來為更加輝煌的未來》，期望在21世紀大力發展科學技術，進行國際競爭?！盵1]可見，原始STEM教育是針對本科生教育提出的教育模式，是為了強化理科學生的科技理工素養提出的要求，對于理工科大學生來說，這樣的要求是無可厚非的。那么，這種源于大學理工科培養目標改革的教育模式，在多大程度上適應我國中小學的教學實際，應是將這種教學模式引進中小學教學中首先要解決好的問題。

關于我國有關義務教育階段課程開設的規定，在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010―2020年）》中明確指出：“提高義務教育質量。建立國家義務教育質量基本標準和監測制度。嚴格執行義務教育國家課程標準、教師資格標準。深化課程與教學方法改革，推行小班教學。配齊音樂、體育、美術等學科教師，開足開好規定課程……大力開展‘陽光體育’運動，保證學生每天鍛煉一小時，不斷提高學生體質健康水平。提倡合理膳食，改善學生營養狀況，提高貧困地區農村學生營養水平。保護學生視力?！庇纱丝梢姡壳傲x務教育階段學生在學校的主要任務是根據國家課程標準的要求，學習規定課程，特別強調了要加強體育鍛煉、增強體質的問題。

2012年11月召開的黨的十八大提出：“全面貫徹黨的教育方針，堅持教育為社會主義現代化建設服務、為人民服務，把立德樹人作為教育的根本任務，培養德智體美全面發展的社會主義建設者和接班人?！盵4]可見，關于義務教育階段課程的要求，筆者認為，對于中小學生來說，無論是文科還是理科，都應從提高綜合素養出發，根據要求學好規定的有關課程，要全面、均衡地發展。過早強調強化理科教學理念，或可產生拔苗助長的弊端，導致學生出現偏科現象，偏離基礎教育培育綜合素質的目標。

自我反思，生成問題 在小學數學生態課堂對話式教學中，教師的教學不能僅僅停留于學生數學知識和能力的訓練層面上，更多需要通過對話的形式，讓師生之間、學生和數學之間的關系發生改變。這需要教師在教學完成之后對自己的教學進行反思，找出差距和不足，進而改進和調整教學方案，以提升教學質量。同時，教師需要引導學生對自己在本課時的學習情況進行反思，和同學之間展開對話，交流學習經驗，在交流中生成新的問題，而通過對新問題進行合作式探究，深化對課堂知識的理解和認知。此外，教師可以在課時的結尾，適當提出開放性問題，讓學生進行課后反思，并且鼓勵學生與其他學生進行探討，展開對話，幫助學生提高自學能力[8]。

如在“搭配中的規律”一課教學結束后，教師可以提出問題，如：“預習中只有五件衣物，為何有六種搭配方式呢？如果褲子和上衣一起進行搭配，在第幾天一定會出現重復呢？”等等。這些問題具有一定的開放性和趣味性，學生在課后思考時會和同學進行對話交流，而在這個過程中便可以達到自我反思、生成新問題、獲取新知識的效果。結語

綜上所述，本文在對某小學數學教師對生態課堂對話式教學的認知和應用情況進行調查并分析結果之后，對小學數學生態課堂對話式教學模式從多個方面展開論述。小學數學生態課堂具有低碳性、自主性、合作式、多層次、和諧性、高品質等特點。而小學數學生態課堂開展對話式教學模式，較之傳統教學模式更具有優化教學方式、清晰師生思維、豐富課堂內容、促進師生交流等優勢，而且在小學生探索學習規律、進行自主學習，問題聚焦、探究嘗試，解決問題、運用練習，拓展思維、自我反思，生成問題等方面，切實有效地增強教學效果，值得在小學數學教學中推廣和合理使用，以此提升課堂教學的質量和效率。■

參考文獻

[1]陳惠芳.問題導學：開展“對話式教學”的應然之道：以小學數學學科教學為例[J].上海教育科研，2013（8）：64-67.[2]?惠芳.生態理念下的數學“對話式教學”實踐[J].上海教育科研，2014（3）：81-82.[3]孫燦霞.“對話式教學”在小學數學生態課堂中的應用[J].當代教育實踐與教學研究，2015（2）：40.[4]徐軍.小學數學生態課堂“對話式教學”的探討[J].教育界，2016（3）：14.[5]楊凱.小學數學生態課堂“對話式教學”模式的構建[J].時代教育，2016（20）：192.[6]朱虹.“對話式教學”在小學數學生態課堂中的實踐與思考[J].情感讀本，2015（32）：53.[7]王桂艷.小學數學生態課堂“對話式教學”模式的應用[J].中國校外教育，2016（3）：79.[8]左艷琳.“對話式教學”在小學數學生態課堂中的實踐與研究[J].都市家教，2016（6）.

第五篇：淺談基于STEM理念的Arduino教學實施策略

淺談基于STEM理念的Arduino教學實施策略

摘要：信息技術教師在項目驅動的Arduino教學中，融入STEM教育理念，能培養學生的問題解決能力。本文首先對STEM教育和Arduino教學進行了簡單介紹，然后結合作者的教學實踐和思考提出了基于STEM理念的Arduino教學實施策略，最后羅列了在實際教學中還可以進一步完善之處。

關鍵詞：STEM；Arduino；教學實施策略

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）15/16-0135-05

當今科技發展日新月異，創客文化席卷全球，中學信息技術教育也緊跟時代發展潮流，新一輪課程改革倡導培養學生的創新精神、計算思維和實踐能力。傳統的教學科目一直存在著較為嚴重的“知識本位或技術本位傾向”，而現在所提倡的STEM教育，尤其是基于STEM理念的Arduino教學能夠培養學生的問題解決能力、團隊協作能力、實踐動手能力和設計創造能力，這恰恰是當前學校教育有待加強的部分。

STEM教育與Arduino教學

Arduino是一款開源軟硬件平臺，具有操作簡單、價格低廉、可拓展性強等特點。其教學旨在以Arduino控制板、傳感器和各種執行器等硬件為載體，在創客空間的平臺下，融合STEM教育理念，培養學生的動手操作能力、想象力、創造力以及解決問題的能力。Mixly（米思齊）是一款為Arduino測控板編程的軟件，其編程界面與Scratch編程軟件、App Inventor軟件等有相似之處，其所具有的“能激發學生學習興趣、開發過程簡單、組件模塊豐富、支持即時調試”的特點，使得這款軟件可以?m用于初中信息技術拓展類課程課堂教學。

Arduino的課程目標定位為培養學生綜合運用各種知識和技能，來解決各領域、各方面、各類型實際問題的能力。STEM教育理念則提供了重新審視傳感器等硬件使用方法教學和程序設計教學的視角。把STEM理念融入Arduino教學，強調將過程和方法置于復合的真實問題情境中，倡導將各個領域的知識通過綜合的Arduino課程結合起來，加強學科間的相互融合，發揮綜合育人功能，讓學生在真實情境下學習，在項目活動中應用多學科知識和技能解決問題或進行“創意智造”，從而有助于創新型人才的培養。

基于STEM理念的Arduino教學實施策略

Arduino教學總體來說是教師引導學生在面向真實問題解決的項目探究學習（Problem Based Learning and Project Based Learning）過程中，綜合運用各學科知識、相關技術、工程設計思想和科學研究方法來進行問題解決、創新設計與個性化制造，從而達到培養學生STEM素養、創新意識、計算思維和實踐能力的目的。在Arduino教學實施過程中，要以STEM理念為指導，巧妙運用各種策略來促進教學目標的達成和促進學生的綜合發展。

1.問題引導或項目驅動

教師在進行課堂教學時，應圍繞學生熟悉的問題開展教學。引導學生在完成具體項目的過程中學得知識、習得技能、發展思維或提高能力。不論是信息技術拓展課還是學生社團活動，以項目的方式開展教學，問題情境的生活化能夠使得知識與學生已有認知的距離感減弱，學生能夠置身于真實的生活情境中學習知識、解決問題、設計智造。

在Arduino教學入門課上，教師可以引導學生完成“交通信號燈制作”項目。此項目涉及到物理學中LED的特點及使用方法、程序設計中最基本的順序結構程序設計、對Arduino UNO板數字輸出端口進行高低電平設置和延時時間控制方法（如圖1）。這些知識屬于物理學和信息技術學科中較為基礎的知識，完成這一項目既能使學生獲得成就感，也能促使學生掌握最基本的硬件知識和編程技巧。

在實際教學中，應培養學生做生活中的有心人，發現生活中的問題，尋找項目創作靈感。例如，結合學校消防演習活動，可以完成“火災報警器”的制作。此項目用到的硬件為火焰傳感器和蜂鳴器，涉及到程序設計中的選擇結構（分支結構），用到了Mixly軟件中的模擬輸入和串口監視器的使用（如圖2）。這一項目主題來源于實際生活，并服務于生活，是一個很有意義的練習項目。

2.協同教學和協作學習

STEM理念倡導跨學科融合，現實問題的解決也常常要用到多個不同領域的知識，但學校開設Arduino課程的教師一般是信息技術教師。信息技術教師雖然具有程序設計和軟件使用方面的專業知識，但對物理、音樂等其他學科的知識并不精通。因此，在實際教學中，如果需要向學生傳授其他學科的專業知識，可邀請相關學科任課教師來給學生講授，這就是所謂的“協同教學”。不同的學生有自己所擅長的學科，Arduino課上的任務基本都是由小組協作完成的，教師在分組時應盡量做到使各學習小組“組內異質、組間同質”，一起研究，協作完成每個項目。

例如，“創意門鈴”（按下門鈴按鈕可以播放“兩只老虎”音樂）項目制作時雖然用到的電子元器件只有蜂鳴器和按鈕，但涉及到音樂（樂譜、音調、節拍）、物理（聲音的傳播、振動頻率與音調的關系）、信息技術（數組、函數的定義與調用）等多學科知識。在引導學生完成這一項目時，教師可邀請音樂教師等來給學生講授專業知識，也可以讓學生以完成課前任務的形式，以小組為單位主動去請教相關學科教師（如圖3）。

有時看似很簡單的一個項目，也要用到多門學科的知識。例如，“自動變速風扇”項目要求風扇的轉速根據人與其距離的變化而發生改變，這個項目用到了物理學中的摩擦力和紅外測距原理，也用到了數學中的映射，并且整個項目的難點在于映射的運用（如圖4）。

3.實踐應用與創意智造

總體來說，Arduino課程教學的開展就是基于問題解決，服務于實際生活。所以在教學實施時要注重實踐應用，并引導學生進行創意智造。通過研究性學習活動，給學生體驗知識、運用技能、設計作品、拓展思維、收獲能力的樂趣，傳遞反復迭代、精益求精的設計態度，讓學生愛上設計，愛上創造，愛上生活。

日常生活中，部分商店門口掛著迎賓娃娃，當顧客進入時就會說“歡迎光臨”。我們可以利用可調紅外傳感器開關設計一款個性化簡易迎賓儀（如圖5），當設備檢測到有人經過時，指示燈亮起并演奏迎賓曲。這就是一個比較基礎的實踐應用，在這一項目基礎上，還可以引導學生進行拓展延伸――制作一款倉庫入侵檢測裝置，當設備檢測到有人進入倉庫時提醒倉庫管理員及時查看倉庫監控。

初中生對新鮮事物有較強的好奇心，也有著豐富的想象力和一定的創作欲望。例如，“空氣電子琴”是一個創意智造項目，其原理是用超聲波測距儀檢測手與傳感器之間的距離，通過數學運算將其轉化為1～7之間的一個音符，再通過蜂鳴器發出相應的聲音（如下頁圖6）。這一項目難度不算大，但很有趣味性，學生制作完成后也很有成就感。當然，創意智造項目應在學生學習過基礎硬件知識和編程技巧后，根據來源于生活的創作靈感，自己嘗試設計制作創意作品。

4.學科整合與綜合發展

近年來，各國開始重新審視全球化背景下的創新人才培養。有研究表明，將不同學科知識以割裂的方式進行教學，是教育界的常見弊端，STEM教育從誕生開始就擔負著克服這一弊端的重要使命，并促使STEM逐步進入教育各階段。Arduino教學應在STEM理念指導下，以現實問題為基點，將多學科、多個應用領域的知識和技能巧妙地融合在一起，設計好項目或課題來引導學生動腦思考、動手實踐，進而促進學生思維品質、創造能力的綜合發展。

例如，冬天的晚上，睡覺前想把燈關掉，而燈的開關卻在幾米外的門口，如果能用遙控器來控制燈的開關，會變得方便很多，基于此，可以設計制作一款“遙控燈”。要想完成這一項目，首先要了解常用紅外遙控系統中發射器和接收器的基本工作原理，還要綜合運用編程技巧（如圖7）。

5.在項目真實性與教學內容基礎性之間找到平衡

現實生活中，我們會遇到很多問題，然而，大部分真實項目會受到很多因素的制約，有些甚至要用科技前沿知識才能解決。而在Arduino教學實施時，教師要考慮學生的年齡特點、身心發展特點和他們已有的知識儲備，教學項目難度要落在學生的最近發展區內，太難或太復雜的研究項目不適合作為教學內容?？茖W知識、數學知識和程序設計知識都有一定的難度階梯，學生不能跨越較大的梯度來學習這些知識，因此，在實際教學中應在項目真實性和教學內容基礎性之間找到平衡。

例如，“樓道節能燈”的設計與制作（如圖8）就是一個兼顧項目真實性與教學內容基礎性的研究項目，用聲音傳感器檢測周圍環境聲音的響度，用光線傳感器檢測周圍環境的亮度，然后判斷是否響度較大且亮度較低，滿足條件時燈亮起，否則燈處于滅掉的狀態。

6.在課時有限性與探究耗時性之間找到平衡

不可否認，“中考”這根指揮棒在初中階段具有強大的導向作用，教育行政部門、各級各類學校都很重視初中學校中考升學率。信息技術、綜合實踐等非中考學科課時量較少，而一個真實的綜合項目的完成往往需要花費學生較長的時間，在Arduino教學實施中，處理好課時有限性與探究耗時性這一矛盾是很有必要的。

解決這一矛盾的途徑之一是設計復雜度適中的項目作為課堂練習任務。例如，“趣味抽獎轉盤”是用按鈕控制舵機隨機旋轉一定角度的電動抽獎器（如圖9）。這一項目只涉及到三個知識點：隨機數、舵機控制、中斷。

解決這一矛盾的另一個途徑，就是引導學生充分利用課內和課外時間。例如，“打地鼠游戲”是學生熟悉并喜愛的一款小游戲，以此作為探究制作項目，需要花費學生較多的時間。學生可以在課堂上完成“項目功能說明和解決方案的撰寫”，在課余時間小組合作完成項目，遇到問題時可向老師或同學求助。

Arduino教學中可以進一步完善之處

1.硬件配備與更新問題

Arduino UNO控制板和各種傳感器等設備的購買需要花費一定的資金，在支持開設拓展性課程的學校申請資金相對容易些，但在大部分學校申請經費可能會比較麻煩。教師可以通過申請課題和各種級別的創新實驗室項目來獲得科研經費。Arduino作為新生事物，發展速度非常快，各種具有新功能的傳感器相繼問世，此外，為了支持學生創新研究項目的開展，也常常需要購買新的傳感器。教師如何通過各種渠道獲得研究經費也是一個值得思考的問題。

2.課時問題

基于STEM理念的Arduino教學比較注重項目實現過程中的問題解決和設計實現過程中的方法習得，這種探究性學習比較耗時，在總課時數不變的情況下，應盡可能申請兩節課連排。教師可以開通以分享Arduino作品為主的微信公眾號，利用各種網絡資源，支持學生課后的拓展性學習。

3.功利主義和錦標主義問題

Arduino課程的開展應以促進學生的全面發展為目標，應在一定程度上具有“普適性”。各種青少年科技創新大賽在某種程度上促使部分拓展課異化了發展學生核心素?B的目標定位，部分比賽結果與中考加分相關，教師應避免功利主義和錦標主義在課程實施中出現。

小結

基于STEM理念的Arduino教學是教育改革和時代發展的產物，其所具有的整合性、實踐性、趣味性等切合了初中生的學習需求。通過改進教學策略，研發教學資源，Arduino教學能夠促進學生的全面發展。

參考文獻：

[1]楊曉哲.STEM與創客教育相關的概念溯源[J].中小學信息技術教育，2015（11）：19-20.[2]王娟，胡來林.中小學Arduino機器人特性及其實例開發[J].中國教育信息化，2013（12）：69-71.[3]余圣泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）：13-22.[4]謝作如，謝賢曉.Arduino創意機器人入門――基于Mixly[M].北京：人民郵電出版社，2017.[5]董澤華.試論我國中小學實施STEM課程的困境與對策[J].全球教育展望，2016（12）：36-42.