STEM教育理念与跨学科整合模式[5篇范例]

第一篇：STEM教育理念与跨学科整合模式

摘要：

随着创客日益受到社会关注，开展创客教育已成为教育界讨论并实践的热点。创客教育不能滑入到在中小学推广创造发明的歧途，而应是推进跨学科知识融合的STEM教育，在帮助学生打好扎实的科学、技术、工程和数学知识的基础之上，培养学生创新精神与实践能力，促进创新型、创业型人才的成长。本文阐述了STEM教育的跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性、技术增强性九个核心理念，介绍了相关课程、广域课程两种跨学科整合模式，分析了三种跨学科整合的取向：学科知识整合取向、生活经验整合取向、学习者中心整合取向，并提出了跨学科整合的项目设计模式。

关键词：STEM教育；跨学科整合；课程整合模式；整合性课程；创客教育

李克强总理在2015年政府工作报告中指出，要推动大众创业、万众创新，并亲身探访深圳柴火创客空间，国务院办公厅随后印发《关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见》。随着“创客”风靡全国，开展创客教育也成为教育工作者热烈讨论的话题。但很多人对创客教育的理解存在一定误区。创客教育不是一味鼓励学生荒废学业、不切实际地去搞创造发明、创业，而是强调创客的兴趣驱动、动手实践、创意创新的核心品质，推进跨学科知识融合的STEM教育，在帮助学生打好扎实的科学、技术、工程和数学知识基础之上，培养其创新精神与实践能力，促进创新型、创业型人才的成长。

一、STEM教育及其发展

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合。STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。

STEM教育（STEM Education）源于美国。美国科学教育学者最早于20世纪50年代提出科学素养概念，并得到了其他国家科学教育学者的普遍认同，认为提高国民的科学素养是提升国家综合实力的关键。这与20世纪前半叶科学的迅猛发展是分不开的：那时科学在公众心中是万能的，科学被认为是社会发展进步的不竭动力。随着科学知识体系的相对稳定，以及技术和工程给生活带来的翻天覆地的变化，技术素养等因此进入公众视野。例如，斯坦福大学赫德教授1975年指出：“技术素养与科学素养应当并列成为科学教学的主要目标”（Hurd，1975）。

到20世纪90年代，美国国家科学基金会首次使用STEM描述涉及一至多门STEM学科的事件、政策、项目或实践（Byhee，2010）。在此之前，常见的缩写是SMET，即科学（Science）、数学（Mathematics）、工程（Engineering）和技术（Technology）。例如，1986年，美国国家科学委员会发布《本科科学、数学和工程教育》报告，首次明确提出“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议，SMET因而被视为STEM集成的开端（朱学彦等，2008）。

2001年后，STEM逐渐取代SMET，成为四门学科的统称。在小布什两届任期内，STEM作为新概念不断出现在美国各种改革政策和项目甚至法律中（赵中建，2012）。例如，2007 年8 月，美国国会通过《国家竞争力法》，批准2008 年到2010 年间为联邦层次的STEM 研究和教育计划投资433 亿美元；同年10 月，美国国家科学委员会发布报告《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》，警示美国时刻不忘加强对学生开展STEM 教育。

奥巴马总统执政之后，对STEM 教育的重视提升到新的层次。上任初，他便颁布了《美国振兴及投资法案》，将增加财政投入支持STEM 教育写进法案；第一任期内，奥巴马先后宣布实施“竞争卓越计划”“为创新而教计划”以及“新科技教育十年计划”等，不断加大对STEM 教育发展的关注度与投入力度，对确保美国国际竞争力产生了深远影响；2014年，白宫和美国教育部提出STEM 国家人才培育策略，针对中小学STEM 教育提出实现各州STEM 创新网络合作、培训优秀STEM 教师、建立STEM 专家教师团、资助STEM 重点学校和增加STEM 科研投入等切实、具体的规划，受到世界的广泛关注（杨光富，2014）。

值得注意的是，美国STEM 教育的推广不是在政府指导下单纯依靠学校推动，而是动员了全社会特别是企业界的力量。正如奥巴马总统指出的：“国家的成功取决于美国在世界创新中的作用，所有首席执行官都应该知道公司的未来取决于下一代员工的创新能力，而这又取决于今天我们怎么教育学生——尤其是在STEM 方面。我们的成功不能单靠政府的支撑，还要依赖于教师、家长、企业、非营利机构和更广泛的社区等”（Sabochik，2010）。在美国，盖茨基金会和纽约卡内基公司支持一百多位企业CEO创建“变革方程”公益机构。他们通过利用资金、独特的资源和影响力试图（钟柏昌等，2014）：1）促进STEM公益教育事业；2）激励青少年学习STEM；3）推动基于STEM的教育改革。同样，英国为了促进企业职工参与学校的STEM 教育，仅2009-2010学年就花费约1300万英镑专项经费（其中，国家级机构投入约700万英镑；各地相关机构投入约200万英镑；企业投入约400万英镑）（Mann，2012）。从教育目标来说，STEM 教育的基本目标是培养学生的STEM素养。美国州长协会（National Governors Association）2007年颁布的“创新美国：拟定科学、技术、工程与数学议程（Innovation America：Building a Science，Technology，Engineering and Math Agenda）”共同纲领中指出，在知识经济时代，只有具备STEM素养的人才能在激烈竞争中取得先机，赢得胜利。他们认为，STEM素养是个体在科学、技术、工程和数学领域以及相关交叉领域中运用个人关于现实世界运行方式的知识的能力（秦炜炜，2007）。显而易见，STEM素养包含了科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，同时又不是四者的简单组合：它包含运用这四门学科的相关能力、把学习到的零碎知识与机械过程转变成探究真实世界相互联系的不同侧面的综合能力。STEM作为一个有机整体，有其独特的内涵与特征。

二、STEM教育的核心特征

STEM教育中四门学科的教学必须紧密相连，以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能进行灵活迁移应用解决真实世界的问题。融合的STEM教育具备新的核心特征：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。

（一）跨学科

将知识按学科进行划分，对于科学研究、深入探究自然现象的奥秘和将知识划分为易于教授的模块有所助益，但并不反映我们生活世界的真实性和趣味性（Morrison，2009）。因此，分科教学（如物理、化学）在科学、技术和工程高度发达的今天已显出很大弊端。针对这一问题，理工科教育出现了取消分科、进行整合教育的趋势。STEM教育因此应运而生，跨学科性是它最重要的核心特征。

美国学者艾布特斯（Abts）使用“元学科”（meta-discipline）描述STEM，即表示它是代表科学、技术、工程和数学等学科的统整的知识领域，它们存在于真实世界中，彼此不可或缺、互相联系（Morrison，2006）。跨学科意味着教育工作者在STEM教育中，不再将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力的教育目标。

（二）趣味性

STEM教育在实施过程中要把多学科知识融于有趣、具有挑战性、与学生生活相关的问题中，问题和活动的设计要能激发学习者内在的学习动机，问题的解决要能让学生有成就感，因此需有趣味性。STEM教育强调分享、创造，强调让学生体验和获得分享中的快乐感与创造中的成就感。有的项目还把STEM教育内容游戏化（将游戏的元素、方法和框架融于教育场景），因为将基于探索和目标导向的学习嵌入游戏中，有利于发展学习者的团队技能、教授交叉课程概念和负责的科学内容主题，可以得到更多、更理想的教育产出（Johnson et al.，2013）。例如，芬兰大学和美国北伊利诺伊大学合作成立了Finnish-US，在K-16阶段开展基于游戏的STEM教育（见网址：go.nmc.org/fins）。

（三）体验性

STEM教育不仅主张通过自学或教师讲授习得抽象知识，更强调学生动手、动脑，参与学习过程。STEM提供了学生动手做的学习体验，学生应用所学的数学和科学知识应对现实世界问题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，STEM教育具有体验性特征，学生在参与、体验获得知识的过程中，不仅获得结果性知识，还习得蕴含在项目问题解决过程中的过程性知识。这种在参与、体验中习得知识的方式对学生今后的工作和生活的长远发展会产生深刻影响。例如，我国台湾学者赖恩莹等利用乐高作为模组教具培养学生有关齿轮、力矩等工程概念（Lai，Zhang & Wang，2012）。学生通过搭建乐高组件测试相关原理，不仅可以了解物理概念与知识，还在工程设计体验中感受到这些知识的重要作用，将抽象的知识与实际生活连接起来，很好地体现了STEM教育的体验性特征。

（四）情境性

STEM教育具有情境性特征，它不是教授学生孤立、抽象的学科知识，而强调把知识还原于丰富的生活，结合生活中有趣、挑战的问题，通过学生的问题解决完成教学。STEM教育强调让学生获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识不同情境的知识表现，即能够根据知识所处背景信息联系上下文辨识问题本质并灵活解决问题。STEM教育强调知识是学习者通过学习环境互动建构的产物，而非来自于外部的灌输。情境是STEM教育重要而有意义的组成部分，学习受具体情境的影响，情境不同，学习也不同。只有当学习镶嵌在运用该知识的情境之中，有意义的学习才可能发生。教师在设计STEM教育项目时，项目的问题一方面要基于真实的生活情景，另一方面又要蕴含着所要教的结构化知识。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能获得知识，还能获得知识的社会性、情境性及迁移运用的能力。情境性问题的解决，可以让学生体验真实的生活，获得社会性成长。

（五）协作性

STEM教育具有协作性，强调在群体协同中相互帮助、相互启发，进行群体性知识建构。STEM教育中的问题往往是真实的，真实任务的解决离不开其他同学、教师或专家的合作。在完成任务的过程中，学生需要与他人交流和讨论。建构主义指出，学习环境的四大要素包括“情境”“协作”“会话”和“意义建构”（何克抗，1997）。STEM教育的协作性就是要求学习环境的设计要包括“协作”和“会话”两要素：让学生以小组为单位，共同搜集和分析学习资料、提出和验证假设、评价学习成果；同时，学习者通过会话商讨如何完成规定的学习任务。需指出的是，小组学习最后的评价环节以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人的表现进行独立评价。

（六）设计性

STEM教育要求学习产出环节包含设计作品，通过设计促进知识的融合与迁移运用，通过作品外化学习的结果、外显习得的知识和能力。设计出创意作品是获得成就感的重要方式，也是维持和激发学习动机、保持学习好奇心的重要途径。因此，设计是STEM教育取得成功的关键因素。美国学者莫里森认为，设计是认知建构的过程，也是学习产生的条件（Morrison，2005）。学生通过设计可以更好地理解完成了的工作，从而解决开放性问题。在这个过程中，学生学习知识、锻炼能力、提高STEM素养，因此设计性是STEM教育的又一核心特征。科学在于认识世界，解释自然界的客观规律，技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界，实现对自然界的控制和利用，解决社会发展过程中遇到的难题。按照科学和数学的规律开展设计实践是科学、数学、技术与工程整合的重要途径。

（七）艺术性

也有人提出STEAM的概念，强调在STEM中加入“Art”学科。这个“A”狭义上指美术、音乐等，广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术，实际代表了STEM强调的艺术与人文属性。STEM教育的艺术性强调在自然科学教学中增加学习者对人文科学和社会科学的关注与重视，例如在教学中增加科学、技术或工程等相关发展历史，从而激发学生兴趣、增加学习者对STEM与生活联系的理解以及提高学生对STEM相关决策的判断力；再如，在对学生设计作品的评价中，加入审美维度的评价，提高学生作品的艺术性和美感。概括来说，STEM教育的艺术性是以数学元素为基础，从工程和艺术角度解释科学和技术。

（八）实证性

实证性作为科学的本质（Nature of Science）的基本内涵之一，是科学区别于其他学科的重要特征，也是科学教育中学习者需要理解、掌握的重要方面。STEM教育要促进学生按照科学的原则设计作品，基于证据验证假设、发现并得出解决问题的方案；要促进学生在设计作品时，遵循科学和数学的严谨规律，而非思辨或想象，让严谨的工程设计实践帮助他们认识和理解客观的科学规律。总之，STEM教育不仅要注重科学的实证性，更强调跨学科情景中通过对问题或项目的探索，培养学生向真实生活迁移的科学精神和科学理性。

（九）技术增强性

STEM教育强调学生要具备一定技术素养，强调学生要了解技术应用、技术发展过程，具备分析新技术如何影响自己乃至周边环境的能力。在教学中，它要求利用技术手段激发和简化学生的创新过程，并通过技术表现多样化成果，让创意得到分享和传播，从而激发学生的创新动力。STEM教育主张技术作为认知工具，无缝地融入到教学各个环节，培养学生善于运用技术解决问题的能力，增强个人驾驭复杂信息、进行复杂建模与计算的能力，从而支持深度学习的发生。

三、STEM课程的跨学科整合模式

在课程方面，STEM教育代表了课程组织方式的重大变革。目前中小学最广泛应用的课程模式是分科教学模式，即数学、科学等学科教师负责教授各自科目，很少重视学科之间的联系。然而，要让学生为未来的职业发展做准备，他们必须超越学科的界限进行思考。有研究表明，学习者接受STEM教育有助于获得对数学和科学等内容更加深入的理解（Frykholm & Glasson，2005）；同时也有助于培养他们获得在真实世界应用这些知识解决问题的能力，因为这些问题从本质上就是跨学科的（Asghar et al.，2012）。因此，STEM教育的课程设计应该使用“整合的（integrated）课程设计模式”，即将科学、技术、工程和数学等整合在一起，强调对知识的应用和对学科之间关系的关注（Herschbach，2011）。

（一）跨学科整合的模式

针对STEM教育整合的课程设计，美国马里兰大学赫希巴奇（Herschbach，2011）提出两种最基本的课程模式：相关课程（the correlated curriculum）模式和广域课程（the broad fields curriculum）模式。相关课程模式将各科目仍保留为独立学科，但各科目教学内容的安排注重彼此间的联系。例如，上物理课可能需要学生预先掌握数学概念，数学和物理教师要通过沟通，将这两次课安排在时间节点相近且数学课教学排在前面。相关课程模式与学校目前的课程模式很相近，但最大的区别在于前者需要不同学科之间的教师对课程安排进行详细、周密的协调和计划。

广域课程模式则取消了学科间的界限，将所有学科内容整合到新的学习领域。STEM教育的广域课程模式不再强调物理、化学甚至科学作为独立的学科存在，而是将科学、技术、工程和数学等内容整合起来，形成结构化的课程结构。赫希巴奇指出，最常用的整合方式是通过活动（activities）形成连贯、有组织的课程结构（见图1）（Herschbach，2011）。例如，教师围绕建构和测试太阳能小车组织课程。在这样的课堂里，教师通过设计太阳能小车，将科学、技术和工程等STEM学科相关知识均包含在内，让学生通过活动进行学习。

总的来说，上述两种课程整合模式各有优劣势。相关课程模式对教师来说比较熟悉，但需要各学科教师之间密切协商与交流；广域课程模式打破了学科间的界限，通过活动促使学生在真实情景中学习各学科的知识，但如何在打破的学科之间取得平衡、建立新的课程结构对一线教师和政策制定者提出了新的挑战（Herschbach，2011）。

（二）跨学科整合的基本取向

STEM教育要求四门学科在教学过程中必须紧密相连，以整合的教学方式使得学生掌握概念和技能，并运用技能解决真实世界中的问题。如何将四门独立学科知识紧密关联实现整合，有三种取向： 1.学科知识整合取向

分析各学科最基本的学科知识结构，找到不同学科知识点之间的连接点与整合点，将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑结构化。将各学科内容改造成以问题为核心的课程组织，通过序列化的问题有机串接起各学科知识，使课程要素形成有机联系和有机结构。

知识整合取向模式一般采用基于问题的学习模式（problem-based learning），强调把学习设计在复杂、有意义的问题情境中，通过学生合作解决嵌入于真实情境中的问题或与真实世界相关的问题，促进学生对所学知识的理解与建构，从而习得隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。它可以使学生通过体验知识获得的过程，促进学生元认知能力的发展，通过应用知识解决问题达成对知识的灵活掌握，并能对知识进行社会性、情境性的迁移运用。解决问题的目的是为了掌握蕴含于问题之中或支持问题解决的知识，问题是多学科知识融合的交叉点与整合点，是触发学生学习与探究的触发器，是创新学习的载体。一般来说，问题解决的过程不会持续很长，具体开展的方式方法也会多样化，比如Web Quest网络探究、5E教学法（engage、exploration、explanation、elaboration、evaluation）、研究性学习等。

2.生活经验整合取向

注重知识的社会功能，也就是基于学习者的需求，以第三次工业革命为代表的知识经济社会所必须的知识与技能为核心整合多学科知识，然后以项目设计与实施为载体，将学术性的学科知识转化为可解决实际问题的生活性知识。基本做法是从儿童适应社会的角度选择典型项目进行结构化设计，让学习者在体验和完成项目的过程中，习得蕴含于项目之中的多学科知识与技能，或从改造和完善现有社会的角度，选择挑战性项目。

这种课程整合方式强调社会实践活动以及社会问题解决能力的培养，强调多学科知识融合到真实的社会性项目中，在项目活动中寻找各学科知识的整合点。因此，项目的过程分析、活动设计等社会分析是核心。

生活经验与社会取向课程整合模式一般采用基于项目的学习模式（project-based learning），以实践性的项目完成为核心，将跨学科的内容、高级思维能力发展与真实生活环境联系起来。项目学习一般以开发最终作品或“人工制品”为出发点，在教师的指导下，学生按自己的设计思路，采用科学的方法完成作品设计。作品设计是项目学习贯穿的主线和驱动力，学生在完成作品的过程中进行检索、讨论、演算、设计、观察等学习活动，并解决一个或多个问题，从而获得知识和技能。作品制作是这种学习的重点，但更为重要的是学生在制作作品过程中获得跨学科的知识和技能，并获得创造性运用知识的社会性能力。

基于项目的学习并非只强调学科知识的掌握，还侧重对教材内容以外知识的体验与经历，旨在丰富学生对事物的认识，注重生活经验知识的增长。整个学习过程应真实可信，是反映真实情境和现实生活的体验性活动，体现将学术性学科知识转化为生活经验知识价值取向。

3.学习者中心整合取向

这种模式不强调由教师预设问题或项目，而由学习者个体或小组调查、发现问题。它不仅强调解决问题能力的培养，还强调发现问题的创新能力，是一种依据学习者需求，以学习者生活经验为基础寻找各学科整合点的模式。它强调学习者成就感与自我效能感，强调学生好奇心与兴趣的维护与保护，强调分享、创造的愉快。在理念上，它清晰地体现了教育的人本主义思想。

学习者中心取向整合模式采用学生主导项目的方式，学生以个人或小组为单位提出任务，任务内容需要学习并运用跨学科知识。学生在项目问题解决过程中，教师发挥协调、指导、检查、监督、计时和评价作用。其优点在于能力较强的学生可以摆脱传统的结构化课堂教学对个人学习与设计活动的约束，能更好地发挥个人能力；缺点在于能力弱的学生会对学习过程中的自由度不适应，需要教师更多的指导；同时由于项目任务非结构化，所以很难实现对学生技能最终结果的全面评估。

学习者中心取向整合模式强调创设学习者可以主动介入、研究与发现的丰富教育环境，让学生在蕴含丰富STEM知识的环境中进行交互、探究与发现，创造意义、学习知识，在建构性的环境设计中寻找蕴含STEM知识的整合点。

4.三种整合取向的共性问题及应对

上述三种课程整合取向代表了课程的知识属性、社会属性与人本属性的不同侧面，它们相互联系、相互补充，没有绝对的优劣，各有适合的领域与对象，在课程跨学科整合的实践中应该配合使用多种取向。不管采用哪种取向的整合模式，将知识情境化与社会化都是其优势，但各学科原有知识体系结构的劣构化是它们面对的共性问题，容易造成学生学习知识结构的不均衡，可能某些知识掌握得较好，有些知识却没有触及（因为所学项目没有覆盖）。这种基础知识的结构性偏差对于中小学生是个很大的问题。创新精神与实践能力培养的可持续性，其根源还在于学习者有良好的知识结构，并能不断自我完善和发展。基础教育领域知识的结构性缺失，会给儿童一辈子的成长带来障碍。因此，STEM的跨学科整合，一方面要将分学科的知识按问题逻辑或项目逻辑进行跨学科重组，另一方面又要确保设计的问题和项目对所有学科基础性知识结构的全面、均衡的覆盖。设计和实施STEM跨学科整合的课程，要在学科知识的系统性与解决实际问题/项目中所获知识的随机性之间保持一定的张力和平衡，基于整体知识结构的系统性设计问题，使各问题之间包含的学习议题（如专业概念、原理等）多次地相互邻接和交叉重叠。

在此过程中，知识地图技术是很好的课程设计工具。知识地图可以对课程的核心知识及其关系予以可视化展示与管理。设计具体学习问题或项目时要对其涵盖知识进行分析，并与知识地图进行关联。当所有学习项目都与知识地图关联时，通过结构化的知识地图，学生可以清晰地了解每个知识点上学习项目覆盖的频次与强度，如果某知识点出现结构性缺失，可以通过定向覆盖的学习问题或项目设计进行平衡调节。

（三）跨学科整合的项目设计

STEM跨学科整合最核心、最重要的工作是项目或问题的设计，如果没有良好的结构化项目设计，会导致学习困难、效率不高、挫折感强、学习收获不大等系列问题。

STEM项目设计强调将知识蕴含于情境化的真实问题中，强调调动学生主动积极地利用各学科的相关知识设计解决方案，跨越学科界限提高学生解决实际问题的能力。

STEM教育建立在建构主义和认知科学的研究成果之上（Sanders，2009）。布鲁因（Bruning，2004）等人指出，STEM教育与认知科学的主张一致：1）学习是建构而不是接受的过程；2）动机和信念在认知过程中至关重要；3）社会性互动是认知发展的基础；4）知识、策略和专门技术是情境化的。由此可见，STEM教育是一种典型的建构主义教学实践：为学习者提供学习情境，让他们积极地建构知识，从而强化对知识的记忆和促进迁移；以小组为单位进行活动，为知识的社会建构提供优越条件（Sanders，2009）。因此，实践STEM教学模式首先要符合建构性学习所强调的探究、发现、协助等基本要求。

可以说，STEM教育是一种典型的建构主义教学实践，本文参照基于建构主义的教学设计模式（余胜泉等，2000）尝试提出一种STEM项目设计模式（见图2）。本模式在“教学分析”的基础上，以“项目或问题”为核心立足点，设计项目完成或问题解决过程中的学习资源与工具、学习活动过程、学习支架、学习评价等关键环节，同时关注项目完成后，学生获得知识的系统化与结构化迁移，并有相应的强化练习与总结提升。

1.教学分析

在教学设计前期，教师需要对以下三个方面进行细致分析：1）教学目标；2）学习者特征；3）跨学科知识地图（学习内容）。分析教学目标是为了确定学习主题，对课程的三维目标做具体描述。分析学习者特征是为了确保项目设计适合学生的能力与知识水平，对学习者的智力因素和非智力因素进行充分分析。STEM教育强调学习要完成真实情境中的任务，而要确保任务中包含教学目标，就需要对学习内容进行深入分析，明确所需学习的知识内容、知识内容间的结构关系和知识内容的类型。这可以通过绘制学习内容的知识地图，展示跨学科知识之间的关联，为整个课程知识均衡覆盖提供基础。

2.学习任务设计

学习任务是整个STEM教学设计模式的核心和立足点。STEM教学是基于现实情境的，需要学习者置身于真实、非良构的学习任务中。学生学习的过程就是解决实际问题和完成实际项目的过程，问题或项目构成了驱动学习的核心，而不像教师讲授那样充当概念、原理的例子。学习任务可以是问题或项目：它们均代表连续性的复杂问题，并要求学习者采取主动、建构、真实情境下的学习方式。

学习任务一定要放在特定情境中呈现，需要将设计的问题在特定情境中具体化。由于教科书中的知识是对现实生活的抽象和提炼，所以设计学习情景就要还原知识的背景，恢复其原来的生动性、丰富性，有时同一问题在不同情景中（不同的工作环境、社会背景）的表现是不同的。STEM教学要基于前面的教学分析结果，对学习情境进行设计，使得学习问题能够与真实学习情境相融合，不处于分离或勉强合成的状态。

3.工具与资源设计

问题解决或项目完成需要学习者在大量信息基础上进行自主学习、意义建构，因此设计适宜的学习环境和丰富的学习资源与工具是STEM教学设计必不可少的环节。学习环境设计主要包括教学中需要用到的设备、器材和各种信息化工具，如目前广受关注的3D打印机、开源电路板等，还需要一些用来支持或指引扩充思维过程的认知工具，如Scratch可视化程序设计工具、概念图工具、SPSS数据分析工具、网络沟通工具、三维建模工具等。学习资源方面教师需要设计：1）了解有关学习问题的详细信息和必要的预备知识；2）学生在解决学习问题过程中可能需要查阅的信息（为了对学生学习更好地提供指导）；3）强化练习材料（用于学习者在教学活动实施后进行强化练习，从而检测、巩固、扩展所学知识）。

4.学习支架设计

STEM教育重视学习者学习主体地位的同时，也不忽视教师的指导作用。STEM教师既需要保持对各个教学环节的控制、管理、帮助和指导，又需要从课堂主角变为幕后导演，成为学生意义建构的帮助者、促进者。学生在问题解决过程中，不同学生所采用的学习路径、遇到的困难也不相同，教师需针对不同情况给予及时反馈和帮助，指导学生开展独立探索或协作，调动学生参与的主动性；学生在自主学习中，面对丰富的信息资源易出现学习行为与学习目标的偏离，对此教师要在问题解决过程中设置关键的控制点，规范学生学习，同时也有利于学生反思、深化所学知识。因此，针对学生问题解决过程中可能遇到的困难，教师提供起支撑、承载、联结等作用的支架，是确保学生在最临近发展区内进行学习并解决问题的关键。

在STEM教育项目中，支架可以保证学生在不能独立完成任务时获得成功，提高能力水平以达到任务要求，帮助他们认识到潜在发展空间。支架让学生经历一些有经验的学习者（如教师）所经历的思维过程，有助于学生对知识特别是隐性知识的体悟与理解。学生通过内化支架，可以获得独立完成任务的技能。支架还可以展示学习任务的真实情境，让学习者感受、体验和进入复杂的真实情境。典型的支架包括（闫寒冰，2003）：情境型支架，设置情境帮助进入学习；问题型支架，创设问题情境，引发思维；实验型支架，演示实验、学生实验、家庭实验等；信息型支架，包括教师已有知识、网络知识、材料等；知识型支架，主要是提供评价和产生新的经验和信息的框架；程序型支架，是指做事的顺序；策略型支架，指在不同教学条件下，为达到不同教学效果所采用的手段和谋略；范例型支架指典型事例和范例；训练性支架指通过指导和练习强化学生认知理解，提升学生学习能力。

5.学习活动设计

学生是在完成STEM教育项目过程中获取知识、认识客观世界的，不是直接从书本或教师处获得知识的，认知与学习发生在完成任务和解决问题的过程中，是通过学习活动这一中介体完成的。因此，有效的STEM教育项目设计，必须以有效的学习活动为中介，促进知识的内化，只有这样才能真正提高学生学习效率，促进学生学习的发生。

STEM学习活动设计，就是教师根据教学目标、教学内容、教学情境灵活选择和设计学习活动，让学生通过参与活动进行学习。不同教学模式往往从不同教学环节和程序安排上显示其特征，每种教学模式都有其自身相对固定的活动逻辑步骤和每阶段应完成的教学任务。不同活动序列组合自然形成不同的教学模式。

6.学习评价设计

教学评价包括形成性评价和总结性评价。为了在教学活动过程中更好地达到教学目标，教师需要在教学过程中不断进行形成性评价。形成性评价偏向于使用量表、行为观察和知识测验等形式了解阶段性的教学成果和存在问题，及时对教学实施方案进行修改、完善。总结性评价一般安排在教学活动告一段落后，为检验学习效果是否达到预期的教学目标而进行的评价。STEM教学侧重于培养学习者解决实际问题的能力，比传统的纸笔测试更加灵活多样并关注学习者的真实能力。例如，它可以对小组合作完成的作品按事先制定的评价标准，由教师或小组间进行评价。形成性评价和总结性评价服务于不同目的，没有孰轻孰重之分，两者均起着举足轻重的作用。

评价过程要改变以往单一的评价方式，强调多元评价主体、形成性评价、面向学习过程的评价，由学生本人、同伴、教师对学生学习过程的态度、兴趣、参与程度、任务完成情况以及学习过程中形成的作品等进行评估。7.总结与强化练习

项目结束后需要适时进行教学总结，促进学习者将零散的知识系统化。STEM教学关注现实问题，着力跨学科运用知识，因此更需要对涉及的知识进行总结，将STEM学习的产出从现实问题解决延伸到抽象的知识层面，让学生形成一定的知识体系和结构。教学总结可以由教师独立进行，也可以采取教师指导下学生小组合作汇报等形式进行。

完成教学总结后，教师应根据小组评价和自我评价结果，为学生设计一套可供选择并有针对性的补充学习材料和强化练习。这类材料和练习应精心挑选，既要反映基本概念、基本原理又能适应不同学生的要求，以便通过强化练习纠正原有的错误理解或片面认识，最终达到符合要求的意义建构。

8.项目方案试用与改进

项目实施过程中，一方面要严格按照设计的方案进行实施，确保教学方案的执行；另一方面，要根据现实教学条件和形成性评价的结果不断修订设计方案，保证灵活性。

四、结语

随着创客在中国的火爆，创客教育出现让人担心的大跃进现象。不遵循教育规律，一窝蜂让学生学习开源电路板、3D打印、机器人等，过分关注技术的炫酷，缺乏科学的教育设计，缺乏基础性学科知识融合注入，使得创客教育变成学校秀场，出现了泡沫化苗头。因此，本文追根溯源，对STEM教育进行梳理和研究。

STEM在国内还是个新兴领域，但在国外已经受到广泛关注，并有成熟的研究与实践，值得我们借鉴。针对国内STEM教育尚未形成完整的理论体系和操作性强的模式的现状，本文通过对国内外现有研究的梳理，总结了STEM教育的九大核心特征，并对STEM的课程整合模式和整合取向进行分析，然后尝试提出STEM项目设计模型，希望能够引起业内的关注、批评和争鸣，促进STEM教育实践的健康发展。

值得指出的是，在STEM跨学科整合设计中，容易出现学科知识结构性缺失的不足，本文提出通过学科知识地图对项目设计进行总体规划，实现跨学科知识的均衡覆盖。STEM教育在实施过程中，容易出现伪探究、伪问题解决的状况，从而导致学生挫折感强，形不成系统的知识结构，教师主导地位严重缺失等问题，本文在项目设计中特别强调了总结与强化练习环节。这些针对性的改进措施，以及借鉴中国传统教育在知识掌握方面的优势，可为其他国家的STEM教育实施提供参考。

作者简介：余胜泉，北京师范大学教育技术学院教授，研究方向：移动教育与泛在学习、信息技术与课程整合、区域性教育信息化、学习的平台关键技术等（yqsq@bnu.edu.cn）；胡翔，北京师范大学教育技术学院2013级科学与技术教育专业硕士。

基金项目：教育部高校科技战略（教育信息化）研究课题“教育信息化对教育革命性影响的内涵、标志和路径研究”项目。

第二篇：【跨学科教育】上海市中小学STEM教育调研报告

【跨学科教育】上海市中小学STEM教育调研报告

篇首语STEM教育，以项目式的学习方式融合各学科内容，解决真实环境下实际问题，通过针对学生设计的活动来培养学生的创新品质。在注重学生核心素养培养的形势下，许多国家都加强了STEM教育的引入与本土化，中国上海也在这个浪潮中积极尝试，社会、学校、教师和学生都投入了大量的成本，STEM教育在上海的实际开展情况如何？进一步推广需要有哪些具体措施？经历3个月的时间，本次上海市中小学STEM教育调研给出了基于实证的回答。▲ STEM教育为什么？本次调研的主要目的是了解目前上海中小学STEM教育开展情况；从调研中吸取经验，完善健全跨学科领域课程建设；提供学校跨学科领域课程设置的建议意见。如何做？在前期准备过程中组建了一支由教研室、大学、出版社及专家组成的调研团队，明确了调研的相关任务及要求。在前期准备过程中还编制了学生及教师网上调研问卷、评课记录单等。在调研前两周时间学校填写自评报告。调研当天听课或听取课程介绍，并围绕学校跨学科领域课程建设及课堂教学交流讨论，同日学校完成相关学生、教师的网上调研问卷填写。▲ 评课记录单

怎么样？▲ 上海市中小学STEM教育调研调研对象信息本次调研涉及的区县有：黄浦区、普陀区、闵行区、徐汇区、杨浦区、静安区、浦东新区、长宁区、虹口区共计9个区县。本次调研涉及的学校有小学9所、初中9所、高中8所，共计26所中小学校，其中民办学校占比15.4%，公办学校占比84.6%。

▲ 跨越9个区县▲ 穿越3个学段 ▲ 兼顾公办民办

学校重视STEM教育通过1131份学生的网上问卷调查及62份教师的网上问卷调查，得到以下基本信息：学校校长及教师99%认为STEM教育很重要，说明STEM教育被广泛的认可。在相对重视的前提下，学校对开设这类课程所用的教室也有特别的考量，超过60%的学校建有创新实验室或科学实验室。▲ 教室配置拓展课成为主要选择课时安排上，64.8%集中在拓展课课时，16.7%集中在研究型课程课时，说明拓展课、研究型课程课时是学校对STEM教育课程课时安排的主流选择。平均每周STEM教育课时在2节课课时左右，课时安排上小初高差异不大。大多数学校选择每周在拓展课时中拿出2课时，也有些学校采用1 1模式，即每周一节拓展课加一节自然（科学、劳技）课，整合出2个课时，满足课时需要。学习年段上，在小学学段主要集中在小学二、三年级，初中主要集中在初中预备班、初一年段，高中主要集中在高一年段，可以发现年段设置集中在各个学段的起始阶段，考试压力相对较轻，小学一年级设置比较少或许与该阶段学生学科基础不充分相关。▲ 课时安排▲ 学习年段采用项目式学习所调研学校开设的STEM教育课程均采用项目式学习的方式，即围绕一个项目主题（完成某一作品或解决某一问题），连续地通过一系列课时（4—24课时不等）来组织教学。与基础学科建立联系多数学校能够主动将STEM教育课程与基础学科建立联系，挖掘基础学科中可以“跨”的点，作为与STEM教育课程的结合点，从而在学生已有的知识基础上进行合理的拓展与延伸，使得STEM教育课程有了明确的根基，不再是虚幻的空中楼阁。STEM教育与学科知识关联调查数据显示：STEM教育课程学习中与科学、数学、劳技三门学科关系最密切。STEM教育授课教师来源调查数据显示：STEM教育课程授课教师排在前三位的分别是科学、劳技、物理。说明授课教师与课程内容涉及学科关联的高度一致性，也说明目前试点学校开设的STEM教育课程内容紧扣基础学科。▲ STEM教育课程与不同学科知识关联程度职业引导成效显著职业引导方面，80%以上的学生对能对某些职业有所了解，超过60%的学生并对该职业产生了一定的兴趣，说明STEM教育对学生的职业引导起到正面作用，在关注职业领域方面，排在最前面的是电子信息、教育、金融、航天与医疗。▲ 职业引导▲ 敏感主题 优质课程资源缺乏虽然有大量的有实力的公司和教育者在做这方面的努力，但是大多数课程都是简单的拷贝国外的资料，没有做任何改进，不符合本地学校情况，没有体现STEM教育真实问题解决的理念。课程中还存在部分科学性错误，导致学生最终完成的作品不能解决实际问题。还有课程结构过于固定模式化、课程内容过于形式化，刻意将毫无关联的知识内容拼装式组合进课程、配套的辅助工具缺乏系统的规划等等。课堂教学方式需转型本次调研的学校提供的观摩课中，超过一半的课堂被教师牢牢把控，教师严格控制着课堂教学的各个环节，从板书到问题提出、从学生实验到交流展示，完全按照教师的节奏和意图步步推进。学生不知道活动内容的目的和意图，不知道活动与总项目之间关系，只是被动的被老师牵着鼻子走。这样的课堂显然不能有效发挥学生的主动性、培养学生的求知欲，这与STEM教育通过项目式学习培养学生的创新能力是背道而驰的，所以戴着项目式学习的帽子，穿着应试教育教学方式的里子是不可取的。教师培训缺位首先中国传统师范教育有大量的数学、科学方面的老师，但是缺乏工程技术方面的人才，所以STEM教育的师资培训首先是工程技术上需要提供系统且专业的培训。其次STEM教育不同的领域适合不同学科的教师教学，这样可以避免教师专业基础的缺失，以医疗领域、环境领域、建筑领域为例分别可以请生命科学老师、化学老师、物理老师来授课，但即便如此，在领域内相当大的知识覆盖依然超出学科教师的专业范围，所以需要在不同领域针对专业学科的教师有针对性的师资培训。第三STEM教育的教学教法与基础课程是有一定的区别的，某种程度上说是更难的，也是教师特别不擅长的方面，比如相对开放的课堂、跟着学生的思路节奏演绎教学等等，需要提供课堂教学教法方面的专业指导。评估体系缺失好的评估系统是教学质量的保证，由于STEM教育并不是简单地将科学与工程组合起来，而是要把学生学习到的零碎的知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。所以对于这种项目式学习，用工程技术方法来做现实问题解决的STEM教育评估体系的开发是很有挑战性的。STEM教育评估体系还需要对教师的能力进行考核。目前的评价机制无论是学生的成果作品评价还是学生过程性评价，都还只是浅尝即止的初探，对教师的评价也缺乏规范的体系。▲ 老师在上“食物与能量”主题课▲ 老师尝试过程性评价

再思考自下而上的归纳本次调研对上海市STEM教育实际情况有了总体的了解，总体看社会有需要，学校教师有需求，这与高考综合改革方案有关，更与培养创新人才的大环境相关，很多人都寄希望跨学科领域的教育能改变学生的学习方式，培养学生的创新能力。从这次调研现场看，我们看到了个别学校的优秀课例设计，也欣喜的寻觅到课堂教学中的闪光点，给我们跨学科领域教育增添了信心。所以我们要不断自下而上的归纳，提炼来自一线实践的经验，通过不断的实践证明“跨学科领域教育有利于学生的发展”。

自上而下的演绎本次调研发现STEM教育课程、课堂、培训等等问题及复杂性超出预期，让我们对跨学科领域教育研究更加有了使命感和责任感。通过自上而下的演绎指导学校区县的工作，再结合自下而上的归纳，上下贯通才能将跨学科领域教育落到实处。作者：上海市教委教研室

管文川

第三篇：简述跨学科教育

小学跨学科教育作业

姓名：郭思雨

学号：1143000274

班级：2014级数学二班

STEM教育介绍

通过阅读文献和查阅资料，我将我了解到 STEM 教育从以下三个方面进行简单介绍。

一、什么是STEM

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四个英文首字母的缩写，简言之STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育，但现实问题往往无法单凭STEM中的某一门学科知识来解决，必须依靠多学科的协同因此STEM教育关于如何综合运用STEM知识解决现实问题的能力的教育，也就是STEM素养教育。

STEM教育起源于美国，最初是美国为保持其科技创新的国际领先地位提供充足的STEM劳动力储备，以便这些技能娴熟的人才能够为美国提供更加持久而强盛的竞争力。美国近年来高度重视STEM教育，联邦STEM教育进展报告显示美国在STEM教育领域的投资逐年增加，2016年预算突破30亿美元。值得注意的是，在大力发展STEM教育的同时，美国充分利用企业、非营利机构等组织与政府部门共同建立了一个高效的跨部门合作的新模式。我国现阶段也越来越关注STEM教育，并取得一定进展，但是相比美国充分调动社会各种力量共同开展STEM教育来说做得还很不够。因此，了解美国STEM教育发展，尤其是其政府与社会力量合办STEM项目的情况，对我国促进社会力量办STEM教育具有借鉴意义。

二、特点介绍

STEM 教育中四门学科的教学必须紧密相连，以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能进行灵活迁移应用解决真实世界的问题。融合的STEM 教育具备新的核心特征:跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。

它重点关注四种素养(Literacy)：(1)科学素养是指学生运用科学知识理解自然界、解释自然现象、参与自然界有关决策的能力；(2)技术素养是指学生使用、管理、理解与评价技术的能力，学生应当了解某种技术的发展历程，并知道如何使用新技术来改造社会、国家乃至整个世界；(3)工程素养是指学生应当以工程的视角去理解项目的设计与开发过程；(4)数学素养是指学生对不同情境下数学问题的分析、推理和有效交流思想的能力，学生应当主动发现问题，并清晰表达对这些问题的分析。

(一)跨学科

将知识按学科进行划分，对于科学研究、深入研究自然现象的奥秘和将知识划分为易于教授的模块有所助益，但并不反映我们生活世界的真实性和趣味性(Morrison，2009)。因此，分科教学(如物理、化学)在科学、技术和工程高度发达的今天已显出很大弊端。针对这一问题，理工科教育出现了取消分科、进行整合教育的趋势。STEM 教育因此应运而生，跨学科性是它最重要的核心特征。美国学者艾布特斯(Abts)使用“元学科”(meta－ discipline)描述 STEM，即表示它是代表科学、技术、工程和数学等学科的统整的知识领域，它们存在于真实世界中，彼此不可或缺、互相联系(Morrison，2006)。跨学科意味着教育工作者在 STEM 教育中，不再将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提 高学生解决实际问题的能力的教育目标。

(二)趣味性

STEM 教育在实施过程中要把多学科知识融于有趣、具有挑战性、与学生生活相关的问题中，问题和活动的设计要能激发学习者内在的学习动机，问题的解决要能让学生有成就感，因此需有趣味性。STEM 教育强调分享、创造，强调让学生体验和获得分享中的快乐感与创造中的成就感。有的项目还把STEM 教育内容游戏化(将游戏的元素、方法和框架融于教育场景)，因为将基于探索和目标导向的学习嵌入游戏中，有利于发展学习者的团队技能、教授交叉课程概念和负责的科学内容主题，可以得到更多、更理想的教育产出。例如，芬兰大学和美国北伊利诺伊大学合作成立了Finnish － US，在 K － 16 阶段开展基于游戏的 STEM教育。

(三)体验性

STEM 教育不仅主张通过自学或教师讲授习得抽象知识，更强调学生动手、动脑，参与学习过程。STEM 提供了学生动手做的学习体验，学生应用所学的数学和科学知识应对现实世界问题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，STEM 教育具有体验性特征，学生在参与、体验获得知识的过程中，不仅获得结果性知识，还习得蕴含在项目问题解决过程中的过程性知识。这种在参与、体验中习得知识的方式对学生今后的工作和生活的长远发展会产生深刻影响。例如，我国台湾学者赖恩莹等利用乐高作为模组教具培养学生有关齿轮、力矩等工程概念(Lai，Zhang ＆ Wang，2012)。学生通过搭建乐高组件测试相关原理，不仅可以了解物理概念与知识，还在工程设计体验中感受到这些知识的重要作用，将抽象的知识与实际生活连接起来，很好地体现了 STEM 教育的体验性特征。

(四)情境性

STEM 教育具有情境性特征，它不是教授学生孤立、抽象的学科知识，而强调把知识还原于丰富的生活，结合生活中有趣、挑战的问题，通过学生的问题解决完成教学。STEM 教育强调让学生获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识不同情境的知识表现，即能够根据知识所处背景信息联系上下文辨识问题本质并灵活解决问题。STEM教育强调知识是学习者通过学习环境互动建构的产物，而非来自于外部的灌输。情境是 STEM 教育重要而有意义的组成部分，学习受具体情境的影响，情境不同，学习也不同。只有当学习镶嵌在运用该知识的情境之中，有意义的学习才可能发生。教师在设计 STEM 教育项目时，项目的问题一方面要基于真实的生活情景，另一方面又要蕴含着所要教的结构化知识。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能获得知识，还能获得知识的社会性、情境性及迁移运用的能力。情境性问题的解决，可以让学生体验真实的生活，获得社会性成长。

(五)协作性

STEM 教育具有协作性，强调在群体协同中相互帮助、相互启发，进行群体性知识建构。STEM 教育中的问题往往是真实的，真实任务的解决离不开其他同学、教师或专家的合作。在完成任务的过程中，学生需要与他人交流和讨论。建构主义指出，学习环境的四大要素包括“情境”“协作”“会话”和“意义建构”(何克抗，1997)。STEM 教育的协作性就是要求学习环境的设计要包括“协作”和“会话”两要素:让学生以小组为单位，共同搜集和分析学习资料、提出和验证假设、评价学习成果;同时，学习者通过会话商讨如何完成规定的学习任务。需指出的是，小组学习最后的评价环节以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人的表现进行独立评价。

(六)设计性

STEM 教育要求学习产出环节包含设计作品，通过设计促进知识的融合与迁移运用，通过作品外化学习的结果、外显习得的知识和能力。设计出创意作品是获得成就感的重要方式，也是维持和激发学习动机、保持学习好奇心的重要途径。因此，设计是 STEM 教育取得成功的关键因素。美国学者莫里森认为，设计是认知建构的过程，也是学习产生的条件(Morrison，2005)。学生通过设计可以更好地解完成了的工作，从而解决开放性问题。在这个过程中，学生学习知识、锻炼能力、提高 STEM 素养，因此设计性是 STEM 教育的又一核心特征。科学在于认识世界，解释自然界的客观规律，技术和工程则在尊重自然规律的基

础上改造世界，实现对自然界的控制和利用，解决社会发展过程中遇到的难题。按照科学和数学的规律开展设计实践是科学、数学、技术与工程整合的重要途径。

(七)艺术性

也有人提出 STEAM 的概念，强调在 STEM 中加入“Art”学科。这个“A”狭义上指美术、音乐等，广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术，实际代表了 STEM 强调的艺术与人文属性。STEM 教育的艺术性强调在自然科学教学中增加学习者对人文科学和社s会科学的关注与重视，例如在教学中增加科学、技术或工程等相关发展历史，从而激发学生兴趣、增加学习者对 STEM 与生活联系的理解以及提高学生对 STEM 相关决策的判断力;再如，在对学生设计作品的评价中，加入审美维度的评价，提高学生作品的艺术性和美感。概括来说，STEM 教育的艺术性是以数学元素为基础，从工程和艺术角度解释科学和技术。

(八)实证性

实证性作为科学的本质(Nature of Science)的基本内涵之一，是科学区别于其他学科的重要特征，也是科学教育中学习者需要理解、掌握的重要方面。STEM 教育要促进学生按照科学的原则设计作品，基于证据验证假设、发现并得出解决问题的方案;要促进学生在设计作品时，遵循科学和数学的严谨规律，而非思辨或想象，让严谨的工程设计实践帮助他 们认识和理解客观的科学规律。总之，STEM 教育不仅要注重科学的实证性，更强调跨学科情景中通过对问题或项目的探索，培养学生向真实生活迁移的科学精神和科学理性。

(九)技术增强性

STEM 教育强调学生要具备一定技术素养，强调学生要了解技术应用、技术发展过程，具备分析新技术如何影响自己乃至周边环境的能力。在教学中，它要求利用技术手段激发和简化学生的创新过程，并通过技术表现多样化成果，让创意得到分享和传播，从而激发学生的创新动力。STEM 教育主张技术作为认知工具，无缝地融入到教学各个环节，培养学生善于运用技术解决问题的能力，增强个人驾驭复杂信息、进行复杂建模与计算的能力，从而支持深度学习的发生。

三、STEM 课程的跨学科整合模式

在课程方面，STEM 教育代表了课程组织方式的重大变革。目前中小学最广泛应用的课程模式是分科教学模式，即数学、科学等学科教师负责教授各自科目，很少重视学科之间的联系。然而，要让学生为未来的职业发展做准备，他们必须超越学科的界限进行思考。有研究表明，学习者接受 STEM 教育有助于获得对数学和科学等内容更加深入的理解。同时也有助于培养他们获得在真实世界应用这些知识解决问题的能力，因为这些问题从本质上就是跨学科的。因此，STEM 教育的课程设计应该使用“整合的(integrated)课程设计模式”，即将科学、技术、工程和数学等整合在一起，强调对知识的应用和对学科之间关系的关注。

(一)跨学科整合的模式

针对 STEM 教育整合的课程设计，美国马里兰大学赫希巴奇(Herschbach，2011)提出两种最基本的课程模式:相关课程(the correlated curriculum)模式和广域课程(the broad fields curriculum)模式。相关课程模式将各科目仍保留为独立学科，但各科目教学内容的安排注重彼此间的联系。例如，上物理课可能需要学生预先掌握数学概念，数学和物理教师要通过沟通，将这两次课安排在时间节点相近且数学课教学排在前面。相关课程模式与学校目前的课程模式很相近，但最大的区别在于前者需要不同学科之间的教师对课程安排进行详细、周密的协调和计划。广域课程模式则取消了学科间的界限，将所有学科内容整合到新的学习领域。STEM 教育的广域课程模式不再强调物理、化学甚至科学作为独立的学科存在，而是将科学、技术、工程和数学等内容整合起来，形成结构化的课程结构。

总的来说，上述两种课程整合模式各有优劣势。相关课程模式对教师来说比较熟悉，但

需要各学教师之间密切协商与交流;广域课程模式打破了学科间的界限，通过活动促使学生在真实情景中学习各学科的知识，但如何在打破的学科之间取得平衡、建立新的课程结构对一线教师和政策制定者提出了新的挑战。

(二)跨学科整合的基本取向

STEM 教育要求四门学科在教学过程中必须紧密相连，以整合的教学方式使得学生掌握概念和技能，并运用技能解决真实世界中的问题。如何将四门独立学科知识紧密关联实现整合，有三种取向: 1． 学科知识整合取向

分析各学科最基本的学科知识结构，找到不同学科知识点之间的连接点与整合点，将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑结构化。将各学科内容造成以问题为核心的课程组织，通过序列化的问题有机串接起各学科知识，使课程要素形成有机联系和有机结构。

知识整合取向模式一般采用基于问题的学习模式(problem － based learning)，强调把学习设计在复杂、有意义的问题情境中，通过学生合作解决嵌入真实情境中的问题或与真实世界相关的问题，促进学生对所学知识的理解与建构，从而习得隐含于题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。它可以使学生通过体验知识获得的过程，促进学生元认知能力的发展，通过应用知识解决问题达成对知识的灵活掌握，并能对知识进行社会 性、情境性的迁移运用。解决问题的目的是为了掌握蕴含于问题之中或支持问题解决的知识，问题是多学科知识融合的交叉点与整合点，是触发学生学习与探究的触发器，是创新学习的载体。一般来说，问题解决的过程不会持续很长，具体开展的方式方法也会多样化，比如 Web Quest 网络探究、5E 教学法。研究性学习等。

2． 生活经验整合取向

注重知识的社会功能，也就是基于学习者的需求，以第三次工业革命为代表的知识经济社会所必须的知识与技能为核心整合多学科知识，然后以项目设计与实施为载体，将学术性的学科知识转化为可解决实际问题的生活性知识。基本做法是从儿童适应社会的角度选择典型项目进行结构化设计学习者在体验和完成项目的过程中，习得蕴含于项目之中的多学科知识与技能，或从改造和完善现社会的角度，选择挑战性项目。这种课程整合方式强调社会实践活动以及社会问题解决能力的培养，强调多学科知识融合到真实的社会性项目中，在项目活动中寻找各学科知识整合点。因此，项目的过程分析、活动设计等社会分析是核心。生活经验与社会取向课程整合模式一般采于项目的学习模式(project － based learning)，以实践性的项目完成为核心，将跨学科的内容、高级思维能力发展与真实生活环境联系起来。项目学习一般以开发最终作品或“人工制品”为出发点，在教师的指导下，学生按自己的设计思路，采用科学的方法完成作品设计。作品设计是项目学习贯穿的主线和驱动力，学生在完成作品的过程中进行检索、讨论、演算、设计、观察等学习活动，并解决一个或多个问题，从而获得知识和技能。作品制作是这种学习的重点，但更为重要的是学生在制作作品过程中获得跨学科的知识和技能，并获得创造性运用知识的社会性能力。基于项目的学习并非只强调学科知识的掌握，还侧重对教材内容以外知识的体验与经历，旨在丰富学生对事物的认识，注重生活经验知识的增长。整个学习过程应真实可信，是反映真实情境和现实生活的体验性活动，体现将学术性学科知识转化为生活经验知识价值取向。

3． 学习者中心整合取向

这种模式不强调由教师预设问题或项目，而由学习者个体或小组调查、发现问题。它不仅强调解决问题能力的培养，还强调发现问题的创新能力，是一种依据学习者需求，以学习者生活经验为基础寻找各学科整合点的模式。它强调学习者成就感与自 我效能感，强调学生好奇心与兴趣的维护与保护，强调分享、创造的愉快。在理念上，它清晰地体现了教育的人本主义思想。

学习者中心取向整合模式采用学生主导项目的方式，学生以个人或小组为单位提出任务，任务内容需要学习并运用跨学科知识。学生在项目问题解决过程中，教师发挥协调、指导、检查、监督、计时和评价作用。其优点在于能力较强的学生可以摆脱传统 的结构化课堂教学对个人学习与设计活动的约束，能更好地发挥个人能力;缺点在于能力的学生会对学习过程中的自由度不适应，需要教师更多的指导;同时由于项目任务非结构化，所以很难实现对学生技能最终结果的全面评估。学习者中心取向整合模式强调创设学习者可以主动介入、研究与发现的丰富教育环境，让学生在蕴含丰富 STEM 知识的环境中进行交互、探究与发现创造意义、学习知识，在建构性的环境设计中寻找蕴 含 STEM 知识的整合点。

4． 三种整合取向的共性问题及应对

上述三种课程整合取向代表了课程的知识属性、社会属性与人本属性的不同侧面，它们相互联系、相互补充，没有绝对的优劣，各有适合的领域与对象，在课程跨学科整合的实践中应该配合使用种取向。

不管采用哪种取向的整合模式，将知识情境化与社会化都是其优势，但各学科原有知识体系结构的劣构化是它们面对的共性问题，容易造成学生学习知识结构的不均衡，可能某些知识掌握得较好些知识却没有触及(因为所学项目没有覆盖)。这种基础知识的结构性偏差对于中小学生是个很大的问题。创新精神与实践能力培养的可持续性，其根源还在于学习者有良好的知识结构，并能不断自我完善和发展。基础教育领域知识的结构性缺失，会给儿童一辈子的成长带来障碍。因此，STEM 的跨学科整合，一方面要将分学科的知识按问题逻辑或项目逻辑进行跨学科重组，另一方面又要确保设计的问题和项目对所有学科基础性知识结构的全面、均衡的覆盖。设计和实施 STEM 跨学科整合的课程，要在学科知识的系统性与解决实际问题/项目中所获知识的随机性之间保持一定的张力和平衡，于整体知识结构的系统性设计问题，使各问题之间包含的学习议题(如专业概念、原理等)多次地相互邻接和交叉重叠。

在此过程中，知识地图技术是很好的课程设计工具。知识地图可以对课程的核心知识及其关系予以可视化展示与管理。设计具体学习问题或项目时要对其涵盖知识进行分析，并与知识地图进行关联。当所有学习项目都与知识地图关联时，通过结构化的知识地图，学生可以清晰地了解每个知识点上学习项目覆盖的频次与强度，如果某知识点出现结构性缺失，可以通过定向覆盖的学习问题或项目设计进行平衡调节。

第四篇：对在中小学推广STEM教育模式之我见

对在中小学推广STEM教育模式之我见

摘 要 STEM教育是近年来由国外新引进的教学模式，对STEM教育模式应做理性分析，在应用实践上不宜全盘照搬，应做适应性改进。

关键词 STEM教育；中小学；信息技术；教学模式

中图分类号：G620 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）13-0071-03

前言

随着科学技术的快速发展，教育模式也在不断更新，STEM教育便是近年来由国外新引进的教学模式。这一模式的应用，目前在国内中小?W处于起步阶段，各种面向中小学教师的STEM教育培训课程应运而生。笔者认为，从STEM教育的定义本身及实践考察，结合我国中小学生的认知水平情况和培养目标要求，对STEM教育模式不宜全盘照搬，应做理性分析，结合时代发展要求加以改进，具体问题分析如下。STEM教育的定义探析

“STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合。STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。”[1]以上可看作STEM教育比较典型的释义，如何具体理解，有必要从以下三个方面进一步探讨。

何谓“工程”学科 “工程”是一个怎样的学科，这是首先要提出来进行探讨的问题。查《当代汉语词典》：“工程：[名]规模较大，需要投入较多人力、物力的建设项目、工作等：土木～|水利～|图书出版～|希望～。”在

“STEM”教学模式中，“工程”怎样去体现？这是在国内中小学实施STEM教育的难点所在。

理工科大学有“工程学”学科，一般的理解是：工程学是一门应用学科，是用数学和其他自然科学的原理来设计有用物体的进程[2]。可见，“工程”与“科学”“数学”之间其实彼此关联，并非是互相独立的学科。众所周知，“工程”无论是在设计还是在建设过程中，都需要使用“科学”和“数学”知识，因此，以四个维度独立的心态去看科学、技术、工程和数学四门学科的观点，从逻辑上讲是有缺陷的。

传统STEM教育的时效性 由于STEM教育缺少信息技术（Information Technology）这一重要因素，从目前的情况来看，显得缺乏时效性。STEM教育诞生时，信息技术并不发达，因此当时并没有将信息技术整合在一起，但在当前信息技术已渗透到社会各个行业的形势下，推广或应用STEM教育模式显然不能缺少信息技术或信息工程技术这一现代以至未来具有广泛发展前景的重要元素。笔者认为，要实现STEM教育所希望实现的大融合愿景，离开信息技术或信息工程技术因素是难以取得理想效果的，因此，应用STEM教育需重视信息技术或信息工程技术的整合，以使这一模式适应时代发展要求，体现时效性。

STEM教育实践 “STEM是科学（Science）、技术（Tech-

nology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合”，可以说这就是STEM教育理念核心的内涵。现在结合一个实例来分析STEM教育实践性。

在本地区初中阶段曾有过将物理、化学、生物、地理四个学科合并成为科学一个学科，实施学科教学大融合的经历。2003年在课改浪潮中，深圳市将初中物理、化学、生物、地理四科合并为科学学科，实现学科大融合，经多年的教学实践发现，学科大融合存在的问题更多，“作为初中课改的产物，将物理、化学、生物、地理等四科知识‘合四为一’的科学课，在我市经过了数年争议和质疑后，有望于今年秋季开学后重返分科教学”[3]，后来又恢复了分学科教学。这个例子或许并不能完全说明教学模式融合的科学性问题，但从实践角度也可以表明，对于目前国内的中小学来说，实现学科大融合应从实际出发，把握实践要求，特别是注重其科学性。STEM教育要注意结合国内中小学教学实际

STEM教育最早始于1986年的美国。“1986年，美国国家科学委员会（NSB）发布了《本科的科学、数学和工程教育》（又称《尼尔报告》），该报告是美国STEM教育发展的里程碑，提出集成科学、数学、技术和工程教育。2005年，国家科学总院和国家研究委员会（NRC）向美国国会提出《驾驭风暴：美国动员起来为更加辉煌的未来》，期望在21世纪大力发展科学技术，进行国际竞争。”[1]可见，原始STEM教育是针对本科生教育提出的教育模式，是为了强化理科学生的科技理工素养提出的要求，对于理工科大学生来说，这样的要求是无可厚非的。那么，这种源于大学理工科培养目标改革的教育模式，在多大程度上适应我国中小学的教学实际，应是将这种教学模式引进中小学教学中首先要解决好的问题。

关于我国有关义务教育阶段课程开设的规定，在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010―2020年）》中明确指出：“提高义务教育质量。建立国家义务教育质量基本标准和监测制度。严格执行义务教育国家课程标准、教师资格标准。深化课程与教学方法改革，推行小班教学。配齐音乐、体育、美术等学科教师，开足开好规定课程……大力开展‘阳光体育’运动，保证学生每天锻炼一小时，不断提高学生体质健康水平。提倡合理膳食，改善学生营养状况，提高贫困地区农村学生营养水平。保护学生视力。”由此可见，目前义务教育阶段学生在学校的主要任务是根据国家课程标准的要求，学习规定课程，特别强调了要加强体育锻炼、增强体质的问题。

2012年11月召开的党的十八大提出：“全面贯彻党的教育方针，坚持教育为社会主义现代化建设服务、为人民服务，把立德树人作为教育的根本任务，培养德智体美全面发展的社会主义建设者和接班人。”[4]可见，关于义务教育阶段课程的要求，笔者认为，对于中小学生来说，无论是文科还是理科，都应从提高综合素养出发，根据要求学好规定的有关课程，要全面、均衡地发展。过早强调强化理科教学理念，或可产生拔苗助长的弊端，导致学生出现偏科现象，偏离基础教育培育综合素质的目标。

自我反思，生成问题 在小学数学生态课堂对话式教学中，教师的教学不能仅仅停留于学生数学知识和能力的训练层面上，更多需要通过对话的形式，让师生之间、学生和数学之间的关系发生改变。这需要教师在教学完成之后对自己的教学进行反思，找出差距和不足，进而改进和调整教学方案，以提升教学质量。同时，教师需要引导学生对自己在本课时的学习情况进行反思，和同学之间展开对话，交流学习经验，在交流中生成新的问题，而通过对新问题进行合作式探究，深化对课堂知识的理解和认知。此外，教师可以在课时的结尾，适当提出开放性问题，让学生进行课后反思，并且鼓励学生与其他学生进行探讨，展开对话，帮助学生提高自学能力[8]。

如在“搭配中的规律”一课教学结束后，教师可以提出问题，如：“预习中只有五件衣物，为何有六种搭配方式呢？如果裤子和上衣一起进行搭配，在第几天一定会出现重复呢？”等等。这些问题具有一定的开放性和趣味性，学生在课后思考时会和同学进行对话交流，而在这个过程中便可以达到自我反思、生成新问题、获取新知识的效果。结语

综上所述，本文在对某小学数学教师对生态课堂对话式教学的认知和应用情况进行调查并分析结果之后，对小学数学生态课堂对话式教学模式从多个方面展开论述。小学数学生态课堂具有低碳性、自主性、合作式、多层次、和谐性、高品质等特点。而小学数学生态课堂开展对话式教学模式，较之传统教学模式更具有优化教学方式、清晰师生思维、丰富课堂内容、促进师生交流等优势，而且在小学生探索学习规律、进行自主学习，问题聚焦、探究尝试，解决问题、运用练习，拓展思维、自我反思，生成问题等方面，切实有效地增强教学效果，值得在小学数学教学中推广和合理使用，以此提升课堂教学的质量和效率。■

参考文献

[1]陈惠芳.问题导学：开展“对话式教学”的应然之道：以小学数学学科教学为例[J].上海教育科研，2013（8）：64-67.[2]?惠芳.生态理念下的数学“对话式教学”实践[J].上海教育科研，2014（3）：81-82.[3]孙灿霞.“对话式教学”在小学数学生态课堂中的应用[J].当代教育实践与教学研究，2015（2）：40.[4]徐军.小学数学生态课堂“对话式教学”的探讨[J].教育界，2016（3）：14.[5]杨凯.小学数学生态课堂“对话式教学”模式的构建[J].时代教育，2016（20）：192.[6]朱虹.“对话式教学”在小学数学生态课堂中的实践与思考[J].情感读本，2015（32）：53.[7]王桂艳.小学数学生态课堂“对话式教学”模式的应用[J].中国校外教育，2016（3）：79.[8]左艳琳.“对话式教学”在小学数学生态课堂中的实践与研究[J].都市家教，2016（6）.

第五篇：浅谈基于STEM理念的Arduino教学实施策略

浅谈基于STEM理念的Arduino教学实施策略

摘要：信息技术教师在项目驱动的Arduino教学中，融入STEM教育理念，能培养学生的问题解决能力。本文首先对STEM教育和Arduino教学进行了简单介绍，然后结合作者的教学实践和思考提出了基于STEM理念的Arduino教学实施策略，最后罗列了在实际教学中还可以进一步完善之处。

关键词：STEM；Arduino；教学实施策略

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）15/16-0135-05

当今科技发展日新月异，创客文化席卷全球，中学信息技术教育也紧跟时代发展潮流，新一轮课程改革倡导培养学生的创新精神、计算思维和实践能力。传统的教学科目一直存在着较为严重的“知识本位或技术本位倾向”，而现在所提倡的STEM教育，尤其是基于STEM理念的Arduino教学能够培养学生的问题解决能力、团队协作能力、实践动手能力和设计创造能力，这恰恰是当前学校教育有待加强的部分。

STEM教育与Arduino教学

Arduino是一款开源软硬件平台，具有操作简单、价格低廉、可拓展性强等特点。其教学旨在以Arduino控制板、传感器和各种执行器等硬件为载体，在创客空间的平台下，融合STEM教育理念，培养学生的动手操作能力、想象力、创造力以及解决问题的能力。Mixly（米思齐）是一款为Arduino测控板编程的软件，其编程界面与Scratch编程软件、App Inventor软件等有相似之处，其所具有的“能激发学生学习兴趣、开发过程简单、组件模块丰富、支持即时调试”的特点，使得这款软件可以?m用于初中信息技术拓展类课程课堂教学。

Arduino的课程目标定位为培养学生综合运用各种知识和技能，来解决各领域、各方面、各类型实际问题的能力。STEM教育理念则提供了重新审视传感器等硬件使用方法教学和程序设计教学的视角。把STEM理念融入Arduino教学，强调将过程和方法置于复合的真实问题情境中，倡导将各个领域的知识通过综合的Arduino课程结合起来，加强学科间的相互融合，发挥综合育人功能，让学生在真实情境下学习，在项目活动中应用多学科知识和技能解决问题或进行“创意智造”，从而有助于创新型人才的培养。

基于STEM理念的Arduino教学实施策略

Arduino教学总体来说是教师引导学生在面向真实问题解决的项目探究学习（Problem Based Learning and Project Based Learning）过程中，综合运用各学科知识、相关技术、工程设计思想和科学研究方法来进行问题解决、创新设计与个性化制造，从而达到培养学生STEM素养、创新意识、计算思维和实践能力的目的。在Arduino教学实施过程中，要以STEM理念为指导，巧妙运用各种策略来促进教学目标的达成和促进学生的综合发展。

1.问题引导或项目驱动

教师在进行课堂教学时，应围绕学生熟悉的问题开展教学。引导学生在完成具体项目的过程中学得知识、习得技能、发展思维或提高能力。不论是信息技术拓展课还是学生社团活动，以项目的方式开展教学，问题情境的生活化能够使得知识与学生已有认知的距离感减弱，学生能够置身于真实的生活情境中学习知识、解决问题、设计智造。

在Arduino教学入门课上，教师可以引导学生完成“交通信号灯制作”项目。此项目涉及到物理学中LED的特点及使用方法、程序设计中最基本的顺序结构程序设计、对Arduino UNO板数字输出端口进行高低电平设置和延时时间控制方法（如图1）。这些知识属于物理学和信息技术学科中较为基础的知识，完成这一项目既能使学生获得成就感，也能促使学生掌握最基本的硬件知识和编程技巧。

在实际教学中，应培养学生做生活中的有心人，发现生活中的问题，寻找项目创作灵感。例如，结合学校消防演习活动，可以完成“火灾报警器”的制作。此项目用到的硬件为火焰传感器和蜂鸣器，涉及到程序设计中的选择结构（分支结构），用到了Mixly软件中的模拟输入和串口监视器的使用（如图2）。这一项目主题来源于实际生活，并服务于生活，是一个很有意义的练习项目。

2.协同教学和协作学习

STEM理念倡导跨学科融合，现实问题的解决也常常要用到多个不同领域的知识，但学校开设Arduino课程的教师一般是信息技术教师。信息技术教师虽然具有程序设计和软件使用方面的专业知识，但对物理、音乐等其他学科的知识并不精通。因此，在实际教学中，如果需要向学生传授其他学科的专业知识，可邀请相关学科任课教师来给学生讲授，这就是所谓的“协同教学”。不同的学生有自己所擅长的学科，Arduino课上的任务基本都是由小组协作完成的，教师在分组时应尽量做到使各学习小组“组内异质、组间同质”，一起研究，协作完成每个项目。

例如，“创意门铃”（按下门铃按钮可以播放“两只老虎”音乐）项目制作时虽然用到的电子元器件只有蜂鸣器和按钮，但涉及到音乐（乐谱、音调、节拍）、物理（声音的传播、振动频率与音调的关系）、信息技术（数组、函数的定义与调用）等多学科知识。在引导学生完成这一项目时，教师可邀请音乐教师等来给学生讲授专业知识，也可以让学生以完成课前任务的形式，以小组为单位主动去请教相关学科教师（如图3）。

有时看似很简单的一个项目，也要用到多门学科的知识。例如，“自动变速风扇”项目要求风扇的转速根据人与其距离的变化而发生改变，这个项目用到了物理学中的摩擦力和红外测距原理，也用到了数学中的映射，并且整个项目的难点在于映射的运用（如图4）。

3.实践应用与创意智造

总体来说，Arduino课程教学的开展就是基于问题解决，服务于实际生活。所以在教学实施时要注重实践应用，并引导学生进行创意智造。通过研究性学习活动，给学生体验知识、运用技能、设计作品、拓展思维、收获能力的乐趣，传递反复迭代、精益求精的设计态度，让学生爱上设计，爱上创造，爱上生活。

日常生活中，部分商店门口挂着迎宾娃娃，当顾客进入时就会说“欢迎光临”。我们可以利用可调红外传感器开关设计一款个性化简易迎宾仪（如图5），当设备检测到有人经过时，指示灯亮起并演奏迎宾曲。这就是一个比较基础的实践应用，在这一项目基础上，还可以引导学生进行拓展延伸――制作一款仓库入侵检测装置，当设备检测到有人进入仓库时提醒仓库管理员及时查看仓库监控。

初中生对新鲜事物有较强的好奇心，也有着丰富的想象力和一定的创作欲望。例如，“空气电子琴”是一个创意智造项目，其原理是用超声波测距仪检测手与传感器之间的距离，通过数学运算将其转化为1～7之间的一个音符，再通过蜂鸣器发出相应的声音（如下页图6）。这一项目难度不算大，但很有趣味性，学生制作完成后也很有成就感。当然，创意智造项目应在学生学习过基础硬件知识和编程技巧后，根据来源于生活的创作灵感，自己尝试设计制作创意作品。

4.学科整合与综合发展

近年来，各国开始重新审视全球化背景下的创新人才培养。有研究表明，将不同学科知识以割裂的方式进行教学，是教育界的常见弊端，STEM教育从诞生开始就担负着克服这一弊端的重要使命，并促使STEM逐步进入教育各阶段。Arduino教学应在STEM理念指导下，以现实问题为基点，将多学科、多个应用领域的知识和技能巧妙地融合在一起，设计好项目或课题来引导学生动脑思考、动手实践，进而促进学生思维品质、创造能力的综合发展。

例如，冬天的晚上，睡觉前想把灯关掉，而灯的开关却在几米外的门口，如果能用遥控器来控制灯的开关，会变得方便很多，基于此，可以设计制作一款“遥控灯”。要想完成这一项目，首先要了解常用红外遥控系统中发射器和接收器的基本工作原理，还要综合运用编程技巧（如图7）。

5.在项目真实性与教学内容基础性之间找到平衡

现实生活中，我们会遇到很多问题，然而，大部分真实项目会受到很多因素的制约，有些甚至要用科技前沿知识才能解决。而在Arduino教学实施时，教师要考虑学生的年龄特点、身心发展特点和他们已有的知识储备，教学项目难度要落在学生的最近发展区内，太难或太复杂的研究项目不适合作为教学内容。科学知识、数学知识和程序设计知识都有一定的难度阶梯，学生不能跨越较大的梯度来学习这些知识，因此，在实际教学中应在项目真实性和教学内容基础性之间找到平衡。

例如，“楼道节能灯”的设计与制作（如图8）就是一个兼顾项目真实性与教学内容基础性的研究项目，用声音传感器检测周围环境声音的响度，用光线传感器检测周围环境的亮度，然后判断是否响度较大且亮度较低，满足条件时灯亮起，否则灯处于灭掉的状态。

6.在课时有限性与探究耗时性之间找到平衡

不可否认，“中考”这根指挥棒在初中阶段具有强大的导向作用，教育行政部门、各级各类学校都很重视初中学校中考升学率。信息技术、综合实践等非中考学科课时量较少，而一个真实的综合项目的完成往往需要花费学生较长的时间，在Arduino教学实施中，处理好课时有限性与探究耗时性这一矛盾是很有必要的。

解决这一矛盾的途径之一是设计复杂度适中的项目作为课堂练习任务。例如，“趣味抽奖转盘”是用按钮控制舵机随机旋转一定角度的电动抽奖器（如图9）。这一项目只涉及到三个知识点：随机数、舵机控制、中断。

解决这一矛盾的另一个途径，就是引导学生充分利用课内和课外时间。例如，“打地鼠游戏”是学生熟悉并喜爱的一款小游戏，以此作为探究制作项目，需要花费学生较多的时间。学生可以在课堂上完成“项目功能说明和解决方案的撰写”，在课余时间小组合作完成项目，遇到问题时可向老师或同学求助。

Arduino教学中可以进一步完善之处

1.硬件配备与更新问题

Arduino UNO控制板和各种传感器等设备的购买需要花费一定的资金，在支持开设拓展性课程的学校申请资金相对容易些，但在大部分学校申请经费可能会比较麻烦。教师可以通过申请课题和各种级别的创新实验室项目来获得科研经费。Arduino作为新生事物，发展速度非常快，各种具有新功能的传感器相继问世，此外，为了支持学生创新研究项目的开展，也常常需要购买新的传感器。教师如何通过各种渠道获得研究经费也是一个值得思考的问题。

2.课时问题

基于STEM理念的Arduino教学比较注重项目实现过程中的问题解决和设计实现过程中的方法习得，这种探究性学习比较耗时，在总课时数不变的情况下，应尽可能申请两节课连排。教师可以开通以分享Arduino作品为主的微信公众号，利用各种网络资源，支持学生课后的拓展性学习。

3.功利主义和锦标主义问题

Arduino课程的开展应以促进学生的全面发展为目标，应在一定程度上具有“普适性”。各种青少年科技创新大赛在某种程度上促使部分拓展课异化了发展学生核心素?B的目标定位，部分比赛结果与中考加分相关，教师应避免功利主义和锦标主义在课程实施中出现。

小结

基于STEM理念的Arduino教学是教育改革和时代发展的产物，其所具有的整合性、实践性、趣味性等切合了初中生的学习需求。通过改进教学策略，研发教学资源，Arduino教学能够促进学生的全面发展。

参考文献：

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