基于项目学习的STEM整合课程内涵与实施路径研究
摘要：STEM整合课程通过建立科学、技术、工程和数学之间的跨学科联系，发展学生解决真实问题的能力，符合核心素养的落实要求。如何在课堂中有效地实施STEM整合课程是开展STEM教育的核心难题。该研究在梳理STEM整合课程内涵的基础上，提出以项目学习模式来实施STEM整合课程，包括设计真实的项目活动、运用指向学生参与的教学策略、为了学生跨学科学习的评价方式。基于此，该研究进一步通过分析《设计喂鸟器》STEM项目学习的三个教学片段，例举了设计喂鸟器项目的活动引入、喂鸟器核心议题的师生深度课堂对话以及喂鸟器设计评价任务的开展，以期为实施STEM整合课程提供具体的案例参照。最后，该研究指出实施基于项目学习的STEM整合课程在促进学生学习的同时，也对教师的专业发展提出全新要求。
关键词：项目学习;STEM整合课程;内涵与实施
中图分类号：G434 文献标识码：A
新世纪以来，整个世界的经济发展逐渐从以传统制造业为主导转向以知识、科技创新为核心，这使得科技创新人才成为国家和社会发展的源动力。而对科技人才的培养要求促使课堂必须深度发展学生的跨学科问题解决能力、批判性思维与合作交流能力等。但是，诸多学校课堂受制于外界的升学压力，将应试作为学校发展的重点，以分数驱动的教学模式取代了高质量的促进学生真正学习的教学实践。为了培养未来所需的科技人才，学校课程必须发生变革，越来越多的研究表明由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）组合而成的STEM整合课程（Integrative STEM Curriculum）逐渐成为实现上述愿景的重要渠道。《中国STEM教育白皮书》（2017）也提议将STEM教育发展纳入国家创新人才培养战略，构建系统化、跨学段的STEM整合课程。这是因为STEM整合课程能让学生在真实情境中，经历有意义的学习过程，拥有足够的学习机会以来探索和发展科学技术，综合运用多种学科知识以提升问题解决的能力，这符合创新人才培养的本质要求。其中，以项目学习为载体的STEM整合课程是实现STEM育人目标、培养STEM创新型人才的一种重要模式。因此，如何基于项目学习来实施STEM整合课程，帮助学生跨学科进行跨学科学习，提升学生创新实践能力成为本研究的重点。
一、基于项目学习的STEM整合课程
（一）STEM整合课程
科學、技术、工程和数学四门课程知识之间存在着普遍的交叉联系，这为STEM整合课程的形成提供了必要条件。当前，学界对STEM整合课程的不同理解产生了不同的STEM整合课程内涵。桑德斯（Sanders）将STEM整合课程定义为“探索STEM两个或以上学科领域之间，或者任一STEM学科和其他学校学科之间的教与学的方法”。摩尔（Moore）等人将STEM整合课程界定为“基于学科和真实世界问题之间的联系，将STEM的某些学科或所有学科内容纳入到某一课堂、某一单元或某一节课之中”。在这一定义中，摩尔特别重视教师通过STEM情境的整合来教授STEM中某门或多门学科内容。霍尼（Honey）等人将STEM整合课程概括为“在复杂现象或情境下，学生运用STEM各学科的知识和技能完成特定学习任务”。该定义与摩尔等人所界定的STEM整合课程有一定的相似性，都特别强调课程情境对于课程整合的重要作用。凯利（Kelley）和诺尔斯（Knowles）两位研究者也将STEM整合课程理解为“在真实情境中结合STEM实践，建立学科间的联系以促进学生学习为目的，教授两个或更多STEM领域内容的方法”。上述STEM整合课程的定义，尽管表述各有不同，但都强调应基于真实情境，打破STEM四门学科的界限，将各个学科建立知识联系，以达成跨学科整合的效果。此外，STEM整合课程并不是简单地将四门学科合并，更不是“一刀切”地将所有四门学科内容都设计到某一节课当中，而是需要根据特定主题找到学科问的关联点，实现STEM的跨学科整合。总之，定义STEM整合课程并不是一件难事，而实施STEM整合课程才是开展STEM教育的真正挑战所在。
（二）基于项目学习的STEM整合课程
为了有效地实施STEM整合课程，大量的学习模式不断涌现，包括项目学习、探究学习、问题学习以及设计学习等。其中，项目学习（Project-based Learning）旨在以真实项目为基础，要求学生运用多种方法技能，解决一系列问题，进而来完成最终项目。高质量的项目学习往往指向学生学习的本质，成为发展学生跨学科素养最为重要的一种学习模式。穆斯塔法（Mustafa）等人对近十年STEM整合课程研究的元分析表明，项目学习是当前STEM整合课程开展数量最多的学习模式。这也在一定程度上佐证了基于项目学习开展STEM整合课程的高效性。基于项目学习的STEM整合课程，也即STEM项目学习，为学生提供开放式的真实项目任务，引导学生通过掌握和运用STEM跨学科知识和技能，解决多个相关问题，最终完成项目任务，达成所要求的项目学习目标。在STEM项目学习中，明确的STEM学习结果和开放的STEM项目任务是两大核心要素。明确的学生STEM学习表现结果是指，通过实施STEM项目学习，学生实现所要求的STEM课程学习目标，也就是学生应该在科学、技术、工程和数学等方面呈现怎样的具体学习结果。开放的STEM项目任务则是借助项目解决方案的多种可能性，让学生运用STEM学科知识自由地解读项目相关的问题，以形成诸多解决方式。可见，基于项目学习的STEM整合课程旨在让学生参与到真实的STEM项目任务当中，学习和调动科学、技术、工程和数学等学科知识，形成项目解决方案并予以实施，最终完成项目产品，实现所要求的学习期望。
二、基于项目学习的STEM整合课程实施路径
如果将实施理解为预设的方案在实践中的具体开展，那么学校课堂层面的课程实施则主要涉及到学习方案的设计、教学实践的开展以及对学生学习达成情况的评价。因此，实施基于项目学习的STEM整合课程，也主要包括这三大关键议题，分别为设计STEM项目活动以最大化地为学生提供学习机会，落实指向学生深度参与STEM项目学习的教学实践以及开展为了学生STEM学习的评价。基于此，本研究从这三大议题出发，探索STEM项目学习的可能实施路径。
（一）有效的STEM项目活动设计
如何设计一个有效的STEM项目？这就必须回溯到以项目解决为中心的项目学习本质。首先，在项目活动的设计中，项目问题或任务的开放程度關系着学生思维的发散程度。因此，教师需要提供开放的真实STEM项目任务，它最好能与学生生活经验相关联，使得一开始就能激发学生的参与动机。开放意味着项目任务的解决存在多种方法，真实则能够让学生所进行的项目任务更具有现实意义，能够让学生感受到解决这一项目任务对于现实社会具有重要意义。其次，STEM项目的学习目标必须明确清晰，已备后续客观、有效地评价学生学习。而且，目标应该是基于课程标准的，是学生所应知道的和所能做到的，是符合学生的学情以及认知兴趣，而不是教师依据经验简单制定的。目前在美国，绝大多数的高中STEM项目都与国家课程标准保持一致，以确保学生的表现目标符合国家课程要求。具体而言，在设定STEM项目学习目标时，教师应结合各学科标准，明确学生完成STEM项目所应产生的整体表现结果，从而进一步确定STEM四门学科中所包含的各自目标。在此基础上，细化具体的项目课时目标。此外，教师还应预设良好的学生学习过程和项目解决的线路，以帮助学生在学习过程中对项目任务的投入。在设计该部分STEM项目活动时，教师同样应站在学习者的角度，从学生已有认知基础出发，预设学生的可能学习轨迹，提供多种学习路径以引导学生完成项目或解决项目中的各个问题。
STEM项目活动的设计并不只是局限于呈现开放的任务和清晰的表现期望，还需要对STEM项目学习进行相应的环境设计。卡普罗拉（Capraro）等人提到STEM项目学习设计的四大原则，分别为“内容的可进入性”“思维的可视化”“帮助学生向他人学习”“促进学生自主学习”。这四个原则都指向促进学生项目学习，教师可以此作为参照设计STEM项目学习的环境，以尽可能促进学生深度参与STEM项目活动。综上可知，STEM项目活动设计的本质是将学生学习的经历设计出来，理想的STEM项目活动设计，应该是体现开放且与生活相关的项目任务，界定明确的学习目标以及提供相应的项目学习环境保障，并且包容学生的多种项目的可能完成方式。
（二）指向学生参与的STEM教学实践
学生在项目活动中的参与程度高低直接关系着项目活动能否成功实施，同时也影响着学生的STEM成就。这说明完成STEM项目活动设计并不意味着在课堂中就能顺利开展，还需要教师采用合适的教学策略以来提高学生的STEM学习参与度。在传统的分科学习中，教师承担了课堂教学的权威角色，将学科知识不断地灌输给学生，忽视学科间的联系，而STEM项目学习强调学科间的联系，更加关注学生的建构性学习，让学生不断通过STEM跨学科知识学习来解决现实世界的真实问题。所以，在课堂中教师应使用恰当的教学策略，尽可能为学生营造适合学习的环境和条件。
在开展STEM项目学习时，教师的角色应是学生学习的促进者和引导者。首先，教师始终应把项目活动居于中心位置，而不是借其壳仅仅让学生识记STEM各学科知识。在教学实践中，运用STEM多学科知识完成项目是学生最主要的目标，教师的所有指导都应围绕项目工作进行。在项目进行过程中，学生将会面对一系列的问题甚至是难题，而这些问题或难题关乎着项目能否顺利完成，这时，就学生感兴趣的问题或亟待解决的难题，教师可以适时地与学生一起进行深度探索。其次，STEM项目的完成，除了要求学生学会知识使用，还需要学生学会运用工具、学会对自我学习进行管理。教师应帮助学生学会跨学科应用知识，引导学生利用已有工具或者创造工具来完成项目。再次，凸显理科思维的STEM更是要求学生能够融合观察、研究和推理，基于证据来提出科学观点和科学主张。为此，教师在让学生或小组进行阶段性成果展示时，应引导学生结合相应的数据或资料来和同学分享，也就是像科学家一样来发表自己的研究成果，如工程师一般设计自己的研究方案，最终，在吸取他人的意见基础上不断调整和修正完成项目的可能路径。此外，许多时候，项目的完成不可能凭借单个学生的一己之力，它往往需要学生之间的相互合作，教师应在课堂中鼓励学生不断地进行小组活动、不断地与同伴之间互动交流。
（三）为了学生STEM跨学科学习的评价
STEM项目学习的评价与传统测验评价有着鲜明的区别。最明显的不同就是评价理念的转变，从仅仅测评学生的学科知识、学科技能的习得情况，转向促进学生跨学科知识运用、问题解决能力素养的发展。因此，指向学生学习的STEM学习评价应建基于学生的学习表现运用科学得当的评价工具，设计多种形式的评价任务，丰富评价主体对象。在评价工具方面，基于学生表现的评分规则是STEM项目学习评价的重要工具。通过开发与项目学习目标相一致的评分规则，使得学生的学习表现变得清晰化，进而切实有效地评价学生学习表现。例如，将STEM产品以及学生在制作产品的过程表现分为不同评价指标，每个指标下设若干水平，每个水平呈现清晰的文字说明。一旦确立了评分规则，就能对学生的表现以及项目的完成度进行评价。当然，评分规则不仅仅只归教师所用，它还能为学生的学习提供引领，教师应让学生理解评分规则以及其对完成STEM项目的积极意义，学生对照评分规则知道自己在STEM项目学习中的表现情况，认清自己的优势和劣势，明确下一步的学习方向。因此，设计信效度良好的评分规则是促进学生学习的基础，也是教师获取客观真实的学生学习信息的前提，也是后续反馈的基础。在评价任务方面，对传统评价任务（口头提问、测验等）进行优化的基础之上，让学生撰写科研小论文，运用多学科知识，以呈现如何解决项目问题以及所创造的项目产品的优缺点等。运用论文评价任务考察的是学生的书面表达的科学性和创新性，除此之外，同时还需要关注学生的口头表达能力，以汇报、讲演或者答辩来考察学生对项目学习的掌握程度。在评价主体上，应特别注重学生自我评价和同伴评价，改变过往教师评价的单一性。当前，学生自我评价也已被普遍证实能够发挥学生的主动性，提高学生的学习参与动机，进而促进学生的学习。对于评价结果的应用，应秉持发展学生的思想，了解学生在哪些方面的学习表现还有待提高，项目的哪一部分没有全部解决，或者产品的哪些地方可以进一步优化。在这样的评价结果运用导向下，评价是为了学生更好地投入STEM项目学习，同时，也能为教师的STEM项目教学提供改进建议。最终，以学期或学年项目表现档案袋的形式汇总学生STEM项目中的表现，作为学生STEM项目学习的成长记录。
三、案例分析
在这一部分，我们将呈现上海某小学STEM课堂的三个教学片段。这三个片段都是同一位教师在教授《设计喂鸟器》STEM项目的不同时间段所产生的师生对话，并且充分体现了项目学习视角下STEM整合课程的教学特点。整个《设计喂鸟器》项目学习贯穿一整个学期，在一般情况下，该教师每两星期上一次课，每次都是连续两个课时。《设计喂鸟器》项目的最终目标是学生以小组为单位，经过一系列STEM课程学习和动手实践之后，运用科学、技术、工程和数学等知识，设计喂鸟器方案，并根据方案制作一个能够适合鸟类居住的喂鸟器。其中，该教师所用到的课程材料主要是由其所在学校向国际培森（Person）教育公司购买的，目前，国内不少学校也在用此课程材料。但在与教师的访谈中，该教师提及培森课程材料非常简单，很难直接指导教学的具体开展，因此，每节课教案的具体设计成为该教师课前的必备核心工作。尽管这让教师失去照搬教材的“机会”，但反而给教师设计和开展STEM项目学习提供了足够的自由空间。在这一背景下，我们援引三个课堂师生对话的片段，来一窥该教师是如何来基于喂鸟器项目具体开展STEM整合课程的。
（一）教学片段一：喂鸟器项目活动的引入
教师：刚刚通过视频了解到如果一个地方的花朵枯萎了，如果一个地方的环境变得非常恶劣了，鸟类会通过迁徙的方式迁到其它地方来寻求更多的食物来源。那在我们上海地区也有很多的鸟类。据相关研究表明，这些鸟类数量也是在不断减少的。除了城市森林面积少之外，还有一些比较极端恶劣的天气，比如冬天异常的寒冷，夏天异常的酷热，都会影响他们的觅食。那大家作为上海的一份子，你们可以为鸟类做些什么？帮助鸟类能做什么？
学生A：我们要保护绿化。
学生B：我们可以做个笼子，笼子里面给鸟儿放一些食物，让它们在里面生存下去。
教师：你要把鸟捉到笼子里吗？
学生B：不是，放些食物引诱它，让它好好活下来。
教师：噢，我领会你的意思了。就是做一个笼子，用这个笼子来让鸟儿休息。这个笼子叫什么？
学生（所有）：喂鸟器。（注：因为在前面的视频已经有提到喂鸟器的概念，学生就大胆说出了这个专业术语）
学生C：我可以自己动手做一个喂鸟器，然后做一个鸟巢，在鸟巢中放些食物，这样小鸟就不用担心没有地方住了。
教师：非常有爱心，大家都想到了做一个喂鸟器，帮助小鸟度过寒冷的冬季。
……
教师：那么制作喂鸟器对我们来说是一个很大的什么？
学生D：哦……困难。
学生（部分）：工程。
学生（部分）：项目。
教师：对的，是很大的项目，工程。我们在做这项工程的时候，我们需要做哪些事情呢？
……
由于《设计喂鸟器》的项目情境是以国外生态环境为背景，这样的情境设计就很难直接让上海的小学生产生代入感，为了更好地把学生带入到周围生活中，在情境导入方面，该教师做了如下的本土化调整：首先通过网络资源，特别是视频资源介绍南美洲常见的蜂鸟在冬天时南迁觅食，南方的居民会为蜂鸟提供保暖的窝。然而，这样的情境还是不容易让学生真实体验鸟窝对于鸟的重要性，也就难以让学生置身其中去解决问题。教师进而以上海为真实背景，介绍上海地区的不同种类的鸟，指出上海并没有太多森林绿化的前提下，呼吁学生为鸟类建造喂鸟器。于是，发生了上述引出《设计喂鸟器》项目活动的相关对话。
这段课堂对话发生在《设计喂鸟器》STEM项目的第二次课程教学中，教师在经过良好的情境引入之后，引发学生对项目的初步认知，进而慢慢地呈现本学期所要解决的STEM核心问题，即“如何帮助鸟儿度过寒冷的冬季？”，解决这一问题就是需要开展相应的STEM项目。此时，教师鼓励让学生提出可解决该问题的项目方案，也就是设计一个适合鸟类生活的“笼子”。在这里，这一项目是真實的，设计真正能够适合鸟类生活的“笼子”，把学生带入到真实情境中，而且核心问题是明确的，但具体如何实现喂鸟器的设计，教师在这堂课中并没有直接说，而是让学生尽其所能地发散思维。同时，教师也在注重尽可能为学生营造可以大胆表达、贴近现实生活的学习环境，面对学生各种类型的回答，教师都给予不同程度地回应。最终，我们看到学生的回答从“笼子”到“喂鸟器”，再到“工程项目”，呈现递进式的STEM概念转化。
（二）教学片段二：小组深度讨论喂鸟器的设计要点
教师：哪一个组，先到前面来汇报？对，你们小组，全部上来，每人说一条哦。
小组1（学生E）：我是认为给麻雀的食物要多，因为我经常看到麻雀在地上吃来吃去。
教师：你的意思是给鸟的食物要多样化。
小组1（学生F）：麻雀要飞来飞去，要给它有地方飞。
教师：就是这个喂鸟器要大。
小组1（学生G）：高度要适合，高度要很高的话，就会很寒冷，麻雀就会冻死。
小组1（学生H）：还有，我们认为环境也要好，环境不好的话，会污染食物。
教师：都说好了吧？很棒。这一小组对喂鸟器的要求给出了他们的理由。
小组2（学生I）：如果喂鸟器食物过多的话，食物就会过期了。
小组2（学生J）：喂鸟器的高度，有的鸟儿习惯飞得很高，有的鸟儿习惯飞得很低，所以要确保麻雀飞行的高度，才能确保喂鸟器的高度。
教师：好，非常棒，继续。
小组2（学生K）：喂鸟器口的大小，因为有的鸟很大，有的鸟很小，所以我们从体积、面积来设计的。
小组2（学生L）：还有，如果食物太少的话，鸟之间就会争抢，有些鸟就会受伤了。
……
教师：接下来的小组讲的尽量不要和他们重复哦。
……
该片段主要是在学生小组合作讨论设计喂鸟器方案所应注意的事项之后发生的课堂对话。STEM项目学习强调工程设计对于项目完成的重要意义。因此，在让学生完成喂鸟器这一工程时，教师首先要求学生进行头脑风暴，相互合作来对喂鸟器的设计规范进行讨论，然后对所讨论的内容进行小组汇报。在这一堂课中，小组讨论汇报几乎占了整整一节课的时间，教师让学生以小组为单位深度挖掘设计喂鸟器应该注意的事项，这体现了对STEM项目中核心话题的深度探索。其中，教师持续地引导小组学生产生更为多样的问题，并不断让学生从不同角度提出自己不同的观点，尽可能地让每个学生都“有话可说”。在这样的情形下，学生拥有足够多的机会参与STEM项目讨论，每个人都有表达的机会。尽管我们看到在这一对话片段中，教师的话语数量很少，更多地是学生在汇报交流，但实际上，该教师在行为动作上，却是在经常地鼓励、引导、规范学生的表达，不断地去发现学生的闪光点，而这反而要求教师比传统课堂教学需要投入更多的精力。正如前面所提到，在STEM项目学习中，教师是学生学习的引导者和促进者。
（三）教学片段三：喂鸟器项目评价任务的开展
教师：请你在拿到这张设计单时，马上把你要喂的鸟的种类填上去。要注意哦，填上海地区比较常见的鸟。最好不可以出现上海或者中国没有的鸟儿，不然的话，你设计的喂鸟器就没有鸟来吃（里面的食物）。
学生M：好的！
教师：大家在设计喂鸟器之前，你们要看下我这边的评分标准。请你们按照这样的评分标准来设计，第一条布局要合理，书写要清晰，字迹工整。第二条，团队合作。第三条设计要贴合实际。第四条，喂鸟器的功能要尽可能齐全……（注：接下去老师阐述评分标准的内容及要求，并自己展示较好的作品，体现评分标准所要求的）
教师：接下来我想问同学们一个问题，如果我们小组里三名同学，在设计的过程当中，比如对于采用什么零件啊、什么材料啊，有争议，遇到这种情况怎么办？
学生N：那每个人都可以说说为什么这个好，然后呢，最终看最好的材料来做。
教师：对，我们可以采取小组讨论、投票的结果来决定用什么材料来做。如果你们小组只有两名同学的话，可以找我，我来帮你们投投票，哪一个材料更棒。
该教学片段主要关于教师对喂鸟器方案设计评价任务的开展，包括以评分规则引导学生完成项目以及小组评议促进学生学习，体现了为了学生学习的评价理念。我们看到教师首先提出了课堂中学生所应完成的评价任务，也就是画好喂鸟器的设计图纸，并且应像工程师设计专业图纸一般，对方案注明所用的材料、尺寸等，这就要求学生综合应用科学、数学、技术、工程甚至艺术学科的知识。开放式的评价任务让学生不再局限于回答某一问题，或者完成某一些试题，而是让学生放手大胆地设计喂鸟器图纸。为了使得学生的表现变得可见，从而变得可测评，对应这一评价任务，教师设计了学生能够理解的具体评分规则。这一方面帮助教师评价学生的任务完成度，另一方面，学生也可对照评分规则来完成喂鸟器图纸的设计。而这正是体现了指向学生学习的评价思想。此外，教师在具体实施评价时，针对“有争议”的议题，采取的策略是鼓励学生相互讨论、相互评价，同时要求小组成员经过科学地论证，得出小组最为理想的结果。更值得注意的是，该教师将自己教师角色适时地转为学生的同伴，鼓励学生让自己参与到学生的设计活动评价中去，将教师评价作为学生的同伴评价，让学生感受到教师同样是他们的合作伙伴。这与传统的教师绝对评价中心有着鲜明的区别。
四、结语
STEM整合课程为学生学习21世纪关键知识和技能提供了足够的学习机会，并能显著提升学生的跨学科学习态度。学生运用跨学科知识投身于STEM项目进而完成STEM项目，在这一过程中，他们拥有更多机会产生深度学习，实现跨学科问题解决和创新能力的发展。从前文所展示的三个教学片段中，我们可以清楚地看到STEM项目学习的课堂画面，从项目设计、实施到评价，始终以项目解决为中心。本文详细论述了项目学习视角下STEM整合课程的可能实施路径，并为其提供了具体的课堂案例参照，以期帮助教师更好地理解STEM整合课程以及基于项目来开展STEM整合课程。很显然，STEM项目学习的出现也给理科教师的专业发展带来了诸多挑战。首先，教师需要对项目学习和STEM整合课程有充分的认识。如果教师所经历的课程学习很少有跨学科内容的联系，那么他们对STEM项目学习的理解也就会出现偏颇，课堂的跨学科学习也就名不副实。其次，教师必须要有意识、有能力来引导学生积极参与课堂合作与讨论之中，甚至放下身段参与到学生的解决项目工作中。这是因为STEM项目的解决关键在于团队的合作交流，学生在合作中才能实现跨学科学习，这也是STEM項目学习育人目标的本质所在。最后，为了能够让STEM项目学习变得有效果，教师还应善于调动STEM相关的课程资源，以为学生尽可能地提供脚手架，支持学生学习。目前，尽管已有不少课程公司开发STEM课程材料，由于地方、学校情境的差异性，学生群体的独特性，因此，照搬课程材料内容并不是实施STEM项目学习的明智选择，如何用活已有资源甚至创造新的课程资源的关键仍然在于教师本身。
STEM整合课程可以作为一个打破中国分科教学模式的突破口，但这需要从根本上加强教师的STEM整合教学专业发展。对STEM整合课程全新理念的认识、STEM整合教学变革的理解，都是有志于投身STEM教育的中国教师所需面对的挑战。STEM整合课程源于国外，如何在中国本土课堂情境中开展，并在课堂中不断追寻、完善STEM整合课程实施模式，还需要更多的教师和教育研究者一起加入实践探索。