基于项目学习的小学STEAM课程实践与学生创新能力培养
余海兵
摘 要：文章以梅岭小学steam校本主题课程《火星探秘》为例，探索基于项目学习的STEAM课程设计与实施。在智慧环境下，通过创设基于真实问题的项目主题，融合各科知识，开展基于小组合作的项目式学习和基于App的数字化多元评价等，带领学生在课程活动中自主学习，在研究和评价中反思学习，以此研究STEAM教育理念在课程中的实施，探索教育信息化2.0时代、人工智能背景下教与学的新模式对学生创新能力的培养。
关键词：STEAM课程;项目学习
中图分类号：G623.58? ? ? ? ? ?文献标志码：B? ? ? ? ? 文章編号：1673-8454（2021）06-0035-06
一、课程实施背景
《教育信息化“十三五”规划》明确指出，“积极探索信息技术在众创空间、跨学科学习 （STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力”。梅岭小学在成为教育部首批信息化试点学校后，面对未来投资建设了智慧校园，成为了首批“智慧校园示范校”和“智慧课堂示范校”，建设有STEAM项目学习中心，也是“江苏省STEAM教育试点学校”。
如何开展STEAM教育，是摆在学校所有教师面前的问题。为此，笔者试图以STEAM教育理念为核心，以STEAM主题课程为载体，以STEAM学习空间为阵地，以项目式学习为学习样态，研究STEAM教育的校本实施、STEAM项目式学习案例及其与学生创新能力培养之间的关联，进而促进学生创新能力的发展，以期在STEAM项目学习的过程中完善学生的经验生长和人格发展，实现学校培养目标与STEAM课程实施目标的有机结合，进而实现学科的跨界与融合以及教学模式的变革。
本项目课程结合2020年我国的火星探测计划，以火星探秘为主题，以智慧课堂App为智慧教学环境，依托我校STEAM学习中心，开展了基于项目学习的STEAM课程设计与教学实践。
二、基于项目学习的课程设计要素
1.设计基于核心素养的项目框架
“我的一小步，人类的一大步。”太空探索是人类生存中一个宏大而永恒的话题，我们身处的太阳系就蕴藏着无数的秘密等待挖掘。我国自古就有嫦娥奔月的美好传说，载人航天、“嫦娥”探月、北斗、空间站建设、火星探测计划等无不彰显着我们在太空探索方面的雄心。而这样的话题不应该只停留在新闻中一闪而过，也不仅仅是一两篇文章浮光掠影的学习，应该走到学生的身边，深入他们的学习中。开展太空主题的STEAM课程无疑是一次尝试，也是对学生的未来进行一次种草，埋下参与太空探索的种子。
《火星探秘》课程设计的第一步，笔者认为应从一个好的课程框架开始。实施STEAM课程，核心是为了学生的未来发展，其项目框架设计应当围绕核心素养展开，在《中国学生发展核心素养》总体框架下，围绕学校的育人目标进行校本制定。基于此，笔者将本课程的框架目标设定为“让每个儿童向着未来生长”，同时进一步聚焦为儿童“自主发展”，在本课程中就是制造一台如同“好奇号”那样的火星探测车;其次结合学科课程目标进行有机整合;最后以能力为核心导向进行设计。整体课程设计定位于培养具有创新能力的学生，可自主学习、具有艺术气息、有跨学科思维的学生。课程由多个视角展开，融合多种学科，确立了“自我认知，主动学习，现实链接，创新实践”的素养规划，以科学探索能力、计算思维能力、艺术设计能力、工程技术能力、信息技术能力为核心，校本课程为载体，制定了以STEAM专项学习空间为支撑的整合实践研究框架（见图1）。
如图2所示，本课程共有五大模块的学习内容：“使命的召唤”模块，主要内容为火星的召唤、自我任务规划、主要问题讨论与解决思路;“数字达芬奇”模块，主要涉及VR体验、3D画图、3D建模、3D打印;“数学小达人”课程，主要内容为思维训练、思维工具、程序数据的计算与使用;“小小工程师”模块，主要内容为认识硬件、规划任务模块、任务模块搭建;“我是小码农”课程，主要任务为学习乐高、Scratch编程、完成任务模块编程、调试与测试。
据此设定课程教学目标如表1所示。
2.项目课程实施指南
STEAM项目学习在学科之间并不是割裂的，它更深层的含义是课程整合、打破学科的壁垒，培养创造力、高级思维、解决问题能力、知识迁移能力以及合作共情能力。在设计中以数学和技术知识为STEAM教育的课程基础，动手、创新能力培养作为课程学习核心，将艺术素养和科学探索精神培养融于整个项目系统中，以艺术审美、好奇心作为一种驱动的力量，通过技术将创意和设计的方案加以实现。项目设计流程见图3，首先，通过联结真实问题与现实情境激发兴趣与想象;其次，整合学科知识与学习资源，引导学生进行学习规划;再次，通过跨界设计帮助学生打破学科壁垒，融合学科知识;最后，学生独立或者合作完成相应的作品与项目课程，达到项目学习能力的培养。
根据图3流程图，《火星探秘》课程结构设计思路如下：
课程情景：2020年7月23日，我国发射首个火星探测器，一步实现“绕、落、巡”探测任务，如果邀请你担任火星车的设计师，你会如何设计火星车？
项目主题：火星探秘之火星车设计。
基本问题：如何利用火星车实现火星探测任务？
项目任务：①使命与召唤（了解火星，问题收集及任务规划）;②数字达芬奇（VR体验火星，3D建模火星车）;③数学小达人（学习使用思维导图分析问题，学习画流程图分解、转化问题）;④小小工程师（根据智能积木搭建火星车主体和任务模块）;⑤我是小码农（对智能化积木进行编程完成地图巡查、挖坑运输、温度监测等任务）。
项目时间：每周1次1小时，周期4个月15次，共分初步感知、设计规划、实践操作、展示评价、未来之路5个阶段，时间安排如表2所示。
课程资源及呈现形式：利用扬州智慧学堂App（基于扬州智慧教育云平台进行信息技术与教学过程深度融合的App，主要功能有知识管理、资源汇聚、移动学习、移动讲台、移动作业、智能评价等），进行校本课程资源的汇聚。通过教材资源模块整合资源，如PDF阅读材料、在线影视、调查问卷、视频微课等;通过在线导学与互动课堂模块进行数字呈现、自主学习与教师指导;通过智能监测、课后作业等模块进行学习评价。其基本界面如图4所示。
学习环境：无线覆盖，小组展示大屏，教师教学用智能黑板和扬州智慧学堂App，学生编程用平板电脑，使用的智能组件以乐高ev3机器人为主，搭配开源的创客智能积木套件、3D打印机、VR设备、模拟火星地貌地图一张（3米×6米）。
思维工具：思维导图，主要用于对问题梳理和导学内容进行整理，通过iMindMap App或者纸质手绘来完成。图5为学生根据自己的理解在学习模块一“使命与召唤”时绘制的思维导图。
项目推进：基于项目引导学生开展自主学习，基本推进环节有：①学习引发，学生要面对的是具体的现实问题，如需要哪些模块的搭建，火星车才可以动起来？通过这样一个和现实紧密结合的主题，激发自主学习的兴趣，自主进行主题的学习。②问题分解与任务规划，如利用思维导图展现的火星车各部分的详细功能。③实践操作，如通过自己掌握的知识制作专属的火星车模型，将知识与实际进行印证，纠错调整。④自我评价与反思，如在一个阶段性项目制作完成后，通过作品展，展示自己制作的模型，并分享在项目中成功或失敗的经验，用语言去准确表述自己的观点和收获。
项目评价：基于智慧学堂App实时过程性评价与学生自我评价相结合，学生的相互评价与展示分享的结果性评价相结合。在项目学习过程中，如何对学习效果进行评价，帮助学生及时反思、调整学习策略？笔者以为，除了教师可以采用基于扬州智慧学堂App的过程性评价和进行学生互评（见图6），使用PMIQ评价表让学生形成自我评价的意识和能力也十分重要（见表3）。通过不断的自我追问让学生的学习目标更清晰，有一种自我掌控感，提高他们的学习热情，而在项目学习结束时的学习展示与分享，既是结果性的评价也是新学习的发端，同样也十分重要。
3.技术与课程融合，完成课程资源网络化、学习分析数据化
基于项目的学习需要一定的时间，绝不应该限于有限的40分钟或1小时的课程时空，为此笔者采用了基于扬州智慧学堂App的混合式学习方式，针对学生特点、课程设计与学习需求，以能力评价为指向，以随时可学、进程可选、过程可评为特征建立专门的学习资源与评价体系。学习资源类别包括PDF阅读、影视欣赏、微课学习等，为学习的资源汇聚和数字化评价及学习过程的数据化打下了基础。课程资源结构如图7所示。
三、基于项目学习的课程实施
1.构建基于STEAM项目式学习的分层式教学模式
考虑到学科融合与核心素养的目标，在教学模式的构建中，笔者通过对行为模式与能力标准分层（见图8），将教与学模式分了低、中、高三个层级，分别指向目标选定、规划整合、实践操作、合作互动、反思拓展等项目学习中的不同阶段。课程实践中，我们发现高低层级与不同的阶段并不割裂固定，而是在学习经历中错落无序，需要教师从教与学两个方面同时关照学生的能力发展，学的层面通过帮助学生设定不同的目标和观察其行为认定来体现，教的层面则是通过教师角色不断变化来认定，从指导者、合作者、服务者来实施。分层式教学模式，可以让教师和学生能够清晰地知道目前处于哪一个阶段哪一个层级，进而采取相对应的策略与方法。有机结合教与学，在合作与互动中发展学生的核心素养，促进思维与能力的层次递进。
2.细化基于STEAM的项目式学习流程
与教学模式相对应，笔者进一步细化了项目学习的流程（见图9）：①选题与设计，通过自规划和共商讨环节发挥学生的自主性与教师的指导性进行学习规划，着眼于提出问题;②学习与制作，在教师指导下不断进行学习调整，同时进行基于技术环境的个性化学习与实践制作，着眼于解决问题;③展示与评价，通过数据分析与结果分析进行评价与学习反思，着眼于学生的相互学习并提出下一阶段的问题。
3.在场域中开展混合学习
基于以上的教学模式与学习流程，《火星探秘》项目课程利用智慧学堂App和STEAM学习空间构建一种充满情景的场域，以满足学生的学习需求。
（1）课程准备与预设
在《火星探秘》课程中，学生要面对的是一个具体的现实问题：如何实现火星探测任务？主题与资源的准备围绕如何以科学家一样的思维，去思考火星探测的意义，如何让火星车在火星进行探索，以及探测的具体任务和目标开展。
教师需要完成的工作包括：①在App上根据《火星探秘》课程形成的梅岭课程指南、教学蓝本、范式、单元主题、活动问题等建立课程总览。②调研学生学习需求，形成个性化学习资源。③明确网络学习评价方式和标准。④选择适合的学习流程。⑤建立课程单元系列任务单。⑥发布课程。
（2）课前活动
火星和探测器并不算是学生非常熟悉的概念，因此需要教师引导其了解火星的基本情况与特征，如火星在太阳系的位置、质量、表面重力等以及火星表面的物质构成等;火星探测器的相关知识，如火星探测需要注意火星车的能量供给、移动方式、如何避开障碍物等问题。
该阶段学生主要的学习流程为：①浏览课程，了解流程，明确学习任务，知道评价方式和标准。②浏览学习任务单，明晰课程问题，安排学习计划。③观看教学视频，查看组内成员的学习心得与反思，浏览扩展资源链接。④发起网络交流，记录学习问题，完成课前任务单。
（3）课中学习
学生需要自己动手做一辆火星车，所有任务都是围绕《火星探秘》课程核心展开，根据课程的不同，与前置的资源学习，学生要去思索探寻火星上的各种元素，他们的火星车要完成什么样的探测任务以及在这个过程中会遇到哪些问题和困难。将任务分解后，学生规划详细的火星车任务和功能，就可以开始通过自己学习火星探秘的STEAM课程来掌握相关的知识，去制作专属自己小队的火星车。
课堂活动主要包括：①小组交流自主学习内容与问题。②师生交流，探讨收集的公推问题。③调整并选择个性化任务，倡导合作探究。④关注小组活动，个性化辅导。⑤完成课堂练习与自我测试。⑥自我学习评价与展示成果。⑦课堂小结，生成内容上传App课程。
（4）课后反思，基于PMIQ自评表
学生在完成课程学习的过程中，要学会享受在项目中获得的成功或失败，用语言和数据去准确表述自己的观点和收获。
课后，教师和学生都将进行反思与评价：教师总结上传课堂生成性问题，为新的教学提供借鉴，形成新的学习资源;学生在课程日志中记录反思过程与学习成果，促进自我知识建构并供小组间相互学习借鉴。《火星探秘》课程引发了学生对宇宙科学的求知欲和好奇心，面对一个实际的问题并克服困难完成它，对于每个学生的学习挑战都是真实而有趣的。通过观察、思考、实验、制作等一系列探究活动，他们会在火星探秘课程中将多学科知识真正融合起来，形成跨学科的知识网络，而不是分裂的、不知如何去用的书面知识。
这种教学模式以学生为中心，提供网络学习平台、学习工具与优质资源，三者相融，形成问题生发、师生交互、解決体验和评价反思的学习场域，引导学生对数字资源进行系统化的加工、整合与利用，创设个性化学习环境，开展丰富多样的教学活动，运用问题解决、网络协作、自主学习、评价反思、多重交互等多样化的方式，深化学生对知识的理解、对问题的解决与应用，激发学生的创新思维，培养学生的能力，让学习真正发生，让智慧运用在STEAM课程场域中无处不在。
四、基于项目学习的STEAM课程实施思考与改进
经过近一个学期的学习，多角色的体验、多维度的学习经历使得学生的学习兴趣有了大幅度提升，学习能力变强了，部分学生在项目结束后还能进一步展开自主学习与研究，项目取得了较好的学习效果。笔者对教学实践中遇到的问题进行总结，探讨后续项目学习改进的地方。
1.传统学习习惯的惯性影响力不可忽视
学生的自主意识不够强，更习惯于被提问，而不是主动提出问题，在整个实践过程中改善不大，更希望从教师处得到答案而非自我探寻，因而也比较依赖现成的资源，自主寻找、整理、筛选有用信息的能力不强。传统力量之强，影响无处不在。这个问题的解决只能依赖于开展全员、全科的培训，改变教与学的方式，而不仅仅限于实践项目，这对学校是个挑战。
2.预设课程应当符合学生的认知水平
在课程中的3D打印模块，笔者原以为通过3D画图已经降低了三维建模的难度，虽有挑战性，但应当是可以完成的任务。然而在学习的过程中，在手绘建模时还是受到了年龄和认知水平的影响，加之学校的3D打印条件有限，耗时也很长，效果很不理想。之后课程将3D建模调整用3D打印笔进行装饰时，学生才重新拾起学习兴趣和信心。这也告诉我们，校本课程切不可为了追求某种效果而拔苗助长。
3.在线学习学生并不在线
虽然，笔者已经预计到了可能的时间问题，试图利用App资源引导学生在家利用业余时间学习，然而受家庭环境和各种兴趣班的影响，学习前置的效果并不理想，在线学习学生并不在线，这就导致了学习时间很紧，任务完成度下降。除了继续改变家长的观念，教师要考虑如何调整项目实施的问题。针对此情况，笔者在任务编程模块，尝试了一下合作学习的方式，将小组分角色，同时向不同的教师去学习不同任务模块的知识，然后回来合作完成任务，提高了学习效率。
4.项目学习呼唤新型学习空间建设
受传统的秧田式教室影响，项目在小组合作与动手制作、测试阶段颇有不便，于是笔者重新调整为按功能区域进行划分整合：①撤掉前面的讲台，教学大屏的展示改为无线控制，教师融入学生当中;②动静分离，教室靠里墙和窗口的空间为编程区域，斜对面靠走廊的空间为合作讨论区;③设立展评区，教室中央摆放任务地图，作为测试、展评和讲解的区域。然而，这样又对其他教师的教学造成了影响。所以教室在不断的变形中折腾。学习呼唤建设基于STEAM教育理念的新型学习空间，而这一支持，笔者认为不仅限于本课程。项目空间也可以作为学校的前瞻性项目与智慧校园、学校空间课程建设等互为支持。
虽然以上问题有课程实施对象样本有限、观察方法和学习时限的影响和学校实施条件的限制，但还是值得去思考和解决。
在机器变得越来人性化、人变得越来越像机器的时代，如何在数字时代有血有肉地生活？《火星探秘》课程的实施是一次有趣的尝试，通过与项目学习结合，也是一次将理念转化为落地的尝试。在“云计算、物联网、大数据、人工智能”的全球化发展背景下，基于我校“做中国人、现代人、世界人”的培养目标，在体现学校办学的价值追求、满足师生发展需要的现实需求下，我们根据学校特色，以STEAM教育理念为核心，以STEAM课程为载体，以STEAM学习空间为阵地，以项目式学习为学习样态，以此研究STEAM教育的校本化实施、STEAM项目式学习案例及其与学生创新能力之间的关联，进而促进学生创新能力的发展。同时，在项目学习的过程中，让学生在STEAM项目式学习中完善经验生长和人格的发展，为教师专业成长提供土壤。这是我校办学理念：“以人为本，为学生终身发展奠基;重塑文化，为教师享受教育服务”的具体落地体现，以自然为师，向着未来生长。
（编辑：鲁利瑞）
