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摘 要：针对STEM项目式学习在中学理科教学中的本土化探索缺乏课堂教学的实践，以“制作智能垃圾桶”项目为例，阐述了基于中学理科STEM主题课程的开发、设计和实施，重点展示了课程的实施过程和设计意图，运用STEM解决方案，通过学科融合达成目标，以培养综合性创新人才为根本目的.
关键词：STEM ;项目式学习;学科融合
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）17-0032-03
作者简介：李泽钦（1990-），男，湖南郴州人，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理教学;
肖佳音（1994-），女，广东汕头人，本科，中学二级教师，研究方向：中学物理教学;
张性海（1973-），男，广东广州人，本科，中学正高级教师，研究方向：中学物理教学.
1 项目学习背景
STEM教育起源于美国，是为了应对美国STEM（科学、技术、工程和数学）人才优势减弱提出的教育集成战略，旨在培养学生的跨学科解决问题能力和创新能力[1].项目式学习即基于项目的学习（PBL，Project-Based Learning）有别于传统的教学模式，它基于真实的问题情境，将教学内容与生活经验有效整合，帮助学生自主学习和合作探究.
在2017年版（2020年修订）的高中物理新课标的基本理念中强调注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求.2017年版小学科学新课标中关于实施建议的部分也明确提出“学科关联建议”倡导跨学科的科学学习方式，鼓励教师尝试将STEM项目式学习运用于自身的教学实践.在学生学科核心素养的培养理念上，课程不限于培养学生单方面的能力，更加推崇学生综合能力的塑造[2].为了培养国家综合性创新人才，提高国际竞争力，基于中学理科STEM的项目式教学在多学科知识融合的教学“舞台”上展现出其强大的生命力和独特的魅力.
大部分有关STEM教育与项目式学习从理论方向研究的多，实践方向研究的少.STEM项目式学习在中学理科跨学科教学中的本土化探索方面更缺乏课堂教学的实践.本文结合中学实际情况，以较为热点的“垃圾分类”话题为依托，以“制作智能垃圾桶”项目为例，制定基于中学理科STEM项目式学习的策略和方案，利用中学开设的社团活动课，力争把中学理科STEM项目式学习的内容落到实处.
2 项目课程开发缘由
目前，广州市在各社区、各学校以及部分家庭都设立了垃圾分类投放点.垃圾分类已成为新时尚，但四个独立的分类垃圾桶的制作材料多，在家庭和班级中占据的空间也大.学生通过在生活中的观察思考，提出可否制作一款同时存放四种垃圾的一个垃圾桶？因此，为了更好地完善垃圾桶设计，同时培养学生的综合创新能力，本课程主题选定以“制作智能垃圾桶”项目来进行实践和探索.
3 学习者分析
本文的学习者选为高二学生，通过前期的问卷调查，大部分学生对当下比较热门的话题即智能垃圾桶这个项目具备浓厚兴趣.并且高二的学生动手能力较强，乐于合作.于是提前为这部分学生开设了为期一个学期的有关数字电路内容的社团活动课，使得参与课程学习的学生具备了数字输入、互动编程、电路及自动控制等最基本的电路知识.同时高二学生对中学理科知识如物理、化学、生物和数学的学习也比较深入.
4 项目式学习设计思路
以制作智能垃圾桶的项目式学习展开，以小组合作学习的方式，通过基于工程的学习，运用数学、科学的知识科学探究，设计解决方案，亲自制作电路图，焊接电路板，动脑动手，通过技术达成目标.在科学知识层面上，主要以物理中的电路知识为依托，涉及有关环保、垃圾种类分类、化学、生物等知识.在技术层面上，主要是以电路板的设计技术以及垃圾桶的外观制作为核心;在工程层面上，在传统垃圾桶样式的基础上，让学生初步设计了几个工程问题，再要求学生通过讨论分析最终确定方案;在数学层面上，本主题课程将数学作为有效的测算工具，主要涉及垃圾桶制作的尺寸、配重、形状等的计算.以上问题的解决都体现了基于项目式学习的STEM理念.
5 项目实施
5.1 制作“智能垃圾桶”项目活动具体的教学目标
5.2 项目实施的具体过程
5.2.1 第一阶段：智能垃圾桶模型结构的确立
解决问题：如何制作一款能同时存放4种垃圾的一个垃圾桶的模型结构？
学生活动1：学生分为几个小组，通过历时1周进行查找相关文献、书籍等参考资料，学生再通过小组内部讨论，各小组设计出初步方案.部分草图方案如图1所示.
教师活动1：将各个小组的方案进行比较分析，引导组内派学生代表进行该小组方案的展示和讲解，再引导学生们通过讨论和分析，最终通过学生的投票选出最优的方案.
学生活动2：再经过1周的时间，对选定的草图各小组再次进行优化完善.
教师活动2：讨论分析后，在教师的总结和指导下，确定改进后的最优方案如图2所示.
设计意图： 通过让学生查阅资料，教师指导学生对查阅的资料进行筛选、甄别、整理和分类，培养学生的信息检索能力，让学生体会要解决一个项目需要经历的一般流程，特别是如何合理地分解项目，指导学生学会提出问题，搭好项目的“脚手架”.在学生设计垃圾桶模型结构的过程中，指导学生经历科学探究的过程： 讨论分析，观察质疑，总结解释，发现问题再设计，再分析.在改良探索中激励学生勇于探索、大胆尝试，探究过程充满了理性的力量和思辨的光芒，提升了科学思维的论证能力和创新精神.
5.2.2 第二阶段： 控制电路的编程与电路板的制作
解决问题：如何设计电路来实现选择开关对应不同的功能要求？
教师活动：电路制作对于学生而言接触较少，跨度有些大.教師首先对学生进行有关电路及自动控制的培训，指导学生通过相关的培训内容进行设计.电路设计完成后，在电路板的制作方面教师对学生提供技术指导.并对以往类似的一些电路编程案例进行展示. 学生活动：小组成员经过3周的努力，学生根据方案设计电路，绘制程序框图，并通过应用软件编写程序.学生在搭建智能电路和编写程序的过程中难免遇到问题，可在组内商议，反复实验进行调试与修改，必要时向教师寻求帮助.学生设计出了控制电路并在教师的指导下制作出了电路板，如图3所示.
设计意图：在电路的设计和分析中，引导与锻炼学生的工程思维.通过对需要实现的功能进行探究讨论，培养学生问题分析及探究的能力.同时利用电路的编程训练，提升学生协作能力以及利用数学思维与编程思维解决问题的能力.
5.2.3 第三阶段： 材料选择及桶的外形设计
解决问题：如何从环保、美观、经济和实用的角度进行选材和设计？
教师活动：生物和化学教师各自通过一两节课的内容，从环保、选材和设计等方面对学生进行指导，并特邀了美术教师简单指导了学生的手工制作.
学生活动1：利用1周的时间，小组成员根据化学和生物教师的指导方案，从成本、环保、工程设计和加工等多角度论证和考虑选择材料并设计加工出垃圾桶的筒体.各小组分工协作，小组讨论，经过调整、改进、装饰，最后完成.通过讨论后，小组学生主要利用易于环保的、性价比较高的、具有较高机械强度的瓦楞纸板制作垃圾桶外形.
学生活动2：选定了材料和方案后，再利用1周的时间，学生根据现有的瓦楞纸板尺寸，测算并确定垃圾桶各部分的最佳尺寸，用工具切割出各个面，再进行组装与拼接，制作出垃圾桶模型.同时应用 3D 打印技术自主设计各个结构部件，并通过画笔等美术材料对垃圾桶原型进行外观设计，如图4所示.
设计意图：此环节的训练有利于提升学生的空间几何计算能力及动手能力.让学生懂得运用借助数学的工具解决问题.培养学生既要遵从原实验方案的精神，又要有开拓创新精神.在小组合作制作的过程中培养学生实验操作的能力和分工合作的精神.锻炼学生的团队合作过程中的表达沟通能力以及组织管理能力等.
5.2.4 第四阶段：测试与优化产品
解决问题：制作完成的智能垃圾桶能否在实际应用中完全投入使用？
教师活动：引导学生将自己制作的垃圾桶投放在自己的班级进行应用测试，引导他们记录和观察同学们在試用智能垃圾桶时的情况和效果.目的是在实际使用过程中可以方便地、有效地实现智能垃圾桶的所有功能.
学生活动：学生利用学校的自己班级教室作为智能垃圾桶试用的“实验基地”，通过记录和观察，小组同学发现在教室里班级同学试用的过程中遇到如按钮按下没有反应，按钮按下后内筒的旋转不到位和纸壳容易脱落等问题.根据试用期间的问题搜集，对作品再次改进，两周后放在班级教室再次进行测试，不断调整后最终达到了设计要求，成品如图5所示.
设计意图：这些训练可以让学生体会工程设计中不断迭代、优化的思想，从而提升其工程设计思想.培养学生自觉运用工程设计的思想解决现实生活中的实际问题的意识.
6 结束语
STEM教学强调的是培养学生“带走的能力”，而不是“背不动的书包”.整个项目研究中，从一开始模糊的题目到最后明确的项目作品，小组成员经历了从无到有的设计制作过程，在物理、化学和生物等多学科教师的指导下，运用包括工程、技术、科学以及数学等多学科知识进行实践探究制作，整个过程对学生来说都是充满未知和挑战的，在好奇心和兴趣的引领下，在项目任务的驱动下，在实践的过程中，学生的综合能力得到了很好的锻炼.
另外，研究过程中小组成员需要向同学、老师详细地解说和演示个人或小组成果，团队通过自评、互评等多种方式对项目作品进行客观评价，教师根据过程中的任务完成指标和最终的项目作品进行评价.在完成项目作品的过程中，学生不但能掌握基本的知识和技能，对学生的语言表达、团队合作、创新思维和批判性思维都是一个非常好的锻炼和提升，对教师的专业素养和引领能力也是一个极大的推进.
参考文献：
[1]卢春.美国“科学、技术、工程和数学”（STEM）高中述评[J].外国教育研究，2011（12）：12-16.
[2]高云峰，师保国.跨学科创新视角下创客教育与STEAM教育的融合[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017， 35（04）：47-53.
（收稿日期：2021-06-06）
关键词：STEM ;项目式学习;学科融合
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）17-0032-03
作者简介：李泽钦（1990-），男，湖南郴州人，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理教学;
肖佳音（1994-），女，广东汕头人，本科，中学二级教师，研究方向：中学物理教学;
张性海（1973-），男，广东广州人，本科，中学正高级教师，研究方向：中学物理教学.
1 项目学习背景
STEM教育起源于美国，是为了应对美国STEM（科学、技术、工程和数学）人才优势减弱提出的教育集成战略，旨在培养学生的跨学科解决问题能力和创新能力[1].项目式学习即基于项目的学习（PBL，Project-Based Learning）有别于传统的教学模式，它基于真实的问题情境，将教学内容与生活经验有效整合，帮助学生自主学习和合作探究.
在2017年版（2020年修订）的高中物理新课标的基本理念中强调注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求.2017年版小学科学新课标中关于实施建议的部分也明确提出“学科关联建议”倡导跨学科的科学学习方式，鼓励教师尝试将STEM项目式学习运用于自身的教学实践.在学生学科核心素养的培养理念上，课程不限于培养学生单方面的能力，更加推崇学生综合能力的塑造[2].为了培养国家综合性创新人才，提高国际竞争力，基于中学理科STEM的项目式教学在多学科知识融合的教学“舞台”上展现出其强大的生命力和独特的魅力.
大部分有关STEM教育与项目式学习从理论方向研究的多，实践方向研究的少.STEM项目式学习在中学理科跨学科教学中的本土化探索方面更缺乏课堂教学的实践.本文结合中学实际情况，以较为热点的“垃圾分类”话题为依托，以“制作智能垃圾桶”项目为例，制定基于中学理科STEM项目式学习的策略和方案，利用中学开设的社团活动课，力争把中学理科STEM项目式学习的内容落到实处.
2 项目课程开发缘由
目前，广州市在各社区、各学校以及部分家庭都设立了垃圾分类投放点.垃圾分类已成为新时尚，但四个独立的分类垃圾桶的制作材料多，在家庭和班级中占据的空间也大.学生通过在生活中的观察思考，提出可否制作一款同时存放四种垃圾的一个垃圾桶？因此，为了更好地完善垃圾桶设计，同时培养学生的综合创新能力，本课程主题选定以“制作智能垃圾桶”项目来进行实践和探索.
3 学习者分析
本文的学习者选为高二学生，通过前期的问卷调查，大部分学生对当下比较热门的话题即智能垃圾桶这个项目具备浓厚兴趣.并且高二的学生动手能力较强，乐于合作.于是提前为这部分学生开设了为期一个学期的有关数字电路内容的社团活动课，使得参与课程学习的学生具备了数字输入、互动编程、电路及自动控制等最基本的电路知识.同时高二学生对中学理科知识如物理、化学、生物和数学的学习也比较深入.
4 项目式学习设计思路
以制作智能垃圾桶的项目式学习展开，以小组合作学习的方式，通过基于工程的学习，运用数学、科学的知识科学探究，设计解决方案，亲自制作电路图，焊接电路板，动脑动手，通过技术达成目标.在科学知识层面上，主要以物理中的电路知识为依托，涉及有关环保、垃圾种类分类、化学、生物等知识.在技术层面上，主要是以电路板的设计技术以及垃圾桶的外观制作为核心;在工程层面上，在传统垃圾桶样式的基础上，让学生初步设计了几个工程问题，再要求学生通过讨论分析最终确定方案;在数学层面上，本主题课程将数学作为有效的测算工具，主要涉及垃圾桶制作的尺寸、配重、形状等的计算.以上问题的解决都体现了基于项目式学习的STEM理念.
5 项目实施
5.1 制作“智能垃圾桶”项目活动具体的教学目标
5.2 项目实施的具体过程
5.2.1 第一阶段：智能垃圾桶模型结构的确立
解决问题：如何制作一款能同时存放4种垃圾的一个垃圾桶的模型结构？
学生活动1：学生分为几个小组，通过历时1周进行查找相关文献、书籍等参考资料，学生再通过小组内部讨论，各小组设计出初步方案.部分草图方案如图1所示.
教师活动1：将各个小组的方案进行比较分析，引导组内派学生代表进行该小组方案的展示和讲解，再引导学生们通过讨论和分析，最终通过学生的投票选出最优的方案.
学生活动2：再经过1周的时间，对选定的草图各小组再次进行优化完善.
教师活动2：讨论分析后，在教师的总结和指导下，确定改进后的最优方案如图2所示.
设计意图： 通过让学生查阅资料，教师指导学生对查阅的资料进行筛选、甄别、整理和分类，培养学生的信息检索能力，让学生体会要解决一个项目需要经历的一般流程，特别是如何合理地分解项目，指导学生学会提出问题，搭好项目的“脚手架”.在学生设计垃圾桶模型结构的过程中，指导学生经历科学探究的过程： 讨论分析，观察质疑，总结解释，发现问题再设计，再分析.在改良探索中激励学生勇于探索、大胆尝试，探究过程充满了理性的力量和思辨的光芒，提升了科学思维的论证能力和创新精神.
5.2.2 第二阶段： 控制电路的编程与电路板的制作
解决问题：如何设计电路来实现选择开关对应不同的功能要求？
教师活动：电路制作对于学生而言接触较少，跨度有些大.教師首先对学生进行有关电路及自动控制的培训，指导学生通过相关的培训内容进行设计.电路设计完成后，在电路板的制作方面教师对学生提供技术指导.并对以往类似的一些电路编程案例进行展示. 学生活动：小组成员经过3周的努力，学生根据方案设计电路，绘制程序框图，并通过应用软件编写程序.学生在搭建智能电路和编写程序的过程中难免遇到问题，可在组内商议，反复实验进行调试与修改，必要时向教师寻求帮助.学生设计出了控制电路并在教师的指导下制作出了电路板，如图3所示.
设计意图：在电路的设计和分析中，引导与锻炼学生的工程思维.通过对需要实现的功能进行探究讨论，培养学生问题分析及探究的能力.同时利用电路的编程训练，提升学生协作能力以及利用数学思维与编程思维解决问题的能力.
5.2.3 第三阶段： 材料选择及桶的外形设计
解决问题：如何从环保、美观、经济和实用的角度进行选材和设计？
教师活动：生物和化学教师各自通过一两节课的内容，从环保、选材和设计等方面对学生进行指导，并特邀了美术教师简单指导了学生的手工制作.
学生活动1：利用1周的时间，小组成员根据化学和生物教师的指导方案，从成本、环保、工程设计和加工等多角度论证和考虑选择材料并设计加工出垃圾桶的筒体.各小组分工协作，小组讨论，经过调整、改进、装饰，最后完成.通过讨论后，小组学生主要利用易于环保的、性价比较高的、具有较高机械强度的瓦楞纸板制作垃圾桶外形.
学生活动2：选定了材料和方案后，再利用1周的时间，学生根据现有的瓦楞纸板尺寸，测算并确定垃圾桶各部分的最佳尺寸，用工具切割出各个面，再进行组装与拼接，制作出垃圾桶模型.同时应用 3D 打印技术自主设计各个结构部件，并通过画笔等美术材料对垃圾桶原型进行外观设计，如图4所示.
设计意图：此环节的训练有利于提升学生的空间几何计算能力及动手能力.让学生懂得运用借助数学的工具解决问题.培养学生既要遵从原实验方案的精神，又要有开拓创新精神.在小组合作制作的过程中培养学生实验操作的能力和分工合作的精神.锻炼学生的团队合作过程中的表达沟通能力以及组织管理能力等.
5.2.4 第四阶段：测试与优化产品
解决问题：制作完成的智能垃圾桶能否在实际应用中完全投入使用？
教师活动：引导学生将自己制作的垃圾桶投放在自己的班级进行应用测试，引导他们记录和观察同学们在試用智能垃圾桶时的情况和效果.目的是在实际使用过程中可以方便地、有效地实现智能垃圾桶的所有功能.
学生活动：学生利用学校的自己班级教室作为智能垃圾桶试用的“实验基地”，通过记录和观察，小组同学发现在教室里班级同学试用的过程中遇到如按钮按下没有反应，按钮按下后内筒的旋转不到位和纸壳容易脱落等问题.根据试用期间的问题搜集，对作品再次改进，两周后放在班级教室再次进行测试，不断调整后最终达到了设计要求，成品如图5所示.
设计意图：这些训练可以让学生体会工程设计中不断迭代、优化的思想，从而提升其工程设计思想.培养学生自觉运用工程设计的思想解决现实生活中的实际问题的意识.
6 结束语
STEM教学强调的是培养学生“带走的能力”，而不是“背不动的书包”.整个项目研究中，从一开始模糊的题目到最后明确的项目作品，小组成员经历了从无到有的设计制作过程，在物理、化学和生物等多学科教师的指导下，运用包括工程、技术、科学以及数学等多学科知识进行实践探究制作，整个过程对学生来说都是充满未知和挑战的，在好奇心和兴趣的引领下，在项目任务的驱动下，在实践的过程中，学生的综合能力得到了很好的锻炼.
另外，研究过程中小组成员需要向同学、老师详细地解说和演示个人或小组成果，团队通过自评、互评等多种方式对项目作品进行客观评价，教师根据过程中的任务完成指标和最终的项目作品进行评价.在完成项目作品的过程中，学生不但能掌握基本的知识和技能，对学生的语言表达、团队合作、创新思维和批判性思维都是一个非常好的锻炼和提升，对教师的专业素养和引领能力也是一个极大的推进.
参考文献：
[1]卢春.美国“科学、技术、工程和数学”（STEM）高中述评[J].外国教育研究，2011（12）：12-16.
[2]高云峰，师保国.跨学科创新视角下创客教育与STEAM教育的融合[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017， 35（04）：47-53.
（收稿日期：2021-06-06）