基于STEM的跨學科教學設計與實踐

張屹 趙亞萍 何玲 白清玉

摘要：信息化時代的發(fā)展需要大量的工程與技術人才，STEM 教育逐漸成為基礎教育階段國際科學教育的一門新興課程，受到各國的關注和重視。我國在一些地區(qū)進行了STEM教育的實踐推廣，但國內(nèi)相關研究主要集中在STEM教育的概念辨析、課程研究、教學模式及實施案例等方面，對STEM教育在具體學科教學中的應用研究較少。STEM教育理念的核心是跨學科整合，跨學科整合最核心、最重要的工作是項目或問題的設計。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(jié)構(gòu)的全面、均衡覆蓋?；诙鄬W科融合的STEM理念，項目組設計并實施了“氣球火箭”系列課程。在以華中科技大學附屬小學學生為研究對象進行的單組前后測實驗中發(fā)現(xiàn)：基于STEM的教育能夠激發(fā)學生的學習興趣，也有利于學生科學探究能力的發(fā)展；而且雖然基于STEM的教學在一定程度上增加了學生的認知負荷，但一定范圍內(nèi)的高認知負荷有利于學生探究能力的發(fā)展。

關鍵詞：STEM教育；跨學科教學；探究能力；學習興趣；影響研究

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5195（2017）06-0075-10 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2017.06.009

一、引言

為適應全球扁平化的時代浪潮，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)及能力，提供適合的教育，是各國教育的重要使命，同時也是21世紀課程改革的重大主題。所謂能力（Ability），它涵蓋了諸如探究能力、批判性思考、問題解決、創(chuàng)造力、價值觀、溝通合作交流等方面，有著一定的深度和廣度。美國“21 世紀學習框架”和新加坡“21 世紀技能框架”中均提出了對于學生探究能力等的培養(yǎng)。我國教育部2017年發(fā)布的《全日制義務教育小學科學課程標準》（以下簡稱“標準”）中提出，科學教學應從學生實際出發(fā)，創(chuàng)設有助于學生主動學習的問題情境，引導學生通過探究學習等，獲得科學基礎知識和技能，促使學生主動地、富有個性地學習，不斷提高探究能力；《標準》還指出，科學教學與小學其他學科關系密切，倡導跨學科方式學習，即融合科學、技術、工程、數(shù)學為一體的STEM教育，它是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式（教育部，2017）。2016年2月國務院辦公廳印發(fā)的《全民科學素質(zhì)行動計劃綱要實施方案》也明確提出，在中學階段要增強學科間橫向配合，開展跨學科實踐探究活動（國務院，2016）?！督逃畔⒒笆濉币?guī)劃》（以下簡稱“規(guī)劃”）也要求：積極探索信息技術在STEM教育及創(chuàng)客等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養(yǎng)、探究能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力（任友群等， 2016）?？梢?，探索基于STEM的教學模式，以更好地促進學生能力發(fā)展，成為教育領域關注的焦點。而如何使外來的STEM教育本土化，以適應我國教育是學者當前熱議的話題。基于此，本文將探究如何使STEM教育從理念和思想層面，轉(zhuǎn)化為有成效的行動實踐，并在此基礎上對于STEM的教學效果進行分析。

二、文獻綜述

1.STEM教育概述

STEM是Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）和Mathematics（數(shù)學）英文首字母的縮寫。融合的STEM教育具備如下特征：（1）跨學科。艾布特斯使用“元科學”（Meta-Duscipline）描述STEM，即表示它是科學、技術、工程和數(shù)學等學科知識的整合（Morrison，2006）。STEM教育的跨學科特點，強調(diào)在教學過程中讓學生應用多學科知識，解決實際問題，以實現(xiàn)跨越學科界限提高學生解決實際問題能力的教育目標。（2）協(xié)作性。建構(gòu)主義指出，學習環(huán)境的四大要素包括“情境”“協(xié)作”“會話”和“意義建構(gòu)”（何克抗，1997）。STEM教育的協(xié)作性就是要求學習環(huán)境的設計要包括“協(xié)作”和“會話”兩個要素：讓學生以小組為單位，完成學習及評價；同時，學習者通過會話商討如何完成規(guī)定的學習任務。（3）體驗性。STEM教育強調(diào)學生參與學習過程，其體驗性的特征，使得學生不僅能獲得結(jié)果性知識，還能習得蘊含在項目問題解決過程中的過程性知識。（4）設計性。STEM教育要求有學習產(chǎn)品的環(huán)節(jié)，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(jié)果、外顯習得的知識和能力。因此設計性是STEM教育的又一核心特征。（5）情境性。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。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。

2.STEM教學的影響研究

Choi等人認為基于項目的STEM教育可以從知識、技能和情感三個方面提升小學生學習成就，同時有利于引導學生進行整合設計、學習科學和技術的綜合性問題解決（Choi et al.，2016）。Harris等人為了研究基于項目的探究式課程材料的教學效果，對42所學校的六年級學生進行了為期1年的教學研究，發(fā)現(xiàn)基于項目的探究式課程材料有利于科學思想與科學實踐的結(jié)合，有利于提高學生科學課程學習的成效（Harris et al.，2015）。Meyrick研究了STEM教育是如何提高學生學習的，發(fā)現(xiàn)在STEM教育中通過各種基于活動的學習模型給學生提供快速深入的學習機會，有利于他們對個人感興趣的主題進行深入研究（Meyrick，2011）。Frykholm和Glasson的研究表明，在進行STEM教學過程中學習者對數(shù)學和科學等內(nèi)容的理解更加深入（Frykholm et al.，2005）；同時Asghar等人也發(fā)現(xiàn)，基于STEM的教學有助于培養(yǎng)學習者應用所學知識解決真實世界中問題的能力，這些問題在本質(zhì)上就是跨學科的（Asghar et al.，2012）?！皡f(xié)作-探究”教學模式對于學生探究能力和協(xié)作能力的提升以及學生的創(chuàng)造力有促進作用（包昊罡等，2015）。傅騫等認為，STEM教育作為一種教學策略，能夠通過基于設計的學習、基于項目的學習和探究性學習等學習方式，培養(yǎng)學習者解決實際問題的能力（傅騫等，2016）。綜上所述，STEM多學科融合的教學對于學生科學探究等能力的提高有一定幫助。

還有一些研究指出基于STEM的綜合實踐學習有利于學生創(chuàng)造力和科學興趣方面的培養(yǎng)（Lee et al.，2013；Kim et al.，2014）。Kong與合作者以及Kim和Choi提出基于主題的STEM活動對小學生的科學學習動機有積極的影響，能積極改變科學學習態(tài)度并在一定程度上提高學生在科學學習過程中的自我效能感（Kong et al.，2014；Kim et al.，2012）。Bae等發(fā)現(xiàn)基于STEAM的科學教學，對學生科學學習的動機及成績相較于傳統(tǒng)科學教學有顯著性提升（Bae et al.，2013）。蔡蕙文的研究發(fā)現(xiàn)，STEM教學模式有助于提升中學學生在科學、技術、工程與數(shù)學的整合知識與概念，STEM組的學生在科學、技術、工程與數(shù)學的成績顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教學組，學生對STEM教學模式持正面肯定的態(tài)度，STEM學習態(tài)度與學習成效呈顯著正相關（蔡蕙文，2008）。

綜上所述，基于項目或問題活動的STEM教育可以很好地激發(fā)學生的學習興趣和內(nèi)在動機，對于學生探究能力等的提高有一定幫助。而目前國內(nèi)相關研究主要集中在STEM教育的概念辨析、課程研究、教學模式及實施案例等方面，而對于STEM教育在具體學科教學中的應用研究較少。因此，本研究將基于跨學科的STEM教育理念進行教學設計，并通過定性加定量的研究數(shù)據(jù)分析，驗證基于STEM理念的教學對學生學習興趣、科學探究能力等方面的影響。

三、基于STEM理念的跨學科整合模式

Sanders指出STEM 教育建立在建構(gòu)主義和認知科學的研究成果之上（Sanders，2009）。Bruning等人指出，STEM 教育與認知科學的主張一致：學習是建構(gòu)的過程；在認知過程中動機和信念非常重要；認知發(fā)展建立在社會互動基礎之上；知識、策略和專門技術是情境化的（Bruning et al.，1979）。由此可見，STEM 教育是一種典型的建構(gòu)主義教學實踐：即為學習者提供適合的學習情境，讓他們積極地建構(gòu)知識，從而強化對知識的記憶并促進遷移；以小組為單位進行活動，為知識的社會建構(gòu)提供優(yōu)越條件。因此，實踐STEM 教學模式首先要符合建構(gòu)性學習所強調(diào)的探究、發(fā)現(xiàn)、協(xié)助等基本要求。

Herschbach提出STEM教育的課程設計應該使用“整合的課程設計模式”，即將科學、技術、工程和數(shù)學等整合在一起，強調(diào)對知識的應用和對學科之間關系的關注（Herschbach，2011）。余勝泉教授等（2015）也指出，STEM教育理念的核心是跨學科整合，通過知識情景化、生活化，讓學生自主運用學科知識，學會創(chuàng)造性解決問題?？鐚W科整合最核心、最重要的工作是項目或問題的設計，即在進行項目或問題的設計時將知識蘊含于情境化的真實問題中，以調(diào)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的高階思維能力。但同時需要注意各學科原有知識體系結(jié)構(gòu)的劣構(gòu)化問題，這可能導致學生學習知識結(jié)構(gòu)的不均衡。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或項目對所有學科基礎性知識結(jié)構(gòu)的全面、均衡覆蓋。設計和實施STEM 跨學科整合的課程，要在學科知識的系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性設計問題，使各問題之間包含的學習內(nèi)容多次相互鄰接和交叉重疊。筆者所在項目組與華中科技大學附屬小學試點學校聯(lián)合開展了一系列的基于STEM理念的跨學科綜合實踐課。本文以五年級（上）小學科學《力與運動》單元的綜合實踐課“氣球火箭”為例進行基于STEM理念的教學介紹。具體方法是：參照建構(gòu)主義教學設計模式（余勝泉等，2000），提出STEM 項目設計模式，進行教學案例的設計。即在“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(huán)節(jié)；同時關注項目完成后，學生獲得知識的系統(tǒng)化與結(jié)構(gòu)化遷移，并有相應的強化練習與總結(jié)提升。

四、基于STEM理念的跨學科整合教學設計

1.教學分析

（1）學習者分析。本次教學對象為小學五年級學生，經(jīng)過2年多的科學學習，大多數(shù)學生已具備初步的探究能力及合作能力，對于周圍世界產(chǎn)生了強烈的好奇心和探究欲望，樂于動手，善于操作，為后續(xù)科學課程學習的順利開展奠定了基礎。

（2）教學內(nèi)容分析。“氣球火箭”是小學五年級《力與運動》單元綜合實踐活動主題課。本課基于STEM教育理念開展教學：根據(jù)學生認知特點，本專題選取學生熟悉的氣球為研究對象，在實際而非理論條件下，讓學生整合自己科學、數(shù)學、技術及工程四方面的知識，以小組合作的形式，探究制作氣球火箭，在探究過程中引導學生對物體的運動進行感知和思考，以此完成本次課程教學目標。

2.教學過程設計

在“教學分析”的基礎上，依據(jù)STEM教育理念，以“氣球火箭制作”為核心立足點，明確本次課程教學目標，進行學習活動、學習評價等關鍵環(huán)節(jié)的設計，同時關注“氣球火箭”制作完成后，學生獲得知識的系統(tǒng)化與結(jié)構(gòu)化遷移，讓學生對自己的氣球火箭成品進行匯報，最后教師進行總結(jié)提升。具體的教學設計過程描述如下：

（1）STEM教學目標設計。教學目標是在認知與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀領域?qū)W生完成學習活動后，獲得成長的預期，它既是教學活動的起始點，也是其最終落腳點（崔允漷，2004）。根據(jù)對學習者及教學內(nèi)容的分析結(jié)果進行本課程教學目標設計，形成學科和目標領域間的二維矩陣教學目標，如表1。

（2）學習活動設計?！皻馇蚧鸺睂ｎ}的教學從氣球火箭的初步設計與試驗、完善、裝飾與產(chǎn)品發(fā)布及評價四個活動展開，共用4課時。學生在活動過程中逐步感知力與運動以及運動狀態(tài)改變的影響因素等?；顒舆^程中4～5人一組，組內(nèi)成員分工按照任務類型。具體學習活動介紹如表2，具體的活動流程見圖1。

3.學習評價設計

STEM教學的目標在于促進學生能力的發(fā)展，更多地關注學習者的學習過程及真實能力的評價?！皻馇蚧鸺辈捎谩敖處熢u價+同伴互評+反思”的多元評價方式。評價的標準如表3。

五、基于STEM理念的跨學科教學實踐

1.實施過程

教學實踐是將教學設計理念付諸行動的過程。實施過程需根據(jù)學生在實際課堂中的表現(xiàn)，如對問題情境的理解程度、對活動的參與程度，適時進行調(diào)整。具體的實施過程如下：

（1）情景導入。教師展示氣球及火箭發(fā)射相關視頻，引起學生的注意，激發(fā)學生學習動機，導入本次課程。

（2）活動1：氣球火箭初步設計及實驗。教師講解氣球火箭原理，給出本次課程的評價方案并在活動過程中給予適時的指導。學生運用已有科學、技術、工程及數(shù)學方面的知識，進行氣球火箭的制作與發(fā)射實驗，使用iPad及計時器等記錄發(fā)射火箭的距離與時間，根據(jù)所學學科知識探究氣球火箭的速度，將氣球火箭速度發(fā)送到QQ討論組，同時小組成員合作完成本小組的研發(fā)記錄單。

（3）活動2：氣球火箭改進試驗。學生通過網(wǎng)上查閱資料，以工程的思想改進氣球火箭的材料或者改造氣球火箭的結(jié)構(gòu)。有的學生選擇教師提供的PVC管來代替之前的軟吸管，有的選擇剪短之前的吸管等形式，來進一步完善小組的氣球火箭，使得氣球火箭加速。在實驗過程中學生借助科學、數(shù)學、工程和技術方面的知識進行探究，同時將探究結(jié)果發(fā)送到課堂QQ討論組，并在研發(fā)記錄單上填寫每次探究的過程及結(jié)果分析。

（4）活動3：氣球火箭的裝飾及產(chǎn)品說明的設計。小組成員發(fā)揮自己的聰明才智，借助一定的技術工具對小組的氣球火箭成品進行美化裝飾，同時對小組的氣球火箭構(gòu)造、最快發(fā)射速度及構(gòu)造等進行文檔說明。學生裝飾后的作品如圖2所示。

（5）活動4：氣球火箭產(chǎn)品展示發(fā)布及反思評價。選派小組代表對小組的氣球火箭產(chǎn)品進行展示介紹，對不足之處進行反思說明，同時小組之間根據(jù)教師的評價方案進行產(chǎn)品評價，在QQ討論組以投票的形式對作品進行投票，“教師評價+小組評價”評選出優(yōu)秀小組，并進行頒獎。最后教師對本次活動課進行總結(jié)。

2.實驗研究

研究設計單組前后測實驗，以華中科技大學附屬小學五年級某班52名學生為研究對象，以基于STEM的小學科學教學為自變量，以學生科學探究能力、學習興趣及認知負荷為因變量，采用組合改編的《STEM教學成效調(diào)查問卷》為測量工具，探討基于STEM的小學科學教學對學生科學學習的影響。

（1）調(diào)查問卷

前測。問卷包含科學學習興趣及科學探究能力兩部分，共13道題目。在科學學習興趣部分，本研究從Lamb等人的科學興趣量表中抽取并改編了2個測試題目，從課程本身及學習方式的興趣兩方面進行分析（Lamb et al.，2012）；對于學生科學探究能力的測量，本研究對Novak等人以及Mintzes等關于學生探究能力的問卷進行了改編，共11道題目（Novak & Gowin，1984； Mintzes & Novak，2005）。問卷采用李克特五級量表計分，問卷中的問題具體分類見表4。

后測。在前測問卷的基礎上添加了學生在此種方式下認知負荷的部分。關于認知負荷的測量，研究從Hwang等人的認知負荷調(diào)查問卷中抽取并改編了2個測試題目（Paas，1992；Hwang et al.，2013），這兩個測試題目均采用9級量表的形式。后測部分共15道題目。

研究對前后測問卷中探究能力維度下題目的整體信度進行了計算，前測問卷探究能力部分的Cronbach系數(shù)α=0.759，后測問卷的Cronbach系數(shù)α=0.809，均在0.7以上，表明前后測問卷均具有較高的信度。

（2）研發(fā)記錄單

研發(fā)記錄單是在與多位學科教師交流及教學實際需求的基礎上進行設計的，它是記錄學生“氣球火箭探究”的思維工具，見表5。該思維工具包括嘗試措施、是否改進、原因分析、反思等部分。第一，嘗試措施。學生以工程的思想進行相關措施的思考，并對相關措施進行探究，在探究活動中體會科學探究的過程。第二，是否改進。學生結(jié)合學科知識借助一定的技術進行計算以分析是否增速，培養(yǎng)學生在解決問題的過程中，結(jié)合多學科知識進行思考的意識。第三，原因分析。引導學生從科學、工程、數(shù)學等方面分析每次成功或失敗的原因，透析問題背后的原因。第四，反思。通過反思培養(yǎng)學生勤于思考的意識，發(fā)展學生的高階思維能力。

（3）研究過程

為了探究STEM理念下的跨學科教學對學生探究能力等的影響，本研究采用單組前后測實驗設計，圖3展示了實驗流程。首先，對被試進行前測，以了解受試者在當前教學方式下的科學學習興趣及探究能力現(xiàn)狀；其次，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題應用STEM教育理念進行相關主題的教學設計及跨度4個課時的教學活動開展；最后，課程結(jié)束后，從興趣、探究能力及認知負荷三個方面對學生進行后測，對比前后測數(shù)據(jù)，同時對學生的探究過程及最終作品進行分析，研究運用STEM理念跨學科教學后的相關問題。

（4）研究假設

本研究基于三個研究假設：第一，基于STEM理念的課堂教學有利于學生學習興趣的提高；第二，基于STEM理念的課堂教學會增加學生的認知負荷；第三，基于STEM理念的跨學科教學能夠提高學生的探究能力。

3.教學效果分析

（1）基于STEM理念的跨學科教學對學生學習興趣的影響分析

為了檢驗基于STEM理念的跨學科教學對于學生科學學習興趣的影響，在STEM教學開展前后分別對學生進行問卷調(diào)查，借助SPSS對學生學習興趣的前后測數(shù)據(jù)進行配對樣本T檢驗，結(jié)果如表6。

由表6可知，在基于STEM理念的學習之后，學生對于科學課學習的興趣均值達4.0以上，表明在基于STEM的教學中學生具有很高的學習興趣。同時，配對T檢驗顯著性概率p值小于0.05，表明學生在STEM方式下進行科學課學習后其學習興趣存在顯著提升?？梢?，多學科融合的項目化驅(qū)動學習，以真實問題出發(fā)，學生自主參與項目的全過程，學習過程會變得更加有趣和有吸引力，學生更樂于參與活動。即基于STEM理念的跨學科學習更能激發(fā)學生的學習興趣。

（2）基于STEM理念的跨學科教學對學生探究能力的效果分析

研究從定量、定性兩個方面分析了基于STEM理念的跨學科教學對學生探究能力的效果：一是從學生的研發(fā)記錄單以及探究過程等定性數(shù)據(jù)分析，二是從回收的問卷數(shù)據(jù)進行學生探究能力的分析。具體如下：

第一，學生研發(fā)記錄單分析。研發(fā)記錄單記錄了學生從設計到模型程序再到優(yōu)化創(chuàng)新的技術設計全過程。圖4是第6組學生從活動開始到結(jié)束對研發(fā)記錄單的完善過程。學生以圖形結(jié)合的方式記錄了小組在設計、實驗、原因剖析及最后的反思等整個活動中的思維過程。從圖4可以看出，第6組學生提出了2種氣球火箭改進方法，通過實驗，一種達到了目的，一種沒有。從兩種方式實驗后的結(jié)果來看，學生在此活動下并沒有真正了解影響力的狀態(tài)改變的因素。在教師講解氣球火箭涉及到的力與運動知識后，從學生的反思可以發(fā)現(xiàn)，學生對于運動狀態(tài)改變的原因，雖然不能用專業(yè)的語言進行表述，但卻已經(jīng)有了一定的了解。同時，從研發(fā)記錄單還可以看出學生探究過程的完整性。在探究過程中，他們體會到實際制作與前期設計的沖突，在假設與實驗過程中不斷提升思維的縝密性和完整性。

第二，學生氣球火箭探究過程分析。圖5是學生對氣球火箭完善的過程。從學生氣球火箭的外觀設計上可以看出，學生以不同的方式來改進氣球火箭的速度。改進活動體現(xiàn)出學生在多次探究實驗過程中認識到火箭速度的影響因素，并不斷改進。有的學生改變了火箭制作的材料即將軟吸管換成了PVC管以減少摩擦力；有的學生通過增加氣球的數(shù)量以此來增加火箭的反沖力；還有的學生通過改變火箭的運行軌道即將運行軌道傾斜以此使火箭借助一定的外力來增速。雖不是每一種方案都能夠成功，但是在探究過程中可以看出學生將數(shù)學、科學、工程與技術等知識很好地結(jié)合，對力與運動，尤其是反沖力和摩擦力有了更為直觀的認識，能將所學的科學知識很好地運用于探究活動中。

第三，學生探究能力數(shù)據(jù)收集分析。為了驗證基于STEM理念的教學對于學生科學探究能力的影響，研究從探究能力的幾個維度，分別對收集到的數(shù)據(jù)進行配對樣本T檢驗，結(jié)果如表7。由表7可見，經(jīng)過此次STEM教學之后學生在5個維度上的均值均大于4.0，表明學生的探究能力均有所提高。同時，學生在發(fā)現(xiàn)問題、觀察問題、轉(zhuǎn)化資料以及知識轉(zhuǎn)化等方面的一些能力較進行STEM教學之前均有顯著性的變化（p<0.05）?？梢?，學生在參與氣球火箭從設計、實驗到產(chǎn)品發(fā)布的全過程中，不僅提升了學習的興趣，還在一定程度上培養(yǎng)動手能力及科學探究的思維。在收集資料方面，學生前后測不存在顯著性差異，也可能是因為學生在參與STEM課程之前，已具有很高的資料收集能力（均值大于4.0），也可能與華中科技大學附屬小學的智慧教室iPad教學環(huán)境有關。學生在日常學習中都會用到網(wǎng)絡等工具進行資料收集，所以學生在此次課程之后收集資料的能力并沒有顯著性的提高。在知識轉(zhuǎn)化方面，問題講解轉(zhuǎn)化能力沒有顯著變化，這可能與學生的語言表達及邏輯思維能力有關。語言表達及邏輯思維能力的培養(yǎng)是一個過程，不是通過一兩次課程就能改善的。

（3）基于STEM理念的跨學科教學對學生認知負荷的影響分析

研究共收集到有關學生認知負荷的有效數(shù)據(jù)35份，23名學生認為在STEM課堂自己需要更多努力才能夠完成課堂活動，即超過66%的學生在STEM課堂上的認知負荷大于7.0?？鐚W科整合的STEM教育與學生以往的單學科學習方式存在很大的差異，項目化的學習問題，是一個復雜的跨學科情境，沒有固定的答案，這種不確定性使得學生不僅要學習單學科的知識，還要聯(lián)系其他學科的知識來解決問題，因此這可能在一定程度上增加了學生的認知負荷。研究同時對不同認知負荷的學生進行高低分組，將認知負荷大于6.0的學生劃分為高認知負荷組，小于6.0的劃分為低認知負荷組，并對不同組學生的探究能力進行了分析。由圖6我們可以發(fā)現(xiàn)，高認知負荷組的學生在探究能力水平方面略高于低認知負荷組的學生。

六、結(jié)論與建議

本研究以小學5年級《力與運動》單元的綜合實踐活動為例進行基于STEM理念的教學設計及實施，從學習興趣、探究能力及認知負荷三方面對STEM教學對學生的影響進行了研究。通過對研究數(shù)據(jù)以及學生探究過程的分析發(fā)現(xiàn)：（1）基于STEM的教學能夠激發(fā)學生的學習興趣；（2）基于STEM的教學有利于學生探究能力某些方面的提高；（3）基于STEM的教學增加了學生的認知負荷，但一定程度的認知負荷有利于學生探究活動的進行。

本研究以信息化教育環(huán)境為支撐，基于STEM教育理念，從學生項目化探究活動出發(fā)進行了相關的教學設計與實施，但由于對STEM課程仍處于探索階段，教師不完全具備STEM課程所需的綜合素質(zhì)以及條件，本次實驗的設計只是單組實驗，缺少對照組，問卷調(diào)查的數(shù)據(jù)并沒有達到預期的效果。之后的研究將從以下幾個方面進行改進：（1）建立有效的STEM師資培養(yǎng)機制，強化STEM師資隊伍建設，加強教師學科間的融合意識；（2）關注知識學習和能力的綜合發(fā)展；（3）建立相應的STEM課程實驗室和課程教學資源，給STEM課程的開展提供更好的支持和保障；（4）繼續(xù)跟進STEM課程，進行長期更加嚴謹?shù)难芯?，助力于STEM理念落地，完善STEM課程。

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