STEM框架下中美項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)比較

劉麗+李興保

摘要：以提高受教育者諸方面能力的素質(zhì)教育成為教育改革發(fā)展的主題，在STEM教育改革的浪潮下，我國以素質(zhì)教育為背景基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，其發(fā)展是否符合國際先進(jìn)教育理念，活動(dòng)內(nèi)容是否符合培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求，值得深入思考和分析。因此，文章以美國“橋梁”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)和中國學(xué)校青少年實(shí)踐活動(dòng)為研究對象，在S（科學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）、M（數(shù)學(xué)）四個(gè)維度上基于STEM結(jié)構(gòu)框架對兩國PBL內(nèi)容進(jìn)行編碼比較分析，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：美國PBL知識數(shù)量多于中國，覆蓋面窄，難度大，活動(dòng)注重?cái)?shù)學(xué)思維；中國PBL知識數(shù)量少，具體學(xué)科涉及廣，內(nèi)容豐富，不深入，活動(dòng)側(cè)重技術(shù)方面?；谝陨辖Y(jié)論，從提高認(rèn)識、培訓(xùn)教師、廣泛實(shí)踐三個(gè)方面展開討論，希望對中國STEM教育的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：STEM；STEM教育 ；基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)；編碼；發(fā)展趨勢

一、STEM教育

1、問題提出。以提高受教育者諸方面素質(zhì)尤其是能力培養(yǎng)和個(gè)性發(fā)展為目標(biāo)的素質(zhì)教育成為教育改革發(fā)展的主題，2010年，國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）明確指出培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要性和緊迫性。[1]STEM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）和數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的簡稱，旨在打破學(xué)科界限，培養(yǎng)學(xué)生的科技理工素養(yǎng)[2]， 1980年，為提升國家競爭力和創(chuàng)新力美國將STEM理念應(yīng)用到教育，2007年，《國家行動(dòng)計(jì)劃：應(yīng)對美國科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育系統(tǒng)的緊急需要》由美國國家科學(xué)委員會（NSF）發(fā)表，該報(bào)告提出STEM教育從本科延伸，希望從中小學(xué)開始實(shí)施。

2、問題解決驅(qū)動(dòng)的、行動(dòng)導(dǎo)向的方式是STEM教育常采用的教學(xué)方法，其中常用的是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project—based Learning，PBL）和基于問題的學(xué)習(xí)（Problem—based Learning，PBL）[3]。面對STEM教育改革的新一輪浪潮，素質(zhì)教育大背景下我國基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，其發(fā)展是否符合國際先進(jìn)教育理念，活動(dòng)內(nèi)容是否符合培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求，值得深入研究。因此，選擇STEM框架下對中美兩國基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)活動(dòng)比較研究，為進(jìn)一步深化我國教育改革，促進(jìn)STEM教育在我國的發(fā)展，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

二、研究現(xiàn)狀

1、中美STEM教育的發(fā)展。早在19世紀(jì)美國就開始嘗試STEM教育，1986年，作為美國STEM教育集成戰(zhàn)略的里程碑報(bào)告《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》，首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)”被視為STEM教育的起點(diǎn)。20世紀(jì)90年代，國家科學(xué)委員會把這四類學(xué)科統(tǒng)稱為STEM[4]。新世紀(jì)以來，美國政府逐步意識到科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要性，自上而下推出國家長期教育戰(zhàn)略規(guī)劃，以此推動(dòng)STEM教育的發(fā)展。為顯示對STEM教育的高度關(guān)注，2007年相繼出臺兩項(xiàng)法案來保障STEM教育的實(shí)施，同年美國州長協(xié)會在冬季會議上也強(qiáng)調(diào)在“創(chuàng)新環(huán)境”中STEM教育的重要性。近年來，美國的STEM教育發(fā)展迅速，不僅有頂層設(shè)計(jì)法律政策的保障，在STEM教育相關(guān)理論、研究方法、學(xué)校課程設(shè)置以及評價(jià)多元化等方面都蓬勃發(fā)展[5]。

近幾年來，隨著STEM教育成為培養(yǎng)創(chuàng)新型和復(fù)合型人才的實(shí)踐手段，我國也慢慢開始研究。分析相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對于STEM教育中國研究者大多較宏觀，實(shí)證研究較少。主要分為以下方面：①理論研究。在2016年關(guān)于STEM教育的論文研究數(shù)量呈爆發(fā)式增長，多以基礎(chǔ)研究為主。華中師大的蔣志輝等人基于STEM教育的背景構(gòu)建了學(xué)生學(xué)習(xí)力培養(yǎng)策略模型，并給出具體實(shí)例

[6]。②教學(xué)實(shí)踐。以北京上海為首多地陸續(xù)開展STEM課程并申報(bào)試點(diǎn)學(xué)校。如江蘇省STEM教育試點(diǎn)項(xiàng)目首期培訓(xùn)班已于2016年3月在南京成功舉辦[7]。

2、基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的相關(guān)比較研究?；陧?xiàng)目式學(xué)習(xí)是有效融合STEM教學(xué)理念的途徑之一，本文提到的PBL即基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。國外對STEM教育已有大量實(shí)證研究。不論從類型、目標(biāo)還是形式來看，STEM學(xué)習(xí)與真實(shí)情境聯(lián)系起來，學(xué)生能創(chuàng)造性的解決問題，跨學(xué)科的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能幫助學(xué)生更好的理解學(xué)科概念。早在2004年，梅里爾（Merrill）的“設(shè)計(jì)樓梯體系”項(xiàng)目將技術(shù)和數(shù)學(xué)學(xué)科有效整合[8]，2006年霍頓（Horton）研制的“地貌主題”項(xiàng)目旨在整合多學(xué)科進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)[9-10]。可見，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生解決問題的重要途徑。隨著STEM的發(fā)展，我國也越來越重視，北京師范大學(xué)率先成立STEM創(chuàng)新教學(xué)研究中心，和北京望京實(shí)驗(yàn)學(xué)校、北京建華學(xué)校建立聯(lián)盟，將空泛的教育理念和口號轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的教育實(shí)踐活動(dòng)。中國PBL主要涉及STEM相關(guān)創(chuàng)意課程設(shè)計(jì)，比如樂高教育課程開發(fā)與研究、LittleBits教育課程設(shè)計(jì)與開發(fā)

[11]。針對這些課程設(shè)計(jì)的比較研究未涉及。

三、理念下的研究設(shè)計(jì)

本研究基于STEM教育結(jié)構(gòu)框架，按照一定的編碼方式對基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)活動(dòng)中涉及的知識點(diǎn)學(xué)科編碼，內(nèi)容量化，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，深入對比得出活動(dòng)中S（科學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）和M（數(shù)學(xué)）維度知識點(diǎn)的整體分布、各維度分布異同、知識點(diǎn)覆蓋的廣度和重合度。

1、研究內(nèi)容和對象。本研究基于STEM結(jié)構(gòu)框架對中美兩國PBL的知識點(diǎn)按具體學(xué)科編碼，根據(jù)涉及具體學(xué)科的頻次將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)的知識點(diǎn)量化，結(jié)合數(shù)據(jù)對活動(dòng)內(nèi)容進(jìn)行描述性分析，進(jìn)而探討以下問題：①兩國活動(dòng)中基于STEM框架下學(xué)科知識點(diǎn)的數(shù)量和分布。②兩國活動(dòng)在S（科學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）、M（數(shù)學(xué)）各維度的知識點(diǎn)數(shù)量及覆蓋面。美國節(jié)選自羅伯特M（Robert M. Capraro）和瑪麗（Mary Margaret Capraro）編寫的一本書籍單元，該書以AJ摩爾學(xué)院（A.J. Moore Academy）和阿金斯學(xué)院（W.C. Akins HS STEM Academy）等學(xué)校為依托，分別從概念界定、發(fā)展起源、理論基礎(chǔ)、教師教學(xué)、課堂管理以及評價(jià)準(zhǔn)則等方面分14章闡述基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)。本研究以該書的一個(gè)學(xué)習(xí)單元為研究對象，該學(xué)習(xí)單元基于項(xiàng)目式活動(dòng)歷時(shí)一周，讓學(xué)生利用小木棒、熱膠棒、白膠漿等工具合作設(shè)計(jì)并建造一座重量最輕且承重最大的“橋梁”。endprint

我國則采用日照市某校七年級學(xué)生在實(shí)踐基地為期一周的活動(dòng)為研究對象。日照市青少年綜合實(shí)踐基地自2004年建設(shè)以來，每年承擔(dān)著1.4萬名學(xué)生的綜合實(shí)踐活動(dòng)任務(wù)，該綜合實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容以培養(yǎng)青少年創(chuàng)新精神、發(fā)展實(shí)踐能力和實(shí)施素質(zhì)教育為根本目標(biāo)，活動(dòng)項(xiàng)目設(shè)置上體現(xiàn)不同學(xué)科交融、學(xué)生動(dòng)手操作等內(nèi)容，與STEM教育的培養(yǎng)理念不謀而合。該活動(dòng)設(shè)置生存能力、發(fā)展能力、創(chuàng)新能力三大類項(xiàng)目。

2、研究方法。STEAM結(jié)構(gòu)框架由美國弗吉尼亞理工大學(xué)學(xué)者G.Yakman提出，是目前國際上公認(rèn)的結(jié)構(gòu)教育體系，本研究以此理論基礎(chǔ)對STEM四個(gè)維度分別編制具體學(xué)科內(nèi)容分析編碼表，依據(jù)編碼學(xué)科對中美PBL涉及的知識點(diǎn)進(jìn)行量化，然后對結(jié)果進(jìn)行描述性分析和可視化統(tǒng)計(jì)，見表1。

三、研究結(jié)果

1、STEM知識點(diǎn)整體分布情況。

①美國PBL知識點(diǎn)總數(shù)多于中國，尤以工程和數(shù)學(xué)知識量居多。根據(jù)編碼統(tǒng)計(jì)，美國PBL知識點(diǎn)總數(shù)為372，中國知識點(diǎn)總數(shù)為265。美國主要涵蓋T（技術(shù)）和M（數(shù)學(xué)），尤以M（數(shù)學(xué)）知識為主，而中國M（數(shù)學(xué)）知識點(diǎn)僅占24%。兩國PBL活動(dòng)中大部分呈現(xiàn)物理、操作等理工科學(xué)科，說明國家越來越重視學(xué)生的動(dòng)手操作能力。中國PBL內(nèi)容更豐富，幾乎涵蓋所有維度。根據(jù)STEM各維度所占比重來看，中國是T>E=M>S，美國各維度表現(xiàn)為M>T>E>S。從圖2看出，中國各維度的知識點(diǎn)比重幾乎相當(dāng)，S（科學(xué)）所占比重少些，約為17%。美國在T（技術(shù)）、E（工程）方面的知識點(diǎn)分布相當(dāng)，M（數(shù)學(xué)）突出，約是中國M知識點(diǎn)個(gè)數(shù)的3倍，可見美國對數(shù)學(xué)學(xué)科的重視程度。

②中美兩國部分知識點(diǎn)重合度較高，各維度側(cè)重點(diǎn)不同。

中國PBL幾乎涵蓋所有知識點(diǎn)共33個(gè)，美國PBL涉及的具體知識點(diǎn)共18個(gè)。如圖3，將中國PBL中學(xué)科排名前八位與美國相應(yīng)學(xué)科進(jìn)行比較，結(jié)果顯示兩國部分知識點(diǎn)的重合度較高。S（科學(xué)）維度中除物理學(xué)S-1有重合外，其他具體學(xué)科都差別很大，E（工程）維度中除建筑設(shè)計(jì)E-2、材料科學(xué)E-11、機(jī)械E-12有重合外，其他學(xué)科無重疊，且重合的學(xué)科中美國知識點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)多于中國，中國PBL的學(xué)科涵蓋知識點(diǎn)數(shù)量少，涉及具體學(xué)科多，內(nèi)容豐富；美國PBL的學(xué)科涵蓋知識點(diǎn)數(shù)量多，具體學(xué)科涉及少，研究深入。

2、S、T、E、M維度知識點(diǎn)分布情況。

1.S（科學(xué)）維度知識點(diǎn)的分布對比：

由圖4得，中美兩國PBL在S（科學(xué)）維度的分布上都關(guān)注物理學(xué)S-1和空間科學(xué)S-5等具體學(xué)科，且物理學(xué)所占比重最大。美國PBL在S（科學(xué)）維度共包含三個(gè)具體學(xué)科，且比例不均，物理學(xué)學(xué)科約占S（科學(xué)）維度的七成，重點(diǎn)突出。而中國PBL包含所有S（科學(xué)）維度的具體學(xué)科，所占比重均衡，說明中國PBL促進(jìn)學(xué)生素質(zhì)的綜合、均衡發(fā)展。總的來看，中國PBL在S（科學(xué)）維度知識點(diǎn)的覆蓋面廣，兩國PBL在該維度的側(cè)重點(diǎn)不同。

2、T（技術(shù)）維度知識點(diǎn)的分布對比：由雷達(dá)圖5可以看出，中美兩國PBL在T（技術(shù)）維度上的覆蓋面差異較大。相同：中美兩國PBL都越來越注重發(fā)展學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，在T（技術(shù)）維度上，中國操作學(xué)科占比重為16%，而美國操作所占比例更是高達(dá)47%，可見兩國PBL的內(nèi)容分布呈現(xiàn)較高一致性。不同：中國PBL在T維度上分布廣，各個(gè)學(xué)科分布均勻，主要以操作和信息為主。美國PBL則分布相對集中，尤其是操作T-11學(xué)科約占五成，對于操作性知識的側(cè)重呈現(xiàn)一邊倒傾向，對于信息和制造學(xué)科涉及很少。

3、E（工程）維度知識點(diǎn)分布對比：如圖6所示，外環(huán)為美國PBL在E（工程）維度上知識點(diǎn)分布，內(nèi)環(huán)為中國PBL。美國主要集中在材料科學(xué)和建筑設(shè)計(jì)學(xué)科，中國覆蓋范圍遠(yuǎn)比美國廣。圖中信息顯示，中美兩國PBL在E（工程）維度上知識側(cè)重點(diǎn)差別較大。美國的覆蓋面相對集中，主要是建筑設(shè)計(jì)、材料科學(xué)和機(jī)械，幾乎三等分。中國PBL可以明顯的看出其關(guān)注點(diǎn)比美國多樣化，幾乎涵蓋E維度的所有科目，其中以機(jī)電和建筑設(shè)計(jì)為主。在土木工程、海洋工程方面，兩國都沒有涉及。

4.M（數(shù)學(xué)）維度知識點(diǎn)的分布對比：

圖7中，外環(huán)是中國PBL在M（數(shù)學(xué)）維度上的具體科目分布，美國PBL的具體科目分布在內(nèi)環(huán)，圖中可以看出，在M（數(shù)學(xué)）維度上中美兩國PBL具體學(xué)科的重合度很高，具有一定的共性。主要集中在數(shù)及運(yùn)算、推理與證明等學(xué)科。美國的側(cè)重點(diǎn)在數(shù)及運(yùn)算和量度上，約占六成，其余學(xué)科則平均分布。中國主要關(guān)注代數(shù)學(xué)和幾何學(xué)，對學(xué)生的數(shù)學(xué)計(jì)算能力要求提高。同時(shí)，兩國對概率分析和三角函數(shù)等其他性質(zhì)的數(shù)學(xué)問題均未涉及。

四、結(jié)論和啟示

1、數(shù)據(jù)分析。endprint

（1）PBL知識點(diǎn)橫向差異。①中國PBL涉及的具體學(xué)科數(shù)量遠(yuǎn)高于美國，知識點(diǎn)覆蓋更廣，內(nèi)容更豐富，有助于拓展學(xué)生視野，發(fā)展學(xué)生的多方面能力，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，也與中國PBL活動(dòng)的目標(biāo)——提高受教育者綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才相吻合。在M（數(shù)學(xué)）維度上，兩國重合度很高，但在S（科學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）維度上差異明顯。充分說明兩國對數(shù)學(xué)的重視度趨同，而對其他維度知識的側(cè)重點(diǎn)不同，在S（科學(xué)）維度上中國重視生物學(xué)、化學(xué)學(xué)科，而美國對這些學(xué)科未涉及，T（技術(shù)）維度美國對醫(yī)學(xué)、電力學(xué)科未關(guān)注，中國則主要強(qiáng)調(diào)電力知識內(nèi)容。②兩國PBL在具體學(xué)科數(shù)量上差異很大，但部分具體學(xué)科重合度很高，主要有物理、建筑設(shè)計(jì)、代數(shù)等學(xué)科，在土木工程、概率分析等學(xué)科皆為空白，說明兩國PBL的側(cè)重點(diǎn)相似，都以學(xué)習(xí)者為中心，打破傳統(tǒng)教師灌輸、學(xué)生被動(dòng)的教學(xué)模式，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的理工思維和發(fā)散思維，強(qiáng)調(diào)自主構(gòu)建知識，發(fā)展他們的實(shí)踐操作能力，注重深度學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)。

（2）PBL知識點(diǎn)縱向差異。①美國PBL知識點(diǎn)總數(shù)多，具體維度上知識點(diǎn)類別少，內(nèi)容深入且具體，層次性增強(qiáng)。美國STEM教育發(fā)展至今，正逐步實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新人力資源和提高國民技術(shù)素質(zhì)的目標(biāo)，在實(shí)施過程中更加注重層次與深度。中國PBL涉及知識面廣，但具體內(nèi)容泛而不深入，表現(xiàn)在知識跨度大難度小，停留在對部分生活實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察上，關(guān)于現(xiàn)象背后的解釋涉及甚少。中國素質(zhì)教育在STEM框架下顯現(xiàn)出的結(jié)論符合其教育的宗旨，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，通過實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展教育，促進(jìn)學(xué)生的最優(yōu)發(fā)展。②M（數(shù)學(xué)）維度上，兩國都關(guān)注較多，尤其是代數(shù)、幾何、問題求解和數(shù)學(xué)原理等學(xué)科，知識難度由淺入深，層層遞進(jìn)，將數(shù)學(xué)知識融入到PBL中，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)思維和數(shù)學(xué)建模思想，在運(yùn)用高階思維解決數(shù)學(xué)問題方面兩國表現(xiàn)出足夠的重視。

2、數(shù)據(jù)差異對我國PBL的啟示。

中國PBL覆蓋面廣，適當(dāng)增進(jìn)深度。通過以上研究結(jié)果，一方面中國PBL知識點(diǎn)覆蓋面廣，學(xué)科間融合性強(qiáng)，有助于拓展學(xué)生視野，活動(dòng)設(shè)計(jì)豐富，注重與實(shí)際生活聯(lián)系；另一方面從STEM教育視角出發(fā)，中國PBL學(xué)科難度設(shè)計(jì)上未體現(xiàn)由淺入深的層次性。在素質(zhì)教育背景下中國PBL體現(xiàn)出素質(zhì)教育的全面性、基礎(chǔ)性和學(xué)生的主體性。近年來，國內(nèi)STEM教育蓬勃發(fā)展。將理念和思想層面轉(zhuǎn)化為行動(dòng)實(shí)踐仍是發(fā)展中的難題。基于STEM框架下中美兩國PBL的比較分析，以研究問題為出發(fā)點(diǎn)，主要從以下三方面展開討論：

（1）提高各界人士對STEM教育的認(rèn)識?？v觀美國STEM教育的發(fā)展，政府部門的參與起著主要推動(dòng)、積極導(dǎo)向作用，企業(yè)界、教育界以及社會各界都為STEM教育提供多維度支持。同理中國STEM教育也應(yīng)當(dāng)主動(dòng)變革，加快相關(guān)法律規(guī)范的的制定來保障其發(fā)展，充分發(fā)揮企業(yè)界、教育界以及社會各界人士的推動(dòng)作用。

（2）培訓(xùn)STEM教育的專業(yè)教師。相比較美國整合性STEM教育對專業(yè)教師培養(yǎng)的關(guān)注，我國STEM教育的現(xiàn)狀，教師更側(cè)重在活動(dòng)中指導(dǎo)、幫助學(xué)生，缺乏引導(dǎo)學(xué)生自主探索的精神，不利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新素養(yǎng)形成。在STEM教育中，學(xué)生雖然通過思考、動(dòng)手實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成任務(wù)，但在解決問題過程中，并未學(xué)會如何發(fā)現(xiàn)問題、深化理解所學(xué)知識、知識的遷移應(yīng)用等，具體實(shí)施過程中，缺乏專業(yè)化的教學(xué)和實(shí)踐方法。

（3）開展廣泛STEM教育實(shí)踐研究。在STEM教育中，要求學(xué)生對各個(gè)學(xué)科都有足夠認(rèn)識，進(jìn)行整合學(xué)習(xí)以提高學(xué)生的應(yīng)用能力，實(shí)踐研究作為有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、促進(jìn)學(xué)生能力提高的活動(dòng)應(yīng)該在多個(gè)教育階段開展。實(shí)踐活動(dòng)的復(fù)雜性不僅有利于學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，加深對本學(xué)科知識的深度思考，還能變革學(xué)習(xí)方法，成為學(xué)習(xí)的主動(dòng)參與者；實(shí)踐活動(dòng)的真實(shí)性幫助學(xué)生自主構(gòu)建知識，對專業(yè)主題更好理解，促進(jìn)學(xué)習(xí)者解決問題和發(fā)散創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。廣泛開展相關(guān)實(shí)踐研究，進(jìn)而使學(xué)習(xí)者低階能力得到提升，高階能力得到增強(qiáng)。

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