目前，STEM教育和项目式学习被教育界广泛认可并实践。鉴于两者在核心理念方面的一致性，很多专家学者提倡将两者融合应用。今天分享的文章以实际课例出发，为我们展现STEM教育理念下项目设计的经验和方法，一起来看。

STEM理念下的“智能垃圾桶”项目活动设计与实践

文  |  王伟伟

     STEM教育发端于20世纪80年代，历经30多年的发展已趋于成熟。STEM教育主张“跨学科”“协作”“创新”“做中学”等新型学习方式。

       项目式学习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，注重对学生批判思维能力、问题解决能力、团队协作能力及创新实践能力的培养。

     STEM教育倡导以学习者为中心，这一点与项目式学习的理念不谋而合。STEM教育主张以项目（活动）的形式开展教学。笔者认为，将STEM理念与基于项目的教学活动相结合，即将跨学科知识嵌于项目活动之中，有助于推进STEM教育理念下的教学活动的实施。

秦瑾若指出，STEM教育教学在实践过程中要遵循项目性、趣味性、多维性与协作性四大设计原则，其中项目的设计是整个应用过程的重中之重。

二、STEM理念下的教学活动设计框架

      笔者基于STEM教育的核心理念，依据PBL项目式学习理论，结合教学实践，设计了STEM教育理念下的项目活动设计框架。

     项目活动分为确立项目主题、分析项目问题、建立评价标准、设计解决方案、实施解决方案和展示评价总结六个阶段开展。

（一）确立项目主题

    教师引导学生从生活实际出发选定项目主题，发现生活中存在的问题，提出解决方案并实施，以求解决问题。项目主题应是跨学科的，融合科学、工程、技术和数学等多方面的知识内容，具有趣味性、探究性、实践性、创造性和综合性，并且契合STEM理念和核心素养发展要求。

（二）分析项目问题

     学生明确项目主题之后，并不能马上制订具体的解决方案，还需对项目背景进行分析，明白到底需要解决哪些问题，并通过绘制思维导图梳理问题，整合并利用已有的、跨学科的知识或经验去探索。教师引导学生分析问题，可以发散学生的思维，促进学生分析问题能力的提升。

（三）建立评价标准

     建立评价标准是项目活动设计过程中不可或缺的环节。师生根据任务要求，共同建立具体的评价标准。教师指导学生参考尼尔森“逆向思维”模型，明确哪些是“需要”的，哪些是“不需要”的，最终作品的呈现应该具备怎样的特征，以此搭建“脚手架”，为学生制订项目解决方案提供有意义、有价值的指导。

（四）设计解决方案

      项目活动实施之前，按照“同组异质”“组间同质”的原则对学生分组，确保每个小组各方面能力水平相当。在设计项目解决方案的过程中，各小组针对要解决的问题，依据标准，相互协作、共同探究，结合已掌握的知识经验并辅以教师的指导，自主搜集相关资料，展开讨论，绘制草图，设计解决方案草案。各小组设计完成方案以后，面向全体学生进行方案可行性分析与汇报，并根据教师及其他小组的意见修改，最终确定具体可行的解决方案。

（五）实施解决方案

      各小组分别根据解决方案付诸实施，其间需要各小组分工协作探究，辅以教师的适度指导完成作品，并且根据实际情况对作品进行修改与优化，从而迭代与完善项目解决方案。

（六）展示评价总结

    教师组织各小组学生进行成果交流与展示，并参照师生共同建立的评价标准，结合制作过程对各小组成果的创新性、实用性、价值性等方面进行评价，提出改进建议。学生根据评价意见进行修改与完善。最后教师进行归纳总结，指导各小组完成项目反思报告，梳理并回顾项目学习活动带来的收获与不足，促进学生问题解决能力与协助能力的发展。

三、项目活动的设计与实施

   “创意智造”是笔者针对八年级学生设计的一门拓展课程，指导学生利用Arduino开源硬件与各类电子传感器元件，制作一些富有创意的电子产品。

     笔者依据项目活动设计框架开展教学，让学生在完成项目的过程中提高发现问题并分析与解决问题的能力以及协作能力，从而提升其科学精神、跨学科思维、创新实践能力，同时构建新知识。

    下面，笔者以“创意智造”课程中的具体项目“智能垃圾桶”为例，对STEM教育理念下的项目活动设计与实践进行阐述。

（一）教学内容与目标分析

1.学习者分析

    学习者为八年级学生，他们对“创意智造”课程具备浓厚兴趣且动手能力强，乐于合作。学生已学习过Arduino数字量输出、模拟输入与数字输入，基于超声波传感器、温度传感器、触摸传感器等传感器与Arduino的互动编程以及用Arduino控制舵机模块等知识。设计与制作“智能垃圾桶”需要综合应用Arduino编程知识和其他学科知识。

2.项目活动教学内容与目标分析

     教师基于STEM教育理念，根据教学内容设计相关项目活动（见表1）。学生完成“智能垃圾桶”项目任务需要融合应用多种学科知识，特别是信息技术，以及工程（设计）思想和数学思维。

（二）教学设计与实施

     第一步，确立项目主题。据统计，2018年上海市日均生活垃圾清运量约26 000 吨，年均生活垃圾产生量超过9 000 000 吨，给环境带来较大压力。2019年，上海市人民政府颁布并实施《上海市生活垃圾管理条例》。

     目前，上海市在各社区设立了垃圾分类投放点。垃圾分类已成为新时尚。生活中，人们一般是将垃圾从家用垃圾桶倒入公共垃圾桶。通常每家只用垃圾桶，这不利于垃圾分类。此外，垃圾桶普遍无盖，无法隔离异味（有些垃圾易产生难闻气味）。有些垃圾桶虽有盖子，但需手动开启，存在感染风险。

     如何设计一款智能的垃圾桶来解决上述问题呢？师生讨论后，确立项目主题为“环保小能手——智能垃圾桶”，旨在通过具体产品的设计与制作实现科学知识与信息技术的跨越以及工程设计与数学思维的融合。

     第二步，分析项目问题。各组首先依据项目背景进行分析，结合生活中家用垃圾桶的使用情况及潜在需求，列出需要（智能垃圾桶）解决的问题。

    比如：如何实现垃圾分类？如何排除卫生隐患？如何提升人们的垃圾分类意识？然后应用思维导图呈现拟解决的问题。

     第三步，建立评价标准。在此环节，师生围绕项目主题共同建立评价标准。教师简单列出哪些是“需要”的，哪些是“不需要”的（见表2），恰到好处地帮助学生调整设计标准（难度）即可。

     第四步，制订解决方案。学生针对拟解决的问题，参考评价标准，有针对性地制订解决方案。

教师引导学生结合已有知识与经验，应用科学知识对垃圾初步分类；利用信息技术搜索相关资料并对搜索结果进行有效筛选和分析；组织讨论，制订解决方案并绘制智能垃圾桶原型草图，通过实践提升学生的工程设计能力（表3为A组学生编制的项目解决方案，图1为该组学生设计的智能垃圾桶原型）。

图 1　智能垃圾桶原型设计

       第五步，解决方案的实施。学生按照项目解决方案付诸实施，过程分为准备制作材料、制作智能垃圾桶模型、搭建智能电路并实现功能和测试与优化产品四个环节。

      其一，准备制作材料。各小组根据实际需要准备制作智能垃圾桶的基本材料。

       其二，制作智能垃圾桶模型。各小组分工协作，利用瓦楞纸板制作垃圾桶原型。

根据现有的瓦楞纸板尺寸，计算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打印技术自主设计铰链等结构部件，并通过画笔等美术材料对垃圾桶原型进行装饰。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。

      其三，搭建智能电路并实现功能。学生根据方案设计电路，绘制程序框图，并应用Mixly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。这些训练可以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。

     其四，测试与优化产品。智能垃圾桶初步制作完成后，学生需要对其进行测试，检验是否符合标准，并结合实际使用情况继续完善。

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维能力。

       第六步，展示评价总结。师生依据共同建立的评价标准对各组设计制作的智能垃圾桶进行评价，提出建议。

      各小组结合评价意见撰写项目报告。教师最后进行归纳总结，并引导学生基于现有的智能垃圾桶设计进行拓展，比如尝试设计工业垃圾桶，采用智能制动装置实现垃圾的自动分类。

     笔者提出了基于STEM理念的项目活动设计框架，并做了实证研究。教师在项目教学中从生活情境入手，调动学生的积极性，在完成项目任务的过程中促使学生掌握专业知识，获得实践经验，学会协作，综合应用学科知识，培养创新思维与创造能力。

     由于研究条件有限，笔者设计的项目活动框架还有待优化与完善，日后将结合更多的课题深入研究与应用，以期更好地实施STEM教育理念下的项目教学。