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STEM教育背景下小学生问题解决能力培养课程设计

王蕊詹镜焦新月范淑文王培鑫

●文献综述

1.STEM教育

STEM教育旨在通过科学、技术、工程和数学四门学科的有机整合，培养学生的STEM素养，即让学生能够综合运用科学、技术、工程和数学等相关领域知识解决生活中的实际问题，从而培养学生的创新能力和综合实践应用能力。[3]从特点来看，余胜泉强调STEM以整合的方式培养学生掌握知识和技能，能让学生灵活迁移应用解决真实世界的问题，并提出了STEM教育的九个核心特征：跨学科性、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性。[4]

2.问题解决与问题解决能力

从问题解决的含义来看，问题解决是指学生在特定的情境下，按照一定的目标，运用所学的知识对面临的问题采取一系列措施，使问题得以解决的过程。[5]从问题解决能力的培养来看，方慧惠结合中小学生核心素养，制订了中小学生问题解决能力培养目标，从教学过程中创设情境，引起学生问题意识，加强问题解决实践，促进中小学生养成问题解决能力。[6]

3.基于STEM教育培养问题解决能力

STEM教育中，强调利用多学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限，从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力的教育目标，这些问题往往是真实的，并将问题转化为可执行的任务，让学生通过协作完成学习任务并外化学习结果。[4]根据目前在跨学科真实情境中解决问题的实践研究，可以看出STEM教育对中小学生问题解决能力培养有以下支持作用：①创设真实情境，聚焦学习目标;②提供多元工具、交叉学科知识;③群组互补交互，促进互动协作。[7]因此，STEM教育对学生问题解决能力的培养有积极作用，让学生通过协作，切身感受问题解决流程，完成教学任务并切实学习跨学科知识。

目前STEM教育在我国蓬勃发展，在理论研究、跨学科教学设计以及课程建设等方面取得了丰硕成果。在STEM教育背景下学生问题解决能力培养的研究也有一定进展，如樊雅琴等人通过分析问题解决的学习机制，设计了问题解决模型[8];秦瑾若等人提出基于真实问题情境的跨学科式STEM教育的应用模式设计[2];王一敏等人构建了基于STEM理念的中小學生问题解决能力培养模型。[7]但是，将STEM教育融入我国基础教育还存在很多挑战，如何在实际课程中基于STEM教育培养学生的问题解决能力仍然值得我们探索。

●基于问题解决能力培养的STEM课程设计模式

STEM教育是一种典型的建构主义教学实践：为学生提供学习情境，让他们积极地建构知识，从而强化对知识的记忆和促进迁移;以小组为单位进行活动，为知识的社会建构提供优越条件。[9]因此，STEM课程的教学活动环节设计需要满足建构主义教学实践的几个基本要求：①学习情境;②待学习的知识或待解决的问题;③小组合作探究。

问题解决是一系列的心理认知过程，为了寻找解决问题的途径，学生需要经过一系列思维活动，运用多学科知识，将其应用到具体的问题情境中。[7]因此，在培养学生问题解决能力时，应面向每一个环节进行设计，注重情境的创设和跨学科知识的融合，这与STEM教育的教学理念相辅相成，将二者有效融合，能够很好地培养学生的问题解决能力和跨学科整合学习能力。

本文将STEM跨学科项目设计模式中的学习活动过程设计环节与学生问题解决能力的培养紧密联系，结合STEM项目设计模式[4]以及STEM理念下中小学生问题解决能力培养模型[7]，得出一种基于问题解决能力培养的STEM课程设计模式（如图1）。本模式在“教学分析”的基础上，以“问题”为核心立足点，设计问题解决过程中的学习资源与工具、学习支架、学习评价等关键环节，并参考问题解决能力培养模型设计学习活动过程，同时关注项目完成后，学生获得知识的系统化与结构化迁移，并有相应的强化练习与总结提升，引导学生做中学，以培养学生在真实情境中运用知识解决问题的能力。

●基于问题解决能力培养的STEM课程教学设计案例

1.确定项目主题

（1）项目主题阐述

本套课程以“神奇的航海寻宝之旅”为主题，共设计6个课时的系列课程。结合科学、技术、工程及数学知识，将学生置身于真实的情境中，利用编程学习中的“顺序结构”“条件判断语句”和“循环结构”知识，同时结合位置、坐标、方位角等知识，组织学生合作探究，让学生解决问题，完成寻宝任务，在此过程中逐步培养学生的问题解决能力。

（2）跨学科知识地图分析（如下页图2）

（3）学生特征分析

2.分解教学任务

（1）最优路线选择

学生通过教师给定的宝物位置和行驶起点，根据mBlock平台的积木代码，编程实现理想化状态下起点与宝物之间的最短路线。

（2）礁石问题

学生通过学习礁石的形成原因，分析如何在行进过程中躲避礁石，得出躲避礁石路线，并使用mBlock编程平台实现礁石的躲避路线。