国外STEM导向的在线项目式学习：内涵厘定和平台建设

摘   要：STEM导向的在线项目式学习以STEM学科整合为目的，以真实情境中的问题为驱动，活动中突出学生的主体性，帮助学生将理论知识与生活实际相联系，有利于培养学生的创新创造能力。文章以国内外典型的结合STEM理念的项目式学习平台为例，从理论基础、基本功能、平台运行机制和学习模式，以及平台内容的呈现方式四个方面进行比较与分析，为STEM导向的项目式学习的发展提供参考。

关键词：STEM 在线项目式学习 学习平台

当代国际科技竞争新格局转向聚集科技创新型人才，科技创新人才成为国家不断发展的源动力。科技创新人才的培养呼唤着教育教学方式的变革，从关注学生对知识的理解与记忆等低层级学习目标，转向关注学生对知识的评价与创造等高层级学习目标。科学、技术、工程和数学（Science，Technology，Engineering，Mathematics，STEM）教育近年来成为培养学生评价创造能力的重要渠道，其课程的综合性、探究性等性质与科技创新人才培养的本质相契合。但目前我国中小学STEM教育面临着教师培养和专业发展的凌乱与空白、课程标准和课程目标的缺位与异位、课程支持与课程资源的严峻与匮乏、教学手段和教学模式的僵化与单一等问题。[1]美国研究所（American Institutes for Research，AIR）和联邦教育部于2016年9月联合发布的《STEM 2026：STEM教育创新愿景》（STEM 2026： A Vision for Innovation in STEM Education）报告提到，未来可能颠覆STEM课堂的六类技术分别是在线协作工具、在线混合教育环境、沉浸式媒体、仿真游戏、智能导师系统和增强与虚拟现实。[2]在线教学平台将教学资源、在线协作工具和仿真实验融入其中，具有学习灵活、资源共享等特点，有利于打造在线混合教育环境和具有包容性的学习空间。因此，探索在线教学平台支持的STEM教育对于解决我国中小学STEM教育面临的问题具有重要意义。在线教学平台支持的STEM教育是指教师将STEM在线教学与面授相结合，利用网络教学平台，开发优质教育资源，监督学生学习情况等。

一、STEM导向的在线项目式学习的内涵、实施路径和特征

（一）内涵

STEM教育由美国率先提出并付诸实践，致力于将四门学科有机融合，培养学生的创新精神和创造能力。它的推行体现了实用主义哲学对美国教育政策的影响和美国保持国际领先地位的人才理念。[3]STEM教育强调在真实问题的解决中，同时融合多个学科知识内容，故而STEM课程的设计者需要将学科问题转化为可操作的项目，学生参加STEM课程即是解决问题和完成项目的过程。因此，项目的设计是STEM教育的核心工作和着力点，项目成为连接各个学科的桥梁。[4]穆斯塔法（Mustafa）等学者对近十年STEM整合课程研究的元分析也表明，项目式学习是当前STEM整合课程开展数量最多的学习模式。[5]

项目式学习的概念由美国哥伦比亚大学克伯屈（Kilpatrick）于1918年在《项目式学习》（The Project Method）中提出。项目式学习融合了多种教育理念。从渊源来看，项目式学习发轫于杜威“做中学”的思想，强调学生和活动两个方面。建构主义理论也对项目式学习产生了重要影响。建构主义认为知识不是通过外界传授而是在一定的情境下借助必要的学习资料通过意义建构获得的，更强调协作和情境的作用。项目式学习实质上就是一种基于建构主义学习理论的探究性学习模式。[6]此外，布鲁纳的发现学习理论和加德纳的多元智能理论的核心观念在项目式学习的过程中都有所体现。

关于项目式学习的定义，不同学者众说纷纭。克伯屈从项目式学习的本质属性出发，认为项目式学习是一个有目的的活动。[7]托马斯（Thmoas）从教师参与过程考虑，采用过程性定义的方法，认为项目教学法是一种学习模式，它整合项目有关的学习资源进行学习。[8]德国慕尼黑大学的蒂佩尔特（Tippelt）采用结果性定义的方法，认为项目教学是一种学习策略[9]，运用该策略可以将项目的开展或者主题的学习与教学进行实际的整合，学生积极主动和独立地参与其中。综合以上几个项目式学习的定义，可以总结出项目式学习包含四个特征：有明确的目的，即通过项目的学习后可以获得特定的素养;积极构建，学生是项目式学习的中心;情景学习，项目的设置要与现实生活情景相融合，以利于现实问题的解决;社会交互，项目式学习过程中需要同伴的合作与交流。

项目式学习与STEM教育理念不谋而合，STEM导向的项目式教学即以STEM学科整合为目的，强调为学生提供真实情境中的问题，引导学生掌握和运用跨学科技能，完成项目学习，从而培养学生的实际问题解决能力与创新创造能力。

（二）实施路径

目前已有研究探索了STEM教育导向下项目式学习的实施途径。张洪波等人构建了STEM导向下项目式学习模式，该模式主要包含问题驱动、项目设计、实践探究和项目评估四个环节。[10]申燕等人设计了“探秘人体的呼吸”的项目式学习，充分挖掘了该主题之下的物理（速度概念与测量、气体压强）、生物（呼吸运动的原理、气体在血液中的运输、细胞呼吸作用产生的物质变化）、技术（模型制作）、艺术（图表绘制）、数学（速度的计算）、语文（文本阅读获取重要信息）等学科知识。[11]张莹等人以人教版高中生物选修教材中“分解纤维素的微生物的分离”为例，运用STEM理念，借助项目式学习方法设计了实验室项目。[12]

尽管STEM导向的项目式学习已经初有成效且覆盖不同的学段，但已有研究多关注线下STEM导向的项目式学习的落地。在线教学在疫情之下成为全世界热议的话题，也成为学者的重点研究对象。从疫情防控下在线教育的本质到大规模教学模式的探索，再到对在线教育营造的全媒体学习生态中各要素的探讨，研究者全方位审视在线教学。全媒体学习生态中一个重要的元素便是数字化教学资源的供给。成秀丽指出，“数字化教学资源是随着信息技术的发展出现的，以数字形态存在和服务于教育教学的资源”[13]。在线项目式学习平台便是数字化教学资源的一种，可为教师和学生提供虚拟网络学习环境。传统学习环境中进行项目式学习会遇到诸多限制，如学习资源不足、学习方式单一、师生之间缺乏深度的交流合作等。[14]信息技术的发展为这些问题提供了解决方案。在线教学平台可为项目式学习提供丰富的教学资源，平台嵌入的教学工具可以管理学生学习过程，并对学生进行自动评价，既提高了学生项目式学习的效率，又有助于消除很多线下STEM教育的障碍。

（三）特征

信息技术为教育信息化的发展提供了主要动力和重要支撑。技术在教育领域扮演着越来越重要的角色，当技术介入到STEM导向的项目式学习中必然会带给师生新的体验和不同的学习效果。

在线教学平台有助于提高学习资源的利用率。平台拓宽了师生的学习空间，将局限于物理空间的师生带到虚拟学习空间中，丰富学生学习方式。项目式学习需要的不是根据固定课本执行教案的教师，而是能融合项目与学科内容、实现跨学科指导的教师。这无疑对教师的知识广度和学科深度提出了严峻的挑战，而在线教学平台可以为教师提供更多教学资源、实现项目的可复制性、提高项目的利用率，使得更多的教师可以顺利地开展项目式学习。此外，学生在参与项目式学习时，仅仅依靠课本知识难以解决项目问题，可以通过互联网获取相关知识，再对新知识进行分辨和整合，并运用到问题解决中。在线项目式学习空间为学生提供了更自由地进行研究、学习的机会。

在线教学平台支持学生在线协作。以美国工程与科学教育促进中心（The Center for Improved Engineering and Science Education）发起的“国际沸点”（International Boiling Point）项目为例，该项目通过网络组织全球不同地区的学生开展烧开水实验，旨在通过实验探究对水的沸点影响最大的因素。学生在项目中需要做实验、记录数据并上传到项目数据库中，然后教师再组织学生对这些数据进行分析、研究。这种技术支持下的在线项目式学习为学生提供了远程沟通协作的机会。

在线教学平台支持教师对学习过程进行管理，项目式学习有其相对固定的流程，而且每个阶段都会有其对应的生成性资料。传统教学环境中实施项目式教学会遇到课堂项目进度难以掌控和生成性资料难以收集等问题，教师既需要掌控项目进度，又需要给学生指导，还需要开展过程性评价，这对教师是一个巨大的挑战。在线项目式学习平台可以将项目进度整合在平台内，利用平台收集生成性资料，帮助教师更加便利地掌握学情。

在线教学平台支持以多种形式呈现知识。对于物理的力、化学的分子结构、生物的细胞分裂、地理的四季变换等抽象概念，学生在学习中存在障碍，仅仅依靠书本上经过提炼概括后的知识和静态的图片难以深入理解。根据通道原理，在多媒体学习环境中，教学信息应该尽量通过双通道来呈现。在线教学平台可以以声音、图文、视频、实时数据等多种方式呈现知识，同时也支持学生以多种方式表达所学知识，有助于增强学生对于复杂概念的理解。

二、STEM导向的项目式学习平台典型案例

信息技术可以支持更好的项目式学习环境的构建，同时为学生提供合适的探究工具。根据近年来项目式学习平台的发展和应用情况，本研究选取了两个已广泛应用于教育教学实践中的项目式学习平台进行分析，分别是基于网络的科学探究环境（Web-based Inquiry Science Environment，WISE）和基于证据的项目式学习系统（Evidence-based Project Based Learning System，EPBL）。WISE是美国伯克利大学林（Marcia C. Linn）教授主持的“知识整合环境”（Knowledge Integration Environment，KIE）研究计划的研究成果，该平台面向四至十二年级的学生，提供了很多STEM主题的项目供学生和教师使用。EPBL是北京师范大学马宁副教授组织设计的项目式学习平台，汇集了国内外优秀的项目式学习的方案和案例，这些案例与21世纪技能相对应，平台还结合我国课标和核心素养发展框架开发系列K-12项目式课程。

（一）平台的理论基础

WISE平台是以知识整合理论为主要指导的在线项目式学习平台。在知识整合理论视角下，学习者在探索世界时会针对所观察到的事物发展相应的解释。针对科学的某一特定主题，学习者会持有独特的看法，这些看法被称为“观念库”。知识整合理论倡导从学生的“观念库”出发，充分发挥学生的潜力以支持学生检查、批判、验证和重组自己的观念库。该平台提供的系列项目遵循知识整合理念和模式，每个项目中都包含了析出“观念库”、添加新的“观念库”、运用科学证据分辨各种观念和反思与整理四个步骤，以促进学生形成一致性的科学观念。

EPBL平台的理论基础是基于证据的教与学和证据中心设计理论。[15]基于证据的教学理论来源于医学，意指“基于证据的实践”。1996年英国剑桥大学教授大卫·哈格里夫斯（David Hargreaves）将其引入到教育实践中，认为教师应该遵循教育规律展开教学工作。教育领域的证据发展至今，有两层含义：一是从教师角度考量意味着教师在教学中需要不断地收集证据，依据学生在学习中的生成性资料完善指导和评价策略;二是从学生角度考量意味着学生在学习过程中需要依据证据来支持自己的发现和观点。[16]EPBL平台支持收集学生的学习过程数据，并根据学生学习路径和生成性材料形成与核心素养相对应的学生能力图谱，从宏观角度观察学生的能力架构。

（二）平台的基本功能

韩锡斌结合近年MOOC平台的功能变化制定了新的教学平台评价指标（见表1）。[17]本研究参考此评价体系，主要从学习管理工具、系统支持工具两方面对比分析WISE和EPBL。

两个在线项目式学习平台在效能工具、交流工具、课程设计工具三个方面具有较多相似性。其一，效能工具。两个平台均提供项目任务、项目地图、学习支架，还支持虚拟仿真实验。两个平台均在每个项目开始前提供对应的任务，帮助学生明晰项目的学习目标;在学生实施项目过程中提供探究路径，指导学生项目式学习路径;平台内嵌入了问题、暗示、建议等支架帮助学生建构、反思知识;虚拟仿真实验可以支持学生自由探索和多次实验。其二，交流工具。两个平台均提供讨论区、日志笔记功能，支持学生记录学习过程的数据并与同学共享理解。其三，课程设计工具。两个平台均提供精品项目，精品项目内容对所有用户公开且可进行二次开发，二次开发的功能为适应不同教学风格的教师和不同学习情况的学生提供可能，使得平台中的项目更具有普适性和可迁移性。其四，学生参与工具。两平台提供学生自评和互评功能，学生在阐述完自己对于科学事件或概念的看法后，还可以查看其他同学的看法并对比反思，同时在平台内对其他同学的观点给予基于证据的反驳。