王一敏 姚昕雨

摘 要：信息時代下，隨著技術(shù)素養(yǎng)的流行與普及，具備解決現(xiàn)實中劣構(gòu)問題的人才更加符合社會需要，問題解決能力逐漸成為21世紀學生的必備技能。STEM理念以其跨學科的特點，為促進問題解決能力提升提供可行性。本研究按照“理論分析-模型構(gòu)建-實踐驗證”的思路，分析了問題解決的一般過程，梳理出STEM理念對中小學生問題解決能力培養(yǎng)的支持，構(gòu)建了基于STEM理念的中小學生問題解決能力培養(yǎng)模型，并設(shè)計了相關(guān)課程開展實踐研究。實踐證明，該模型能夠有效提升中小學生問題解決能力，以期為新一輪“課堂革命”和基礎(chǔ)教育創(chuàng)新型和實踐型人才培養(yǎng)提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：STEM教育；中小學生；問題解決能力；培養(yǎng)模型

中圖分類號：G40 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）19-0016-05

一、問題的提出

新時代我國對創(chuàng)造型與實踐型人才需求的不斷提升，呼喚著利用跨學科思維重構(gòu)原有課堂教學、探索新型教學模式、培養(yǎng)創(chuàng)新人才。教育部部長陳寶生指出要把質(zhì)量作為教育的生命線，深化基礎(chǔ)教育人才培養(yǎng)模式改革，努力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，凸顯創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要性與緊迫性。[1]《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》提出，要以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，注重學生“批判性思維、問題解決、技術(shù)運用”[2]等能力的培養(yǎng)，強調(diào)實干而非紙上談兵。經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）開展的PISA項目在評測學生的知識領(lǐng)域時，不僅關(guān)注學生在學習和知識運用過程中的表現(xiàn)，還關(guān)注學生的思維和解決問題的過程，可以看出問題解決能力是創(chuàng)新型人才必備的能力之一。[3]問題解決是指學生在特定的情境下，按照一定的目標，運用所學的知識對面臨的問題采取一系列措施、使問題得以解決的過程。[4]現(xiàn)實生活中的劣構(gòu)問題大多需要應(yīng)用跨學科思維與多學科知識解決，這與STEM主張的跨學科理念不謀而合。應(yīng)用STEM理念能為學生解決問題建構(gòu)真實的情境，激發(fā)學生多視角思考問題的意識，并明晰學生利用不同學科知識尋找多種解決問題的途徑。[5]本研究從問題解決的一般過程出發(fā)，分析了STEM理念對中小學生問題解決能力培養(yǎng)的支持作用，構(gòu)建了基于STEM理念的中小學生問題解決能力培養(yǎng)模型并驗證其有效性，以期為新時代培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供有益借鑒。

二、相關(guān)研究述評

1.中小學生問題解決能力研究述評

問題解決能力是指個人運用認知過程來面對并解決一個真實的、跨學科情境中問題的能力，[6]是機體（包括人類和動物）通過不斷的試誤發(fā)現(xiàn)正確的解決方法的過程。[7]目前關(guān)于中小學生問題解決能力的研究主要包括內(nèi)涵梳理、策略構(gòu)建和具體學科實踐等幾個方面，如伍遠岳等通過文獻研究，梳理出問題解決能力的內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)與特點；[8]方惠慧等結(jié)合中小學生核心素養(yǎng)，提出培養(yǎng)中小學生問題解決能力的相關(guān)策略；[9]郭新春依托小學數(shù)學課開展實踐研究，構(gòu)建了提升小學生數(shù)學問題解決能力的教學模式。[10]綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有對中小學生問題解決能力培養(yǎng)與提升的研究仍處于起步階段，基于STEM理念的中小學生問題解決能力培養(yǎng)路徑尚未明晰，應(yīng)用STEM理念開展中小學生問題解決能力培養(yǎng)與提升的實踐仍需探索。

2.STEM理念在中小學生中的應(yīng)用研究述評

STEM教育的核心理念是跨學科。國外的STEM教育項目覆蓋面廣，基本囊括了整個K-12學段，涉及眾多學科內(nèi)容并注重從實踐中培養(yǎng)學生的跨學科素養(yǎng)和問題解決的能力，如北卡羅來納州中學學生通過項目實踐活動整合多學科知識解決現(xiàn)實中的問題；[11]非盈利的STEM教育項目工程冒險（Engineering Adventures）和項目引路（Project Lead To the Way，PLTW）通過創(chuàng)新課程，以基于項目的形式使學習者學習數(shù)學與科學等知識，并通過真實項目提高其問題解決與反思能力。[12]國內(nèi)STEM教育在中小學生中的應(yīng)用主要聚焦于理論梳理和基于項目或問題的教學實踐，如傅騫等將STEM作為一種教學策略，梳理出驗證型、探究型、制造型和創(chuàng)造型應(yīng)用模式；[13]秦瑾若等通過實踐構(gòu)建了基于STEM的真實問題情境跨學科教學模式；[14]余勝泉提出了基于STEM課程的跨學科整合模式，[15]綜合上述分析可以看出，STEM理念在中小學生中的應(yīng)用研究現(xiàn)已全面鋪開，但大多從理論梳理和課程實施的視角切入，聚焦學生問題解決能力培養(yǎng)與提升的實踐研究仍需探索。

三、基于STEM理念的中小學生問題解決能力培養(yǎng)模型構(gòu)建

1.問題解決的一般過程

問題解決是一系列的心理認知過程，為了尋找解決問題的途徑，學生需要經(jīng)過一系列思維活動，運用多學科知識，將其應(yīng)用到具體的問題情境，包括對問題的表征、推理、反思等。綜合杜威、波利亞、斯滕伯格等人關(guān)于“問題解決流程”的觀點發(fā)現(xiàn)，問題解決的首要條件是具備提出問題的意識，對問題展開描述，然后根據(jù)線索或資料尋找解決問題的方法。之后的學者在此基礎(chǔ)上提出了協(xié)助問題解決的一系列策略，包括重視教學情境的創(chuàng)設(shè)、讓學生處于真實情境中發(fā)現(xiàn)問題，[16]以及提出開放性問題以吸引學生討論[17]等。因此，在培養(yǎng)學生問題解決能力時應(yīng)面向每一個環(huán)節(jié)進行設(shè)計，注重情境的創(chuàng)設(shè)和跨學科知識的聯(lián)合。在評價學生問題解決能力時也應(yīng)注重過程性評價，利用問題解決量表，[18]從多個環(huán)節(jié)測量學生解決問題的能力，例如理解問題的能力、辨別問題的能力、表述問題的能力、解決問題的能力、反思交流的能力等。[19]基于此，本研究梳理出“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題—反思問題”的問題解決的一般流程，如圖1所示。該流程以基于項目的學習為主，學生在特定的教學情境下發(fā)現(xiàn)問題，通過匹配合作伙伴，在真實情境中分析問題，規(guī)劃研究方案，利用相關(guān)的工具和資源解決問題，達到教學目標。同時，在教師和同伴的幫助下，學生能夠?qū)鉀Q方案進行修訂，提高其反思、質(zhì)疑的能力。

2.STEM理念對中小學生問題解決能力培養(yǎng)的支持

根據(jù)現(xiàn)有對在跨學科真實情境中解決問題的實踐研究，可以看出STEM理念對中小學生問題解決能力培養(yǎng)有以下支持作用：

（1）創(chuàng)設(shè)真實情境，聚焦學習目標。問題解決的過程中，學生是解決問題的主體?；赟TEM理念實施問題解決學習，教師可以利用多種學科知識為學生創(chuàng)設(shè)真實的學習環(huán)境，這些學科知識涉及科學、數(shù)學、工程素養(yǎng)等領(lǐng)域，聚焦學習目標，為問題解決奠定基礎(chǔ)。

（2）提供多元工具、交叉學科知識。解決問題需要工具和資源的支持?；赟TEM理念實施問題解決學習，學生可以通過學習不同學科的知識，利用工具和交叉學科知識解決問題，逐步形成利用跨學科思維解決真實問題的習慣，為問題解決提供支持。

（3）群組互補交互，促進互動協(xié)作。STEM理念具有協(xié)作性，強調(diào)在群體協(xié)同中互相幫助、互相啟發(fā)，通過群體協(xié)作知識建構(gòu)的方式達成問題解決?；赟TEM理念實施問題解決學習，學生之間可以互補短板，擴大群組協(xié)作共識，促進群組互動協(xié)作，為問題解決提供保障。

3.基于STEM理念的中小學生問題解決能力培養(yǎng)模型

通過對問題解決過程的一般梳理，結(jié)合STEM教育跨學科理念，在教學設(shè)計理論、建構(gòu)主義理論等學習理論的支持下，本研究從教師、學習者和教學流程三方面出發(fā)，結(jié)合PISA對問題解決的一般流程，構(gòu)建了STEM理念下中小學生問題解決能力培養(yǎng)模型，如圖2所示。

教師通過教學分析選擇恰當?shù)慕虒W內(nèi)容，設(shè)計教學項目，以項目或問題為中心，為學生提供大量的教學資源和工具，讓學生在情境中發(fā)現(xiàn)問題，合作探究，提出解決問題的方案，然后通過交流展示完善方案，解決問題。

該模型貫穿杜威“做中學”理念，以學生為主體，設(shè)計了以“發(fā)現(xiàn)問題-分析問題-合作探究問題-確定解決問題方案-修訂方案-總結(jié)反思”為主線的教學流程，并參照余勝泉提出的STEM課程整合模式，重視教學情境的創(chuàng)設(shè)，著力于問題活動的選擇與設(shè)計，積極啟發(fā)學生思考，解決問題。

（1）設(shè)計項目主題，奠基問題解決

教師首先明確項目學習主題，確定教學內(nèi)容，繪制內(nèi)容的知識地圖，展示跨學科知識之間的關(guān)聯(lián)，制定學生的學習路線；隨后，教師對教學內(nèi)容進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，分階段細化教學任務(wù)；最后，教師設(shè)計學習任務(wù)清單，創(chuàng)設(shè)問題情境，引導學生在自學過程中發(fā)現(xiàn)問題，形成大致解決問題的思路。

（2）創(chuàng)設(shè)真實情境，支持問題解決

教師應(yīng)為學生創(chuàng)設(shè)真實教學情境，在教學的過程中設(shè)置一些能引起學生注意的矛盾點，引發(fā)學生的認知沖突，繼而啟發(fā)誘導學生，讓學生提出問題；當學生發(fā)現(xiàn)問題后，選擇合作伙伴一起探究問題。教師引導學生分解問題，規(guī)劃整個研究方案，用思維導圖展示問題解決的過程，明確過程中運用的跨學科知識內(nèi)容和工具。

（3）提供多元工具，推動問題解決

在探究階段，教師提供大量的工具幫助學生探索問題，設(shè)計解決方案，培養(yǎng)學生主動學習的習慣。教師組織組間互動交流，共享難題，啟發(fā)學生分解難題，循序漸進。

（4）組織分享交流，促進問題解決

教師組織學生多次展示作品，在班級內(nèi)群體討論，進行互相點評，促進學生的自我反思與內(nèi)化。組間討論時，學生可以任意走動，相互交流，與同伴之間進行對話、評論和整合等活動，進行更深入的思考，不斷修正學生本人的觀點，養(yǎng)成與人交流、分享與協(xié)作的習慣。

（5）開展多元評價，內(nèi)化問題解決

教師在學生問題解決的過程中全程進行監(jiān)控，不斷檢查、指導、啟發(fā)學生的思路，促進學生的問題解決。

四、基于STEM理念的中小學生問題解決能力培養(yǎng)模型實踐

1.課程目標與內(nèi)容

本研究所選擇的課程配件是樂高MINDSTORMS頭腦風暴教育EV3機器人組件，利用其有效的軟件應(yīng)用和教材資源開展STEM教育，通過一系列基于現(xiàn)實的學習主題練習，協(xié)助教師培養(yǎng)學生的理性思維，促進提高學生的問題解決能力。

本研究選取與航天知識相關(guān)的內(nèi)容——“駛?cè)胩铡睘閷W習主題，通過探險活動吸引學生的興趣，使學生迅速融入課堂，學習與航天發(fā)射器相關(guān)的知識內(nèi)容。航天知識的教育內(nèi)容一直是學生向往和感興趣的學習主題，通過探究活動能夠拉近學生與夢想的距離，普及航天知識，促進培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力。實驗對象為小學五年級學生，課程持續(xù)兩次，每次2個小時，以5～6人的小班學習為主。利用小班授課協(xié)助實現(xiàn)個性化教育，教師了解每個學生的學習步調(diào)，引導學生積極提問，促進學生主動進行思考，積極尋找問題解決的方案。

本研究的課程目標是通過借助橡皮筋的彈性功能設(shè)計制作彈射裝置，使學生在動手制作彈射器時完成體驗。認知目標是讓學生了解各項航天器的名稱及功能，增強對航天知識的了解；技能目標是將所學習的物理（彈力）、數(shù)學及編程等知識通過編程軟件運用到彈射裝置的制作中，利用橡皮筋實現(xiàn)彈射裝置的設(shè)計制作。課程的重難點在于相關(guān)物理知識的遷移及應(yīng)用，因此教師選擇以合作探究的方式進行學習，培養(yǎng)學生的交流和溝通能力，通過生生互助和師生引導的方式完成探險活動。

2.課程開展與實施

課程實施過程主要分為五個環(huán)節(jié)開展，如圖3所示。

（1）課前準備，確定主題。在課程開始前，教師確定項目主題為“駛?cè)胩铡钡奶诫U活動，并準備各種航天器的名稱以及功能介紹，制作成閱讀材料在課前發(fā)放。確定教學目標后，教師將彈射裝置的制作分解為五階段目標，給學生分配角色任務(wù)，讓學生自主探究合作解決問題。教師同時給學生提供橡皮筋、底座等裝置，讓學生能夠完成設(shè)計，在建模中完成任務(wù)。

（2）主題引入，創(chuàng)設(shè)情境。教師播放太空探險的主題音樂與視頻，提出問題“我們?nèi)绾务側(cè)胩漳?？”在調(diào)動學生的興趣之后，展示由彈射裝置制作的“航天飛船”，并發(fā)放課前制作的教學材料，讓學生了解各種航天發(fā)射器的名稱及功能。然后教師拋出問題“宇宙飛船是由什么組成的？”引導學生積極思考，并鼓勵學生拆解彈射器，提出“宇宙飛船需要能量脫離地球引力”，完成情境引入。

（3）靈感構(gòu)思，解決問題。教師請一位同學現(xiàn)場拆解裝置，分析“航天飛船”的組成，然后對彈射裝置進行結(jié)構(gòu)分析，拋出問題“幾步可以完成飛船”，并引導學生將飛船的制作細分為“設(shè)計底座-設(shè)計發(fā)射器-設(shè)計彈射動力結(jié)構(gòu)-添加起飛程序”四個步驟，組織小組承擔四個子任務(wù)的完成。

a.設(shè)計底座

學生首先明確目標，設(shè)計一個發(fā)射器的底座及動力結(jié)構(gòu)，然后對比拆解的“宇宙飛船”，模仿拆解順序，利用機器器件進行組裝，教師在此時插入物理知識的講解，讓學生分清主動輪與從動輪的概念，能夠用圓梁將其連接固定，左右對稱。在學生的操作中，教師及時拋出與正確組裝順序相關(guān)的問題，引導學生按照正確的方向、位置進行組裝，如圖4所示。

b.設(shè)計發(fā)射器

設(shè)計完成底座之后，教師拋出問題“如何安置發(fā)射器”，引導學生思考，要將發(fā)射器安裝在底座之上，通過展示一般的發(fā)射器圖片，教師圈出發(fā)射器共同的結(jié)構(gòu)——凹槽，并組織學生利用圓梁按照圖片進行組裝。學生在各小組內(nèi)對組裝工作進行分工，分別做好連接、固定等工作。

c.設(shè)計彈射動力結(jié)構(gòu)

教師展示學生已完成的組裝設(shè)計，拋出問題“如何讓擁有底座和發(fā)射器的飛船起飛？”并播放橡皮筋制作彈射結(jié)構(gòu)的微視頻，利用彈力公式“FN=KX”示范講解，引導學生動手設(shè)計制作彈射裝置。在學生組裝完成后，教師展示宇宙飛船的外觀，繼而提出“飛船是否可以成功起飛？”確定需要添加編程內(nèi)容，使電機“蓄力”。

d.添加起飛程序

教師制作了起飛程序編寫的微視頻，根據(jù)制作的模型編寫了一個“起飛”的程序，學生在觀看視頻后，結(jié)合教師對模型的講解，在編程中實現(xiàn)相關(guān)功能。如圖5所示。

（4）課堂展示，拓展思考。在學生都完成設(shè)計和組裝之后，教師策劃 “比比誰彈射得更遠”的游戲，在游戲中每個小組分別展示自己的“飛船”，然后進行起飛競賽。在游戲中，教師針對學生的表現(xiàn)提出“如何提升彈射的距離”、“增加橡皮筋是否能達到目的”、“如何做到連續(xù)發(fā)送多個飛船”等一系列問題，鼓勵學生回答和分享經(jīng)驗。在課程結(jié)束后，教師對學生的作品進行點評，并對表現(xiàn)優(yōu)秀的小組進行獎勵，讓學生評選出性能最好的飛船。

（5）知識回顧，總結(jié)提高。游戲之后，教師總結(jié)制作彈射器的相關(guān)內(nèi)容，標明學生在操作中遇到的問題和錯誤，協(xié)助沒有成功制作的小組完成任務(wù)，并優(yōu)化一些小組的操作。同時，教師也對知識拓展中的疑問進行回答，鼓勵學生課后繼續(xù)完成拓展問題中的操作，下發(fā)拓展學習資料。

在整個學習過程中，通過選取與生活密切相關(guān)的航天探險主題活動，激發(fā)了學生的探索興趣，提高了學生的學習動力，使其能夠積極配合教師完成教學任務(wù)。在制作彈射裝置的過程中，教師通過環(huán)環(huán)相扣的問題引導學生思考、解決問題，從底座設(shè)計到添加程序，完成“宇宙飛船”的設(shè)計，提高了學生合作解決問題的能力，并通過微視頻、閱讀材料等教學資源豐富了學生的視野，拓展了學科知識層面，鍛煉了學生動手制作的能力。同時，在合作進行探究的過程中，學生逐步解決子問題，完成了彈射裝置的設(shè)計，激發(fā)了學生的成就感，使他們能獲得完成任務(wù)的滿足感，以保持更加高昂的熱情完成日后課程的學習。

3.效果與評價

為確保學生的問題解決能力得到提升，在課程結(jié)束后，對學生及教師進行了問卷調(diào)查和深入訪談。問題解決能力的評測標準包括理解問題的能力、辨別問題的能力、表述問題的能力、解決問題的能力、問題解決之后的反思能力和解決問題中的交流能力，因此筆者從這五個維度設(shè)計了調(diào)查問卷，并采用李克特量表的五點量尺，從“非常不符合”到“非常符合”采用“-2、-1、0、1、2”的計分方式。教師訪談的主要內(nèi)容是學生在學習過程中對任務(wù)的理解程度和完成程度，以及存在的問題等。

對調(diào)查問卷統(tǒng)計分析結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生能夠較好地理解教師所創(chuàng)設(shè)的情境，識別教師提出的問題，并能根據(jù)教師拋出的疑問進行思考，尋找解決問題的答案。在明確任務(wù)之后，學生能夠合理分配時間，利用工具完成任務(wù)，并在問題解決后進行反思。同時，學生在與同伴的交流討論中表現(xiàn)優(yōu)秀，能夠積極與同伴就問題進行討論，維持良好的合作關(guān)系，互相影響，互相進步。但學生在關(guān)聯(lián)各學科之間的知識、多角度解決問題、對預料之外的問題做出對策等方面表現(xiàn)稍差，教師訪談之后發(fā)現(xiàn)：①學生對機器組件的熱情很高，在組裝中花費了較多的時間，但常常忽略教學視頻的作用，易做錯誤示范；②編程任務(wù)容易讓學生產(chǎn)生焦慮感，學習中對預料之外的問題產(chǎn)生放棄情緒，學習壓力較大；③小組內(nèi)的學生步調(diào)不一致，整體進度較慢；④學生對拓展任務(wù)興趣不高，常常忽略作品完成后的反思。

針對上述問題，本研究提出了一些改進的措施：①在“靈感構(gòu)思，解決問題”環(huán)節(jié)加入教師對操作流程的簡單講解，配合教學視頻，使學生熟悉“宇宙飛船”的一般組裝流程，用正確示范引導學生有秩序地進行組裝；②在添加程序前，分解編程任務(wù)，細化“起飛”程序，讓學生先熟悉編程軟件，通過提問軟件界面的功能加強學生對編程的理解，再通過演示與連續(xù)的提問引導學生完成程序，并設(shè)置小游戲比拼學生的速度和完成效果，及時給予激勵；③在學生合作學習的過程中，設(shè)置“小小航天員”，邀請在每一個環(huán)節(jié)中表現(xiàn)優(yōu)秀的同學分享任務(wù)經(jīng)驗，也收集每一環(huán)節(jié)中各個小組中出現(xiàn)的問題和困難，協(xié)助解決，共同進步。

參考文獻：

[1]陳寶生.努力辦好人民滿意的教育[N].人民日報，2017-09-08（07）.

[2]Framework for 21st century Learning[DB/OL]. http：//www.p21.org/ourwork/p21-framework，2014-10-08.

[3]核心素養(yǎng)研究課題組.中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)[J].中國教育學刊，2016（10）：1-3.

[4][19]Paris（France）. The PISA 2003 Assessment Framework： Mathematics， Reading， Science and Problem Solving Knowledge and Skills[M].The PISA 2003 assessment framework ： mathematics， reading， science and problem solving knowledge and skills. Organisation for Economic Co-operation and Development，2003：199.

[5][14]秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實問題情境的跨學科式教育[J].中國電化教育， 2017（4）：67-74.

[6]Paris （France）. The PISA 2003 Assessment Framework：Mathematics， Reading， Science and Problem Solving Knowledge and Skills[M].The PISA 2003 assessment framework ： mathematics， reading， science and problem solving knowledge and skills. Organisation for Economic Co-operation and Development，2003：199.

[7]皮連生.教育心理學：第三版[M].上海：上海教育出版社，2004.

[8][16]伍遠岳，謝偉琦.問題解決能力：內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)及其培養(yǎng)[J].教育研究與實驗，2013（4）：48-51.

[9]方惠慧，覃兵.核心素養(yǎng)視野下中小學生問題解決能力審視與培養(yǎng)策略[J].科教導刊（下旬），2017（6）.

[10]郭新春.小學生數(shù)學問題解決能力的培養(yǎng)研究[D].遼寧師范大學，2012.

[11]蔡蘇，王沛文.美國STEM教育中社會組織的作用及對我國的啟示[J].中國電化教育， 2016（10）：74-78.

[12]“Project Lead The Way”-launch-curriculum[EB/OL].[2015—06-08]. Https：//www.PLTW.org/our-programs/pltw-launch/launch-curriculum.

[13]傅騫，劉鵬飛.從驗證到創(chuàng)造——中小學STEM教育應(yīng)用模式研究[J].中國電化教育， 2016（4）：71-78.

[15]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究， 2015（4）：13-22.

[17]Heppner PP.The problem-solving inventory（PSI）：Research Manual Palo Alto， CA：Consulting Psychologists Press，1988.

[18]Wipaporn， Suttiamporn，Suladda， et al. Open Approach-Based Subject Matter： A New Aspect of Mathematical Activity Fostering Students' Creativity[J].社會學研究：英文版，2012（5）：386-396.

（編輯：王天鵬）