STEM教育的核心理念是什么？基于此的项目式学习又该是怎样的？

《中国工程教育质量报告》显示，我国普通高校工科人数和规模已位居世界第一。近年来，工程教育认证、新工科计划、卓越工程师计划、人工智能创新行动计划等一系列高等工程教育质量提升计划的有效实施，深刻推动了人们对工程人才培养目标、培养内涵和培养模式的再认识。

STEM教育作为一种影响全球工程教育的新理念，逐渐成为国内学者研究的热点。然而，如何实现STEM教育在高等教育中的本土化设计，国内研究聚焦理论探讨较多，实证研究较少，导致理论在指导实践过程中存在诸多困惑和盲点。

鉴于此，本研究基于STEM教育理念的PBL教学模式，以高校AI通识课程为例进行教学实践设计，并对教学效果进行实证分析，以探索工程创新人才培养新路径。

STEM教育的核心理念

起源于美国的STEM教育，是一种以培养学生工程创新素养为目标，以学科整合为基本特征的理念运动。STEM教育培养学生在科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门“元学科”以及相关交叉领域中运用整合跨学科知识来解决现实世界问题的能力。美国国家研究委员会（NFC）指出，本科STEM教育改革的核心理念在于“跨学科整合”“循证教学”“主动学习”。

第一，跨学科整合思维是STEM教育的重要前提。

朱莉·汤普森·克莱因（JulieThompsonKlein）将STEM跨学科整合课程分为多学科、交叉学科、超学科三个层次。在实践中，多学科课程表现为将不同学科进行简单组合拼装，学科融合度不高；交叉学科课程是将多门学科根据要解决问题目标进行知识选取整合和结构化重构，有利于培养学生的创新能力；超学科课程则强调超越学科视角，在批判反思的基础上构建超学科文化，是STEM课程整合的终极目标。

可见，交叉学科和超学科课程真正打破了学科壁垒和界限，将科学、技术、工程和数学等学科整合为一个全新的学习体系。赫希巴奇（Herschbach）指出，最常用的STEM整合方式是打破学科之间的界限，通过活动或项目形成连贯的、有组织的课程结构，其中，如何在打破的学科之间取得平衡、建立新的课程结构对一线教师和政策制定者提出了新的挑战。应对这些挑战需要教师对学生解决一个项目问题所需要的跨学科知识进行梳理和结构化整合，注意每个阶段学科间知识关联的系统性连接，并保持各块知识的均衡覆盖和重叠交叉[5]，帮助学生创造性解决问题。

第二，循证教学的评估实践是STEM教育的重要保障。

教育作为一种专业实践，应该基于证据（Evidence-based）或者至少从证据中获取信息（Evidence-informed），并将之应用于学生学习、教师教学以及教育政策制定[6]。美国本科STEM教育质量评估指标制定委员会认为，学生STEM能力的养成必须依靠循证的STEM教育实践（即循证教育实践，EBEP）。因而，国家本科STEM教育评估包含了对学生学习体验的教学活动监测、对学习机会和环境的教学环境监测两个方面。

微观层面的STEM课程设计方面，国内学者余胜泉认为，要注重STEM课堂问题或项目中所包含的学科知识的内在联系，要关注学生在解决问题和完成任务过程中的认知活动，要强调对学习过程中一切证据的收集和利用，从而促进教学的评估诊断和学生核心素养的提升。这里包含三层循证：一是教学内容设计要基于“项目问题”的证据；二是教学方法选取要有利于学生探究推理的循证；三是教学评价方式要体现学习活动全过程的发展性评价。

第三，主动学习的有利环境是STEM教育的重要驱动。

基于“跨学科整合”“循证教学”特点的STEM课程，体现了“以学生为中心”和“以实践为中心”的理念，是以建构主义和认知科学为理论依据的教学实践，从而创造了学生的自主学习的有利环境。斯滕伯格（R.J.Sternberg）强调，个体的主动性在建构认知结构中起到关键作用，维果斯基（Vygotsgy）强调了认知过程中学习者所处社会文化历史背景的作用，提出了“最新发展区”理论。

STEM教育一方面为学习者提供了有利于激发认知好奇的现实情境；另一方面帮助学习者提供了为解决问题而积极建构跨学科知识的路径方法，注重科学探究、工程实践、交流强化的教学流程为学生探究、发现、协作提供了科学程序和群体动力，强化了个体主动找到自己的“最新发展区”的学习动机，从而获得学习的意义，促进学习效果的转化提升。总之，跨学科整合思维、循证教学的评估实践、基于建构主义和认知科学的主动学习是STEM教育理念的核心。而如何将这三项关键点通过教学活动的功能性设计，实现对学生创新素养等高阶能力的提升转化，其教学模式的选择尤为重要。

三、基于STEM教育理念的PBL教学模式教学模式不同于教学方法和策略，是达成不同教学目标或学习结果的学习环境系统。

一个完整的教学模式由教学目标、达成教学目标的程序、学习反应产生的原理、学习发生的社会支持系统等部分组成。教学模式应突出基于更多证据的教学、与课程目标结合以及应用信息技术等特征。PBL（ProjectbasedLearning）是一种以学生为主体的项目式学习的教学模式，解决的是如何学的问题，由1918年克伯屈（WilliamHurdCobbler）提出的“设计教学法”演变而来，它倡导学生基于现实世界的探究活动寻找有意义的切入点，以小组方式进行较长周期的开放性探究活动，完成一系列设计、计划、问题解决、决策、作品创建、成果交流等活动，最终达到知识建构和能力提升的一种教学模式。内容、活动、情境和结果构成了PBL教学的四大要素。

PBL教学模式关注真实世界问题，蕴含了斯滕伯格（R.J.Sternberg）的建构主义学习理论、杜威（JohnDewy）的实用主义教育理论和布鲁纳（JeromeSeymourBruner）的发现学习理论教育思想，从学习本质和理论基础来看，PBL承接了STEM教育的特点，成为培养学生跨学科素养最为重要的一种学习模式，对提高学生SETM学科自主学习的自我效能感、创造力和适应性有显著效果。

基于STEM教育理念的PBL教学模式，即采用PBL的学习方法，充分利用STEM教育“跨学科整合”“循证教学”“主动学习”的优势，使学生整合科学、技术、工程和数学等跨学科知识技能，开展科学探究、工程实践、交流强化等学习活动，进而发展STEM素养、创新素养和人文素养等核心素养。它立足项目设计，通过跨学科知识的融合建构，引领学生探索问题求证方法，归纳答案创新认知，提升高阶思维能力。同时，基于STEM教育理念的PBL教学模式，既是一个囊括了内容与目标、过程与方法的系统教学体系，又是一个动态的、发展的、可验证的完整教学过程。

跨学科探究和课堂内外联动实践展示出教学动态发展的无限可能；师生教学的紧密互动和不断深入的问题探究演绎出教学协同创新的和谐发展；全过程学习成果的可视化和学生创新能力的可测性又揭示了循证教学的有效性。

从教学模式特征看，基于STEM教育理念的PBL教学模式具有探究性、实践性、协同性、综合性和循证性五大特征。探究性体现在问题解决过程中应用科学原理与方法进行探究；实践性体现在教学与学习过程是一种跨学科的解决真实问题的实践活动；协同性体现在教学过程是师生之间的协同、学习过程是生生之间的协作；综合性体现在教学与学习过程是科学、工程、技术和数学等跨学科知识的综合应用；循证性体现在整个过程以及评价方式是基于证据导向的科学设计。穆斯塔法（Mustafa）等对STEM整合课程研究的元分析表明，PBL是当前STEM整合课程开展数量最多的学习模式。

来源丨《电化教育研究》，2019 年福建省本科高校一般教育教学改革研究项目“以创新创业能力为导向的跨学科人工智能 STEM-PBL 教学实践设计”（项目编号： FBJG20190068 ）；华侨大学 2019 年一流课程建设项目“人工智能创新项目设计”

作者丨叶荔辉，厦门大学高等教育研究院