本书是以基于项目的STEM学习为主题理论研究，三位编者均为得州农工大学的教师和Aggie STEM团队的成员，长期从事中小学STEM教育的理论与实践研究，本书辑录的14篇论文分别从理论和实践层面“基于项目的STEM学习”的历史渊源，理论架构，探究特质，跨学科性，与技术、虚拟世界、社会科的关系，课堂实施策略，对特殊学生的影响，等等，书后的附录为教师提供了开展项目学习的素材、针对学生和教师的评价表、小组合作公约、责任记录、个人反思表，等，对希望系统了解基于项目的STEM学习或STEM学习课堂实施的教育研究者、教育行政管理人员和一线教师，都有很强的借鉴意义。
【1元秒杀专区】
【内容简介】
本书是中小学STEM教育丛书中的一种，正文由14篇论文和附录构成。论文围绕“基于项目的STEM学习”这一主题展开，系统地阐述了为什么要开展基于项目的STEM学习，项目方法的历史背景，设计基于项目的STEM学习的理论框架，基于项目的STEM学习中的技术等问题，同时书后还附有便于学生和教师使用的项目开展的素材、评价量规、团队合作公约、观察记录等。
【作者简介】
主编赵中建，为华东师范大学人文社会科学重点研究基地华东师范大学课程与教学研究所研究人员，国际与比较教育研究所教授、博士生导师，兼任国家基础教育课程与教学改革专家委员会委员,国内早系统研究中小学STEM教育的教育研究人员。
【目录】
前言…1
章 基于项目的STEM学习介绍
——为什么要采用PBL?为什么要开展STEM教育?
为什么是现在? … 5
第二章 项目方法的历史背景…13
第三章 设计基于项目的STEM学习:理论框架 … 27
第四章 用工程学思想提升项目质量 … 48
第五章 基于项目的STEM学习三问:人物、 时间、 地点 … 63
第六章 跨学科的基于项目的STEM学习 … 77
第七章 基于项目的STEM学习： 基于探究的学习的特殊形式…89
第八章 基于项目的STEM学习中的技术 …99
第九章 支持基于项目的STEM学习的虚拟世界之启示 …115
第十章 针对特殊学生的基于项目的STEM学习与教学…125
第十一章 课堂管理方面的考虑： 实施基于项目的STEM学习…145
第十二章 基于项目的STEM学习之评价的观念转变…158
第十三章 英语语言学习者和基于项目的学习 …173
第十四章 基于项目的学习： 一种整合社会科和STEM的
跨学科方法…189
附录
附录A 非牛顿流体力学… 204
企业项目通告1 … 211
企业项目通告2… 213
企业项目通告3 … 216
企业项目通告4 … 219
附录B 理想的评价量规 …222
附录C 口头演示评价量规…224
附录D 个人演示评价量规… 226
附录E 团队演示评价量规 … 228
附录F 基于项目的STEM学习中故事板编制指南 … 229
附录G 跨过峡谷： 在 “明确的结果和模糊的任务” 理念指导下
用棒冰棍搭桥… 231
工程和设计： 桥梁终效率等级评价量规 … 237
工程和设计： 桥梁终设计笔记评价量规 … 238
附录H 为基于项目的STEM学习建立协作的组织行为和规范…239
附录I 组建高质量的团队 … 241
附录J 个人责任和时间管理报告 …243
附录K 责任记录… 244
附录L 同伴评价材料 …246
附录M 领导力/努力加分表 … 247
附录N 简单的小组公约… 249
附录O 小组公约样本… 250
附录P 团队公约… 252
附录Q 个人反思…254
附录R 团队合作反思… 255
附录S 基于项目的STEM学习的教师互评表 … 256
附录T 项目学习观察记录 … 259
附录U 项目开发评价量规… 263
附录V 谁杀害了鲍勃•科瑞斯特
——一个解决动机问题的案件…265
附录W PBL补充资料： 项目学习的快速测试 … 267
附录X 教师的项目学习检查表… 270
附录Y 基于标准的项目 … 272
附录Z 明确的结果和模糊的任务（WDO-IDT）的评价量规 … 274
【前言】
前言■
设计基于项目的STEM学习概述
——明确的结果和模糊的任务
我们对基于项目的 STEM 学习（STEM Project-Based Learning， 缩写为 STEM PBL）的定义驱动了本书述及的所有设计和实施的决策。因此， 在阅读正文包括回顾我们的PBL案例或设计自己的活动前， 先快速解析我们的定义是非常有用的。
在构思本书的时候，我们不想让读者在开始计划和实地操作之前先要通读全书。相反， 我们设想的是策略性阅读或即时性阅读。因此， 本书大部分是跟随设计七原则（7 Design principles）按顺序编排的。我们也考虑到实施过程中可能会出现问题， 所以本书要便于读者很快找到相应章节的内容。因此， 在章中， 我们解释了什么是基于项目的STEM学习， 以及在课堂教学中使用这一方法的依据。第二章重点指出基于项目的STEM学习方法的薄弱根基， 详细阐述了项目教学方法的历史背景。第三章包括设计基于项目的STEM学习活动的理论依据，为初的尝试建立基础。第四章用于继续优化项目。一旦建立了自己的学习项目， 并且想让教师同事参与其中， 这就涉及基于项目的STEM教学具体的参与人物、 时间和地点（第五章）。有了同事参与，就要面对第六章里提到的跨学科教与学过程中所出现的问题。当一个教师团队开始构建可以全面实施的项目时， 理解基于探究的学习和基于项目的STEM学习、 提问之间的关系是至关重要的（第七章）。第八章详细描述了技术发挥的重要作用，技术不是附加的，而是开展教学过程的工具。如果没有虚拟世界这一主题，任何有关基于项目的STEM学习的书或者有关技术的章节都是不完整的。虚拟世界的力量为学习提供了重要的启示， 可以使基于项目的STEM学习富有生机，并把学习效果化。（第九章）因为存在如此之多具体的教学方式， 而考虑把基于项目的STEM学习作为面向所有孩子的教学工具十分重要， 第十章具体阐述了应用基于项目的STEM学习到各种学生尤其是有学习障碍的学生的可能性。教师无论何时试图实施新的教学方法，经常通过对学生的行为而不是对学生学习有作用的客观测试来标记使用这种方法的成败。由于学生很可能必须了解在基于项目的STEM学习环境中如何学习，第十一章具体阐述了课堂管理方面需要考虑的因素。与课堂管理紧密相连的是评价，例如：如何评价，何时评价，评价什么，第十二章说明了这些问题。后两章阐述了与英语语言学习者有关的两个非常重要的问题。这两章非常关键， 因为基于项目的STEM学习面向全体学生，能够融合社会科（Social Studies）课堂中的活动， 并且在社会科课堂中使用。在本书的后， 我们提供了很多评价量规的样本、表格、指南、范例和准备性文件， 帮助你来实施基于项目的STEM学习。
明确的结果： 明确的结果来自两个方面的考虑， 那就是工程设计的过程和高风险的问责与标准。工程师总是在想好后结果的情况下开始工作，例如： 拓宽河流，将燃料的消耗小化，等等。在现代高风险测试的环境中，教学设计者也应具有这样的思维。需要牢记在心的一点是我们的基于项目的STEM学习的设计过程总是始于一个可测量的目标，其典型地包括在教学设计之前终结性评价的设计，确保学生实际达到这一目标。在好的情况下，这些终结性评价包括开放式评价和选择题，这些开放式评价看起来非常像来自PBL的学习活动，选择题的形式和内容与学生将来要面对的地方、州和国家评价体系中试题的题型相似。这不是针对考试而进行的应试教学， 而是根据教学目标而设计的教学活动。
因为我们大多数的工作是在得克萨斯州进行的，所以我们选择了得克萨斯州立标准（http://www.tea.state.tx.us/teks/）来演示我们的设计过程。但是对使用者来说， 指导日常教学的地方标准、州的标准，或者国家标准，才是明确设计之结果的开端。我们所有基于项目的STEM学习都始于一个设计好的有明确定义的结果，也可以把它标定为首要目标。首要目标要通过与次要目标整合，明确的结果才能得到发展。正是这种整合后的结果才是启动设计过程、终结性评价设计以及所有教学设计方面决定的基础。次要目标也是至关重要的，因为它们定义了整合，并且为我们的PBL提供了STEM。我们也鼓励大家根据次要目标进行小组计划。次要目标的评价的不同角度（形成性的角度和终结性的角度）取决于这些目标的原本意图。请大家一定要抵制诱惑，不要将次要目标中的单个概念拿出来作为首要目标实施基于项目的学习。如果改变了明确的结果，那就一定要改变基于项目的学习本身。
模糊的任务：在探究过程中，模糊的任务是至关重要的。经常出现的情况是，动手活动是对学生已懂概念的验证，或者是对教师已经教授过的概念的验证。基于项目的STEM学习的一个特点是对任务的定义比较模糊。这一特点要求学生具有高阶思维技能、 问题解决能力， 以及更多的内容学习。对基于项目的学习常见的一种误解是这种学习方法混乱而随意。事实远非如此。模糊定义并不是缺乏设计。教师设计的任务一定要让学生调查研究，允许问题有多种解决方案，任务包含的所有情境在对模糊界定的成果有一个共同的理解的基础上会合。
将基于项目的 STEM 学习在课堂上付诸实践： 作为一名教师， 在过渡到基于项目的STEM学习的任务和学习过程中，你和你的学生都需要实践和支持。可以帮助加快过渡期的一个简单建议是扩展的5E教学模型。我们选择使用5E模型来交流我们的设计， 同时也认识到有其他适当的探究模型经过修改之后也适合基于项目STEM学习。要抵制诱惑，不要告诉学生要学什么，让他们学就好了！要让学生发言，也要好好设计自己的发言，但教师不是个发言者，也不是后一个发言者，更不是发言多的人。本书介绍了一些我们过去使用过的基于项目的STEM学习，把它们作为业经测试的例子给读者，帮助你学习怎样设计并实施基于项目的STEM学习。这不是一个全面的清单， 我们也不认为这本书会大幅度改善你对基于项目的STEM学习的实施。因为不同地方不同州的标准各不相同，资源也各不一样， 潜在的合作伙伴也不同， 诸如此类的差别很多， 所以每个人的基于项目的STEM学习也应该是不同的。祝大家好运！
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先前就有的知识
人是被目标指挥的信息仲裁员， 从出生就在接收各种信息。 这些信息构成了很多领域里的知识、 技巧、 信仰和概念。 先前就有的知识影响着人们对周围事物的观察， 也影响着他们怎样组织理解这些信息。 当孩子们开始踏入正式的学习环境并继续科学事业时， 这些原有的知识很明显地影响着他们对教师所教内容的理解 （Bransford et al.， 2000）。
学生通过日常生活中与人物、 地点和事物的互动， 培养了关于世界如何运作的预想。 学生根据自己的生活经历， 就事物如何运作和为什么运作发展出逻辑理念。 先前的学习对后来的学习是强有力的支持； 但与此同时， 先前的学习也可能导致一些概念的形成， 而这些概念则可能成为学生后来学习的障碍 （Bransford et al.， 2000）。 关于学生先前的学习如何成为后来学习科学的障碍这一点， 在 “个人的宇宙” （Private Universe）研究项目中（Schneps & Sadler， 1987） 可以找到很有说服力的例子。 例如： 学生知道， 站得离篝火越近就感觉越热。 然后， 学生就把这个逻辑强加于自己对每一种感觉更暖的情况之理解， 感觉更热是因为我离热源更近。 这是一种有逻辑性且可以接受的假设。 但是， 学生把这种天真的概念带入课堂时， 教师正好在讲授季节变换的原因， 基本上就是在努力弄明白为什么会冬冷夏热， 这时就会有问题出现。 根据学生所体验过的生活经历来解释， 地球在夏天一定离太阳更近， 而冬天的地球一定离太阳更远。 教师的解释是： 太阳光的直射和斜射影响了地球的表面温度和冷暖， 不受或者很少受地球和太阳之间距离的影响。 学生已经体验了离热源之间的距离决定冷热的现象， 如果教师不直接针对这一点做解释， 学生很可能会出现以下情况： ①在考试的情况下， 死记硬背教师有关太阳直射和斜射的解释， 然后离开课堂这种正式的学习环境后，重新返回到自己亲身感受过的生活经验所显示的真理， 那就是离热源的距离决定温度冷热； ②就季节的起因方面， 综合教师的解释和自己的生活经历来形成一个不寻常的理论； ③永远不能掌握教师解释的概念。
学生 （在学习之前的生活经历中所形成的） 预见 （preconceptions）， 也就是他们带入课堂的那些天真的理论， 对理解正式的学科会形成严重的限制。 对教师来说， 改变学生的这些预见通常是很困难的， 因为它们在学生的日常真实世界的情境中一般来说都很行得通。 但是，教师必须直接处理学生在学习前形成的这种预见。 否则， 学生经常会死记硬背课堂中的内容， 但是在现实生活中他们依然会凭着自己在生活经历中形成的预见来行事（Bransford et al.， 2000）。
为理解而教——事实性知识和概念性知识
专家和新手思考的异同， 以及每个小组解决问题方式之间的异同， 让我们对事实性知
识和概念性知识之间的关系有了更好的理解（Larkin， McDermott & Simon， 1980； Nathan，Koedinger & Alibali， 2001）。 计划的能力、 观察模式、 把其他学科的概念和观点联系起来的能力以及培养并分析观点论据进行解释的能力， 都是事实性知识很关键的组成部分。 虽然事实性知识在教授和学习这些能力中有至关重要的作用， 但是学生仅仅拥有大量零散而互不衔接的知识是不够的。 要想让事实性知识成为发挥作用的有用知识， 学生必须能够将事实置于概念性框架内（ Bransford et al.， 2000）。 为了让学生能够学会理解， 事实性知识必须在概念性框架内得到平衡。
让学生学会理解， 这个原则置于两个基础性概念之内： ①理解要求我们在概念性框架
内暂停对事实性知识的探究； ②要通过丰富的事实性细节来展示多项表现形式， 概念才会有意义（Capraro & Yetkiner， 2008； Muzheve & Capraro， 2011； Parker et al.， 2007）。 学习目标，也就是学生在教学结束时应该知道而且能够通过操作来表现的知识， 既不是单单基于事实性理解， 也不是仅仅建立于概念性的理解。 教育领域里长期以来争论不休的一个论点， 而且在今后还会继续成为争论的主题， 就是有关到底是事实性知识还是概念性知识应该成为课程和教学的首要重点。 表面上来看， 这两个要点似乎有点冲突， 但事实上， 事实性知识和概念性知识是互相支持的。 当我们用概念性知识来组织整理事实性知识时， 概念性知识变得更为清晰， 是概念性知识加强了我们对事实性知识的记忆。 任何STEM学科领域的专家都用一套核心概念为主线进行工作， 这些核心概念组织了事实性知识和概念性理解。 因此， 为理解而教， 会很明显地倾向于强调组织这些同样的核心概念， 从而帮助学生组织事实性知识和他们个人的概念建构 （Clement & Steinberg， 2002； Gilbert & Boulter， 2000； Lehrer & Schauble， 2000； Penner， Giles， Lehrer & Schauble， 1997） 。
元认知
元认知被广泛地定义为， 一个人意识到自己的思维并对之进行反思的知识和技巧（Brown， 1978； Flavell， 1979）。 学习科学领域的进步强调帮助人们控制自己学习的重要性。 因为理解应该是课程和教学的目标， 人们必须学会识别出自己什么时候理解了某个概念， 也要识别出自己在什么时候还需要更多的信息才能理解 （Koschmann， Kelson， Feltovich & Barrows， 1996）。 强调元认知过程的这种教与学是主动的。 学生不是在被动地接受信息， 等待着他人替他理解。 学生应该主动地投入到学习过程中， 而且必须自己确定新信息怎样与自己目前的理解相联系。 要想达到这种境界， 学生必须能够意识到自己的思维， 而且会对自己的思维进行反思。
有关实际目标和意向目标的话题， 是教育领域里经常辩论的主题， 但是大多数人都会同意如下看法： 正规教学应该使学生成为自主的终身学习者， 应该让学生在正规教育结束后也有能力理解新信息。 这就包括了培养发展元认知的标准， 有了这个标准才能弄明白学生什么时候懂和什么时候不懂， 要培养评估能力来识别学生就具体的问题还需要学什么，也要有能力来识别并有效利用资源以提高自己的知识状态， 还要有反思此过程的能力才能提高其效率和效果（Koschmann et al.， 1996， p.94）。 要想达到培养出自主的终身学习这个目标： ①必须明确教授学生元认知的策略； ②教师应该示范反思自己思维的例子； ③学习环境要融合使学生的思维具有可见性的机会。
为了更好地理解在成功的学习环境里运用元认知的策略， 将元认知广泛的定义浓缩为三个类型是很有用的， 即意识、 评估和调节。 元认知的意识涉及个人对以下内容的理解：①个人在学习过程中所处的位置； ②事实性知识和概念性知识； ③个人学习策略； ④要达到认知目标， 已经做了什么以及还需要做什么。 元认知的评估指的是就个人的认知能力和认知局限方面的评价判断。 某人修改自己的思维时， 就是在进行元认知的调节 （Schraw & Dennison， 1994）。 一定要让学生很清楚地意识到自己的思维， 教会他们怎样评估自己的理解， 然后给学生机会来调节或修改这些概念。正如布兰斯福德等学者 （Bransford et al.， 2000） 所指出的， 常见的倾向是： 能清晰地意识自己的元认知学习过程且有机会表达自己思维的学生会学得更好。 很重要的一点是， 要把这一策略渗透到整个教学框架中， 而不是把它作为孤立而零散的技能来教授。 将元认知过程作为日常语言来开展讨论， 会激励学生更加清晰地关注自己的学习 （Pintrich， 2002）。 元认知经常是一种自我内心的对话， 那些没有体验过把这种内心对话表达给别人听的学生， 可能没有意识到自己此类内心对话的重要性（Vye， Schwartz， Bransford， Barron， Zech， & Cognition Group and Technology Group at Vanderbilt， 1998）。
元认知已经被用来预测学习表现（Pintrich & DeGroot， 1990）。 在解决问题的任务中， 具有较高元认知技巧的学生比那些技巧低的学生表现得更出色， 这一点与他们的整体能力倾向没有关系。 一般能力倾向和元认知能力看起来各自独立运作， 没有相互作用（Swanson， 1990）。 将元认知融入到课程和教学中， 是为了理解而进行有效教学的组成部分。
反馈、 复习和反思
有效教学必须融入一些机会给学生， 让学生能够对自己的思维过程进行反思， 能够从他人那里接收到有关自己思维的反馈， 并且能够自由地根据这些新的信息来调整自己的思维。 对于培养学生调整自学的能力来说， 元认知的这些特征是很关键的（Goldman et al.， 1999）。
动手的活动通常不能让学生深思， 因为这些活动没有让学生深入理解。 对这类活动的批判主要集中在学生在活动中缺少反思。 贝当古辩解： “除非将动手科学嵌入一个提问—反思—再提问的结构， 否则学生很可能学不到什么” （Bettencourt， 1993， p.46）。 在传统的课堂上， 很典型的情况是， 这些活动： ①不给学生适量的时间来理解新信息； ②倾向于孤立教授，相互间互不相干； ③注重对实物的使用和实践， 没有强调对现象的理解（Schauble， Glaser， Duschl， Schulze， & John， 1995）。 一旦学生对自己的思维进行了反思， 合乎逻辑的下一步就是将自己的内心对话外置， 让别人能看到他的思维。 无论是通过小组讨论、 概念图， 还是书面沟通， 学生需要和他人分享自己的想法和理解。 这允许学生的概念性理解得到反馈。 这些反馈经常支持他们对某些方面的理解， 而使其他一些因素问题化， 结果引导学生主动改变自己的思维， 再也不是被动地接受这些信息。 高效率的教师让学生重新修改他们的概念性理解， 把事实性知识置于概念性框架体系中， 而不是被动地记忆新信息。
通过允许学生把新思维和旧知识联系起来， 学生可以接触到STEM的学习内容。 有效的教学应该为学生提供机会， 让学生能够根据他们的个人理解来评估科学证据， 来阐述自己的理论和解释， 来积极地参与到学习过程中。 期望在学习环境中给予参与者多次与别人沟通自己理解的机会， 经常在项目或者问题背景下解决问题， 随时能够像该学科的专业人员那样提出自己的理解。
【书摘与插画】
