1、STEM项目式学习中真实情境问题的创项目式学习中真实情境问题的创设设CONTEN TS目 录STEM 项目设计项目设计1.STEM教育价值指向教育价值指向-创造性解决真实创造性解决真实世世界问题界问题2.如何从真实世界问题转化为可研究如何从真实世界问题转化为可研究实实践践的的STEM问问题题个案示范，感性认识：设计安全自行车道个案示范，感性认识：设计安全自行车道 同类事例，归同类事例，归纳上升：智能家居系统设计纳上升：智能家居系统设计定向应用，检验概念：偏远山区供水故障诊断修复定向应用，检验概念：偏远山区供水故障诊断修复创新应用，自主设计：设计修改自己创新应用，自主设计：设计修改自己的的STE
2、MSTEM项目项目03 从真实世界问题到从真实世界问题到STEM项目真实情境项目真实情境问问题题01STEM教育价值指向教育价值指向1.1.STEMSTEM是是在解决在解决问问题过程题过程中中的跨学的跨学科科有机整有机整合合2.2.STEMSTEM教教育指向育指向学学生发展生发展素素养养3.3.S ST TEMEM教教育现阶育现阶段段是学科是学科教教育的补育的补充充4.4.智智能能时时代如何代如何做做好好STESTEM M项项目制学目制学习习1.STEM是是在在解决解决问问题过题过程程中的中的跨跨学科学科有有机整机整合合Science（科学）科学）Technology（技术）技术）Engine
3、ering（工程）工程）Mathematics（数学）（数学）STREAMSTEAM艺术（艺术（ART）代表人文科学，）代表人文科学，包括：包括：语言语言、社会研究、体、社会研究、体 育、美术、音乐和设计。育、美术、音乐和设计。STEMSTEMSTEAMSTREAM，不断扩展的形式不断扩展的形式Reading/wRiting体现在阅读和写作中的体现在阅读和写作中的思维技巧。思维技巧。1.沟通与合作沟通与合作 2.创造性创造性与问题解决与问题解决 3.信息素养信息素养 4.自我认识与自我调控自我认识与自我调控 5.批判性思维批判性思维 6.学会学习与终身学习学会学习与终身学习 7.公民责任与社会
4、参与公民责任与社会参与21世纪每个学生必须掌握的世纪每个学生必须掌握的 核心能力和技能核心能力和技能21世纪最受重视的世纪最受重视的 公民七大素养公民七大素养-面向未来：21世纪核心素养教育的全球经验研究报告（2016年6月3日）1.批判性思维能力；批判性思维能力；2.创新能力；创新能力；3.分析和解决问题的能力分析和解决问题的能力；4.终身学习的能力终身学习的能力；5.团队合作的能力团队合作的能力；6.自我管理和自学能力自我管理和自学能力。-第四次APEC教育部长（秘鲁）宣言（2008年6月11-12日）2.STEM教育指向学生发展素养教育指向学生发展素养中国学生发展核心素养（中国学生发展核
5、心素养（2016年年9月）月）STEM学生能力发展学生能力发展2.STEM教育教育指向指向学学生发生发展展素养素养（续）续）3.现阶段现阶段STEM教教育是育是学学科教科教育育的补的补充充学科教育学科教育学科教育教学改革亦倡 导以学生为中心，开展 研究性学习，但本质是 学科体系思想方法，以 解决良构问题为主。STEM教育教育而STEM教育以真实情境 中的跨学科知识应用为 主，解决的问题大多数 是结构不良的，在培养 学生创新思维和动手实 践方面有独到之处。4.智能时代智能时代STEM项目式学习的特征是创项目式学习的特征是创造造我听了，我忘了；我听了，我忘了；我看了，我记住了；我看了，我记住了；我
6、做了，我明白了；我做了，我明白了；我讲了，我理解了。我讲了，我理解了。我创造了，我创造了，我会解决问题了我会解决问题了内化内化 自己自己 能力能力掌握掌握 前人前人 知识知识能够用计算机能够用计算机创新创新解决方案来处理解决方案来处理各各种各种各样样的问的问题题创造性解决真实问题创造性解决真实问题创造学习创造学习（Creative，problem solving）感知感知创造创造实践实践STEM教育的教育的追追求求丰富的学习内容丰富的学习内容-开放的学习过程开放的学习过程-优良优良的的思维思维品品质质 1.提供真实的情境提供真实的情境 2.创新能力创新能力 3.为创造而教为创造而教 4.鼓励探
7、究鼓励探究 5.有目的地教有目的地教STEM项目式课程特征项目式课程特征布鲁姆的认知体布鲁姆的认知体系系学生更愿意在真实的世界里生活和学习，实学生更愿意在真实的世界里生活和学习，实践践丢进垃圾桶？丢进垃圾桶？学习成果去哪里？学习成果去哪里？真实世界真实项目持真实世界真实项目持 续的续的兴兴趣驱趣驱动动和钻和钻研研！解决真实问题的方案被解决真实问题的方案被采采 纳、发表或获知自己纳、发表或获知自己所做所做 的事情是有意义的。的事情是有意义的。科学素养科学素养Scientific literacy 是一种运用科学知识和过程，如 物理、化学、生物科学和地球空间科学，理解自然 界并参与影响自然界的有关
8、决策。计算计算机机科科学学，人人 工智能工智能Technological literacy 是指使用、管理、理解与评价技 术的能力。学生应当知道如何使用技术，了解技术的发展过程，具备分析新技术如何影响自己、国家乃至整个人们的现实需要。Engineering literacy 是指对技术的工程设计与开发过程 的理解。工程课程是基于项目，整合了多门学科的知识，使得难以理解的概念与学生生活密切相关，激发学生解STEM教教 育育 重重 在在 培培 养养 学学 生生 的的 四四 种种 素素 养养S T E M教教 育育 的的 三三 个个 主主 要要 特特 征征Mathematical literacy
9、指学生在发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题时进行分析、推断和有效交技术素技术素养养世界的能力。技术是对自然环境的革新与改造，以满足工程素工程素养养决问题的兴趣。工程设计是把科学与数学原理系统地、创造性地用于实践的结果。数学素养数学素养 流思想的能力。跨学科知识整合跨学科知识整合解决真实情境问题解决真实情境问题情境教学以学生为中心以学生为中心学生为本整合知识观0202-1 个案示范，感性认识：设计安全自个案示范，感性认识：设计安全自行行车车道道如何从真实世界问题转化为可研究实践如何从真实世界问题转化为可研究实践的的 STEM问题问题感性认识：自行车道开感性认识：自行车道开通通新闻新闻触触
10、发的发的思思考考国内首条通勤用自行车专用路开通新闻国内首条通勤用自行车专用路开通新闻:30分钟内可从昌平回龙观骑行至海淀上地软件园。充分考虑到自行车专用路与地铁站、公交站及现况慢行系统衔接的特点，在起点、龙泽站、回龙观站和京藏 高速路以西路段设置了停车架108组，可停自行车3240 辆。回龙观地铁东侧还设置了立体停车库1座，可提供 650个自行车车位，回龙观及软件园配置了8600个共享 单车停车位。自行车专用路服务区设置了遮雨棚、休息座椅，沿线 3处还放置了小药箱、打气筒等。中间连接多个公园，形成一个完整的自行车慢行体系。看到这则新闻，你想到了哪些看到这则新闻，你想到了哪些 现现实世界的问题？
11、实世界的问题？为什么设计专用自行车道？为什么设计专用自行车道？原来的自行车道有什么问题？原来的自行车道有什么问题？发现真发现真实实世界的世界的问问题是什题是什么么？学生会觉得这个项目很有趣，学生会觉得这个项目很有趣，也能和现阶段知识整合！也能和现阶段知识整合！明确问题领域（情境）明确问题领域（情境）北京市回龙观地区是一个近二十年才建立 起来的大型居住社区，人口密集，自行车 专用道为解决该地区交通问题的重要方式。自行车专用道非常具有绿色出行代表性意 义。这也体现了北京市在交通方面鼓励绿 色交通的导向。调查考察：自行车道问调查考察：自行车道问题题已有已有解解决方决方案案自行车王国荷兰是如何设计出自
12、行车王国荷兰是如何设计出“世界上最安全的自行车道世界上最安全的自行车道”的？的？深度调研：搞清楚专家深度调研：搞清楚专家解解决该决该问问题的题的真真实思实思路路设计的安全措施设计的安全措施预防的危险（解决的实预防的危险（解决的实际际问题）问题）实际效果实际效果自行车道与机动车道分离自行车道与机动车道分离预防机动车与自行车的剐蹭.甚至把停车位建在自行车道 与机动车道两者中间，作为一个屏障。不仅让骑自行车的人更安全，也让机动车停车（或离 开）更方便。弯道设置弯道设置“安全岛安全岛”骑自行车最怕的就是拐弯的时候被大车剐蹭到，有时候 躲过了车头却被车尾挤到了一边。专门在大的红绿灯路 口设计“安全岛”。
13、不仅保护骑自行车的人，也方便开车的人，不用担心 自己汽车“甩尾”会不会一不小心刮碰到了路人。预留停车等候空间预留停车等候空间拐弯的车辆可以把车开上去耐心等候，防止因为礼让 行人或者自行车而导致一条路都堵了的尴尬情况，也 不用担心被后边一条车道的司机按喇叭投诉。让“自行车优先”实际可行。在转弯交汇处预留停车 等候空间。遇到复杂的十字路口，“独立的自行道”+“安全岛”+“预留停车等候空间”三者集合的 设计，不仅安全方便，还可让“自行车优先”真正做 到切实可行自行车专用隧道和高架桥自行车专用隧道和高架桥十分繁忙或复杂的路口，为了保护骑自行车人的安全以 及开车人的便捷（毕竟老排队等着“让自行车先过”也
14、 不是办法），高架桥与道路无缝结合，不需要下车推车 上桥。车从上边公路走，行人和自行车从下边隧道过。车从 高架桥下走，行人和自行车从高架桥上走。无论是老 人还是小孩，在这样绝对安全的自行车道上骑车，家 人放心。就算是自己摔倒了，也绝对不会被汽车碰到。科技科技+美观美观智能交通灯带雨量传感器的交通灯 夜光自行车道交通灯上的热感应器能感应到当时的交通忙碌程度，一 旦等待绿灯的骑车人士超过10人，交通灯就会转绿。一旦感应到暴雨，交通灯也会加速转绿。夜里，昏暗的自行车道让骑行变得很危险。自行车道利 用可持续能源发光，将有益于降低这一安全隐患。智能红绿灯能为骑行者减少30到50的等待时间。路面上铺着特殊
15、的发光材料，白天能进行充电，而到 了晚上就化作了星光之路。同行考察：搞清楚专家同行考察：搞清楚专家解解决问决问题题的方的方案案及成及成果果弯道安全岛弯道安全岛预留停车等候空间预留停车等候空间夜晚自发光夜晚自发光“星空星空”车道车道专用隧道专用隧道专用高架专用高架智能交通灯智能交通灯学生要为一座城市设计可供学生要为一座城市设计可供人们将自行车作为主要交通人们将自行车作为主要交通 工具的自行车道，为此学生工具的自行车道，为此学生 不仅需要考虑为满足人们出不仅需要考虑为满足人们出 行需求的工程设计问题，还行需求的工程设计问题，还 需要权需要权衡衡成本与成本与安安全等问全等问题题。转化为转化为STEM
16、问问题题：设：设计计安全安全的的自行自行车车道道解决问题？解决问题？思考：思考：这个这个STEM项目创设的真实项目创设的真实 情境问题是如何从真实世界中的安情境问题是如何从真实世界中的安 全自行车道项目转换而来的？全自行车道项目转换而来的？思考思考：如何根据真实世界的问题，：如何根据真实世界的问题，设计出设计出STEM项目要求的具体任务项目要求的具体任务 标准和限定性条件，以及材料清单标准和限定性条件，以及材料清单 等，来帮助学生实施该项目并最终等，来帮助学生实施该项目并最终学生交流研讨活动学生交流研讨活动同类事例，归纳上升：智能家居系同类事例，归纳上升：智能家居系统统设设计计02-202如何
17、从真实世界问题转化为可研究实践的如何从真实世界问题转化为可研究实践的STEM问题问题02-1 个案示范，感性认识：设计安全自行个案示范，感性认识：设计安全自行车车道道感性认识：发现真实世感性认识：发现真实世界界问问题题智能家居系统为人们的智能家居系统为人们的日日常生常生活活和工和工作作带来带来方方便便调查考察：某住户的真调查考察：某住户的真实实问问题题住户（张家）居住在某一线城市一个中档小区，有一套九楼住户（张家）居住在某一线城市一个中档小区，有一套九楼的的 三房一三房一厅厅120米米2住宅。住宅。该家庭包括一对中等收入夫妇，一个上小学的女儿和女儿六该家庭包括一对中等收入夫妇，一个上小学的女儿
18、和女儿六十十 多岁的奶奶。多岁的奶奶。工作日这对夫妇在单位上班，孩子上幼儿园。奶奶留在家中，工作日这对夫妇在单位上班，孩子上幼儿园。奶奶留在家中，但会出门散步、买菜。但会出门散步、买菜。晚上全家人都在家，孩子做作业，大人做家务或看电视、听晚上全家人都在家，孩子做作业，大人做家务或看电视、听音音 乐或上网娱乐。乐或上网娱乐。张家居住的城市人口密集，经常会遇到雾霾天气。在雾霾尤张家居住的城市人口密集，经常会遇到雾霾天气。在雾霾尤其其对老人和儿童健康不利，因此张家需要家庭空气净化系统。对老人和儿童健康不利，因此张家需要家庭空气净化系统。另外，奶奶有起夜的习惯，从卧室到厕所需要开关三盏灯，另外，奶奶有
19、起夜的习惯，从卧室到厕所需要开关三盏灯，还还 要做一个老人家用起来方便的起夜照明系统。要做一个老人家用起来方便的起夜照明系统。张家住宅张家住宅立体图立体图专家（工程师）思路：专家（工程师）思路：智智能家能家居居系统系统设设计的计的问问题解题解决决步步骤骤第一步：需求分析及问题界定第一步：需求分析及问题界定1.了解需求2.明确需求3.问题界定第二步第二步 子系统方案确定与构建子系统方案确定与构建（以安防子系统为例）1.确定子系统的设计要点2.绘制分系统实施草图3.搭建独立运行的分系统4.实现三个分系统的联动第三步第三步 优化与评估优化与评估第四第四步步 评估与验收评估与验收1.设计参数优化1.建
20、立用户评价体系2.系统层面的优化2.用户验收系统的鲁棒性（Robust）操作管理的整体便利性3.工程评价系统安装调试的便利性系统构成的灵活性、可扩展性技术细节优化控制程序优化场景控制工具的丰富性优化3.系统优化技术试验工程师的问题解决思路工程师的问题解决思路-以以安安防系防系统统为为例例张家住宅周边环境的安全情况张家住宅周边环境的安全情况从张家所在城市入室盗窃的抽样调查统计数从张家所在城市入室盗窃的抽样调查统计数 据看，人均住房面积据看，人均住房面积20米米2到到35米米2的家庭的家庭遭遭 遇入室盗窃等非法进入的相对风险指数是遇入室盗窃等非法进入的相对风险指数是0.15-0.2。其他统计数据还
21、表明，中等收入。其他统计数据还表明，中等收入 家庭遭遇入室盗窃的风险最高，而且九楼及家庭遭遇入室盗窃的风险最高，而且九楼及 以上楼层住户遭遇入室盗窃频次高于三楼至以上楼层住户遭遇入室盗窃频次高于三楼至 八楼八楼的的50%。调查表：以安防子系统为调查表：以安防子系统为例例专家怎样从真实世界问题到真实情专家怎样从真实世界问题到真实情境境问问题题考虑用考虑用户户对对系系统功能统功能的的需需求求：1.用哪用哪些方些方案可以案可以实实现现此此功能？功能？2.每项每项方案涉方案涉及及哪哪些些技术？技术？各各自自优优缺点？缺点？编号编号用户需求（张家人）用户需求（张家人）需求中存在的问题（不明确或矛盾需求中
22、存在的问题（不明确或矛盾点点）界定后的技术问题（设计师）界定后的技术问题（设计师）1需要家庭空气净化系统2老人在夜晚离开床铺后走到任 何地方都应自动亮灯，老人离 开后关灯方式不限从卧室到厕所需要开关三盏灯3需要“没有漏洞”的安防系统存在着哪些可以防止的漏洞，没有明确的认识把用户需求转把用户需求转变为技术问题变为技术问题4空调系统需要“房间始终保持舒适的温度”怎样定义“舒适的温度”并使房间始终保持这个标准并 不是简单问题。人们在运动后和睡眠时对环境温度的要求有较大的不同 房间中只有一个人在读书或看电视与房间中有很多人聚 会时由于湿度不同人对温度的感觉也不一样。学情分析要有预评 估，学生原有的先
23、验知识和思维水平（概括能力）。剔除技术之间不匹配、实施难度大的方案剔除技术之间不匹配、实施难度大的方案学情分析和环境分析学情分析和环境分析环境分析中包括任务 分析，任务的功能目 标和限定性条件的清 楚定义。转化为可供学生探究和实践的智能转化为可供学生探究和实践的智能家家居情居情境境问问题题我们将以模拟住宅为平台，以家居我们将以模拟住宅为平台，以家居电电器及器及家家电设备电设备为为主要的主要的控控制对象制对象，将网络将网络通通信技术，信技术，安全防范技术，自动控制技术，音安全防范技术，自动控制技术，音频频技术技术等等融合起来，搭建节能环保的智能家融合起来，搭建节能环保的智能家居居系统，系统，并进
24、行操作和远程控制。并进行操作和远程控制。我们将要完成一我们将要完成一项智能家居的整项智能家居的整 体设计。体设计。问题解决过程问题解决过程思维提升过程思维提升过程1.需求分析对整个系统的构建起什么作用？2.站在用户角度和设计者角度对需求有什么不同的心理感受？这种不同对设计系统有什么影响？3.问题界定对整个系统的构建起什么作用？为什么不同的“设计师”会产生不同的问题界定？4.系统优系统优化对化对整个整个系系统统的构的构建起建起什什么么作作用用？5.用户对系统做满意度评价时得出的结论,和作为设计师看到自己作品时得出的结论有什么不同？这种不同说明了什么？设计设计教学教学过程，过程，形成形成核心核心概
25、念，概念，迁移迁移 创新创新 应用应用核心概念核心概念形成过程形成过程 思考思考：这两个例子中，是如何把真 实世界问题转化为可探究的 真实情境问题的？归纳：怎样从真实世界归纳：怎样从真实世界问问题转题转换换到到到到可可研究研究实实践践的的STEM问问题题20分钟，独立思考，组内交流，归纳上升，全班分分钟，独立思考，组内交流，归纳上升，全班分享享 交流分交流分享享：各小组归纳出如何把真实世界 问题转化为真实情境问题的思 路，并在全班交流分享。5提炼封装真实世界问题提炼封装真实世界问题从具体到一般，从具体到一般，迁移应用迁移应用4学情分析和环境分析学情分析和环境分析学情分析要有预评估，学生原有的先
26、验知识和思维水平。学情分析要有预评估，学生原有的先验知识和思维水平。环境分析中包括任务分析，任务的功能目标和限定性条件的环境分析中包括任务分析，任务的功能目标和限定性条件的清清 楚定义，分解子任务。楚定义，分解子任务。3清楚专家解决问题思路清楚专家解决问题思路2明确问题情境明确问题情境面临什么问题？发现问题，提出问题。面临什么问题？发现问题，提出问题。如何从真实世界问题转如何从真实世界问题转化化为为 可研究实践的可研究实践的STEM问问题题调查，考察，访谈，文献，专家角调查，考察，访谈，文献，专家角色色1设计教学过程设计教学过程6迁移应用迁移应用设计教学目标、活动过程，分设计教学目标、活动过程
27、，分解解 任务，设计观测点和评价指任务，设计观测点和评价指标标转化为可供学生探究和转化为可供学生探究和实践的真实情境问题。实践的真实情境问题。02如何从真实世界问题转化为可研究实践的如何从真实世界问题转化为可研究实践的STEM问题问题02-1 个案示范，感性认识：设计安全自行个案示范，感性认识：设计安全自行车车道道同类事例，归纳上升：智能家居系同类事例，归纳上升：智能家居系统统设计设计定向应用，检验概念：偏远山区供定向应用，检验概念：偏远山区供水水故障故障诊诊断修断修复复02-202-3工程师解决一个偏远山区供水方面的故障。工程师解决一个偏远山区供水方面的故障。这个评价任务以三维动画课件这个评
28、价任务以三维动画课件呈呈现情境和任务，还设置虚拟网络供学生查询当地水井的构造以及供水原理、现情境和任务，还设置虚拟网络供学生查询当地水井的构造以及供水原理、附近地区供水情况，从而诊断故障附近地区供水情况，从而诊断故障。当问题聚焦在水井的抽水泵时，学生。当问题聚焦在水井的抽水泵时，学生需需 要运用系统思维来分析什么线索可以证明是抽水泵出了问题，要运用系统思维来分析什么线索可以证明是抽水泵出了问题，再制定修再制定修复抽复抽水泵的方案。水泵的方案。完成检修任务之后，学生还要设计一个维护方案来防止故障完成检修任务之后，学生还要设计一个维护方案来防止故障的的 再次意外发生。再次意外发生。完成这些评价任务
29、，学生除了需要发动问题解决的高层完成这些评价任务，学生除了需要发动问题解决的高层次思次思 维，还要运用建模能力以及能够基于证据作出解释和决策的能力。维，还要运用建模能力以及能够基于证据作出解释和决策的能力。偏远山区供水故障诊断偏远山区供水故障诊断修修复复真实世界的角色和问题：学生扮演真实世界的角色和问题：学生扮演工工程师程师解解决一决一个个偏远偏远山山区供区供水水方方面的故障。面的故障。第第1步：步：第第2步：步：第第3步：步：第第4步：步：第第5步：步：偏远山区供水故障诊断偏远山区供水故障诊断修修复复设计本校学生用项目设计本校学生用项目偏远山区供水故障诊断修偏远山区供水故障诊断修复复 基于事
30、实，归纳总基于事实，归纳总结结智能家居系统设计智能家居系统设计 设计安全的自行车道设计安全的自行车道小结小结：从真实世界问题转化为从真实世界问题转化为可可研究研究实实践践的的STEM问问题题从事实到概念建立从事实到概念建立事实水平的问题事实水平的问题归纳提升归纳提升定向应用定向应用创造性创造性 解决问题解决问题设计本校学生用项目设计本校学生用项目偏远山区供水故障诊断偏远山区供水故障诊断修修复复 基于事实，归纳总结基于事实，归纳总结智能家居系统设计智能家居系统设计设计安全的自行车道设计安全的自行车道小结小结：从真实世界问题转化为从真实世界问题转化为可可研究研究实实践践的的STEM问问题题02如何
31、从真实世界问题转化为可研究实践的如何从真实世界问题转化为可研究实践的STEM问题问题02-1 个案示范，感性认识：设计安全自行个案示范，感性认识：设计安全自行车车道道同类事例，归纳上升：智能家居系同类事例，归纳上升：智能家居系统统设计设计定向应用，检验概念：偏远山区供定向应用，检验概念：偏远山区供水水故障故障诊诊断修断修复复02-202-302-4 创新应用，自主设计：设计修改自创新应用，自主设计：设计修改自己己的的STEM项项目目感知感知创造创造实践实践STEM教育的教育的价价值值学习内容的更新学习内容的更新-学习过程的重构学习过程的重构-思维思维能能力的力的重重塑塑创新应用，自主设计：设计
32、修改自己创新应用，自主设计：设计修改自己的的STEM项目项目03从真实世界问题转化为从真实世界问题转化为STEM项目真实情境问题项目真实情境问题设计安全的自行车道设计安全的自行车道从事实到概念建立从事实到概念建立事实水平的问题事实水平的问题智能家居系统设计智能家居系统设计归纳提升归纳提升基于事实，归纳总结基于事实，归纳总结定向应用定向应用偏远山区供水故障诊断修偏远山区供水故障诊断修复复创造性创造性 解决问题解决问题设计本校学生用项目设计本校学生用项目初始感性认识初始感性认识同类问题归纳同类问题归纳形成概念规律形成概念规律定向问题解决定向问题解决自主创新应用自主创新应用小结小结：从真实世界问题转化为从真实世界问题转化为可可研究研究实实践践的的STEM问题问题
