筆者基于STEM教育的核心理念，依據(jù)PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理論，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，設(shè)計(jì)了STEM教育理念下的項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)框架。

項(xiàng)目活動(dòng)分為確立項(xiàng)目主題、分析項(xiàng)目問題、建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)解決方案、實(shí)施解決方案和展示評(píng)價(jià)總結(jié)六個(gè)階段開展。

（一）確立項(xiàng)目主題

教師引導(dǎo)學(xué)生從生活實(shí)際出發(fā)選定項(xiàng)目主題，發(fā)現(xiàn)生活中存在的問題，提出解決方案并實(shí)施，以求解決問題。項(xiàng)目主題應(yīng)是跨學(xué)科的，融合科學(xué)、工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)等多方面的知識(shí)內(nèi)容，具有趣味性、探究性、實(shí)踐性、創(chuàng)造性和綜合性，并且契合STEM理念和核心素養(yǎng)發(fā)展要求。

（二）分析項(xiàng)目問題

學(xué)生明確項(xiàng)目主題之后，并不能馬上制訂具體的解決方案，還需對(duì)項(xiàng)目背景進(jìn)行分析，明白到底需要解決哪些問題，并通過繪制思維導(dǎo)圖梳理問題，整合并利用已有的、跨學(xué)科的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)去探索。教師引導(dǎo)學(xué)生分析問題，可以發(fā)散學(xué)生的思維，促進(jìn)學(xué)生分析問題能力的提升。

（三）建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。師生根據(jù)任務(wù)要求，共同建立具體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。教師指導(dǎo)學(xué)生參考尼爾森“逆向思維”模型，明確哪些是“需要”的，哪些是“不需要”的，最終作品的呈現(xiàn)應(yīng)該具備怎樣的特征，以此搭建“腳手架”，為學(xué)生制訂項(xiàng)目解決方案提供有意義、有價(jià)值的指導(dǎo)。

（四）設(shè)計(jì)解決方案

項(xiàng)目活動(dòng)實(shí)施之前，按照“同組異質(zhì)”“組間同質(zhì)”的原則對(duì)學(xué)生分組，確保每個(gè)小組各方面能力水平相當(dāng)。在設(shè)計(jì)項(xiàng)目解決方案的過程中，各小組針對(duì)要解決的問題，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，相互協(xié)作、共同探究，結(jié)合已掌握的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)并輔以教師的指導(dǎo)，自主搜集相關(guān)資料，展開討論，繪制草圖，設(shè)計(jì)解決方案草案。各小組設(shè)計(jì)完成方案以后，面向全體學(xué)生進(jìn)行方案可行性分析與匯報(bào)，并根據(jù)教師及其他小組的意見修改，最終確定具體可行的解決方案。

（五）實(shí)施解決方案

各小組分別根據(jù)解決方案付諸實(shí)施，其間需要各小組分工協(xié)作探究，輔以教師的適度指導(dǎo)完成作品，并且根據(jù)實(shí)際情況對(duì)作品進(jìn)行修改與優(yōu)化，從而迭代與完善項(xiàng)目解決方案。

（六）展示評(píng)價(jià)總結(jié)

教師組織各小組學(xué)生進(jìn)行成果交流與展示，并參照師生共同建立的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合制作過程對(duì)各小組成果的創(chuàng)新性、實(shí)用性、價(jià)值性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)建議。學(xué)生根據(jù)評(píng)價(jià)意見進(jìn)行修改與完善。最后教師進(jìn)行歸納總結(jié)，指導(dǎo)各小組完成項(xiàng)目反思報(bào)告，梳理并回顧項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)帶來的收獲與不足，促進(jìn)學(xué)生問題解決能力與協(xié)助能力的發(fā)展。

（一）教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)分析

1.學(xué)習(xí)者分析

學(xué)習(xí)者為八年級(jí)學(xué)生，他們對(duì)“創(chuàng)意智造”課程具備濃厚興趣且動(dòng)手能力強(qiáng)，樂于合作。學(xué)生已學(xué)習(xí)過Arduino數(shù)字量輸出、模擬輸入與數(shù)字輸入，基于超聲波傳感器、溫度傳感器、觸摸傳感器等傳感器與Arduino的互動(dòng)編程以及用Arduino控制舵機(jī)模塊等知識(shí)。設(shè)計(jì)與制作“智能垃圾桶”需要綜合應(yīng)用Arduino編程知識(shí)和其他學(xué)科知識(shí)。

2.項(xiàng)目活動(dòng)教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)分析

教師基于STEM教育理念，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)相關(guān)項(xiàng)目活動(dòng)（見表1）。學(xué)生完成“智能垃圾桶”項(xiàng)目任務(wù)需要融合應(yīng)用多種學(xué)科知識(shí)，特別是信息技術(shù)，以及工程（設(shè)計(jì)）思想和數(shù)學(xué)思維。

（二）教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

第一步，確立項(xiàng)目主題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年上海市日均生活垃圾清運(yùn)量約26000 噸，年均生活垃圾產(chǎn)生量超過9000000 噸，給環(huán)境帶來較大壓力。2019年，上海市人民政府頒布并實(shí)施《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》。

目前，上海市在各社區(qū)設(shè)立了垃圾分類投放點(diǎn)。垃圾分類已成為新時(shí)尚。生活中，人們一般是將垃圾從家用垃圾桶倒入公共垃圾桶。通常每家只用垃圾桶，這不利于垃圾分類。此外，垃圾桶普遍無蓋，無法隔離異味（有些垃圾易產(chǎn)生難聞氣味）。有些垃圾桶雖有蓋子，但需手動(dòng)開啟，存在感染風(fēng)險(xiǎn)。

如何設(shè)計(jì)一款智能的垃圾桶來解決上述問題呢？師生討論后，確立項(xiàng)目主題為“環(huán)保小能手——智能垃圾桶”，旨在通過具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作實(shí)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)與信息技術(shù)的跨越以及工程設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)思維的融合。

第二步，分析項(xiàng)目問題。各組首先依據(jù)項(xiàng)目背景進(jìn)行分析，結(jié)合生活中家用垃圾桶的使用情況及潛在需求，列出需要（智能垃圾桶）解決的問題。

比如：如何實(shí)現(xiàn)垃圾分類？如何排除衛(wèi)生隱患？如何提升人們的垃圾分類意識(shí)？然后應(yīng)用思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)擬解決的問題。

第三步，建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在此環(huán)節(jié)，師生圍繞項(xiàng)目主題共同建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。教師簡單列出哪些是“需要”的，哪些是“不需要”的（見表2），恰到好處地幫助學(xué)生調(diào)整設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（難度）即可。

第四步，制訂解決方案。學(xué)生針對(duì)擬解決的問題，參考評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有針對(duì)性地制訂解決方案。

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用科學(xué)知識(shí)對(duì)垃圾初步分類；利用信息技術(shù)搜索相關(guān)資料并對(duì)搜索結(jié)果進(jìn)行有效篩選和分析；組織討論，制訂解決方案并繪制智能垃圾桶原型草圖，通過實(shí)踐提升學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力（表3為A組學(xué)生編制的項(xiàng)目解決方案，圖1為該組學(xué)生設(shè)計(jì)的智能垃圾桶原型）。

圖 1　智能垃圾桶原型設(shè)計(jì)

第五步，解決方案的實(shí)施。學(xué)生按照項(xiàng)目解決方案付諸實(shí)施，過程分為準(zhǔn)備制作材料、制作智能垃圾桶模型、搭建智能電路并實(shí)現(xiàn)功能和測(cè)試與優(yōu)化產(chǎn)品四個(gè)環(huán)節(jié)。

其一，準(zhǔn)備制作材料。各小組根據(jù)實(shí)際需要準(zhǔn)備制作智能垃圾桶的基本材料。

其二，制作智能垃圾桶模型。各小組分工協(xié)作，利用瓦楞紙板制作垃圾桶原型。

根據(jù)現(xiàn)有的瓦楞紙板尺寸，計(jì)算垃圾桶各部分的最佳尺寸，用工具切割出各個(gè)面，再進(jìn)行組裝與拼接，制作出垃圾桶模型。同時(shí)，應(yīng)用3D打印技術(shù)自主設(shè)計(jì)鉸鏈等結(jié)構(gòu)部件，并通過畫筆等美術(shù)材料對(duì)垃圾桶原型進(jìn)行裝飾。此環(huán)節(jié)的訓(xùn)練有利于提升學(xué)生的空間幾何計(jì)算能力及動(dòng)手能力。

其三，搭建智能電路并實(shí)現(xiàn)功能。學(xué)生根據(jù)方案設(shè)計(jì)電路，繪制程序框圖，并應(yīng)用Mixly軟件編寫程序。

學(xué)生在搭建智能電路和編寫程序的過程中難免遇到問題，可在組內(nèi)商議，反復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試與修改，必要時(shí)向教師尋求幫助。這些訓(xùn)練可以提升學(xué)生協(xié)作能力以及利用數(shù)學(xué)思維與編程思維解決問題的能力。

其四，測(cè)試與優(yōu)化產(chǎn)品。智能垃圾桶初步制作完成后，學(xué)生需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際使用情況繼續(xù)完善。

這些訓(xùn)練可以讓學(xué)生體會(huì)工程設(shè)計(jì)中不斷迭代、優(yōu)化的思想，從而提升其工程設(shè)計(jì)思維能力。

第六步，展示評(píng)價(jià)總結(jié)。師生依據(jù)共同建立的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各組設(shè)計(jì)制作的智能垃圾桶進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出建議。