基于PBL的STEM網絡學習平臺設計

高海燕

（蘭州城市學院 教務處，甘肅 蘭州 730070）

在21 世紀的今天，科技的發展日新月異，STEM 教育（科學、技術、工程和數學）已經成為全球教育的重要組成部分。隨著項目學習（PBL）的展開，其形式充滿創新、靈活、開放等特點，逐漸受到創客教育研究人員的青睞[1]，但傳統的STEM 教育方式還是過于注重理論知識的灌輸，忽視了實踐能力的培養。因此，如何將PBL 這種新型有效的學習方式與STEM 教育深度整合，提升學生的STEM 素養，推動STEM 教育的開展，成為了教育界亟待解決的問題。本文將基于PBL（項目導向學習）設計，通過設計一款STEM 網絡學習平臺為例，探討如何實現這一目標。

一、PBL學習方式與STEM課程

STEM教育是將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的內容交叉融合后形成的一個有機整體，以整合的教學方式培養學生創新精神與解決真實世界問題的能力，是科技創新教育的有效形態，也是面向所有學生培養綜合素質的載體和全社會共同參與的教育創新實踐。

基于項目的學習（PBL）是一種學習方法，指學習過程圍繞某個具體的學習項目，充分選擇和利用最優化的學習資源，在實踐體驗、內化吸收、探索創新中獲得較為完整和具體的知識，形成專門的技能和得到充分發展的學習[2]。PBL 學習方式根本出發點是希望學生在做中學，在學中做，因此項目式學習的都有一個明確的主題，一般都從具體的生活需求出發，學生所面對的是基于實踐的，真實的具體問題[3]，而不是剔除了許多復雜表象問題，進行了抽象化、單一化的一個學習問題，或者一個知識點，其知識是蘊涵在這些具體生活問題的背后，學生需要自己去挖掘，去開發，在此過程中獲得知識和概念，并掌握一定的技能。根據主題要求和任務目標，學生在結合已有認知情況下可以大膽想象，去豐富，去完善整個項目內容，然后利用實踐體驗去驗證他們的設想。在這個過程中學習者需要得到各方面力量的支持，需要利用多種資料。其獲取資料的途徑是多樣化的，獲得的支持也是多樣化的，但是他們的目標是統一的，他們需要利用自己所掌握的情況。不管這些問題的大小、類型存在怎樣的差別，它們基本上存在一個共同點，就是它們是屬于交叉學科的問題，單純依靠一門學科的知識不能夠解決問題或者說不能夠很好地解決問題?？梢钥闯?，PBL與STEM教育的特色是吻合的，兩者之間有很強的關聯。

（一）PBL學習方式與STEM教育結合的優勢

STEM 教育強調培養學生在科學、技術、工程和數學領域的綜合能力，PBL 則提供了一種實踐這些技能的方法和工具，為STEM 教育的內容提供了教學策略和教師實踐的模式，學生要很好地融合理論知識和實踐操作能力才能更好地分析它、解決它，要多嘗試從不同的角度去看待問題，單一片面的視角往往無法把握問題的關鍵所在。通過PBL 的學習方式，學生可以自主地思考和提出問題，設計和實施解決方案，并在解決問題的過程中發展跨學科的知識和技能，將PBL 學習方式與STEM教育結合其優勢在于：

跨學科學習：PBL強調解決實際問題，學生需要將科學、技術、工程和數學等學科知識進行整合和應用。這使得學生能夠在實際場景中綜合運用多學科的知識和技能。

實踐經驗：通過PBL的實際項目，學生可以親身體驗科學、技術、工程和數學的實際應用。這種體驗有助于學生更好地理解學科的實際意義和應用領域。

解決問題的能力：PBL 強調學生主動解決問題的能力，這是STEM 教育中重要的目標之一。通過參與PBL項目，學生可以培養批判性思維、團隊合作和解決問題的能力。

創新思維：PBL 鼓勵學生提出創新的解決方案。STEM 教育也強調培養學生的創新思維和創造力。結合PBL 和STEM 教育，學生能夠在解決實際問題的過程中培養創新思維。

PBL 與STEM 教育相輔相成。PBL 提供了一個實踐和應用STEM 知識和技能的方法，幫助學生培養跨學科的能力，并在解決實際問題的過程中培養創新思維。這種結合可以促進學生在STEM領域的學習和發展。

（二）PBL學習方式與STEM課程結合的方式

PBL學習方式和STEM教育的結合，可以幫助學生在真實的、有意義的情境中進行學習，常見的結合方式有以下幾種。

設計挑戰性問題：PBL 強調在解決實際問題中學習，而STEM 教育注重科學和工程的應用。教師可以設計一系列挑戰性的問題，要求學生運用STEM 知識和技能來解決。例如，設計一個智能家居系統，學生需要了解傳感器、聲、光、電等處理技術和建筑工程設計等知識。

團隊合作：PBL和STEM都強調團隊合作和合作解決問題。學生可以組成小組，共同參與項目的規劃和實施。在合作過程中，學生可以互相協作、分享知識和經驗，培養溝通和協作能力。

實踐應用：PBL 注重學習的實際應用，而STEM 強調將科學和工程知識應用于實際情境。教師可以設計實踐項目，讓學生將所學的STEM知識應用于實際項目中，例如設計和構建一個游戲，或使用編程語言開發一個APP。

跨學科整合：PBL和STEM教育都強調跨學科學習。教師可以設計跨學科的項目，將不同學科的知識和技能整合在一起。例如，在一個自動避障小車項目中，學生需要了解計算機、電子、物理和數學等多個學科的知識。

反思和評估：PBL和STEM教育都強調學生的反思和評估。學生應該能夠對自己的工作進行反思和評估，并根據反思和評估結果改進和完善自己的解決方案。教師可以通過提供反饋和評估標準來引導學生進行反思和評估。

PBL和STEM教育的結合，可以為學生提供一個綜合性的學習體驗。通過PBL 和STEM 教育的結合，學生可以培養創新思維和解決問題的能力，并將所學的知識和技能應用于實際情境中。

二、基于PBL 的STEM 網絡學習平臺設計原則

（一）服務于教和學的原則

個體知識的來源無論來自外部知識，還是來自內部的知識，其獲得過程都具有建構性質[4]?；赑BL 的STEM 學習平臺的主要就是為學習者開展STEM 學習活動提供平臺環境，以實現學習者對知識的主動建構，提升STEM 教學效果，所以在開展STEM 學習平臺設計時，首先要考慮的是對教和學的服務。

（二）適用性原則

理論的創新為教學優化提供新的方向，技術創新為教學提供技術支持。但新的技術手段也代表教學中所付出的教學成本也在提升，是否技術越新越好？是否教學設備越貴越好？其實未必，適用性原則在教學環境搭建過程中要充分考慮，在了解技術的變革的同時，充分考慮自身條件，制訂近期與遠期的計劃與需要，以改善和提升教學效果為目的，選擇性價比最高的適用方案。

（三）科學性原則

當今科學技術發展迅猛，技術革新速度遠超于人類以往歷史，新技術尤其信息技術也并不僅僅為教育而服務，其中很多技術并不適合教育。在教育公平的理念下，很多新技術一直被抱有謹慎選擇的態度，尤其是應在教育領域的技術。有很多新的技術需要被驗證、被局部試驗后才能逐步推廣，這還和本區域的經濟、政治、社會發展息息相關。所以將PBL 的學習方式應用在STEM 教育中也要經歷一個逐漸成熟、科學驗證的過程。

（四）可擴充性原則

為了探索PBL 教學模式在STEM 教育中的應用，本平臺的開發初期肯定存在不完善性、不確定性，而隨著教學活動的開展和實踐經驗的豐富，對于課程的需求也將逐漸完善起來，需要對相應的功能進行支持和補充。依據軟件工程開發的擴充原則[5]，我們在設計學習平臺時，也要充分考慮日后的擴充性，盡可能的留有擴展接口，為硬件升級或者擴展配置留有余地，作為日后進一步完善的開發基礎。

（五）簡潔明了的原則

STEM教育在我國還會處于發展初期，學生整體STEM 素養都還處于相對較低水平，都處于發展中，而且在本課程中，還要將新的教學模式（PBL）與STEM 課程內容融合，為了降低學習難度，提高可操作性，STEM 學習平臺應當提供一個相對簡易、穩定的使用環境，我們設計的學習平臺應該盡可能簡潔，和商業平臺有所區別。以學生能夠快速入門和掌握為前提，設計簡潔的導航和界面，在符合STEM 教育風格的同時，避免出現影響學習者專注力的元素。

（六）易操作的原則

作為一個學習環境，應該盡可能避免把操作也作為學習內容，設計的學習平臺要避免過于繁瑣和自以為是的設計，學生能夠快速入門，不出現因操作困難或不熟練而影響學習進度，學生只需要具有基本的計算機或者信息終端操作能力就可以順利完成學習。

（七）易維護的原則

平臺在運行過程中，尤其在進行功能擴展后，比較容易出現問題，那就需要進行調試、維護，這些工作往往是費時費力的，這就要求網絡平臺在設計初期就能夠從便于改進、方便測試和維護快速等方面出發，采用相應的技術，以減輕后期維護的工作量。

三、基于PBL 的STEM 網絡學習平臺設計

（一）需求分析

基于項目式學習的特點對STEM 網絡學習平臺的學習流程給予優化，即按照學習者擬定的學習目標，有意識、有計劃地調節自己的心理和行為，充分體現主題的能動性、自主性、自覺性[6]。設計之前需要向將要使用該平臺的教師和學生開展調研，對STEM 學習平臺的模塊設置、數據庫結構進行分析與設計，最后歸納出教師需求功能和學生需求功能，如圖1所示，這為之后的實際開發提供了設計基礎。

圖1 教師、學生功能需求圖

（二）數據庫設計

“基于PBL 的STEM 網絡學習平臺”的數據庫開發以HBuilder 為開發平臺，利用SQL SERVER搭建數據平臺，結合VBscript 來實現各模塊的動態效果，因此數據庫的搭建對于本平臺的實現至關重要。

1.用戶信息表

當學生第一次登錄該平臺時，都需要利用各自的學號來進行注冊一個用戶賬號，而他們的信息都會記錄在這個用戶信息表中，以后每次只有利用該賬號登錄平臺后，才可以利用該平臺的各項功能，詳細信息見表1。

表1 用戶信息表

2.項目信息表

教師可以從學生的知識、技術水平、目前關注的問題出發，結合實際問題，來添加并發布項目，之后還可以根據需要編輯、刪除項目，而這些項目的信息就都記載在項目信息表中，詳細信息見表2。

表2 項目信息表

3.項目控制表

項目的發展涉及到兩個主體：學生和項目。這兩個主體要根據項目需要產生聯系，而兩者之間的聯系就體現在這個項目控制表中，除此之外，通過該表還能為平臺功能提供某些控制功能，詳細信息見表3。

表3 項目控制表

4.學習資源信息表

教師除了要發布項目外，還要負責資源庫的建設，因此教師要及時上傳些資源，而所上傳的資源的信息就記錄在學習資源信息表中，詳細信息見表4。

表4 學習資源信息表

5.學習日志表

學生在項目過程中通過寫日志記錄學習過程中的點點滴滴，而作為項目成果的一部分，學生的日志將與相應的項目聯系起來，這種聯系就體現在學習日志表中，詳細信息見表5。

表5 學習日志表

6.站內消息表

站內短消息是學生之間、學生與教師之間的聯系方式之一，是學習支持功能之一，詳細信息見表6。

表6 站內消息表

7.成果信息表

成果信息表中記錄的是學生上傳的各個階段的項目成果，而這些成果就是最終作為項目評價、學生評價的標準，詳細信息見表7。

表7 成果信息表

8.學生成績表

項目的最終成果反映在學生的成績上，學生成績表中記錄了學生自我評價、組內評價、組間評價、教師評價以及綜合評價的成績，詳細信息見表8。

表8 學生成績表

（三）系統功能設計

系統功能在學習平臺中通過平臺導航來體現，系統功能的設計體現了學習平臺的主要功能和核心設計思想，其主要功能包括：

用戶登錄/注冊：為了能更好地使用該平臺，用戶必須使用注冊的用戶名與密碼進行登錄，如果用戶是第一次訪問該平臺，則可以使用注冊功能來獲得訪問該平臺的個人標識。

平臺功能導航：平臺導航包括：首頁、最新項目、最新資源、作品欣賞、系統求助、心情日志、風云榜等，該導航功能方便用戶更快訪問所需的功能模塊。

最新項目：列出最新的學習項目，讓用戶在訪問平臺首頁時就能了解項目的最新動態。

最新資源：列出資源庫中最新上傳的資源供用戶下載使用。

最新求助：列出最新的求助信息，方便用戶更快得到其他人的幫助。

最新動態：提供最新的系統消息，用戶可以從這里了解最新的通知。

站內搜索：主要是利用“關鍵字”搜索，讓用戶更快捷地得到需要的信息。

精彩推薦：列出以往完成的優秀項目供用戶欣賞與借鑒。

（四）教師功能設計

教師的身份也是管理員，登錄成功后，系統則進入教師功能首頁，在首頁左側則是功能導航，包括：添加項目、編輯項目、發布通告、上傳資源、我的消息、發送消息、項目評價、學生評價、綜合評價、查看成績、項目控制。

添加項目：教師發布已經設計好的項目信息，供學生瀏覽與選擇。以下是該模塊的部分主要實現代碼：

編輯項目：在此教師可以對已經發布的項目進行編輯與刪除的操作。

發布通告：教師可以根據需要，適時發布通知，該通知將會顯示在平臺首頁。

上傳資源：該功能主要是方便教師進行資源庫的建設，上傳成功的資源就可以被學生下載使用，考慮到各類資源容量龐大，不宜直接寫入數據庫，因此所上傳的資源僅僅是存儲在一個指定的文件夾中，而將其存儲的路徑寫入數據庫，用戶通過訪問數據庫獲得其路徑就可以方便地下載資源了。

我的消息：當學生有問題請教老師或想向教師提建議時就可以發站內短消息給教師，消息按消息發送的時間順序排列，未被瀏覽的消息呈粗體顯示，瀏覽過后則變成正常字體，以此來區分已讀消息和未讀消息。

發送消息：教師可以利用該功能同學生進行交流。

項目評價：當小組完成項目之后，教師可以對該項目的最終成果進行評價。項目評價是注重對項目的整體評價，是對小組合作成果的評價，這在一定程度上反映了成員的協作能力。

學生評價：項目完成后，教師除了要對項目進行評價外，還要分別對小組的每個成員根據他們在項目中所完成任務的情況進行評價。該功能中將列出每個成員在項目期間的成果，以此作為評價依據。

綜合評價：綜合評價就是學生在該項目中的最后評價，它由學生個人評價、組內評價、組間評價、項目評價、學生評價組成，每項評價均占一定的比例。

查看成績：該功能將顯示每個學生在各個項目中的各項評價結果以及最終的評價，以便教師了解學生的總體成績。通過該模塊功能，教師也可以查詢某個學生的成績。

項目控制：該功能提供項目的“開啟”和“關閉”的功能，當開啟項目后，項目就可以被選擇，而關閉項目后，學生就不能再參與該項目。

過程監控：利用該模塊，教師不僅可以在學生們選擇項目時進行引導，還可以隨時參與各小組的組內討論，從而更好地了解各項目進度。

（五）學生功能模塊

當前項目：由于教師可以根據項目進度與教學設計安排對項目進行控制，因此并非所有項目都可以被學生選擇，在當前項目模塊里面所呈現的就是目前已經開啟的項目，學生可以在這些項目中選擇并參加其中之一。

我的項目：在該模塊中所列出的是學生以往所參加過的項目，學生可以通過這個模塊瀏覽以往所參加的項目。

我的消息：這是學生與同學、老師間的一種重要方式，所有發給該學生的消息都會儲存在這個模塊中，消息按照發送的時間呈降序排列，學生未閱讀過的消息會呈黑體與斜體的字體形態，當學生閱讀過后，消息標題的字體則會恢復正常的顯示。

發送消息：通過這個功能，學生可以向任何一個人發送短消息，其功能界面與教師功能模塊中的發送消息模塊相似。

心情日志：心情日志可以記錄學生在項目過程中的點點滴滴，可以是自己的一些經驗或技巧，也可以是自己在項目進行過程中遇到的問題，這一切都通過心情日志完全呈現給大家，大家通過瀏覽其日志不僅可以分享他們所獲得的經驗，也可以向他們伸出友誼之手幫他們解決問題，大家共同探討，共同進步。

上傳成果：因為項目由一個項目小組共同擔當，因此每個項目都有階段性的成果，從開始的項目計劃書，到之后的每個項目成果組成部分，學生可以將它們分批上傳，這樣更有利于其他學生和教師了解項目的進度。同時項目最終成果的分解，可以讓其它評論者及時對這個階段成果提出意見，這樣有利于項目成員對其及時進行改進。該模塊功能可以根據服務器的性能以及參加人數的多少來調整每次上傳成果的容量。其功能界面與教師上傳資源的功能界面相似。

空間瀏覽：這個窗口中列出了最新的學生心情日志，按照發布時間呈降序排列，學生可以很方便地瀏覽其他同學的心情日志，之后可以做出自己的評論，

自我評價：學生通過該模塊可以對自己在目前所參加項目的整個過程中的表現做出評價。評價采用5分制，3分為及格。

組內評價：登錄的學生可以對參加這個項目的其他所有成員的表現做出評價，由于大家同屬于一個項目，因此對彼此在項目中的表現也最為清楚，做出的評價也比較客觀。

組間評價：各項目小組成員可以對其他項目的完成情況做出各自的評價，這也是組間交流的一種方式。自我評價、組內評價、組間評價的平臺頁面功能設計相似，頁面上方均為項目成果列表，從此評價者可以清楚了解被評價者在該項目期間的項目成果，并以此為依據結合平時對被評價者的了解，對其做出相對客觀的評價，這項功能提現了PBL學習中多種形式的項目成果評價。

系統求助：在該模塊將展現最新的學生求助信息，同學們可以根據自己的能力為他人提供幫助。

查看成績：學生可以通過該模塊來查看自己在每個項目中的成績，同時也能看到教師對他的個人評價，從而了解到自己在項目中的優點與不足。

上述內容對基于PBL 的STEM 網絡學習平臺的系統功能、數據庫結構、教師功能、學生功能進行了詳細分析與設計，為之后的開發過程提供了設計藍本。當然設計也是一個不斷優化和調整的過程，在平臺的實際開發和使用過程中設計也會依據反饋信息不斷完善。

四、基于PBL 的STEM 網絡學習平臺的試用與評價

平臺的試用與評價結果是檢驗該平臺實用性的重要指標，進行平臺的試用與評價的主要目的是：

1.通過用戶（學生和教師）的使用來檢驗平臺功能是否齊全，能否滿足PBL 教學模式的實際需求；檢驗平臺界面設計是否足夠人性化，符合用戶平時使用習慣；檢驗平臺運行時是否存在BUG 以及能否具備較高的運行效率。

2.檢驗該平臺功能結合PBL的教學模式是否能夠有效提高學生的學習興趣，激發他們的學習動力并取得較好的學習效果；讓教師體驗這種新的教學手段，檢驗他們在該模式下是否具備足夠的課堂駕御能力，從而對平臺設計之前的可行性分析進行驗證。

3.通過試用期間對用戶的問卷調查以及個人訪談，獲取用戶體驗信息，從而有利于對該平臺的進一步完善。

（一）試用和評價方法

平臺建設團隊聯系了甘肅省慶陽市合水縣科技館的科技輔導教師和相關負責人，他們表示大力地支持，也對這種新的教學方式表示極大地興趣。通過協商，將會為本次平臺試用提供機房和學生。因為該平臺的使用必須具備一定的計算機基礎知識和實際應用能力，初一學生基礎還太薄弱，因此確定以初二年段的部分學生為平臺試用對象，人員的選擇以自愿為原則，采取主動報名的方式參與此次試用與評價。最終一共有31 名初二學生愿意參加。

針對該平臺的試用，我們與合水縣科技館的科技輔導教師聯合開設了一門研究性課程——圖形化編程（時間定在每周六下午14：00-16：00），共計3次。

通過一段時間教師和學生使用的研究性學習，教師和學生都有各自豐富的體驗，對PBL教學方式有了一定地認識，對于PBL 網絡協作平臺的使用也比較熟練了。在此基礎上，平臺建設團隊對參與研究性學習的學生進行了問卷調查和個別訪談，調查的主要內容就是學生在使用后對PBL網絡協作平臺的界面和功能設計的看法以及學生體會過PBL教學方式后的感受。問卷一共發放31份，回收31份，回收率100%，其中有效問卷31份。

（二）平臺試用后評價

1.平臺設計方面

根據問卷來看，基于PBL 的STEM 網絡學習平臺基本上獲得了學生的認可。問卷數據還顯示，學生認為平臺的資源庫中的資源比較貧乏，無法滿足項目的需求。究其原因主要是從平臺的搭建到投入使用中間時間間隔太短，只能臨時為資源庫填充了一些資源，因此資源數量不多。另一方面資源庫的建設不是一朝一夕的事，日積月累下，相信資源庫會發揮其強大的功能。部分學生認為平臺的上傳功能不夠完善，造成有些文件無法上傳，其實這個是刻意如此安排的。建設團隊希望把學生能夠學會控制文件大小，或者使用壓縮技術，因此將上傳的文件限制在一定大小范圍內以減輕服務器的負擔。

2.用戶使用方面

學生們普遍認為課堂上師生的交流互動變得頻繁了，雖然這種交流是基于PBL平臺的，而交流也是主要通過平臺消息的形式，但是課堂的氣氛卻顯得十分活躍，一些平時不敢發言，比較害羞的同學也能通過這個平臺發表自己的見解。絕大部分的學生認為這種方式改變了傳統枯燥的教學方式，有效地激發了學生的學習興趣，大大提高了學生的學習主動性和積極性。

平臺搭建方便，功能比較完善。該平臺的功能設計考慮到了PBL 教學的各個方面的需求，有效地提高了STEM 學習效率，簡化了教師的學習過程管理。學生的成果可以上傳到平臺，大大擴充了平臺的資源庫，為日后的教學提供了基礎。平臺提供的評價機制比較客觀，能真實反應學生的學習情況。通過平臺，學生不僅可以對自己進行自評，還可以對組內成員乃至所有其他成員進行評價。而教師也通過平時的觀察與最終的項目成果對每個學生做出合理評價，各部分評價都是學生最后綜合評價的重要組成部分。這樣的評價機制雖然多了些步驟，但是更合理，更客觀。同時教師還能夠將評語以平臺消息形式發送給學生個人，讓他能及時了解自己的優點與不足。

五、結語

第四次工業革命是制造過程向完全數字化的轉變[7]，世界各國先后發布了引進新一輪工業革命的“再工業化”戰略，如《英國工業2050 戰略》《新工業法國戰略》《日本制造業再興戰略》等，都將智能型人才的培養放到了重要位置[8]，并紛紛開展STEM 教育研究，STEM專業人才對各國搶占第四次工業革命先機，促進制造業的智能升級具有關鍵作用。

基于PBL 的STEM 網絡學習平臺不僅可以提升學生的STEM 素養，推動STEM 教育的開展，還可以為提升中小學生創新精神與解決真實問題的實踐能力，培養具備綜合科技素養和深度創新能力、未來服務于國家科技創新工作的復合型人才奠定基礎。因此，我們應該積極探索和推廣這種新型的教學方式，以實現中小學STEM 教育公平而有質量的發展。