基于PBL的STEM网络学习平台设计

高海燕

（兰州城市学院 教务处，甘肃 兰州 730070）

在21 世纪的今天，科技的发展日新月异，STEM 教育（科学、技术、工程和数学）已经成为全球教育的重要组成部分。随着项目学习（PBL）的展开，其形式充满创新、灵活、开放等特点，逐渐受到创客教育研究人员的青睐[1]，但传统的STEM 教育方式还是过于注重理论知识的灌输，忽视了实践能力的培养。因此，如何将PBL 这种新型有效的学习方式与STEM 教育深度整合，提升学生的STEM 素养，推动STEM 教育的开展，成为了教育界亟待解决的问题。本文将基于PBL（项目导向学习）设计，通过设计一款STEM 网络学习平台为例，探讨如何实现这一目标。

一、PBL学习方式与STEM课程

STEM教育是将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的内容交叉融合后形成的一个有机整体，以整合的教学方式培养学生创新精神与解决真实世界问题的能力，是科技创新教育的有效形态，也是面向所有学生培养综合素质的载体和全社会共同参与的教育创新实践。

基于项目的学习（PBL）是一种学习方法，指学习过程围绕某个具体的学习项目，充分选择和利用最优化的学习资源，在实践体验、内化吸收、探索创新中获得较为完整和具体的知识，形成专门的技能和得到充分发展的学习[2]。PBL 学习方式根本出发点是希望学生在做中学，在学中做，因此项目式学习的都有一个明确的主题，一般都从具体的生活需求出发，学生所面对的是基于实践的，真实的具体问题[3]，而不是剔除了许多复杂表象问题，进行了抽象化、单一化的一个学习问题，或者一个知识点，其知识是蕴涵在这些具体生活问题的背后，学生需要自己去挖掘，去开发，在此过程中获得知识和概念，并掌握一定的技能。根据主题要求和任务目标，学生在结合已有认知情况下可以大胆想象，去丰富，去完善整个项目内容，然后利用实践体验去验证他们的设想。在这个过程中学习者需要得到各方面力量的支持，需要利用多种资料。其获取资料的途径是多样化的，获得的支持也是多样化的，但是他们的目标是统一的，他们需要利用自己所掌握的情况。不管这些问题的大小、类型存在怎样的差别，它们基本上存在一个共同点，就是它们是属于交叉学科的问题，单纯依靠一门学科的知识不能够解决问题或者说不能够很好地解决问题。可以看出，PBL与STEM教育的特色是吻合的，两者之间有很强的关联。

（一）PBL学习方式与STEM教育结合的优势

STEM 教育强调培养学生在科学、技术、工程和数学领域的综合能力，PBL 则提供了一种实践这些技能的方法和工具，为STEM 教育的内容提供了教学策略和教师实践的模式，学生要很好地融合理论知识和实践操作能力才能更好地分析它、解决它，要多尝试从不同的角度去看待问题，单一片面的视角往往无法把握问题的关键所在。通过PBL 的学习方式，学生可以自主地思考和提出问题，设计和实施解决方案，并在解决问题的过程中发展跨学科的知识和技能，将PBL 学习方式与STEM教育结合其优势在于：

跨学科学习：PBL强调解决实际问题，学生需要将科学、技术、工程和数学等学科知识进行整合和应用。这使得学生能够在实际场景中综合运用多学科的知识和技能。

实践经验：通过PBL的实际项目，学生可以亲身体验科学、技术、工程和数学的实际应用。这种体验有助于学生更好地理解学科的实际意义和应用领域。

解决问题的能力：PBL 强调学生主动解决问题的能力，这是STEM 教育中重要的目标之一。通过参与PBL项目，学生可以培养批判性思维、团队合作和解决问题的能力。

创新思维：PBL 鼓励学生提出创新的解决方案。STEM 教育也强调培养学生的创新思维和创造力。结合PBL 和STEM 教育，学生能够在解决实际问题的过程中培养创新思维。

PBL 与STEM 教育相辅相成。PBL 提供了一个实践和应用STEM 知识和技能的方法，帮助学生培养跨学科的能力，并在解决实际问题的过程中培养创新思维。这种结合可以促进学生在STEM领域的学习和发展。

（二）PBL学习方式与STEM课程结合的方式

PBL学习方式和STEM教育的结合，可以帮助学生在真实的、有意义的情境中进行学习，常见的结合方式有以下几种。

设计挑战性问题：PBL 强调在解决实际问题中学习，而STEM 教育注重科学和工程的应用。教师可以设计一系列挑战性的问题，要求学生运用STEM 知识和技能来解决。例如，设计一个智能家居系统，学生需要了解传感器、声、光、电等处理技术和建筑工程设计等知识。

团队合作：PBL和STEM都强调团队合作和合作解决问题。学生可以组成小组，共同参与项目的规划和实施。在合作过程中，学生可以互相协作、分享知识和经验，培养沟通和协作能力。

实践应用：PBL 注重学习的实际应用，而STEM 强调将科学和工程知识应用于实际情境。教师可以设计实践项目，让学生将所学的STEM知识应用于实际项目中，例如设计和构建一个游戏，或使用编程语言开发一个APP。

跨学科整合：PBL和STEM教育都强调跨学科学习。教师可以设计跨学科的项目，将不同学科的知识和技能整合在一起。例如，在一个自动避障小车项目中，学生需要了解计算机、电子、物理和数学等多个学科的知识。

反思和评估：PBL和STEM教育都强调学生的反思和评估。学生应该能够对自己的工作进行反思和评估，并根据反思和评估结果改进和完善自己的解决方案。教师可以通过提供反馈和评估标准来引导学生进行反思和评估。

PBL和STEM教育的结合，可以为学生提供一个综合性的学习体验。通过PBL 和STEM 教育的结合，学生可以培养创新思维和解决问题的能力，并将所学的知识和技能应用于实际情境中。

二、基于PBL 的STEM 网络学习平台设计原则

（一）服务于教和学的原则

个体知识的来源无论来自外部知识，还是来自内部的知识，其获得过程都具有建构性质[4]。基于PBL 的STEM 学习平台的主要就是为学习者开展STEM 学习活动提供平台环境，以实现学习者对知识的主动建构，提升STEM 教学效果，所以在开展STEM 学习平台设计时，首先要考虑的是对教和学的服务。

（二）适用性原则

理论的创新为教学优化提供新的方向，技术创新为教学提供技术支持。但新的技术手段也代表教学中所付出的教学成本也在提升，是否技术越新越好？是否教学设备越贵越好？其实未必，适用性原则在教学环境搭建过程中要充分考虑，在了解技术的变革的同时，充分考虑自身条件，制订近期与远期的计划与需要，以改善和提升教学效果为目的，选择性价比最高的适用方案。

（三）科学性原则

当今科学技术发展迅猛，技术革新速度远超于人类以往历史，新技术尤其信息技术也并不仅仅为教育而服务，其中很多技术并不适合教育。在教育公平的理念下，很多新技术一直被抱有谨慎选择的态度，尤其是应在教育领域的技术。有很多新的技术需要被验证、被局部试验后才能逐步推广，这还和本区域的经济、政治、社会发展息息相关。所以将PBL 的学习方式应用在STEM 教育中也要经历一个逐渐成熟、科学验证的过程。

（四）可扩充性原则

为了探索PBL 教学模式在STEM 教育中的应用，本平台的开发初期肯定存在不完善性、不确定性，而随着教学活动的开展和实践经验的丰富，对于课程的需求也将逐渐完善起来，需要对相应的功能进行支持和补充。依据软件工程开发的扩充原则[5]，我们在设计学习平台时，也要充分考虑日后的扩充性，尽可能的留有扩展接口，为硬件升级或者扩展配置留有余地，作为日后进一步完善的开发基础。

（五）简洁明了的原则

STEM教育在我国还会处于发展初期，学生整体STEM 素养都还处于相对较低水平，都处于发展中，而且在本课程中，还要将新的教学模式（PBL）与STEM 课程内容融合，为了降低学习难度，提高可操作性，STEM 学习平台应当提供一个相对简易、稳定的使用环境，我们设计的学习平台应该尽可能简洁，和商业平台有所区别。以学生能够快速入门和掌握为前提，设计简洁的导航和界面，在符合STEM 教育风格的同时，避免出现影响学习者专注力的元素。

（六）易操作的原则

作为一个学习环境，应该尽可能避免把操作也作为学习内容，设计的学习平台要避免过于繁琐和自以为是的设计，学生能够快速入门，不出现因操作困难或不熟练而影响学习进度，学生只需要具有基本的计算机或者信息终端操作能力就可以顺利完成学习。

（七）易维护的原则

平台在运行过程中，尤其在进行功能扩展后，比较容易出现问题，那就需要进行调试、维护，这些工作往往是费时费力的，这就要求网络平台在设计初期就能够从便于改进、方便测试和维护快速等方面出发，采用相应的技术，以减轻后期维护的工作量。

三、基于PBL 的STEM 网络学习平台设计

（一）需求分析

基于项目式学习的特点对STEM 网络学习平台的学习流程给予优化，即按照学习者拟定的学习目标，有意识、有计划地调节自己的心理和行为，充分体现主题的能动性、自主性、自觉性[6]。设计之前需要向将要使用该平台的教师和学生开展调研，对STEM 学习平台的模块设置、数据库结构进行分析与设计，最后归纳出教师需求功能和学生需求功能，如图1所示，这为之后的实际开发提供了设计基础。

图1 教师、学生功能需求图

（二）数据库设计

“基于PBL 的STEM 网络学习平台”的数据库开发以HBuilder 为开发平台，利用SQL SERVER搭建数据平台，结合VBscript 来实现各模块的动态效果，因此数据库的搭建对于本平台的实现至关重要。

1.用户信息表

当学生第一次登录该平台时，都需要利用各自的学号来进行注册一个用户账号，而他们的信息都会记录在这个用户信息表中，以后每次只有利用该账号登录平台后，才可以利用该平台的各项功能，详细信息见表1。

表1 用户信息表

2.项目信息表

教师可以从学生的知识、技术水平、目前关注的问题出发，结合实际问题，来添加并发布项目，之后还可以根据需要编辑、删除项目，而这些项目的信息就都记载在项目信息表中，详细信息见表2。

表2 项目信息表

3.项目控制表

项目的发展涉及到两个主体：学生和项目。这两个主体要根据项目需要产生联系，而两者之间的联系就体现在这个项目控制表中，除此之外，通过该表还能为平台功能提供某些控制功能，详细信息见表3。

表3 项目控制表

4.学习资源信息表

教师除了要发布项目外，还要负责资源库的建设，因此教师要及时上传些资源，而所上传的资源的信息就记录在学习资源信息表中，详细信息见表4。

表4 学习资源信息表

5.学习日志表

学生在项目过程中通过写日志记录学习过程中的点点滴滴，而作为项目成果的一部分，学生的日志将与相应的项目联系起来，这种联系就体现在学习日志表中，详细信息见表5。

表5 学习日志表

6.站内消息表

站内短消息是学生之间、学生与教师之间的联系方式之一，是学习支持功能之一，详细信息见表6。

表6 站内消息表

7.成果信息表

成果信息表中记录的是学生上传的各个阶段的项目成果，而这些成果就是最终作为项目评价、学生评价的标准，详细信息见表7。

表7 成果信息表

8.学生成绩表

项目的最终成果反映在学生的成绩上，学生成绩表中记录了学生自我评价、组内评价、组间评价、教师评价以及综合评价的成绩，详细信息见表8。

表8 学生成绩表

（三）系统功能设计

系统功能在学习平台中通过平台导航来体现，系统功能的设计体现了学习平台的主要功能和核心设计思想，其主要功能包括：

用户登录/注册：为了能更好地使用该平台，用户必须使用注册的用户名与密码进行登录，如果用户是第一次访问该平台，则可以使用注册功能来获得访问该平台的个人标识。

平台功能导航：平台导航包括：首页、最新项目、最新资源、作品欣赏、系统求助、心情日志、风云榜等，该导航功能方便用户更快访问所需的功能模块。

最新项目：列出最新的学习项目，让用户在访问平台首页时就能了解项目的最新动态。

最新资源：列出资源库中最新上传的资源供用户下载使用。

最新求助：列出最新的求助信息，方便用户更快得到其他人的帮助。

最新动态：提供最新的系统消息，用户可以从这里了解最新的通知。

站内搜索：主要是利用“关键字”搜索，让用户更快捷地得到需要的信息。

精彩推荐：列出以往完成的优秀项目供用户欣赏与借鉴。

（四）教师功能设计

教师的身份也是管理员，登录成功后，系统则进入教师功能首页，在首页左侧则是功能导航，包括：添加项目、编辑项目、发布通告、上传资源、我的消息、发送消息、项目评价、学生评价、综合评价、查看成绩、项目控制。

添加项目：教师发布已经设计好的项目信息，供学生浏览与选择。以下是该模块的部分主要实现代码：

编辑项目：在此教师可以对已经发布的项目进行编辑与删除的操作。

发布通告：教师可以根据需要，适时发布通知，该通知将会显示在平台首页。

上传资源：该功能主要是方便教师进行资源库的建设，上传成功的资源就可以被学生下载使用，考虑到各类资源容量庞大，不宜直接写入数据库，因此所上传的资源仅仅是存储在一个指定的文件夹中，而将其存储的路径写入数据库，用户通过访问数据库获得其路径就可以方便地下载资源了。

我的消息：当学生有问题请教老师或想向教师提建议时就可以发站内短消息给教师，消息按消息发送的时间顺序排列，未被浏览的消息呈粗体显示，浏览过后则变成正常字体，以此来区分已读消息和未读消息。

发送消息：教师可以利用该功能同学生进行交流。

项目评价：当小组完成项目之后，教师可以对该项目的最终成果进行评价。项目评价是注重对项目的整体评价，是对小组合作成果的评价，这在一定程度上反映了成员的协作能力。

学生评价：项目完成后，教师除了要对项目进行评价外，还要分别对小组的每个成员根据他们在项目中所完成任务的情况进行评价。该功能中将列出每个成员在项目期间的成果，以此作为评价依据。

综合评价：综合评价就是学生在该项目中的最后评价，它由学生个人评价、组内评价、组间评价、项目评价、学生评价组成，每项评价均占一定的比例。

查看成绩：该功能将显示每个学生在各个项目中的各项评价结果以及最终的评价，以便教师了解学生的总体成绩。通过该模块功能，教师也可以查询某个学生的成绩。

项目控制：该功能提供项目的“开启”和“关闭”的功能，当开启项目后，项目就可以被选择，而关闭项目后，学生就不能再参与该项目。

过程监控：利用该模块，教师不仅可以在学生们选择项目时进行引导，还可以随时参与各小组的组内讨论，从而更好地了解各项目进度。

（五）学生功能模块

当前项目：由于教师可以根据项目进度与教学设计安排对项目进行控制，因此并非所有项目都可以被学生选择，在当前项目模块里面所呈现的就是目前已经开启的项目，学生可以在这些项目中选择并参加其中之一。

我的项目：在该模块中所列出的是学生以往所参加过的项目，学生可以通过这个模块浏览以往所参加的项目。

我的消息：这是学生与同学、老师间的一种重要方式，所有发给该学生的消息都会储存在这个模块中，消息按照发送的时间呈降序排列，学生未阅读过的消息会呈黑体与斜体的字体形态，当学生阅读过后，消息标题的字体则会恢复正常的显示。

发送消息：通过这个功能，学生可以向任何一个人发送短消息，其功能界面与教师功能模块中的发送消息模块相似。

心情日志：心情日志可以记录学生在项目过程中的点点滴滴，可以是自己的一些经验或技巧，也可以是自己在项目进行过程中遇到的问题，这一切都通过心情日志完全呈现给大家，大家通过浏览其日志不仅可以分享他们所获得的经验，也可以向他们伸出友谊之手帮他们解决问题，大家共同探讨，共同进步。

上传成果：因为项目由一个项目小组共同担当，因此每个项目都有阶段性的成果，从开始的项目计划书，到之后的每个项目成果组成部分，学生可以将它们分批上传，这样更有利于其他学生和教师了解项目的进度。同时项目最终成果的分解，可以让其它评论者及时对这个阶段成果提出意见，这样有利于项目成员对其及时进行改进。该模块功能可以根据服务器的性能以及参加人数的多少来调整每次上传成果的容量。其功能界面与教师上传资源的功能界面相似。

空间浏览：这个窗口中列出了最新的学生心情日志，按照发布时间呈降序排列，学生可以很方便地浏览其他同学的心情日志，之后可以做出自己的评论，

自我评价：学生通过该模块可以对自己在目前所参加项目的整个过程中的表现做出评价。评价采用5分制，3分为及格。

组内评价：登录的学生可以对参加这个项目的其他所有成员的表现做出评价，由于大家同属于一个项目，因此对彼此在项目中的表现也最为清楚，做出的评价也比较客观。

组间评价：各项目小组成员可以对其他项目的完成情况做出各自的评价，这也是组间交流的一种方式。自我评价、组内评价、组间评价的平台页面功能设计相似，页面上方均为项目成果列表，从此评价者可以清楚了解被评价者在该项目期间的项目成果，并以此为依据结合平时对被评价者的了解，对其做出相对客观的评价，这项功能提现了PBL学习中多种形式的项目成果评价。

系统求助：在该模块将展现最新的学生求助信息，同学们可以根据自己的能力为他人提供帮助。

查看成绩：学生可以通过该模块来查看自己在每个项目中的成绩，同时也能看到教师对他的个人评价，从而了解到自己在项目中的优点与不足。

上述内容对基于PBL 的STEM 网络学习平台的系统功能、数据库结构、教师功能、学生功能进行了详细分析与设计，为之后的开发过程提供了设计蓝本。当然设计也是一个不断优化和调整的过程，在平台的实际开发和使用过程中设计也会依据反馈信息不断完善。

四、基于PBL 的STEM 网络学习平台的试用与评价

平台的试用与评价结果是检验该平台实用性的重要指标，进行平台的试用与评价的主要目的是：

1.通过用户（学生和教师）的使用来检验平台功能是否齐全，能否满足PBL 教学模式的实际需求；检验平台界面设计是否足够人性化，符合用户平时使用习惯；检验平台运行时是否存在BUG 以及能否具备较高的运行效率。

2.检验该平台功能结合PBL的教学模式是否能够有效提高学生的学习兴趣，激发他们的学习动力并取得较好的学习效果；让教师体验这种新的教学手段，检验他们在该模式下是否具备足够的课堂驾御能力，从而对平台设计之前的可行性分析进行验证。

3.通过试用期间对用户的问卷调查以及个人访谈，获取用户体验信息，从而有利于对该平台的进一步完善。

（一）试用和评价方法

平台建设团队联系了甘肃省庆阳市合水县科技馆的科技辅导教师和相关负责人，他们表示大力地支持，也对这种新的教学方式表示极大地兴趣。通过协商，将会为本次平台试用提供机房和学生。因为该平台的使用必须具备一定的计算机基础知识和实际应用能力，初一学生基础还太薄弱，因此确定以初二年段的部分学生为平台试用对象，人员的选择以自愿为原则，采取主动报名的方式参与此次试用与评价。最终一共有31 名初二学生愿意参加。

针对该平台的试用，我们与合水县科技馆的科技辅导教师联合开设了一门研究性课程——图形化编程（时间定在每周六下午14：00-16：00），共计3次。

通过一段时间教师和学生使用的研究性学习，教师和学生都有各自丰富的体验，对PBL教学方式有了一定地认识，对于PBL 网络协作平台的使用也比较熟练了。在此基础上，平台建设团队对参与研究性学习的学生进行了问卷调查和个别访谈，调查的主要内容就是学生在使用后对PBL网络协作平台的界面和功能设计的看法以及学生体会过PBL教学方式后的感受。问卷一共发放31份，回收31份，回收率100%，其中有效问卷31份。

（二）平台试用后评价

1.平台设计方面

根据问卷来看，基于PBL 的STEM 网络学习平台基本上获得了学生的认可。问卷数据还显示，学生认为平台的资源库中的资源比较贫乏，无法满足项目的需求。究其原因主要是从平台的搭建到投入使用中间时间间隔太短，只能临时为资源库填充了一些资源，因此资源数量不多。另一方面资源库的建设不是一朝一夕的事，日积月累下，相信资源库会发挥其强大的功能。部分学生认为平台的上传功能不够完善，造成有些文件无法上传，其实这个是刻意如此安排的。建设团队希望把学生能够学会控制文件大小，或者使用压缩技术，因此将上传的文件限制在一定大小范围内以减轻服务器的负担。

2.用户使用方面

学生们普遍认为课堂上师生的交流互动变得频繁了，虽然这种交流是基于PBL平台的，而交流也是主要通过平台消息的形式，但是课堂的气氛却显得十分活跃，一些平时不敢发言，比较害羞的同学也能通过这个平台发表自己的见解。绝大部分的学生认为这种方式改变了传统枯燥的教学方式，有效地激发了学生的学习兴趣，大大提高了学生的学习主动性和积极性。

平台搭建方便，功能比较完善。该平台的功能设计考虑到了PBL 教学的各个方面的需求，有效地提高了STEM 学习效率，简化了教师的学习过程管理。学生的成果可以上传到平台，大大扩充了平台的资源库，为日后的教学提供了基础。平台提供的评价机制比较客观，能真实反应学生的学习情况。通过平台，学生不仅可以对自己进行自评，还可以对组内成员乃至所有其他成员进行评价。而教师也通过平时的观察与最终的项目成果对每个学生做出合理评价，各部分评价都是学生最后综合评价的重要组成部分。这样的评价机制虽然多了些步骤，但是更合理，更客观。同时教师还能够将评语以平台消息形式发送给学生个人，让他能及时了解自己的优点与不足。

五、结语

第四次工业革命是制造过程向完全数字化的转变[7]，世界各国先后发布了引进新一轮工业革命的“再工业化”战略，如《英国工业2050 战略》《新工业法国战略》《日本制造业再兴战略》等，都将智能型人才的培养放到了重要位置[8]，并纷纷开展STEM 教育研究，STEM专业人才对各国抢占第四次工业革命先机，促进制造业的智能升级具有关键作用。

基于PBL 的STEM 网络学习平台不仅可以提升学生的STEM 素养，推动STEM 教育的开展，还可以为提升中小学生创新精神与解决真实问题的实践能力，培养具备综合科技素养和深度创新能力、未来服务于国家科技创新工作的复合型人才奠定基础。因此，我们应该积极探索和推广这种新型的教学方式，以实现中小学STEM 教育公平而有质量的发展。