摘要：2020年初，一场突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情席卷全国，如今已在全世界范围开始大流行。一时间，关于新型冠状病毒的科学研究成为全社会关注的热点。同时，关于生命健康、人与自然的关系等主题教育也成为广大青少年学习的热点。STEM教育关注真实世界的问题，也自然应当关注这场疫情中的科技发展。在疫情背景下，开发与疫情相关的学生STEM项目课程，有助于引导青少年关注疫情、关心生命健康以及人与自然和谐发展等重要领域，从而培养青少年热爱科学、关心时事、勇于挑战的精神风貌。本文将结合具体案例分别从疫情背景下的STEM项目课程选题、STEM项目课程的设计原则与一般要素以及课程设计方法等方面展开讨论。

关键词：疫情主题；STEM课程设计；基于项目的学习；3R原则；科学模型

一、背景

STEM教育是一种整合了科学、技术、工程和数学的新教育模式，STEM教育鼓励青少年关注真实世界的问题，而今年的新冠疫情就是与所有人息息相关的最真实的事件。疫情期间，迅速普及防疫抗疫相关的科学知识，对疫情的防控产生积极的影响。同时，应对疫情，我们从根本上还是要发展科学技术，疫情期间青少年科技创新的培养，可以通过设计相应主题的STEM项目学习来开展。

二、疫情背景下的STEM项目研究主题选取策略

在疫情背景下，如何引导青少年关注重大科学问题、开展相关主题的STEM项目学习，这需要从教者以疫情为背景，结合STEM教育的本质特征，开发恰当的研究主题，引导青少年关注疫情中的生命科学、环境科学以及疫情下社会心理学等学科领域的探索。在学生STEM项目选题策略上，我们主要遵循以下三个方面开展教研。

（一）体现防疫抗疫主题

防疫抗疫主题是项目选题与设计的第一要素。年初，新冠疫情肆虐，科学的防疫抗疫，是关系我们每一个人的重大事情。针对青少年，我们可以从科学普及的角度宣传和推广防疫抗疫知识，设计相应的项目课程。如个人卫生与居家消毒方法探究、口罩的重复使用的安全隐患、通过短视频开展疫情科普的实践活动等主题。

案例1——STEM项目主题：口罩重复使用中的安全问题探究

选题思路：在口罩紧缺的情况下，很多人选择了反复使用口罩，这种方式是否存在健康风险？这个问题，学生可以通过项目研究来找寻答案。通过组织学生进行实验设计和开展菌落培养，最后，我们能形成一定实验结果，并为日常生活提供有力的指导意见。

（二）紧扣真实世界的问题

真实世界的问题，是STEM项目学习关注的核心领域。区别与传统科学教育，我们在传统的学习活动中，需要更加注重科学概念的学习、知识体系的建设，在STEM项目学习中，我们会就真实世界中的问题展开讨论与研究，由此所触及的科学领域均是学生要去研究的方向。例如，在疫情高峰期中，防疫物资的短缺就是一个很现实的问题，对于青少年，如何运用所学知识，甚至超越原有的知识边界，主动获取必要的知识与技能，提出一定的解决方案，这恰恰是真实的体现。

案例2——STEM项目主题：紧急情况下如何制作更好的防护口罩

选题思路：疫情严重时期，防疫物资出现短缺，出现“一罩难求”的现象，在紧急情况下，制作更好的防护口罩，便是一个非常迫切的需求，虽然自制口罩的很难达到一定的防护效果，并且存在健康风险，但在一些特定场景下，依然可以阻挡一些飞沫的传播。再者，该项目更加偏重于学生如何在有限条件下提出一个解决方案，并做相关的测试。

（三）关注生态环境与人类健康课题

这次疫情同样引起了整个社会对于生态环境、人类健康等话题的反思。我们的项目课程选题可以从探讨疫情背后更深层次的科学与社会问题展开，如人与自然和谐共生的环境科学领域、突发公共卫生事件预警、城市治理、公众心理干预等社会科学领域，进而引发青少年与社会公众对科学精神、科学治理、科学伦理、人文关怀等问题的关注。

案例3——苔藓植物对地球演化所产生的的影响研究

设计思路：这是一个生态环境领域的STEM项目，主要关注的对象是苔藓植物。疫情期间，人们在开阔的自然环境里活动增加，而苔藓是常见的植物，它们是地球上相当古老的植物，它们在地球的演化中起了怎样的作用呢？它对土壤的形成提供了怎样的帮助呢？我们以此作为研究目标，通过科学研究的方法来获得相对可靠的数据，以支持我们的假设。

三、STEM项目课程的设计原则与一般要素

（一）设计原则

在确定好STEM项目的研究主题后，如何运用STEM教育的理念和原则设计课程，是STEM课程设计区别与传统教学设计的关键。基于项目的学习（Project-Based-Learning）早在20世纪之初就被推崇过，在教育史上也被摒弃过很长一段时间，但在21世纪，却和STEM教育有了很好的结合。应该来说，基于项目的学习为学生提供了融入真实情境的体验，这些体验辅助学生学习，帮助学生对科学、技术、工程和数学各领域里的概念形成有力而逼真的理解，整个过程都有语言、艺术和社会研究的支持。

所以，STEM项目课程的一个最显著设计原则便是，要基于项目设计学习活动或课程。项目学习是基于明确的目标的，在这个目标的驱动下，学生要解决若干问题，最终形成一定的作品或研究报告，教育者通过对其实践过程和其作品的考量来评估学生对STEM所涉及的各学科概念的掌握情况。

（二）一般要素：STEM项目中科学与工程实践的基本方法

在设计STEM项目课时，我们需要包含项目研究的一般要素，即科学与工程实践的一般方法。科学研究与工程设计是STEM项目课程中最典型的两种类型，它们也代表了两种不同体系的研究。科学研究往往是解决“为什么、是什么”的问题的，而工程设计往往解决的是“怎么样”的问题。从学生学习成果上来看，科学研究项目中，学生最终提供的往往是研究报告与论文，工程设计项目中，学生最终提供的往往是一种解决方案或设计作品。两者都是基于项目的学习，但基本方法却略有差别，我们总结如下（见图6）。

从图（见图6）中我们可以看出，科学研究项目和工程设计项目的出发点是不一样的，科学研究项目是基于一个假设开展研究，而工程设计项目是基于我们的需求开展设计，两类项目课程的实施环节都不太一样，在课程设计中，我们应该注意其中的区别，应该在课程活动中包含这些基本的要素。

四、如何解决学生项目与现实科学与工程实践的差距问题

在设计STEM课程实际中，很多教师都存在这样的困惑：自己设计的课程要么过于标准化，学生几乎是按照固定动作固定流程完成了整个项目的过程，没有挑战性，也激发不了学生的能动性和创造力；还有一种就是，设计的课程难度很大，超出了学生已有的知识能力水平，学生通过短期研习也无法完成项目。这两种课程设计都是不可取的。追求项目课程的新颖和前沿性，不容易把控项目难度，降低难度往往又使得项目不具挑战性和开放性。这体现了学生STEM项目设计要与现实科学与工程实践之间要做转化，这个转化一方面遵循教学教学的基本原则，另一方面也要遵循科学研究的基本原则与方法。

（一）遵循3R原则

涉及到人类健康领域的科学研究，即使是科研工作者，他们也要遵守科学研究的安全与伦理规范。所以学生在进行疫情主题的STEM研究时，需要遵循更多的规则与要求。在很多的青少年科技赛事中，同样对学生开展实验进行了限制。如，全国青少年科技创新大赛的《青少年科技创新成果竞赛规则（2020年修订）》中不接受申报的学生项目有：涉及有风险的动物、微生物，人体或动物离体组织、器官、血液和其他体液的小学生研究项目[2]。在国际上，青少年开展STEM项目研究依然也遵循一些安全与伦理规范，我们从下表中可以了解一些受限制的课题情况。

从该表（见表1）中，我们也能看出对于某些研究主题是有具体的限制的，而与疫情相关的学生研究主题往往会涉及到这些受限制的主题，我们该如何让这些研究更加适合青少年呢？在这里，我们可以参考动物实验中的“3R原则”，即替代（replace-ment）、减少（reduction）、优化（refinement）。替代是指使用没有知觉的实验材料代替活体动物，或使用低等动物替代高等动物进行试验，并获得相同实验效果的科学方法。减少是指在在动物实验时，使用较少量的动物获取同样多的试验数据的科学方法。优化是指在必须使用动物进行有关实验时，要尽量减少非人道程序对动物的影响范围和程度，我们可以通过优化实验设计与流程来弥补缺陷。

运用3R原则，可以帮助我们设计相对容易操作、可实施的项目课程。例如，有关疫情期间人们消费习惯的改变研究、疫情对城市野生动物生存的影响等话题，都可以运用3R原则进行简化与优化。

（二）建立有效的科学模型

在科学研究中，科学模型是一种非常重要的研究方法，科学家通过建立科学模型，使得一些问题或现象变得更加易于分析、理解和运用。在学生STEM项目设计中我们可以通过建立巧妙的科学模型使复杂的科学实验变得简单化，更易于学生接受。同时，合理的运用科学模型有助于增加项目对真实世界中的问题的参与度。

我们以STEM项目《疫情期间合理的社交距离探究——以植物为模型》为例，从建立科学模型的方法来分析。该项目，我们设计之初是想研究打喷嚏对疾病传播的影响，这里面就涉及到对社交距离的探究，所以研究对象是人类的行为。我们使用植物替代人类。这里的设计逻辑是，植物之间存在病虫害的感染，比如，小麦受小麦隐匿柄锈菌侵染而患叶锈病，这种疾病在小麦植株之间容易快速传染，除了化学方法消除病害，合理密植也是一种有效的方法。所以我们通过研究感染如何在植株之间传染来间接探寻疫情期间合理的社交距离的问题，其结果具有一定的参考意义。

那么我们如何建立实验的科学模型呢？人类通过打喷嚏、说话等方式将含有病毒的飞沫喷洒在空气中，再通过空气流动进行传播，而植物在自然界中会受风、雨的影响传播病毒。我们引导孩子用水滴模拟下雨，当水滴滴到病害植物叶片上时，溅起的水滴可能会传播疾病，通过对溅起水滴的范围测量，最终可以形成有力的参考数据。

（三）设计有利于项目开展的教学内容

一些疫情主题的项目课程可能严肃或者不够生动，为了让学生在STEM项目学习中能够拥有积极的情感态度，我们还可以设计有利于项目开展的教学内容。这包括一下几点：

1.设计容易习得的学习内容

教师选择什么样的学习素材给予学生，使得学生在开展项目研究过程中不至于感到困惑这在课程内容设计中较为重要。例如，项目主题是关于病毒复制领域的科学，那么教师给予学生的学习素材应该有所选择和加工，尽量使得学习材料易于学生理解、技能易于练习，以保证学生能顺利完成项目研究。

2.培养科学思维的过程

学生在开展项目研究时，没有规范的方法指导，很难体会科学家在从事科学研究时的思维过程，所以必要的科学思维方法与逻辑需要在课程设计中体现，这有助于培养学生的元认知技能，促进学生在科学世界与学习世界之间的互动。

3.增进同伴之间的学习

小组协作的学习方式应该在STEM项目课程设计中广泛运用，一个原因是因为项目研究具有一定的挑战性，需要团队协作解决问题，另一个原因是，同伴之间能够形成学习共同体，相互影响，达成项目目标。图111展示的是苏州工业园区新城花园小学的《校园防疫帽》项目，学生需要分工协作完成防疫帽的设计、编程与制作过程。

五、结语

如果说科学普及是一种自上而下的主动传播过程，那么STEM项目学习则是一种自下而上的主动探索过程。教育者通过STEM项目课程，能为青少年搭建学习的脚手架，帮助青少年在科学和工程世界中有所收获。疫情对整个社会的影响是巨大的，科技的发展与创新能为社会的前进提供巨大的推动力，STEM教育对青少年的科学素养和创新能力培育有着非常积极的影响。我们应该开发与设计更加优质的基于STEM项目学习的课程，才能很好地把学生的学习生活与真实世界衔接起来，让学生关注到真实世界中的问题，并且在风险可控的学习环境中打破自己的知识与能力边界，获得长足的发展。

参考文献

[1][美]卡普拉罗，[美]卡普拉罗，[美]摩根.基于项目的STEM学习：一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式M1.干雪华，屈梅，译上海：上海科技教育出版社，2016.1（2020.4重印）：6-6.

[2]全国青少年科持创新十寒组织委员会青小年科持创新成果音赛规则（2020年修订）[EB/OL].

[3][美]中国科协青少年科技中心译.STEM项目学生研究手册[M].北京：科学普及出版社，2013.8：13-13.

（文章内容来源于第四届中国科普教育论坛论文集，作者系陈晓东。）