根据STEM教育的特点和设计理念，本研究设计出了一个STEM教育的应用模式，如下页图3所示，具体包括教学目标、教学内容、教学项目、教育工具与资源、教学活动和教学评价六个循环往复的过程。

1.教学目标

STEM教育的总体教学目标是以3D打印设备、体感设备、Scratch编程工具等前沿科技为手段，综合运用多门学科知识，立足学习过程，在真实问题情境中进行探究式的学习，从而培养学生的创新能力、实践能力、探索精神、协作意识和科学素养。在遵循总目标的前提下，从三维目标来进一步划分:第一是知识与技能方面，要求学生掌握电子器件识别、电路连通、硬件组装、程序编写与调试、3D打印制作等；第二是过程与方法，学生在教师的引导下，以小组为单位，利用多学科知识和多种工具资源进行探索式的学习，通过观察、思考、实践和感悟，掌握分析问题和解决问题的方法；第三是情感态度与价值观，通过真实体验和探索实践，提高学生动手解决问题的兴趣，培养学生勇于探究、主动参与、互帮互助的学习精神。

2.教学内容

教学内容是整个体系的中心，承接教学目标，并直接决定教学工具的选择、教学活动的组织以及教学评价的设计等环节。与传统分学科的书本知识不同，STEM教育的教学内容源于真实生活中的问题，用多学科知识解决问题，在问题解决的过程中应用和学习跨学科知识。教学内容体现出劣构性、复合性与创新性的特征，设计难度较传统教育方式有所加大。

在教学目标的指导下，要以学生的学习兴趣和认知水平为基础，通过精心挑选真实生活中的问题和现象，灵活组织跨学科的教学内容。在这里，可以根据具体问题以某门学科的内容为主，其余学科内容为辅。比如编程类的课程，要以计算机科学、数学为主，工程类、艺术类作为辅助学科。与传统的学科内容相比，STEM教育使学生的学习回归真实生活，教学内容更具有综合性、灵活性与真实性，注重培养学生的科学素养。

3.教学项目

确定教学内容后，就要把这些设计好的内容转化为可操作的教学项目，即要进行具体任务的设计。教师把教学内容转化为一个个真实的STEM实践项目，这些项目以问题为出发点，每个项目要根据知识点设计多个教学活动，让学生带着问题参与其中，通过参与实践和完成一系列的任务，掌握知识技能，培养探索精神。在项目具体设计时，注意有以下要求:第一，项目要源于学生的真实生活，与真实生活密切相关；第二，项目要有一定的新颖性和趣味性，能够激发学生学习的动力；第三，项目要包含学生所要掌握的知识点；第四，项目要有一定复杂性和劣构性，让学生进行协作、探究式的学习；第五，多个项目和活动之间要有一定的梯度性，分为不同层次，彼此间由浅人深，一方面可以让学生循序渐进地掌握所学知识，培养知识迁移能力，另一方面可以满足不同水平学生的需要，促进个性化学习。另外，教学项目的设计除了满足学生需要之外，还要考虑实施的其他实际条件，比如教师水平、硬件设备、软件工具、活动地点、其他社会资源等。

4.教学工具与教学资源

教学工具与教学资源是进行项目和问题研究的重要支持，是STEM教育得以开展的必要保障。教育工具分为硬件工具和软件工具，硬件工具包括电路板、传感器、3D打印机等设备；软件工具包括可视化编程、概念图、可视化图谱、3D建模工具等。教学资源不仅包括网络平台、微视频、导学手册、练习册等，还包括校内教师、校外专家等资源。在设计工具和资源时，需要注意以下几点:一是要尽量简化工具的操作难度，让学生能够掌握；二是要紧贴项目的内容，教师要了解完成项目所需的必备知识，确保工具和资源能够支持学生完成项目任务；三是教师要考虑到学生在学习过程中可能遇到的问题，利用技术提供支架式服务；四是可以设计一些拓展类资源，深化对所学知识的理解。

5.教学活动

为了保证STEM教育能够顺利实施，需要教学活动作为枢纽将前面几个环节连接起来，这需要教师根据教学目标、内容、项目等进行精心设计，让学生在活动中掌握知识，在探索中进行意义建构。STEM教育中教学活动的设计应该遵循梅瑞尔的首要教学原理，又称为五星教学原理，该原理以问题解决为中心，主要思想如下:(1)只有当学生进行真实问题的解决时，才能促进学习；(2)当激活原有知识并作为新知识学习的基础时，才能够促进学习；(3)当把新知识展示给学生时，才能促进学习；(4)当学生应用知识时，才能够促进学习；(5)当新知识与学生生活融为一体时，才能促进学习n91。具体的五星教学结构如图4所示，概括为“一个中心+四个基本点”，即要求整个教学活动应该以问题为中心，进行从“激活旧知”“展示新知”“应用新知”到“整合贯通”四个阶段循环往复的学习阶段。

激活旧知:首先要激活学生的原有知识，以便在新旧知识之间建立联系，并激发学习动机。具体可以使用设置问题引导、情景创设、游戏导人等方式。

展示新知:在此阶段，教师要引导学生将新旧知识联系起来，通过对旧知识的回顾和对新知识的体验，达到对新知识的初步理解。要注意根据知识内容的不同选择不同的展示方式。对于概念类的知识，可以举出正例和反例，促进比较和思考；对于操作类知识，可以用简单示范、虚拟实验、学习视频等方式进行。

应用新知:初步学习新的知识后，要进一步加深新旧知识的联系，强化对知识的理解和掌握。教师要引导学生探索真实的项目，动手实践，利用跨学科知识解决真实问题，学生在解决问题的过程中领会、感悟、构建知识，把知识转化为技能，实现对新知识的内化。

整合贯通:该阶段的任务是进一步强化所学知识，融会贯通。STEM教育的核心特点是多学科的交叉融合，学生需要对学到的多门学科知识进行梳理整合，反复思考。教师可以为学生提供多种问题情境，供学生练习，举一反三，综合运用多学科知识解决现实生活中的劣构性问题。实现知识的迁移和进一步内化，加深理解。

6.教学评价

STEM教育的评价应以过程性评价为主，总结性评价为辅，并采用多元化的评价方式，即教师、社会专家学者和学生均参与评价，主要是对学生的创造意识、问题解决能力和创造能力进行评估。过程性评价方面，教师和社会专家主要评估学生在学习过程中表现出的STEM素养、实践能力和探究意识。具体可以采用视频行为采集、记录过程表、在线学习行为记录、随堂测试等方式。学生互评主要是对同伴在学习过程中的表现进行评估，比如参与度、积极性等，同学之间可以互相鼓励。学生自评主要是对自己的表现情况进行反思。总结性评价方面，在教学活动结束之后，教师和学生对学习效果进行检验，看是否达到预期效果。在这里需要强调，评价不是目的，只是一种手段，STEM教育的真正目的是让学生体验真实情境中探究学习的过程，达到热爱学习、热爱生活的实质目标。