本书创造性地提出了如何通过项目式学习法来完成科学、技术、工程、数学（STEM）的学习。我们把“基于项目的STEM学习（STEMPBL）”定义为“在一个明确目标下的模糊定义的任务”，这个定义与我们的工程设计思想一脉相承，同时强调了在基于标准环境下的教学考核制。这个模式注重逆向设计，由一个明确定义的目标启动，通过向老师提供当地、州，或者国家的教育标准体系，指导学生完成模糊定义的任务，包括设计、解决问题或者完成制作。这本书主要为中学教师编写，特别是那些有志于提高学生参与，以及为学生提供情境化学习的教师。不过，书中14篇论文的性质和范围也适用于教师岗前培训，以及研究生的方法论课程。相较于上个版本，这版修订、扩展了基于项目的STEM学习的内容，包括针对英语学习者如何操作基于项目的STEM学习，以及在基于项目的STEM学习中技术的使用。本书还附有许多新的有助于教师使用的表单，包括设计科学的表格、基于项目的STEM学习的小组合作公约，以及关于基于项目学习的更大篇幅的评价表。

　　先前就有的知识
　　人是被目标指挥的信息仲裁员，从出生就在接收各种信息。这些信息构成了很多领域里的知识、技巧、信仰和概念。先前就有的知识影响着人们对周围事物的观察，也影响着他们怎样组织理解这些信息。当孩子们开始踏入正式的学习环境并继续科学事业时，这些原有的知识很明显地影响着他们对教师所教内容的理解（Bransfordetal。，2000）。
　　学生通过日常生活中与人物、地点和事物的互动，培养了关于世界如何运作的预想。学生根据自己的生活经历，就事物如何运作和为什么运作发展出逻辑理念。先前的学习对后来的学习是强有力的支持；但与此同时，先前的学习也可能导致一些概念的形成，而这些概念则可能成为学生后来学习的障碍（Bransfordetal。，2000）。关于学生先前的学习如何成为后来学习科学的障碍这一点，在“个人的宇宙”（PrivateUniverse）研究项目中（Schneps&Sadler，1987）可以找到很有说服力的例子。例如：学生知道，站得离篝火越近就感觉越热。然后，学生就把这个逻辑强加于自己对每一种感觉更暖的情况之理解，感觉更热是因为我离热源更近。这是一种有逻辑性且可以接受的假设。但是，学生把这种天真的概念带入课堂时，教师正好在讲授季节变换的原因，基本上就是在努力弄明白为什么会冬冷夏热，这时就会有问题出现。根据学生所体验过的生活经历来解释，地球在夏天一定离太阳更近，而冬天的地球一定离太阳更远。教师的解释是：太阳光的直射和斜射影响了地球的表面温度和冷暖，不受或者很少受地球和太阳之间距离的影响。学生已经体验了离热源之间的距离决定冷热的现象，如果教师不直接针对这一点做解释，学生很可能会出现以下情况：①在考试的情况下，死记硬背教师有关太阳直射和斜射的解释，然后离开课堂这种正式的学习环境后，重新返回到自己亲身感受过的生活经验所显示的真理，那就是离热源的距离决定温度冷热；②就季节的起因方面，综合教师的解释和自己的生活经历来形成一个不寻常的理论；③永远不能掌握教师解释的概念。
　　学生（在学习之前的生活经历中所形成的）预见（preconceptions），也就是他们带入课堂的那些天真的理论，对理解正式的学科会形成严重的限制。对教师来说，改变学生的这些预见通常是很困难的，因为它们在学生的日常真实世界的情境中一般来说都很行得通。但是，教师必须直接处理学生在学习前形成的这种预见。否则，学生经常会死记硬背课堂中的内容，但是在现实生活中他们依然会凭着自己在生活经历中形成的预见来行事（Bransfordetal。，2000）。
　　为理解而教——事实性知识和概念性知识
　　专家和新手思考的异同，以及每个小组解决问题方式之间的异同，让我们对事实性知
　　识和概念性知识之间的关系有了更好的理解（Larkin，McDermott&Simon，1980；Nathan，Koedinger&Alibali，2001）。计划的能力、观察模式、把其他学科的概念和观点联系起来的能力以及培养并分析观点论据进行解释的能力，都是事实性知识很关键的组成部分。虽然事实性知识在教授和学习这些能力中有至关重要的作用，但是学生仅仅拥有大量零散而互不衔接的知识是不够的。要想让事实性知识成为发挥作用的有用知识，学生必须能够将事实置于概念性框架内（Bransfordetal。，2000）。为了让学生能够学会理解，事实性知识必须在概念性框架内得到平衡。
　　让学生学会理解，这个原则置于两个基础性概念之内：①理解要求我们在概念性框架
　　内暂停对事实性知识的探究；②要通过丰富的事实性细节来展示多项表现形式，概念才会有意义（Capraro&Yetkiner，2008；Muzheve&Capraro，2011；Parkeretal。，2007）。学习目标，也就是学生在教学结束时应该知道而且能够通过操作来表现的知识，既不是单单基于事实性理解，也不是仅仅建立于概念性的理解。教育领域里长期以来争论不休的一个论点，而且在今后还会继续成为争论的主题，就是有关到底是事实性知识还是概念性知识应该成为课程和教学的首要重点。表面上来看，这两个要点似乎有点冲突，但事实上，事实性知识和概念性知识是互相支持的。当我们用概念性知识来组织整理事实性知识时，概念性知识变得更为清晰，是概念性知识加强了我们对事实性知识的记忆。任何STEM学科领域的专家都用一套核心概念为主线进行工作，这些核心概念组织了事实性知识和概念性理解。因此，为理解而教，会很明显地倾向于强调组织这些同样的核心概念，从而帮助学生组织事实性知识和他们个人的概念建构（Clement&Steinberg，2002；Gilbert&Boulter，2000；Lehrer&Schauble，2000；Penner，Giles，Lehrer&Schauble，1997）。
　　元认知
　　元认知被广泛地定义为，一个人意识到自己的思维并对之进行反思的知识和技巧（Brown，1978；Flavell，1979）。学习科学领域的进步强调帮助人们控制自己学习的重要性。因为理解应该是课程和教学的目标，人们必须学会识别出自己什么时候理解了某个概念，也要识别出自己在什么时候还需要更多的信息才能理解（Koschmann，Kelson，Feltovich&Barrows，1996）。强调元认知过程的这种教与学是主动的。学生不是在被动地接受信息，等待着他人替他理解。学生应该主动地投入到学习过程中，而且必须自己确定新信息怎样与自己目前的理解相联系。要想达到这种境界，学生必须能够意识到自己的思维，而且会对自己的思维进行反思。
　　有关实际目标和意向目标的话题，是教育领域里经常辩论的主题，但是大多数人都会同意如下看法：正规教学应该使学生成为自主的终身学习者，应该让学生在正规教育结束后也有能力理解新信息。这就包括了培养发展元认知的标准，有了这个标准才能弄明白学生什么时候懂和什么时候不懂，要培养评估能力来识别学生就具体的问题还需要学什么，也要有能力来识别并有效利用资源以提高自己的知识状态，还要有反思此过程的能力才能提高其效率和效果（Koschmannetal。，1996，p。94）。要想达到培养出自主的终身学习这个目标：①必须明确教授学生元认知的策略；②教师应该示范反思自己思维的例子；③学习环境要融合使学生的思维具有可见性的机会。
　　为了更好地理解在成功的学习环境里运用元认知的策略，将元认知广泛的定义浓缩为三个类型是很有用的，即意识、评估和调节。元认知的意识涉及个人对以下内容的理解：①个人在学习过程中所处的位置；②事实性知识和概念性知识；③个人学习策略；④要达到认知目标，已经做了什么以及还需要做什么。元认知的评估指的是就个人的认知能力和认知局限方面的评价判断。某人修改自己的思维时，就是在进行元认知的调节（Schraw&Dennison，1994）。一定要让学生很清楚地意识到自己的思维，教会他们怎样评估自己的理解，然后给学生机会来调节或修改这些概念。正如布兰斯福德等学者（Bransfordetal。，2000）所指出的，常见的倾向是：能清晰地意识自己的元认知学习过程且有机会表达自己思维的学生会学得更好。很重要的一点是，要把这一策略渗透到整个教学框架中，而不是把它作为孤立而零散的技能来教授。将元认知过程作为日常语言来开展讨论，会激励学生更加清晰地关注自己的学习（Pintrich，2002）。元认知经常是一种自我内心的对话，那些没有体验过把这种内心对话表达给别人听的学生，可能没有意识到自己此类内心对话的重要性（Vye，Schwartz，Bransford，Barron，Zech，&CognitionGroupandTechnologyGroupatVanderbilt，1998）。
　　元认知已经被用来预测学习表现（Pintrich&DeGroot，1990）。在解决问题的任务中，具有较高元认知技巧的学生比那些技巧低的学生表现得更出色，这一点与他们的整体能力倾向没有关系。一般能力倾向和元认知能力看起来各自独立运作，没有相互作用（Swanson，1990）。将元认知融入到课程和教学中，是为了理解而进行有效教学的组成部分。
　　反馈、复习和反思
　　有效教学必须融入一些机会给学生，让学生能够对自己的思维过程进行反思，能够从他人那里接收到有关自己思维的反馈，并且能够自由地根据这些新的信息来调整自己的思维。对于培养学生调整自学的能力来说，元认知的这些特征是很关键的（Goldmanetal。，1999）。
　　动手的活动通常不能让学生深思，因为这些活动没有让学生深入理解。对这类活动的批判主要集中在学生在活动中缺少反思。贝当古辩解：“除非将动手科学嵌入一个提问—反思—再提问的结构，否则学生很可能学不到什么”（Bettencourt，1993，p。46）。在传统的课堂上，很典型的情况是，这些活动：①不给学生适量的时间来理解新信息；②倾向于孤立教授，相互间互不相干；③注重对实物的使用和实践，没有强调对现象的理解（Schauble，Glaser，Duschl，Schulze，&John，1995）。一旦学生对自己的思维进行了反思，合乎逻辑的下一步就是将自己的内心对话外置，让别人能看到他的思维。无论是通过小组讨论、概念图，还是书面沟通，学生需要和他人分享自己的想法和理解。这允许学生的概念性理解得到反馈。这些反馈经常支持他们对某些方面的理解，而使其他一些因素问题化，结果引导学生主动改变自己的思维，再也不是被动地接受这些信息。高效率的教师让学生重新修改他们的概念性理解，把事实性知识置于概念性框架体系中，而不是被动地记忆新信息。
　　通过允许学生把新思维和旧知识联系起来，学生可以接触到STEM的学习内容。有效的教学应该为学生提供机会，让学生能够根据他们的个人理解来评估科学证据，来阐述自己的理论和解释，来积极地参与到学习过程中。期望在学习环境中给予参与者多次与别人沟通自己理解的机会，经常在项目或者问题背景下解决问题，随时能够像该学科的专业人员那样提出自己的理解。
　　……

前言…1
第一章 基于项目的STEM学习介绍
——为什么要采用PBL?为什么要开展STEM教育?
为什么是现在? … 5
第二章 项目方法的历史背景…13
第三章 设计基于项目的STEM学习:理论框架 … 27
第四章 用工程学思想提升项目质量 … 48
第五章 基于项目的STEM学习三问:人物、 时间、 地点 … 63
第六章 跨学科的基于项目的STEM学习 … 77
第七章 基于项目的STEM学习： 基于探究的学习的特殊形式…89
第八章 基于项目的STEM学习中的技术 …99
第九章 支持基于项目的STEM学习的虚拟世界之启示 …115
第十章 针对特殊学生的基于项目的STEM学习与教学…125
第十一章 课堂管理方面的考虑： 实施基于项目的STEM学习…145
第十二章 基于项目的STEM学习之评价的观念转变…158
第十三章 英语语言学习者和基于项目的学习 …173
第十四章 基于项目的学习： 一种整合社会科和STEM的
跨学科方法…189
附录
附录A 非牛顿流体力学… 204
企业项目通告1 … 211
企业项目通告2… 213
企业项目通告3 … 216
企业项目通告4 … 219
附录B 理想的评价量规 …222
附录C 口头演示评价量规…224
附录D 个人演示评价量规… 226
附录E 团队演示评价量规 … 228
附录F 基于项目的STEM学习中故事板编制指南 … 229
附录G 跨过峡谷： 在 “明确的结果和模糊的任务” 理念指导下
用棒冰棍搭桥… 231
工程和设计： 桥梁最终效率等级评价量规 … 237
工程和设计： 桥梁最终设计笔记评价量规 … 238
附录H 为基于项目的STEM学习建立协作的组织行为和规范…239
附录I 组建高质量的团队 … 241
附录J 个人责任和时间管理报告 …243
附录K 责任记录… 244
附录L 同伴评价材料 …246
附录M 领导力/努力加分表 … 247
附录N 简单的小组公约… 249
附录O 小组公约样本… 250
附录P 团队公约… 252
附录Q 个人反思…254
附录R 团队合作反思… 255
附录S 基于项目的STEM学习的教师互评表 … 256
附录T 项目学习观察记录 … 259
附录U 项目开发评价量规… 263
附录V 谁杀害了鲍勃?科瑞斯特
——一个解决动机问题的案件…265
附录W PBL补充资料： 项目学习的快速测试 … 267
附录X 教师的项目学习检查表… 270
附录Y 基于标准的项目 … 272
附录Z 明确的结果和模糊的任务（WDO-IDT）的评价量规 … 27