在“STEAM+生态”的工程跨学科实践中培养核心素养——以《光合智慧农场》项目为例

选题背景

浙江省湖州市湖师附小教育集团深入挖掘区域生态资源，紧密结合学生需求和兴趣开发独具地方特色的“STEAM +生态校本课程”，为学生提供多元的学习选择，促进学生学习认知与社会化成长的有机融合，培养学生核心素养与关键能力。

《光合智慧农场》是学校“STEAM+生态校本课程”中“开启校园智慧生活”主题下基于劳动教育的工程跨学科教育实践项目。校园农场是学生掌握生产劳动技能的重要实践基地，但每逢节假日或遇冬夏极端天气，农场内植物会遭受很大影响，很多植物甚至会枯萎，学生需要回校重新种植，费时费力。面对这一问题，师生共同提出“如何充分利用已有空间，设计一个能保障植物茁壮生长的智慧农场”的探究问题。

本项目面向五、六年级学生，前期通过信息科技的学习已有控制系统的计算与反馈等知识积累，也具备一定的算法设计和编程能力，在科学、数学学科的学习中也积累了几何建筑与搭建的知识和经验，为项目实践提供了基础。

教学目标

本项目将引导学生按照设计思维环节开展，像工程师一样解决真实问题。学生在解决问题过程中完成各学科知识的建构和应用，同时实现核心素养与关键能力的培养。

1.了解影响植物生长的主要因素与智慧农场中常见设施设备的工作原理，掌握控制系统中传感器阈值的关键性和相关设置。通过设计并制作智慧农场模型，了解工程设计开发的流程和方法，理解各传感器数值获取方式，培养学生科学精神及实践创新能力。

2.培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。在设计与制作智慧农场模型过程中培养学生的观察力、调查分析能力、收集信息并进行处理和应用的能力。在方案论证、迭代的过程中，培养学生创造力和批判性思维，拓展视野，激发想象力和潜能。

3.在方案构思、表达和修改的过程中，积极主动表达想法，善于倾听，科学对待他人建议。通过小组活动，培养合作能力、沟通能力，学会分享共同的劳动成果。

教学设计创新

（一）背景问题设计“新”

真问题引发真思考，真思考实现真学习。本课例从身边真实痛点出发，引出新问题、新创意，学生探究过程始终指向对真实问题的解决。问题设计上将智能技术与农业生产场景相结合，通过“技术+生活”的融合避免教学与现实脱节。

（二）学习支架搭建“新”

在项目开展各环节提供不同类型的学习支架。提出问题环节使用AEIOU表（A—活动、E—环境、I—互动、O—物体、U—用户）、POV表（Point of View），既降低了任务难度，又保留了学生自主思考的空间。方案交流环节使用TAG反馈表（T—优点、A—不足、G—建议），引导学生吸纳建议并自主改进。方案迭代环节各类“资源型支架”支持学生按需学习。模型展示环节通过组织“循环问诊”活动，让学生获得多维度反馈。

（三）思维实现过程“新”

设计方案环节通过支持性活动引导学生实现思维的三次进阶。初次设计时，学生将碎片化想法借助设计草图可视化并整合、串联形成统一方案，实现初次进阶；组间申辩时，各小组通过阐述设计创意、组间交流碰撞，实现二次进阶；完善方案时，学生带着质疑和困惑，通过多种方式自主探究，完成知识的建构与应用，实现再次进阶。

教学实施

（一）发现问题，明确植物生长需求

1.实地调研，收集信息

表1：AEIOU思维表

参观校园农场实践基地，引导学生观察校园农场已有植物，观察植物生长状态。提出核心问题：农场中哪些影响植物生长的因素需要被改进？

学生在参观过程中借助AEIOU思维表（见表1）及时记录观察到的植物生长状态及思考结果。

2.问题清单，整理植物生长需求

教师引导学生从温度、湿度、光照、土壤酸碱度等因素分析对农场中现有植物生长状态的影响。

学生从影响植物生长的因素出发，及时记录目前存在的问题，并整理成问题清单。

3.问题定义，明确驱动性问题

引导学生对前期收集到的信息进行再次整理，提供POV表，帮助学生定义问题：我们该如何为校园农场里的植物（谁）设计一个智慧农场（什么）以解决因疏于管理或遇到极端天气而影响植物生长的问题（什么问题）。

从发现问题到定义问题，借助不同的思维工具引导学生以“真实问题拆解”激活“问题链思维”，从“被动接受”转向“主动探究”。

（二）尝试解决，设计方案逐步完善

1.多次碰撞，形成方案

表2：项目评价表

教师带领学生一起查看本项目评价表（见表2），为设计方案指明方向。鼓励学生从现有认知出发，以简单设计图的形式向组内成员介绍自己的解决办法。在教师引导下各组根据问题清单整合、串联组内成员的创意想法，构思形成更具有针对性的方案。    

随后进行组间申辩，各组派一位代表介绍方案，其他成员及时记录其他组提出的问题和建议。未汇报的小组认真倾听其他组的介绍并及时完成TAG反馈表，然后从科学性、合理性、可行性三个方面给汇报组提出建议。

2.爬坡学习，迭代方案

教师为学生提供多种学习资源，如常见智慧农场结构图、常见控制系统的硬件结构、工作原理和算法设计、生活中常见传感器作用与使用场景、科学工程方面的AI智能体等，支持学生持续自主探究，对有需要的小组单独指导。

各小组借助教师提供的学习资源解决组间交流时产生的疑惑，在小组组员的思维碰撞中逐步完善设计方案。

学生借助教师提供的各类学习支架开展自主爬坡的探究，既可以避免断崖式学习障碍，充分实现自我效能的展示，也可以随着设计方案的不断完善实现思维进阶。

（三）制作模型，验证方案科学可行

1.按图施工，搭建模型

引导学生按照设计图纸规划出具体的搭建顺序。首先完成农场外观的搭建，其次根据需要安装其他硬件（电源、水管等）并完成布线，最后按照设计图安装常见传感器。

2.测试修改，验证方案

教师提供常见程序，引导学生根据实际修改阈值、导入模块。学生根据具体植物，将查阅到的资料与实际环境中采集到的数据进行对比分析，确定温度、光照等常见传感器阈值大致范围。在理解该算法的基础上修改现有程序阈值，分模块反复实践，确定各智能模块的有效性和稳定性。

自动控制系统的搭建和传感器阈值的确定是本环节的难点。通过搭建前讨论搭建顺序、测试前获取真实环境数据、技术与工程实践同农业知识结合的实践，加强学生工程思维。

（四）成果展示

1.循环问诊，测试迭代

教师组织各组开展循环问诊，对有困难的小组单独指导。各组派一名学生作为本组产品讲解员，给前来参观的同学讲解并及时记录建议。其余组员手持评价表，依次参观其他组产品并给予合理建议。循环问诊结束后，各组根据收集到的建议再次测试、优化产品模型。

2.展示交流，项目总结

组织学生以小组为单位依次上台介绍产品。对有困难的小组提供“表达类支架”。各组围绕“我们的模型解决了农场中哪些现有问题？如何解决的”介绍并演示农场模型。同时回顾整个项目过程，利用评价表进行自评。

展示交流环节可以提升学生的语言表达能力和批判性思维，循环问诊方式可以让平日不善言辞的学生更轻松地说出自己的想法，“表达类支架”让学生有更大的信心和勇气面对展示的舞台，也能增强小组凝聚力。

（吴秋红 作者单位系浙江省湖州市湖师附小教育集团）

《人民教育》2025年第17期