基于PIRPOSAL模型下的STEM教育解讀

石雨鑫，賀小光

（長春師范大學，吉林長春 130032）

1 綜合STEM教育

綜合 STEM 教育 （Integrative STEM Education，ISTEM ED）如今被定義為：運用以技術或工程設計為基礎的教學方法，通過技術或工程教育中的內(nèi)容與實踐，教授科學和數(shù)學教育的內(nèi)容與實踐。由定義可知，ISTEM ED是一種通過讓學生參與以技術或工程設計為基礎的學習來進行知識建構的教學方式。它將動手與動腦聯(lián)系在一起，利用實踐經(jīng)驗帶動腦力的學習成果；即通過經(jīng)驗學習促進知識構建。對于STEM教育者而言，他們需要一個模型來指導和落實I-STEM ED。但通過對現(xiàn)有教學模型的嚴格審查發(fā)現(xiàn)它們并不能表達STEM綜合教育理念。因此以過去十年的I-STEM ED的教學設計和發(fā)展為基礎，2016年5月PIRPOSAL作為一個可以滿足這一需求的模型被John G.Wells所提出。

2 PIRPOSAL模型：從理論到實踐

2.1 理論到實踐：在課堂中落實I-STEM ED

落實以PIRPOSAL模型為基礎的I-STEM ED的最好方式，就是對其各個階段進行討論。為方便起見，該文將順序介紹該模型。由于設計過程的出發(fā)點完全取決于設計者提出的問題，因此，討論一般由中心問題展開，再通過八個設計的階段來引導學生。

2.2 P.I.R.P.O.S.A.L階段

根據(jù)學生們在整個設計過程中所需要了解的特定問題，PIRPOSAL的每個階段都包含了三個設計焦點，分別是P:需求、定義、構想；I：標準、頭腦風暴、生成；R：探究、調(diào)查、測試；P：分析、構思、選擇；O:實驗、重新探討、建構；S：測試、分析、解釋說明；A：確認、重新設計、重新測試；L:流程、迭代、證明。且每個焦點都強調(diào)了對具體實踐的整合。下面詳細介紹了在設計挑戰(zhàn)的各個已知階段中，設計性提問引導學生的方法。且每個焦點都強調(diào)了對具體實踐的整合。下面詳細介紹了在設計挑戰(zhàn)的各個已知階段中，設計性提問引導學生的方法。

2.3 Problem identification確定問題階段

基于初步需求，教育者會提示學生在操作上定義問題，并使學生明確為什么需要該工程學解決方案。而以操作型定義為基礎，學生可以構想出一個簡要的問題說明。該說明需要包含基于設計規(guī)范細節(jié)（需求+問題）的綜合問題，以及工程學解決方案最終起到的作用。在闡述問題說明的過程中，需要概述由工程學解決方案的背景和功能所共同決定的標準、參量和約束條件。

2.4 Ideation構思階段

在確定問題階段學生可以收集到一些信息（參數(shù)、約束條件等），構思階段就開始于對這些信息中所包含的評判標準的回顧。這種回顧可以使學生對下列問題進行了解：（1）關于問題已知什么？（2）關于問題須知什么？

該階段首先是集中性提問。根據(jù)對問題的了解，學生進行討論，然后向小組成員征求潛在設計方案的相關意見。而在頭腦風暴的同時，學生也要意識到他們在哪些領域缺乏知識、哪些領域需要對設計變量做進一步調(diào)查。在構思階段，團隊成員需要記錄所有的建議和意見，包括任何與潛在設計相關的草稿、圖紙或注釋，它們將共同生成一個或多個初始的設計解決方案。

2.4.1 R.研究階段

在研究階段，要求教育者在設計問題時，將調(diào)查重點放在STEM學科的內(nèi)容和實踐中，確保學生能實現(xiàn)學習成果。為此，需要讓學生對與設計方案各部分相關的科學、技術、工程和數(shù)學進行知識測試。這樣的測試對學生提高對STEM要素限制條件的理解而言，至關重要。

2.4.2 P.潛在解決方案階段

憑借學生在頭腦風暴和研究階段所獲得的想法和知識，就能夠確定哪些潛在解決方案是可行的。在潛在解決方案階段，學生的初始任務是分析潛在解決方案中的基本要素。當學生對潛在解決方案（技術、材料、過程等方面）分析了解后，集中性提問就顯得尤為重要。通過提問獲得足夠的信息，進而判斷所做決定是否正確。再通過詳細的草圖對每一項設計進行分析，設計者就可以構思出最合適的替代解決方案。在繪制草圖和圖紙的過程中，學生會為他的想法賦予一些實質(zhì)性內(nèi)容，如型號、材料等，最終選擇出一個或多個可行的潛在設計解決方案。

2.4.3 O.優(yōu)化階段

在很大程度上潛在設計的優(yōu)化階段是由發(fā)散性提問引導的。通常根據(jù)實驗來完成對各部分的評估，進而確定它們在設計方案中的功能。然后設計人員根據(jù)這些結果重新探討出一個特定的設計方向，并評估各部分在多大程度上對實現(xiàn)設計標準有幫助，而其他的考慮因素則包括如成本（時間、資源、生產(chǎn)）、影響（環(huán)境、社會文化、政治）等一些變量?；谶@些評估，學生能確定潛在解決方案中哪些部分的結合最有用。優(yōu)化階段能使學生有足夠的信心開始建構原型方案，進而引導出最終的設計解決方案。

2.4.4 S.方案評估階段

為證實觀點，原型方案通過實際測試、收集和分析數(shù)據(jù)、觀察、對原型進行必要的調(diào)整，同時根據(jù)對實驗結果的解釋說明，得出結論，進而測驗其設計觀念。因此，在方案評估階段提出的設計性問題，將針對設計挑戰(zhàn)中的各個標準來對原型解決方案的屬性進行評估。這通常涉及一系列子實驗。當重新設計解決方案時，對定量和定性結果的解釋說明可用于描述失敗的設計或需要被解決的設計屬性。為了改進解決方案，這些解釋說明對制定良好的設計有直接的影響。

2.4.5 A.改良階段

初始設計就能滿足所有設計規(guī)范是很少見的，在設計可行的工程學解決方案的過程中，最初嘗試總是伴隨著性能問題，同時也會產(chǎn)生一些新的設計性提問。這些提問使學生回溯到方案評估階段的結果中，并重新確定初始方案中的性能問題。重新討論這些結果，可以使學生分離出初始原型中不符合規(guī)范且需要重新設計的特定屬性。

2.4.6 L.學習成果鞏固階段

在整個設計過程中學到的知識，可以在學生的答案中顯現(xiàn)出來。學習成果階段要求學生以圖表、口頭或書面形式交流他們所了解到的知識。在工程設計過程中，對流程的探討是揭示學生程序性知識和陳述性知識的理想方法。而對迭代的討論則揭示了低階問題的發(fā)展，反映出學生在聚合性思維與發(fā)散性思維之間的轉變。同時學生可以利用內(nèi)容和實踐之間的聯(lián)系做出正確的決定。而在對這種聯(lián)系解釋說明時，他們能夠展示更高階的思想，由此證明出他們設計方向的正確性。

3 結語

盡管在具體應用實踐中，國內(nèi)對STEM教育的研究、落實還處于起步階段，但從已有的國內(nèi)外對PIRPOSAL模型的研究來看，在I-STEM ED中落實PIRPOSAL模型，符合社會發(fā)展需要，也有利于培養(yǎng)《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)總體框架》所提出的具備六大素養(yǎng)的新一代學生，使中國在未來全球競爭中搶占優(yōu)勢。