突破STEM教育中科學(xué)與工程的鏈接難題

楊元魁 葉兆寧

STEM教育將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等內(nèi)容整合起來(lái)，形成結(jié)構(gòu)化、連貫而有組織，同時(shí)又不乏開(kāi)放性和創(chuàng)造性的課程體系。一個(gè)好的STEM活動(dòng)，不僅需要富有吸引力的內(nèi)容，還要體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育理念，更應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。在STEM跨學(xué)科課程或主題活動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，難點(diǎn)在于如何選擇活動(dòng)、如何將所有活動(dòng)有機(jī)整合在一起。本文從科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的聯(lián)系與區(qū)別人手，著重分析以工程問(wèn)題解決為主線的STEM教學(xué)模式，并提出鏈接科學(xué)與工程的相關(guān)策略。

科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的聯(lián)系與區(qū)別

科學(xué)在于認(rèn)識(shí)世界，解釋自然界的客觀規(guī)律，而工程和技術(shù)則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上改造世界，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然界的控制和利用，解決社會(huì)發(fā)展過(guò)程中遇到的難題[1]?？茖W(xué)與工程都嘗試使用最適合的方法和工具來(lái)完成任務(wù)，是創(chuàng)造性的過(guò)程，具有重復(fù)性和系統(tǒng)性。根據(jù)對(duì)美國(guó)《k-12年級(jí)科學(xué)教育框架》《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》和我國(guó)《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的分析，得出科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)在目的和任務(wù)、研究方式、成果形式、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等方面的聯(lián)系與區(qū)別（見(jiàn)表1）。

以工程問(wèn)題解決為主線的STEM教學(xué)模式

項(xiàng)目學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，簡(jiǎn)稱PBL）是實(shí)現(xiàn)STEM教育跨學(xué)科特征的教學(xué)方法。良好設(shè)計(jì)的PBL本身就是跨學(xué)科的，而且其本質(zhì)是合作性的[2]。STEM跨學(xué)科整合最核心、最重要的工作是項(xiàng)目或問(wèn)題的選擇和設(shè)計(jì)，如果沒(méi)有良好的結(jié)構(gòu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)困難、效率不高、挫折感強(qiáng)、學(xué)習(xí)收獲不大等系列問(wèn)題[3]。

美國(guó)康尼狄格科學(xué)中心開(kāi)發(fā)和編寫的STEM案例提供了一種有效的STEM課程整體思路——以工程問(wèn)題解決為主線的STEM教學(xué)模式（見(jiàn)圖1）[4]。選取工程問(wèn)題作為引入和主線是該模式的主要特點(diǎn)，工程問(wèn)題在其中的作用不僅僅是引入，更重要的是起到對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程穿針引線的作用，落實(shí)項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。

該模式主要分為三個(gè)部分，即問(wèn)題引入、背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)、解決工程問(wèn)題?！皢?wèn)題引入”是項(xiàng)目學(xué)習(xí)的開(kāi)端，起到任務(wù)引入和初步分析與思考的作用；“背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)”緊接著“問(wèn)題引入”，依據(jù)解決問(wèn)題和完成任務(wù)的需求，將科學(xué)探究、技能訓(xùn)練和研討銜接起來(lái)，為學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題做好認(rèn)知和技能上的準(zhǔn)備；最后，通過(guò)“解決工程問(wèn)題”中的工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生親歷運(yùn)用知識(shí)和技能解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程。通過(guò)三個(gè)部分有機(jī)結(jié)合，既解決STEM教育中科學(xué)與工程鏈接的難題，也實(shí)現(xiàn)了真正意義上的跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

鏈接科學(xué)與工程的教學(xué)策略分析

策略一：真實(shí)情境的引入——促發(fā)科學(xué)與工程的結(jié)合

STEM跨學(xué)科活動(dòng)需要聯(lián)系日常生活中的問(wèn)題或任務(wù)。以工程問(wèn)題解決為主線的STEM教學(xué)的第一部分就是“問(wèn)題引入”，包括所需要研究的問(wèn)題或需要完成的任務(wù)。這部分由兩個(gè)環(huán)節(jié)組成，一是情境引入，二是提出并分析任務(wù)，這也是學(xué)生探索活動(dòng)的開(kāi)端。通常情況下，教師需要結(jié)合學(xué)生的日常學(xué)習(xí)與生活，通過(guò)環(huán)境創(chuàng)設(shè)、資料展示等方式將一個(gè)真實(shí)情境引入課堂。

情境要實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)與工程的結(jié)合，需要具有三個(gè)重要特性：一是真實(shí)，要讓學(xué)生體會(huì)到情境本身就發(fā)生在自己的身邊；二是有吸引力，能激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣；三是實(shí)用，是學(xué)生有可能解決的實(shí)際問(wèn)題。

實(shí)例1：火箭

這是一個(gè)面向小學(xué)生的STEM活動(dòng)，其工程問(wèn)題是：為即將舉辦的校園科技節(jié)開(kāi)幕式設(shè)計(jì)和制作可發(fā)射升空的火箭。這個(gè)項(xiàng)目來(lái)自學(xué)生的一次討論，學(xué)生提出這樣一個(gè)問(wèn)題：在科技節(jié)的開(kāi)幕式上為什么總是發(fā)射現(xiàn)成買來(lái)的火箭，難道不能發(fā)射我們自己制作的火箭嗎？正是這個(gè)真實(shí)情境的問(wèn)題，引發(fā)了一個(gè)STEM的學(xué)習(xí)過(guò)程，促發(fā)了科學(xué)與工程的結(jié)合。

實(shí)例2：自動(dòng)澆花裝置

面向小學(xué)生的STEM活動(dòng)——“自動(dòng)澆花裝置”，其工程問(wèn)題來(lái)源于學(xué)校的實(shí)際需求。在即將放署假之際，學(xué)生開(kāi)始擔(dān)心教室里的植物在長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月的時(shí)間里沒(méi)人照料，因此提出能否為這些植物設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)澆花裝置。這恰恰是一個(gè)非常有趣且吸引學(xué)生的工程問(wèn)題，其實(shí)用性和實(shí)效性不言而喻。

策略二：引入之后的討論、調(diào)研、再討論——厘清科學(xué)與工程的研究思路

將學(xué)生引入已創(chuàng)設(shè)的情境之后，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，包括可以研究的、不能研究的或沒(méi)有必要研究的。因此，聚焦具體問(wèn)題或任務(wù)是此時(shí)的關(guān)鍵策略，這將幫助學(xué)生理解關(guān)鍵問(wèn)題、厘清科學(xué)與工程的研究思路。提出和分析任務(wù)就成為“問(wèn)題引入”的第二個(gè)環(huán)節(jié)，也是非常重要的環(huán)節(jié)。教師將引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身已有經(jīng)驗(yàn)對(duì)任務(wù)進(jìn)行初步的討論和分解，必要的時(shí)候還可以讓學(xué)生開(kāi)展最初的調(diào)查研究，使之后的學(xué)習(xí)路徑逐步明晰。

實(shí)例3：電梯

“電梯”教學(xué)單元中教師創(chuàng)設(shè)了真實(shí)的工程問(wèn)題情境：在你的家鄉(xiāng)有一所中學(xué)已經(jīng)通過(guò)增加教師和教室的數(shù)量來(lái)加強(qiáng)科學(xué)教育。為了容納新的科學(xué)教師，學(xué)校增加了教學(xué)樓的科學(xué)教室。由于這所學(xué)校的建筑是舊的，沒(méi)有電梯。教師從尸樓的準(zhǔn)備室運(yùn)送科學(xué)材料設(shè)備到樓上的科學(xué)教室很困難，老師很抱怨這件事。經(jīng)學(xué)校研究批準(zhǔn)安裝尸部電梯，問(wèn)題是教學(xué)樓內(nèi)部沒(méi)有空間安裝電梯，而電梯又必須能到達(dá)所有樓層[5]。

經(jīng)過(guò)對(duì)這個(gè)情境的討論，學(xué)生自然而然提出一系列的疑問(wèn)，如電梯有哪些類型，電梯是什么材質(zhì)的，電梯是依靠什么實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)的，電梯的基本結(jié)構(gòu)有哪些，當(dāng)電梯停在樓層中間時(shí)，是什么原理讓它不會(huì)掉下去。

教師將學(xué)生提出的問(wèn)題記錄下來(lái)，并與學(xué)生討論解決這個(gè)問(wèn)題的方案和計(jì)劃。首先，學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己對(duì)電梯知之甚少，要完成任務(wù)需要先了解電梯的類型和結(jié)構(gòu)；雖然學(xué)生都知道用電力驅(qū)動(dòng)電梯，卻不了解怎樣驅(qū)動(dòng)，利用何種機(jī)械進(jìn)行傳動(dòng)以及如何進(jìn)行控制；這些問(wèn)題既包括科學(xué)知識(shí)，也包含技術(shù)，可以幫助學(xué)生厘清科學(xué)與工程中有哪些需要解決的問(wèn)題，而且能在進(jìn)入“背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)”之后理解學(xué)習(xí)內(nèi)容與問(wèn)題或任務(wù)解決之間密切的關(guān)系。

策略三：背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)——逐個(gè)突破科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題

顧名思義，“背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)”主要幫助學(xué)生積累必備的經(jīng)驗(yàn)和能力。每個(gè)背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)的設(shè)計(jì)都圍繞“問(wèn)題引入”的需要展開(kāi)，與解決問(wèn)題有直接關(guān)聯(lián)。通過(guò)多個(gè)背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握更多與解決問(wèn)題相關(guān)的科學(xué)知識(shí)與技能，逐一解決在“問(wèn)題引入”時(shí)提出的問(wèn)題，為學(xué)生后期實(shí)際解決問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

實(shí)例4：橋世界

“橋世界”是面向小學(xué)中高年級(jí)學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)單元[6]，其情境引入結(jié)合緩解所在地區(qū)的交通問(wèn)題展開(kāi)，計(jì)劃建造一座新的橋梁，跨越流經(jīng)本地的河流。讓學(xué)生為此制仃一個(gè)工程建議方案，其中包括橋梁設(shè)計(jì)方案和模型制作。該主題的背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)包括：環(huán)球橋之旅、感受張力與壓力、橋梁中的張力與壓力、撲克牌橋、析架的形狀、把冰棒棍粘起來(lái)、鋼纜的角度、最合適的橋、虛擬土木工程師等9個(gè)活動(dòng)。這些活動(dòng)緊緊圍繞完成橋梁設(shè)計(jì)和模型制作這尸任務(wù)，并幫助學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)結(jié)構(gòu)、力的科學(xué)知識(shí)以及搭建結(jié)構(gòu)和連接材料的技能與方法（見(jiàn)圖2）。圖2說(shuō)明每個(gè)背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)與問(wèn)題引入的關(guān)系。

真實(shí)問(wèn)題具有一定的復(fù)雜性和多樣性，涉及多個(gè)領(lǐng)域的認(rèn)知和技能，即便是有豐富經(jīng)驗(yàn)的成人，也需要深思熟慮地進(jìn)行分析，然后再作出判斷和決策。因此，在“問(wèn)題引入”環(huán)節(jié)當(dāng)學(xué)生開(kāi)始面對(duì)一個(gè)復(fù)雜的生活問(wèn)題時(shí)，往往不知道如何下手，也不知道如何思考。這時(shí)需要通過(guò)與“問(wèn)題引入，緊密聯(lián)系的“背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)”活動(dòng)幫助學(xué)生了解與該問(wèn)題或任務(wù)相關(guān)的科學(xué)知識(shí)和技能，幫助學(xué)生一個(gè)個(gè)解決在“問(wèn)題引入”環(huán)節(jié)提出的疑問(wèn)和困惑。

可以說(shuō)，“背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)”活動(dòng)是教師通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)幫學(xué)生搭建的學(xué)習(xí)腳手架，學(xué)生通過(guò)攀爬這些腳手架積累起來(lái)的認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)，有助于學(xué)生再次面對(duì)真實(shí)問(wèn)題時(shí)作出明智的選擇。

策略四：?jiǎn)栴}和任務(wù)解決——直面科學(xué)與工程的真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)

如果說(shuō)背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)中較多的是與科學(xué)探究和技術(shù)技能相關(guān)的訓(xùn)練活動(dòng)，那么解決工程問(wèn)題則讓學(xué)生真正經(jīng)歷工程過(guò)程，直面科學(xué)與工程的真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)。在現(xiàn)實(shí)生活中，為了解決實(shí)際問(wèn)題，工程師通常會(huì)遵循一個(gè)多步驟、反復(fù)的工程過(guò)程（見(jiàn)圖3）：

1.識(shí)別和定義問(wèn)題；

2.設(shè)計(jì)解決方案；

3.建立模型；

4.檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

5.數(shù)據(jù)分析；

6.交流結(jié)果并思考如何改進(jìn)；

7.再次進(jìn)行設(shè)計(jì)——建?！獪y(cè)試——改進(jìn)交流。

實(shí)例5：小車制作

“炫酷小車制作”是面向初中學(xué)生的STEM活動(dòng)[7]，課程一開(kāi)始就提出該主題學(xué)習(xí)的任務(wù)是“利用身邊的材料設(shè)計(jì)一輛具有動(dòng)力的車，并具有運(yùn)載功能”。當(dāng)教學(xué)進(jìn)入最后的任務(wù)解決環(huán)節(jié)時(shí)，首要任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這個(gè)任務(wù)再次進(jìn)行思考、識(shí)別和定義問(wèn)題。為了讓思考更深入，教師給出了可供選擇的材料清單（包括材料的名稱、單價(jià)）和制作成品的評(píng)價(jià)要求（見(jiàn)表2）。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將重點(diǎn)放在學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作上，就像現(xiàn)實(shí)工程項(xiàng)目必須考慮產(chǎn)品需求一樣，面對(duì)評(píng)價(jià)表，學(xué)生開(kāi)始分析哪些指標(biāo)是重要的，哪些指標(biāo)是次要的；他們不得不在一些限制條件下，在功能、成本、美觀之間達(dá)成妥協(xié)，形成最有本組特色的設(shè)計(jì)?？梢?jiàn)，對(duì)工程問(wèn)題限制條件和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的具體化，不僅使任務(wù)更加明晰，明確了學(xué)生思考的方向，同時(shí)也給出了對(duì)學(xué)生最終成果的評(píng)價(jià)內(nèi)容。

明確了具體任務(wù)，接下來(lái)學(xué)生就可以進(jìn)入設(shè)計(jì)與模型制作環(huán)節(jié)，這可不是一個(gè)簡(jiǎn)單的拼裝過(guò)程，也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬過(guò)程，而是一個(gè)真刀真槍干實(shí)事的過(guò)程。學(xué)生需要思考模型的選材、使用哪種工具以及如何讓設(shè)計(jì)成為實(shí)物，在模型制作過(guò)程中，需要對(duì)部分或整體進(jìn)行多次檢驗(yàn)和測(cè)試，收集各種數(shù)據(jù)，分析模型的性能，確保符合預(yù)期并滿足相關(guān)的參數(shù)與要求。這不是一個(gè)順序固定的過(guò)程，而是一布杯不斷重復(fù)、不斷修正具有迭代意義的過(guò)程。經(jīng)歷工程設(shè)計(jì)的過(guò)程將促使學(xué)生對(duì)工程過(guò)程的理解，他們將不會(huì)再把不成功視為失敗，而是將它看成一個(gè)有價(jià)值的學(xué)習(xí)契機(jī)，并能運(yùn)用其中的發(fā)現(xiàn)和收獲建立更好的解決方案。

最后一個(gè)不能忽視的教學(xué)內(nèi)容是交流與反思，這是學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)能力、文字表達(dá)能力以及元認(rèn)知得到提升的有效環(huán)節(jié)。教師可以讓學(xué)生用各種開(kāi)放的方式展示自己的作品，包括海報(bào)、PPT，微信、視頻、工程建議書、產(chǎn)品推介會(huì)、成果鑒定會(huì)等。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生之間、小組之間、班級(jí)之間開(kāi)展質(zhì)疑和辯論，形成相互學(xué)習(xí)的氛圍。

科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程能否被有目的、有系統(tǒng)地鏈接在STEM活動(dòng)中，關(guān)系到學(xué)生能否真正理解工程過(guò)程、理解科學(xué)原理如何被運(yùn)用到真實(shí)問(wèn)題的解決中；同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程所涵蓋的內(nèi)容和學(xué)習(xí)要求。因此，解決這個(gè)問(wèn)題是開(kāi)展STEM課程與教學(xué)設(shè)計(jì)的核心與關(guān)鍵。本文所分析的以工程問(wèn)題解決為主線的教學(xué)模式，為解決科學(xué)與工程的鏈接問(wèn)題提供了線索。任何一項(xiàng)工程都不存在唯一正確的答案，相信在STEM課程和教學(xué)中如何解決科學(xué)與工程的鏈接還有多種有效的解決方案，這有待于更廣泛、更深入的教學(xué)實(shí)踐與研究的挖掘與總結(jié)。

注釋：

[1]葉兆寧.融合：實(shí)現(xiàn)STEM教育的有效策略.中國(guó)科技教育.2013（2）：12-15.

[2][美]羅伯特·M·卡普拉羅等編著，王雪華等翻譯.基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2016.

[3]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式.開(kāi)放教育研究.2015（8）：13-22

[4]美國(guó)康尼狄格科學(xué)中心開(kāi)發(fā)和編寫的STEM案例由中國(guó)青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會(huì)在中國(guó)友好和平發(fā)展基金會(huì)和美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司支持下引進(jìn)并進(jìn)行本土化研究。

[5]葉兆寧，朱麗娜，楊元魁.“集成式”STEM課程如何實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域的集成.人民教育，2016（12）：58-63.

[6]“橋世界”sTEM主題案例由美國(guó)康涅狄格州科學(xué)中心開(kāi)發(fā)，得到美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司和Hartford公立學(xué)校的資助。在中國(guó)友好和平發(fā)展基金會(huì)和美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司的資助下，2015-2017年期間由中國(guó)青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會(huì)主持陔案例的中文本土化項(xiàng)目，并在全國(guó)各地區(qū)推廣使用。

[7]葉兆寧主編.炫酷小車制作.南京：江蘇風(fēng)凰科學(xué)技術(shù)出版社，2016.12.