基于工程設(shè)計的小學(xué)STEM項目設(shè)計

錢耀剛 張維

STEM教育就是基于項目的以科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)為主干的多學(xué)科融合式教育，是以解決問題或完成一個作品為目標(biāo)的教育。如何設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容全面的STEM項目，成為當(dāng)前階段有效開展STEM教育的重要條件。筆者以“制作埃及金字塔模型”項目為例，談?wù)勅绾芜M(jìn)行小學(xué)STEM項目的設(shè)計與開發(fā)。

以年齡知識水平為指引，明確項目內(nèi)容與形式

基于小學(xué)生的年齡特點及小學(xué)階段學(xué)科知識水平，將小學(xué)階段的STEM項目定位于“初學(xué)者”層級。處于這一層級的基于項目的學(xué)習(xí)，以事實性知識技能的學(xué)習(xí)與掌握為目標(biāo)，教師在整個項目推進(jìn)的過程中占有較大比重的主導(dǎo)地位?！爸谱靼＜敖鹱炙Ｐ汀盨TEM項目的提出契機(jī)，是學(xué)校3D打印社團(tuán)的老師了解到蘇教版五年級語文教材中有《埃及的金字塔》一課，于是向社團(tuán)的孩子們提出了“制作金字塔模型”這一項目主題，并形成了基于項目學(xué)習(xí)的維度框架（見表1）。

以工程設(shè)計思想為紐帶，串起項目內(nèi)容的珍珠

在STEM項目的開展過程中，我們通常熟知的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)周期與學(xué)習(xí)模式與工程設(shè)計過程步驟是非常契合的。被廣泛應(yīng)用的教學(xué)模式BSCS 5E模型提供了按照順序排列的學(xué)習(xí)步驟，而這些步驟與工程設(shè)計過程步驟形成了較為一致的對應(yīng)關(guān)系。顯而易見，學(xué)習(xí)步驟可轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計步驟。因此，STEM項目設(shè)計時可以以工程設(shè)計思想為紐帶，將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、讀寫等其他學(xué)科內(nèi)容綜合運用，串接起來，成為一個完整的學(xué)習(xí)項目。

以“制作埃及金字塔模型”

STEM項目為例，概括為以下步驟。

1.識別問題和制約因素

受到制作模型材質(zhì)的局限，無法使用與金字塔實物匹配的沙石材質(zhì)；受到制作模型的尺寸限制，無法制作1∶1比例的模型。

2.調(diào)查研究，設(shè)想和分析觀點

項目小組成員通過對五年級課文《埃及的金字塔》的文本閱讀以及網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于金字塔的知識內(nèi)容搜集合作討論后，整理得出以下觀點：材質(zhì)選取易獲取的粘土、輕質(zhì)粘土以及PLA線材（3D打印筆或3D打印技術(shù)）；通過數(shù)學(xué)中的比例專題學(xué)習(xí)，掌握按比例縮放技能。以胡夫金字塔為例，其實際尺寸高146.59米，底邊長230米，按1000∶1的比例進(jìn)行縮小，得到高14.659厘米，底邊長23厘米（也可根據(jù)需要按其他比例縮?。ㄟ^學(xué)習(xí)簡單的勾股定理，計算得出金字塔棱長21.89厘米。

3.構(gòu)建和溝通

在設(shè)想與分析基礎(chǔ)上，分組利用粘土、輕質(zhì)粘土捏制模型；用3D打印筆繪制模型；用3D One或者123D Design等軟件建模后，3D打印模型（如圖1～圖2）。模型尺寸以上述計算結(jié)果為依據(jù)。通過討論溝通，對于捏制模型得出兩種方法：一種是一次成型完成金字塔整體模型；另一種是先構(gòu)建堆疊金字塔的基礎(chǔ)性立方體構(gòu)件，再用構(gòu)件堆疊組成金字塔（如圖3）。對于3D打印筆繪制模型，可以得到分片繪制金字塔四棱錐表面，再組合的方法。

4.測試、優(yōu)化和反思

在各小組采用不同方法完成模型制作的過程中，還可以對制作時間進(jìn)行測量，對材質(zhì)可塑性進(jìn)行比較，對制作難易度進(jìn)行比較，對模型精致度進(jìn)行比較……通過比較、測試與反思，篩選出當(dāng)前項目任務(wù)的相對較佳方案為粘土捏制（見表2）。

通過梳理項目實現(xiàn)的過程，可以發(fā)現(xiàn)在每個步驟中都涉及到相應(yīng)的學(xué)科知識與技能。不難發(fā)現(xiàn)，工程設(shè)計思想貫穿了整個“制作埃及金字塔模型”STEM項目（見表3）。

以“塞耶模型”循環(huán)為基礎(chǔ)，反復(fù)迭代取得優(yōu)化

通常情況下，在STEM項目設(shè)計時，上文中的工程設(shè)計步驟，并非單次完成的，一般需要采取一種四步循環(huán)解決問題模型——“塞耶模型”?！叭Ｐ汀币龑?dǎo)學(xué)生定義一個問題，描述具體要求，確定解決方案，然后再重新定義問題，開始新的循環(huán)。通過“塞耶模型”，每一輪循環(huán)都能將問題范圍縮小，都趨向于指向最優(yōu)化的解決方案。

同樣以“制作埃及金字塔模型”STEM項目為例，當(dāng)?shù)谝惠喒こ淘O(shè)計目標(biāo)實現(xiàn)后，通過表格數(shù)據(jù)對比，不難發(fā)現(xiàn)使用粘土捏制與3D打印技術(shù)是兩個較佳方案。但當(dāng)對模型制作提出精致度更高的要求時，使用粘土捏制的方法便失去了領(lǐng)先地位，3D打印技術(shù)成為首選方案；當(dāng)對模型提出更大尺寸的要求時（如100∶1），使用一般的3D打印技術(shù)便也失去了領(lǐng)先優(yōu)勢，但如果引入粘土構(gòu)件堆疊的思想，利用3D打印機(jī)先構(gòu)建堆疊構(gòu)件時，則又能恢復(fù)這個方法的優(yōu)勢；當(dāng)對金字塔內(nèi)部構(gòu)造提出更高仿真要求時，則又需要參考金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對3D建模技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與提升，同時需要引入對金字塔內(nèi)壁畫藝術(shù)的研究。

綜上所述，STEM項目的設(shè)計是基于工程設(shè)計的項目式學(xué)習(xí)，工程設(shè)計思想貫穿于整個項目的始終，其他相關(guān)的學(xué)科知識與技能都被工程整合，同時STEM項目也必須遵循基于項目的學(xué)習(xí)設(shè)計原則，即：讓內(nèi)容容易習(xí)得、讓思維具有可見性、幫助學(xué)生向他人學(xué)習(xí)、促進(jìn)自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)。