基于設(shè)計思維框架的STEM PBL課程實施研究

(江蘇省蘇州市吳江區(qū)鱸鄉(xiāng)實驗小學(xué)，江蘇 蘇州 215200)

1 設(shè)計思維與STEM PBL

1.1 設(shè)計思維的誕生與發(fā)展

上世紀(jì)80、90年代斯坦福大學(xué)的Rolf Faste在Robert McKim《視覺思維的體驗》一書的基礎(chǔ)上，首先把“設(shè)計思維”作為創(chuàng)意方式進(jìn)行了定義和推廣，其后被IDEO采用，他們?yōu)閱滩妓沟纳虡I(yè)活動提供了許多優(yōu)秀的產(chǎn)品，因此成就了IDEO的行業(yè)地位。凱迪在對大量的案例進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了設(shè)計知識的運作模型，認(rèn)為設(shè)計過程由探索階段、生成階段和評價階段組成。創(chuàng)新機(jī)構(gòu)IDEO的設(shè)計思維模型則包括發(fā)現(xiàn)、解釋、構(gòu)思、實驗和評估五個環(huán)節(jié)，斯坦福大學(xué)設(shè)計思維學(xué)院亦將設(shè)計思維分成五個步驟(如圖1)。

1.2 在STEM PBL課程實施中培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計思維能力的可行性分析

基于項目的STEM教育強調(diào)植入真實情境，讓學(xué)生體驗運用跨學(xué)科知識解決實際問題的過程，往往需要設(shè)置自主探究、協(xié)作分享、設(shè)計創(chuàng)新、問題解決等環(huán)節(jié)，在操作流程上與設(shè)計思維的實施步驟相一致。設(shè)計思維強調(diào)以項目學(xué)習(xí)為依托，對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新、問題解決等能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)目標(biāo)上與STEM教育相契合。另外STEM PBL的目標(biāo)任務(wù)強調(diào)問題域的可拓展性、實施路徑的多元化等，也為設(shè)計思維的“生長”創(chuàng)設(shè)了良好的氛圍。

2 基于設(shè)計思維框架下的STEM PBL教學(xué)計劃、模式、評價特征及實施途徑

2.1 關(guān)于教學(xué)計劃

相對于傳統(tǒng)的課程或許人們開始會感覺到不習(xí)慣，基于設(shè)計思維框架下的STEM PBL課程應(yīng)該是無法計劃的，準(zhǔn)確地說只能彈性地羅列一些計劃內(nèi)的課程，至于能否在規(guī)定的時間段內(nèi)完成，需要看學(xué)生們的具體進(jìn)程。

2.2 教學(xué)模式選擇

為了使討論、質(zhì)疑乃至爭論得以充分進(jìn)行，這些不僅僅發(fā)生在學(xué)生之間，教師也應(yīng)該是討論者之一，所以教師應(yīng)該放下身段融入其中。一個平等自由的課堂氛圍的形成對設(shè)計思維的培養(yǎng)尤為重要，桌椅的擺放很重要，應(yīng)該摒棄學(xué)生一律朝著教師方向擺位的傳統(tǒng)模式?！肮ぷ鞣弧笔且环N比較恰當(dāng)?shù)哪Ｊ竭x擇，設(shè)計思維學(xué)院甚至把不同專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行排列組合，當(dāng)然我們的學(xué)生在基礎(chǔ)教育階段相對固定化，但是還是可以盡量做到差異化搭配，比如從性別、興趣愛好等方面進(jìn)行組合，而非整齊劃一，這樣做的好處易于發(fā)生思維的碰撞，從而產(chǎn)生創(chuàng)新解決方案。

2.3 評價方式的轉(zhuǎn)變

當(dāng)學(xué)生的初始方案還未完善時，各組的討論尚未充分進(jìn)行時，教師不要急于給予否定性評價或者排他性的肯定，讓他們自主構(gòu)思設(shè)計原型，然后進(jìn)行測試驗證，通過實踐來檢驗。教師的評價要注重多元化，做到結(jié)果與過程并重，學(xué)生的每一個創(chuàng)意哪怕是針對某一設(shè)計“產(chǎn)品”細(xì)節(jié)方面的獨特想法都應(yīng)予以鼓勵。

3 面向設(shè)計思維培養(yǎng)的STEM PBL課程案例分析

在STEM PBL的課程實施中充滿了變量，應(yīng)讓學(xué)生了解沒有什么不可以改變，想象力可天馬行空，以下我們分析幾個基于設(shè)計思維的STEM PBL案例。

3.1 同理心的力量推動需求定義精準(zhǔn)優(yōu)化

“智能花房管家”的設(shè)計目標(biāo)是給花房設(shè)定一個無人值守的自動灌溉及恒溫裝置，初始方案是室內(nèi)安裝空調(diào)以保持恒溫，提取土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動電磁閥實現(xiàn)自動灌溉。由于采用Arduino硬件+S4A圖形化編程的組合，原型設(shè)計很快實現(xiàn)。在模擬測試過程中，設(shè)計團(tuán)隊再一次頭腦風(fēng)暴的結(jié)果是應(yīng)該加裝二氧化碳?xì)怏w檢測裝置，在植物需要的二氧化碳濃度下降到一定的閾值時驅(qū)動開窗器置換窗外的空氣。由于要求團(tuán)隊要經(jīng)常變換角色，模擬用戶的產(chǎn)品使用體驗，同理心的力量驅(qū)使需求定義不斷優(yōu)化，有學(xué)生提出不同的植物習(xí)性不同，因而給水的量應(yīng)有差異，此時給出為每種植物配搭繼電器控制的方案，也有讓機(jī)器人識別不同的植物編號分別澆灌，通過思維“碰撞”出更簡單有效的方法來解決問題，即給每種植物配備粗細(xì)不同的出水管(如圖2)。當(dāng)設(shè)計團(tuán)隊的每位成員“浸潤”其中且變換角色時，基于用戶考慮的同理心會讓需求定義不斷精準(zhǔn)優(yōu)化。當(dāng)然目標(biāo)問題域也會不斷拓展，這會給原型實現(xiàn)乃至最后的測試環(huán)節(jié)帶來不確定性和許多的反復(fù)，這正是設(shè)計思維的魅力所在。上述方案即便迭代了數(shù)次，最后還是有學(xué)生提出進(jìn)一步優(yōu)化的方案，如加裝空氣濕度傳感器，當(dāng)空氣干燥時驅(qū)動加濕器工作，還有利用室內(nèi)外溫差進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)時不使用空調(diào)以達(dá)到節(jié)能的目的等，以上STEM PBL的實施很好地詮釋了“設(shè)計思維是進(jìn)行各種美妙的創(chuàng)意和關(guān)于用戶體驗的深度思考”。

圖2

3.2 需求與創(chuàng)意的演進(jìn)實現(xiàn)“金魚缸管家”智能化

圖3

“金魚缸管家”的初始目標(biāo)是非良構(gòu)的，目標(biāo)任務(wù)是實現(xiàn)金魚缸的無人值守、自動管理，但是由于該產(chǎn)品屬于創(chuàng)新設(shè)計，用戶的需求定義一開始是不夠明晰的，因此會導(dǎo)致在創(chuàng)意構(gòu)思、原型設(shè)計等環(huán)節(jié)不斷添加、完善需求定義。設(shè)計團(tuán)隊對問題的解析是：實現(xiàn)自動喂食、自動加溫、自動過濾，此“產(chǎn)品”的原型設(shè)計較為簡單，所需的設(shè)備均可網(wǎng)購，于是除了金魚缸外，還購買了自動喂食器、加熱棒、水質(zhì)傳感器等(如圖3)。

市售的喂食器、加熱棒能實現(xiàn)自動加熱、喂食，于是初始的創(chuàng)意僅用Arduino UNO提取水質(zhì)數(shù)據(jù)，然后判斷是否要進(jìn)行水質(zhì)的過濾。頭腦風(fēng)暴在設(shè)計思維的各個環(huán)節(jié)展開，有人質(zhì)疑如果室溫上升至30℃以上，加熱棒無法實現(xiàn)水體溫度的下降，而金魚的習(xí)性是當(dāng)溫度上升到30℃以上時活躍指數(shù)下降，進(jìn)食將明顯變慢，此時若仍然按預(yù)設(shè)投食將導(dǎo)致過剩、污染水質(zhì)。于是需求定義明確為根據(jù)水溫的變化，以“魚”為本，科學(xué)投食。在技術(shù)層面上加裝了溫度傳感器，數(shù)據(jù)提供給Arduino UNO，觸發(fā)繼電器驅(qū)動投食器。試運行后又發(fā)現(xiàn)時間如果較長，水位會因蒸發(fā)而下降，需要實現(xiàn)自動補水，當(dāng)主人靠近且環(huán)境亮度較低時，LED燈需要自動點亮?；谝匀藶楸镜脑O(shè)計理念，在同理心的作用下，用戶的需求定義被不斷地明晰優(yōu)化，創(chuàng)意構(gòu)思亦同步迭代演進(jìn)。

4 基于設(shè)計思維框架的STEM PBL實施過程中的注意點

共同學(xué)習(xí)和工作是設(shè)計思維中的常態(tài)，通過匯聚集體的聰明才智解決問題，實現(xiàn)從智商向眾商的變身是設(shè)計思維的魅力所在，我們在傳統(tǒng)學(xué)校實施基于設(shè)計思維框架的STEM項目時需要注意以下幾點。

4.1 引導(dǎo)學(xué)生跳出自我中心模式，產(chǎn)生沖突時暫停自己的觀點表達(dá)

在基于設(shè)計思維的STEM項目實施中“工作坊”常常被采用，此時往往一開始從游戲開始，讓設(shè)計團(tuán)隊的成員放松身心，當(dāng)然組織者需要及時“收斂”，把足夠多的時間放在需要解決的目標(biāo)問題上。團(tuán)隊的成員包括組織者沒有哪個是權(quán)威，因此誰都沒有權(quán)利給別人貼“錯誤”的標(biāo)簽。自我中心的模式是每個人的默認(rèn)模式，組織者需要營造的氛圍是從善如流，每位成員要學(xué)會在產(chǎn)生沖突時暫停自己的想法表達(dá)，要善于從別人的質(zhì)疑中反思自身的問題，從別人的方案中提取有益元素，增加自身方案的說服力和可行性。

4.2 提升設(shè)計團(tuán)隊參與人員的跨界“指數(shù)”，催生個體之間的頭腦風(fēng)暴

設(shè)計思維使個體的英雄主義讓位于團(tuán)隊的“眾商”，來自不同領(lǐng)域的設(shè)計團(tuán)隊成員的思維可以激發(fā)更多的可能性，是從智商到眾商的進(jìn)化過程。頭腦風(fēng)暴讓我們不得不拋棄原本想固守的方案，有效突破自身視野的盲區(qū)，進(jìn)行顛覆性的思考，尋求前所未有的不同尋常的新想法、新方案。此時影響頭腦風(fēng)暴有效性的變量之一是團(tuán)隊成員的“跨界”指數(shù)，我們要善于將一些看起來“互不相干”的、知識背景迥異的人組合起來，這樣頭腦風(fēng)暴才會更猛烈，循規(guī)蹈矩的解決方案才會被摧毀，前所未有的創(chuàng)新方案才會產(chǎn)生。

4.3 創(chuàng)設(shè)快速模型化空間，縮短原型實現(xiàn)與測試反饋周期

當(dāng)需求定義基本明晰，創(chuàng)意構(gòu)思基本落實之后，影響產(chǎn)品“出廠日期”的就是原型設(shè)計，而且這往往是費時費力最多的環(huán)節(jié)。3D建模打印技術(shù)從某種程度上加快了原型設(shè)計的步伐，從而整體上使得迭代的周期進(jìn)一步縮短，因此3D打印機(jī)應(yīng)該成為設(shè)計思維團(tuán)隊必配的裝備。當(dāng)然激光雕刻機(jī)可以實現(xiàn)紙板、木材乃至金屬件的加工，在原型設(shè)計中也可成為選配的設(shè)備。由于原型的設(shè)計未必是完美的，因此為了縮短迭代周期，一開始我們可以“粗線條”塑造原型，比如能用硬紙板替代的暫時不用金屬件，3D打印在不影響測試效果時盡量打印微縮模型，打印的填充率選擇30%或者以下，總之一切為了快速呈現(xiàn)，以便與團(tuán)隊成員、模擬用戶及時地互動，縮短原型實現(xiàn)與測試反饋的周期，提升產(chǎn)品設(shè)計制造的效率。

喬布斯曾說：“你不能只問顧客要什么，然后想法子給他們做什么。等你做出來，他們已經(jīng)另有新歡了”。設(shè)計思維正是進(jìn)行各種美妙的創(chuàng)意和關(guān)于用戶體驗的深度思考，它以用戶為中心，基于發(fā)展的眼光，利用集體的智慧，采取超前的設(shè)計策略來解決問題，滿足用戶的需求。在變化的時代我們需要新的解決方案和新的想法來應(yīng)變，回顧過去我們?nèi)祟悮v史上很多偉大的發(fā)明家、科學(xué)家如愛因斯坦、愛迪生等，他們個體的智慧推進(jìn)了人類文明的進(jìn)程，展望未來，或許我們需要集合更多人的智慧才能讓世界變得更加不同，讓人類文明躍上新的臺階，可以預(yù)見設(shè)計思維的理念將越來越深入人心。