以設(shè)計思維理念開展STEM課程設(shè)計的要點解析

葉兆寧

設(shè)計思維在教育中的運用始于斯坦福大學(xué)設(shè)立的設(shè)計學(xué)院，最早主要集中在高等教育中的工程和設(shè)計領(lǐng)域，隨后在商業(yè)、醫(yī)療、社會科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，設(shè)計思維逐步擴(kuò)展到了K—12的基礎(chǔ)教育中，教育模式從開設(shè)專門的課程逐步向設(shè)計思維與課程融合的方式轉(zhuǎn)變^[1]。

設(shè)計思維在國內(nèi)教育中的運用起初也多集中在高等教育中，但隨著STEM教育、創(chuàng)客教育等教育模式在K—12教育中的實踐越來越多，具有跨學(xué)科特征的課程也逐漸增多，設(shè)計思維在其中的運用也慢慢凸顯出來。設(shè)計思維與STEM教育在學(xué)科融合、基于解決真實問題、創(chuàng)造力培養(yǎng)、合作學(xué)習(xí)及行動與反思等方面都有契合之處（因篇幅所限，文中具體契合點的描述，請訪問雜志官網(wǎng)——編者注）。因此，將設(shè)計思維引入具有跨學(xué)科特征的STEM教育的課程設(shè)計，不僅能增強課程的邏輯體系，還有助于提高課程的品質(zhì)和教育效果。

下面以《中國科技教育》雜志匯編的《國外優(yōu)秀STEM教育案例集》的課程案例為例，解析以設(shè)計思維理念開展STEM課程設(shè)計時有哪些可關(guān)注的要點。

要點一：來源于社會生產(chǎn)生活的真實問題

真實問題的引入不僅是STEM教育的需求，也是設(shè)計思維的需求。在真實問題的導(dǎo)引下，各個學(xué)科的學(xué)習(xí)和引入會圍繞問題本身自然而然地展開，設(shè)計需求的來源、任務(wù)要求和成果形式得以清晰明確，設(shè)計任務(wù)的目的也因此而具有現(xiàn)實意義和價值，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

案例：風(fēng)暴警報

這是1個面向4年級為期3天的有關(guān)颶風(fēng)的課程，采用5E教學(xué)法。在“引入”階段，教師和學(xué)生討論當(dāng)?shù)氐淖匀粸?zāi)難，并討論人和自然如何抵御災(zāi)難，如“有哪些天然防護(hù)屏障可以保護(hù)一個地區(qū)少遭受颶風(fēng)等自然災(zāi)難的破壞”“如果你住在沿海社區(qū)，你如何抵御自然災(zāi)害”“有哪些人為造成的環(huán)境變化會擴(kuò)大颶風(fēng)的影響”“人們可以采取什么防護(hù)措施以降低自然災(zāi)害對于社區(qū)的破壞”等。在討論之后的“探究”階段，教師提出了一個表現(xiàn)性任務(wù)：你們小組供職于城市住房發(fā)展委員會，該委員會指導(dǎo)當(dāng)?shù)亟ㄖ靖鶕?jù)最新的安全規(guī)定改造升級沿本州海岸區(qū)域建造的房屋。你們的一部分工作內(nèi)容是建造房屋模型并測試它們抵抗颶風(fēng)等自然災(zāi)害的有效性。你們將測試這些房屋抵抗強風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮的強度……

解析

在這個案例中課程聚焦于當(dāng)?shù)氐淖匀粸?zāi)害，這本身就具備真實性。活動并不是立即從設(shè)計開始，而是通過引入部分分析、調(diào)研和討論，學(xué)生對真實問題有了較多的認(rèn)識和經(jīng)驗?？梢?，引入部分是學(xué)生開展設(shè)計思維的基礎(chǔ)。探究部分表現(xiàn)性任務(wù)的提法也具備真實性，該任務(wù)內(nèi)容包括：“為什么要建造房屋模型？該房屋模型需要得到什么功能？要怎樣測試房屋模型？”任務(wù)的描述非常具體，也具有一定的可信度。同時案例中引入和探究2個環(huán)節(jié)較好地將設(shè)計思維的起點融入教學(xué)中，幫助學(xué)生理解人們開展設(shè)計的想法來源于何處，顯然教師并沒有期望4年級的學(xué)生自己挖掘出設(shè)計的機會，而是通過教學(xué)安排一步步幫助學(xué)生體驗出這一點。

要點二：以人為本的設(shè)計任務(wù)

通過共情對用戶需求進(jìn)行挖掘和定義是進(jìn)行設(shè)計的起點。這幫助學(xué)生的思維從以自己為中心轉(zhuǎn)向以用戶的需求為中心。然而更深層次的意義在于：設(shè)計思維中的以人為本，不是簡單的以用戶為中心，而是考慮人和自然的統(tǒng)一和諧與可持續(xù)發(fā)展，要涵蓋體現(xiàn)了人類目標(biāo)和自然法則的物體和現(xiàn)象。這也正是體現(xiàn)設(shè)計思維與STEM教育共同價值的出發(fā)點。

案例：抓錯了魚——為金槍魚捕撈業(yè)中的兼捕問題設(shè)計一個解決方案

這是個適用于8年級的涉及環(huán)境科學(xué)和生物學(xué)的跨學(xué)科課程，學(xué)生將通過課堂活動設(shè)計和測試金槍魚捕撈中兼捕問題的解決方案。學(xué)生要收集和使用數(shù)據(jù)優(yōu)化自己的設(shè)計，并考慮這個模型如何在現(xiàn)實生活中應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生將能夠討論世界海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要性;能夠設(shè)計、評估和完善減少兼捕的解決方案;能夠把他們設(shè)計的模型和實際生活聯(lián)系起來?；顒娱_始時，學(xué)生首先模擬在海洋中捕撈的過程，辨認(rèn)出目標(biāo)物種和非目標(biāo)物種，然后討論怎樣會被漁具抓到，引導(dǎo)學(xué)生反思這些物種在捕撈過程中遇到的不必要的個體損失，其中的一些物種正受到威脅?；顒又薪處熞龑?dǎo)學(xué)生通過調(diào)查，討論以下問題。

·你如何用自己的話解釋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展？

·什么是兼捕？為什么兼捕是一個問題？

·什么是過度捕撈？為什么過度捕撈是一個問題？

·哪種捕魚方式會導(dǎo)致大量的兼捕？

·哪種捕魚方式可使兼捕的可能性小一些？

·對于漁民來說，每一種方式的優(yōu)點和缺點是什么？從對環(huán)境的影響角度看呢？

解析

該案例從漁業(yè)中普遍存在的兼捕現(xiàn)象中提出設(shè)計問題，對這一現(xiàn)象的討論不僅需要學(xué)生從人的需求出發(fā)，還要幫助學(xué)生理解為何要從自然生態(tài)的角度思考，并將漁業(yè)發(fā)展與過度捕撈帶來的生態(tài)影響結(jié)合起來研究。這不僅有助于學(xué)生找到設(shè)計的需求，明確分析出該解決方案應(yīng)該達(dá)成的作用，同時也能有效地幫助學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境的相互作用，以及何為可持續(xù)發(fā)展，人類需要為可持續(xù)發(fā)展采取怎樣的行動。

要點三：可視化

可視化不僅是設(shè)計思維的特點，STEM教育中也非常強調(diào)可視化。在教學(xué)中選擇可視化的工具，通過可視化的方式可以促進(jìn)交流和思維。例如在設(shè)計思維中常用便利貼、馬克筆、繪圖紙等工具，采用思維導(dǎo)圖、頭腦風(fēng)暴等方法將思維和想法可視化;利用模型制作將解決方案可視化;采用角色扮演和直接調(diào)研將設(shè)計需求可視化;用視頻、照片、記錄等將過程可視化等?？梢暬瘞椭鷮W(xué)生匯集各種想法，深入了解過程中的各種變化，促進(jìn)學(xué)生優(yōu)化解決方案，找到更有效的問題解決方案。

案例：冠狀動脈無小事

這是1個面向初中學(xué)生的STEM課程，聚焦于學(xué)生對人體循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的深入理解。在學(xué)生對人體的系統(tǒng)有一定程度的學(xué)習(xí)之后，教師給學(xué)生提供1個用糖霜和透明塑料管粘在一起的模型，模擬被諸塞的動脈血管。學(xué)生注意到糖霜位于管子的中間位置，且難以取出。接下來組織班級討論，學(xué)生需要提出清理動脈的方法，以及醫(yī)生在手術(shù)中可能遇到的困難。學(xué)生將這些想法都寫到白板上，以便全班同學(xué)都能看到。學(xué)生可以使用之前觀看心臟及細(xì)胞的視頻時做的筆記論證自己的觀點。教師鼓勵學(xué)生同意或反對他人的觀點，并且通過自己對證據(jù)的闡述支持或反對這些觀點。通過這個過程，學(xué)生了解到設(shè)計項目的需求，即用什么方法能取得動脈最大血液流量，并設(shè)計對項目成果的定量測試。

在接下來的小組活動中，教師為學(xué)生提供便利貼、不同顏色的馬克筆、繪圖紙，以及充足的空間。學(xué)生輪流將自己的想法寫在便利貼上，并貼在小組的繪圖紙上。教師指導(dǎo)學(xué)生使用正面肯定的語言評價想法。在小組確定了設(shè)計方案之后，學(xué)生們開始進(jìn)行原型制作及測試，學(xué)生在制作和測試過程中會遇到很多問題，教師鼓勵學(xué)生一邊用錄像記錄下測試的過程，一邊對原方案進(jìn)行現(xiàn)場修改或改進(jìn)，但要求學(xué)生對方案的任何修改都記錄下來，將其作為未來設(shè)計迭代的基礎(chǔ)。

課程的最后，學(xué)生被要求評價項目設(shè)計方案，對其他同學(xué)的工作進(jìn)行評價，并改進(jìn)設(shè)計方案。每組的方案都要在全班進(jìn)行展示以接收同行評議。學(xué)生還被要求制作1張海報，討論他們的設(shè)計過程和“手術(shù)”的成功。

解析

該案例中教師用了多種方法幫助學(xué)生展現(xiàn)自己的想法，理解他人的想法，包括用便利貼、馬克筆等將所有的想法寫到白板上，制作海報討論設(shè)計過程等。

每位學(xué)生都有機會展示自己的想法，而此前對血液循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的學(xué)習(xí)為此打下了基礎(chǔ)。視頻拍攝有效地幫助學(xué)生記錄下測試的過程，他們可以利用視頻回顧測試的細(xì)節(jié)，分析問題出現(xiàn)的可能原因，并進(jìn)行改進(jìn)并記錄改進(jìn)后的測試結(jié)果。學(xué)生對過程和過程中思考的記錄和再現(xiàn)對設(shè)計迭代起到了有效的促進(jìn)作用。另外，該案例中還利用模型給出任務(wù)要求，讓學(xué)生改進(jìn)模型以得到原型，這也是一種可視化。

要點四：行動中反思

設(shè)計思維的過程可以理解為“行動中反思”的動態(tài)過程，用行動擴(kuò)展思維，通過行動的結(jié)果支配反思。

讓學(xué)生反思過程，即要求其闡明在項目學(xué)習(xí)過程中學(xué)到了什么、做了什么、改進(jìn)了什么，根據(jù)回答能夠評價出學(xué)生的批判性思維和問題解決能力。在項目的每個階段，要求學(xué)生測量和比較自己的制品，判定制品在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用情況。一方面，可以通過收集和比較學(xué)生的不同版本的制品，分析學(xué)生的思維變化;注重學(xué)生在原型環(huán)節(jié)的展示與匯報，如果學(xué)生能夠借助原型，利用清晰的思路，結(jié)合學(xué)科知識的講解，將制品介紹給大家并得到認(rèn)可，這不僅能突破用傳統(tǒng)的考試方式考查知識的掌握，更能夠反映學(xué)生的整體素養(yǎng)。

案例：抓錯了魚——為金槍魚捕撈業(yè)中的兼捕問題設(shè)計一個解決方案

此案例的工程任務(wù)是：設(shè)計一個新型漁網(wǎng)，減少模擬海洋（大桶）中的兼捕情況，并在捕撈時把“海豚”排除在外。教師向?qū)W生展示可能用到的材料，指導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)表，并告訴他們每個組要想出2種設(shè)計方案，并把其中1種做出原型。教師為學(xué)生提供設(shè)計評價量規(guī)表，學(xué)生可以在本組的容器或班級的大桶中測試模型，記錄捕魚網(wǎng)中的個體數(shù)量，然后和小組成員討論如何優(yōu)化設(shè)計。

在課堂上演示他們的最終模型之前，每個小組應(yīng)該把“測試—優(yōu)化”過程至少重復(fù)3次。教師要提醒學(xué)生把每一次的數(shù)據(jù)記錄在他們的數(shù)據(jù)表里，并且計算所捕獲的目標(biāo)物種和非目標(biāo)物種的百分比。在小組活動過程中，教師可以巡視并提出一些能了解學(xué)生想法的問題，例如：“上一次測試完后，你們做了什么調(diào)整？為什么？基于數(shù)據(jù)你們?nèi)绾闻袛嗪笠粋€模型比前一個更好？”

在課程最后的展示階段，教師引導(dǎo)學(xué)生討論各組設(shè)計的成功之處，鼓勵學(xué)生引用數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)支持他們的答案，如提問哪種設(shè)計方案最為成功、有什么特殊之處、你的模型從開始到最后有了哪些改變、為什么等。

解析

該案例中教師圍繞設(shè)計任務(wù)采用不同策略幫助學(xué)生在行動中反思，如：要求每個組有2種設(shè)計方案，促進(jìn)學(xué)生在方案的測試和比較中進(jìn)行思考;要求每個小組多次重復(fù)“測試—優(yōu)化”過程，并運用問題促進(jìn)學(xué)生在每次測試之后根據(jù)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修改，再通過數(shù)據(jù)測試不斷提升模型的實際效果。這正是體現(xiàn)了設(shè)計思維反復(fù)迭代的過程，也體現(xiàn)出教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生在行動中反思的要點。

要點五：指向?qū)W習(xí)與發(fā)展的評價

比起評價學(xué)生的設(shè)計制品或知能掌握情況，更加重要的是評價學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展。眾所周知，中小學(xué)生受到其知識及能力水平的制約，不可能像真正的工程師那樣解決實際產(chǎn)品的設(shè)計和制作。既然如此，讓中小學(xué)生進(jìn)行設(shè)計方面的學(xué)習(xí)意義何在呢？不言而喻，通過設(shè)計方面的學(xué)習(xí)在提升學(xué)生思維方法和創(chuàng)新能力方面都有很大益處。其實還有一點不可忽視的是課程本身應(yīng)是立足于學(xué)生現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)與知能發(fā)展，使設(shè)計過程的學(xué)習(xí)和認(rèn)知的提升相互作用，使得融入設(shè)計的學(xué)習(xí)活動更具有教育價值。當(dāng)然，這一點只了解課程表面的活動往往是不夠的，通過指向?qū)W習(xí)與發(fā)展的評價過程，課程設(shè)計的這一意義才會凸顯出來。

案例：工程設(shè)計與效果——1個水過濾實例

這是1個針對6年級的作為水循環(huán)單元一部分的課程活動，給學(xué)生提供學(xué)習(xí)人類的用水是如何進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)的機會，這也正符合NGSS工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。由于它涉及到了人類活動影響和地球科學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)的工程問題，所以它也能與NGSS“地球與人類活動”標(biāo)準(zhǔn)對接。

課程的第1步是與學(xué)生討論環(huán)境工程師們處理的最重要的議題之一，即處理飲用水，促進(jìn)學(xué)生理解何為安全的飲用水。接下來引入Beaufort鎮(zhèn)需要幫助去除飲用水中的有害雜質(zhì)（用紅色食用色素與自來水混合模擬）的工程任務(wù)。在開始進(jìn)入初始設(shè)計階段之前，學(xué)生需要單獨完成1份活動前決策工作表，表中要求學(xué)生先繪制1張闡述水處理在水循環(huán)過程中的位置的示意圖和1張過濾器的草圖，并回答問題——你如何得知你設(shè)計的過濾器能夠起作用？為什么？之后，學(xué)生小組開始進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)歷包括確認(rèn)問題、確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)和約束條件、頭腦風(fēng)暴產(chǎn)生可能的解決方案、形成想法、探討可能性、選擇一種方法、建立模型或原型、完善設(shè)計等工程設(shè)計的過程。

在課程結(jié)束前，學(xué)生被要求獨立完成1個與活動前決策工作表類似的活動后決策工作表，回答3個相關(guān)問題：①畫出過濾器的草圖。你會使用什么材料？②你在活動過程中學(xué)到的知識如何改變了你的設(shè)計草圖？③關(guān)于水過濾器，你學(xué)到的最有意思的是什么？對比活動后決策工作表和活動前決策工作表，可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評價。

解析

從這個案例的描述中不難看出課程活動在采用工程設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，以設(shè)計思維的過程和方法為主線，教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計水過濾器的工程設(shè)計活動，其中隱含了設(shè)計思維中對問題和解決方案思考方式的學(xué)習(xí)。但同時，在課程設(shè)立之初開發(fā)者就將課程的整體放在了NGSS的平臺上，清楚地顯示出開發(fā)者對該課程目標(biāo)的準(zhǔn)確理解和定位。更值得關(guān)注的是，課程運用了形成性評價——課程前后的決策工作表，關(guān)注學(xué)生對水過濾器與水循環(huán)的理解，關(guān)注學(xué)生對人類飲用水問題的分析，這些不僅體現(xiàn)出課程的教育目標(biāo)和教育意義，也體現(xiàn)出課程運用指向?qū)W生學(xué)習(xí)和發(fā)展的評價開展教育過程的獨到之處。

參考文獻(xiàn)

[1]林琳，沈書生.設(shè)計思維與學(xué)科融合的作用路徑研究.電化教育研究，2018（5）