基于設(shè)計(jì)思維的STEM教育創(chuàng)新課程研究及啟示

陳鵬　田陽(yáng)等

摘要：隨著全球經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，STEM教育已成為世界各國(guó)科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)和教育教學(xué)改革的重要戰(zhàn)略和途徑。探索STEM教育應(yīng)用模式，開發(fā)跨學(xué)科融合的STEM課程，是推動(dòng)STEM教育開展的關(guān)鍵。為促進(jìn)我國(guó)STEM教育課程設(shè)計(jì)與開發(fā)，該研究以美國(guó)斯坦福大學(xué)教育學(xué)院與設(shè)計(jì)學(xué)院合作的d.loft STEM Learning項(xiàng)目中的STEM課程為例進(jìn)行案例研究，在詳細(xì)介紹課程整體結(jié)構(gòu)、課程活動(dòng)設(shè)計(jì)及實(shí)施的基礎(chǔ)上，分析并總結(jié)歸納該課程的特點(diǎn)。主要包括：基于設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)學(xué)生核心技能與STEM素養(yǎng)，課程活動(dòng)目標(biāo)與美國(guó)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》相對(duì)應(yīng)，以真實(shí)問題與項(xiàng)目為載體實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科整合，提供豐富的學(xué)習(xí)支架與工具促進(jìn)有效學(xué)習(xí)的發(fā)生。在此基礎(chǔ)上，圍繞STEM教育與設(shè)計(jì)思維的核心理念，從學(xué)生能力培養(yǎng)出發(fā)，構(gòu)建了基于設(shè)計(jì)思維的跨學(xué)科STEM課程模型，并提出相關(guān)實(shí)施建議，為STEM教育實(shí)踐提供有價(jià)值的借鑒。

關(guān)鍵詞：STEM教育;STEM課程;設(shè)計(jì)思維;跨學(xué)科整合

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，創(chuàng)新已成為國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力必不可少的組成部分，科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)是實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)工業(yè)4.0時(shí)代創(chuàng)造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的關(guān)鍵和重要著力點(diǎn)。從1986年美國(guó)政府發(fā)布《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》（Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education提出STEM教育理念，到2018年的《制定成功路線：美國(guó)STEM教育戰(zhàn)略》（Charting a Course for Success：Americas Strotegy for STEM Education），美國(guó)歷屆政府出臺(tái)了一系列相關(guān)政策和政府報(bào)告。大力發(fā)展STEM教育，培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才已成為美國(guó)維持全球經(jīng)濟(jì)領(lǐng)先地位的直接動(dòng)力，STEM教育也成為世界各國(guó)推進(jìn)課程教學(xué)改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要戰(zhàn)略。

當(dāng)前STEM概念從原來分學(xué)科的理解逐步轉(zhuǎn)向整合，研究者認(rèn)為其是有目的地、融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)以解決真實(shí)情境中問題的整合式課程;也有研究者超越內(nèi)容層面提出STEM教育是一種教學(xué)策略、教學(xué)方法與思路或教學(xué)哲學(xué)，關(guān)注學(xué)科之間的相互作用，重視學(xué)生整合式思維過程和技能。無論將STEM理解為課程還是教學(xué)策略或方式，其內(nèi)涵都是指科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的融合，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生具備溝通協(xié)作能力、批判性思維、問題解決能力、創(chuàng)新能力等21世紀(jì)技能。

我國(guó)STEM教育研究起步較晚，其研究?jī)?nèi)容主要涵蓋STEM課程整合理念，STEM教育發(fā)展背景，STEM教育與創(chuàng)客教育的關(guān)系以及教學(xué)實(shí)踐研究等。相比較國(guó)外研究，政策介紹解讀、理論探討較多，實(shí)踐研究相對(duì)較少。目前我國(guó)的STEM課程主要在中小學(xué)綜合實(shí)踐課、信息技術(shù)課或創(chuàng)客活動(dòng)中實(shí)施，以3D打印、可視化編程、機(jī)器人設(shè)計(jì)、科學(xué)小制作等為課程主題，以探究式學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)為主要教學(xué)模式，采用如工程設(shè)計(jì)方法、5E/6E探究流程、設(shè)計(jì)雙循環(huán)模式等指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐?？梢钥吹侥壳拜^多的STEM課程把技術(shù)教育、工程教育作為整合課程的關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)注多學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)和運(yùn)用，注重學(xué)生的參與和體驗(yàn)，但也存在一些問題和不足。首先，STEM教育沒有形成系統(tǒng)的、完整的課程標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)范的教材，以及我國(guó)長(zhǎng)期以來的分科模式和課程結(jié)構(gòu)、對(duì)工程類課程的教育價(jià)值的忽視，導(dǎo)致不同人對(duì)STEM教育的認(rèn)識(shí)各不相同，難以較好地開展STEM跨學(xué)科整合型課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施，STEM教育成效甚微。其次，STEM課程主要以單次課為主，貫穿一學(xué)期的課程設(shè)計(jì)和實(shí)踐案例較少，短期、不連貫和缺乏系統(tǒng)性設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容難以促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)、實(shí)現(xiàn)思維能力發(fā)展。再次，缺乏教學(xué)理論指導(dǎo)，學(xué)?，F(xiàn)有STEM課程通常重視在教學(xué)形式上的整合、或技術(shù)工具的使用來制作作品，未能真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)與能力的整合、真實(shí)問題解決能力的提升，以及學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)展。

作為以人為本的創(chuàng)新方法論，設(shè)計(jì)思維從理解人的需求出發(fā)，綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)，形成創(chuàng)新解決方案。“以人為中心的設(shè)計(jì)”的理論已經(jīng)影響了諸多全球500強(qiáng)將其作為企業(yè)創(chuàng)新的主要方法，其孕育的“創(chuàng)造性思維于行動(dòng)中”使它受到越來越多的教育界人士的青睞，并認(rèn)為將設(shè)計(jì)思維引入教育系統(tǒng)能解決教育的許多根本問題。眾多國(guó)際著名高校紛紛以設(shè)計(jì)思維為核心開設(shè)相關(guān)課程或項(xiàng)目，越來越多的研究者嘗試將設(shè)計(jì)思維應(yīng)用在K12課堂。設(shè)計(jì)思維關(guān)注來自真實(shí)情境的問題解決，通過一定的方法和工具，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，最終產(chǎn)生創(chuàng)新性的解決方案，其真實(shí)性、綜合性、創(chuàng)新性等特點(diǎn)為STEM教育注重學(xué)科課程之間的融合、學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用提供了新路徑。研究者將設(shè)計(jì)思維理念與方法融入到STEM課程中，認(rèn)為設(shè)計(jì)思維是促進(jìn)STEM教育和創(chuàng)客教育深度融合的合適方法，利用設(shè)計(jì)思維提出相應(yīng)的STEM探究模式，使得設(shè)計(jì)活動(dòng)過程較工程設(shè)計(jì)更有趣簡(jiǎn)單。

斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院（d.school）是全球設(shè)計(jì)思維研究最有代表性機(jī)構(gòu)之一，它提出的設(shè)計(jì)思維模型在全球受到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用，其以設(shè)計(jì)思維為核心的相關(guān)課程，更是全球創(chuàng)新人才培養(yǎng)中理論與實(shí)踐完美結(jié)合的典范。本研究以斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院與教育研究生院（Stanford Graduate School of Education）合作開發(fā)的、基于設(shè)計(jì)思維的d.Loft STEM Learning課程為例，詳細(xì)分析課程的整體設(shè)計(jì)、活動(dòng)設(shè)計(jì)以及教學(xué)實(shí)施等，以期為當(dāng)前我國(guó)跨學(xué)科整合型STEM課程的開發(fā)提供借鑒和啟發(fā)。

二、斯坦福大學(xué)d.loft STEM項(xiàng)目課程的背景

2009年奧巴馬政府致力于優(yōu)先發(fā)展科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）教育，發(fā)起了“創(chuàng)新教育”運(yùn)動(dòng)，以提高美國(guó)學(xué)生在STEM領(lǐng)域的參與度和表現(xiàn)。這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)引發(fā)不僅包括聯(lián)邦政府在STEM上的投入，也有很多全球頂尖企業(yè)、慈善基金會(huì)、非營(yíng)利組織和科學(xué)與工程學(xué)會(huì)等加入進(jìn)來，以期提高全美年輕人在數(shù)學(xué)、技術(shù)、科學(xué)和工程領(lǐng)域的出類拔萃。

在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）ITEST項(xiàng)目的資助下，斯坦福大學(xué)教育研究生院和設(shè)計(jì)學(xué)院合作成立了REDlab（Research in Education & Design），其目標(biāo)是探索設(shè)計(jì)思維作為一種新的教學(xué)方式的可行性，促進(jìn)設(shè)計(jì)思維融入課程教學(xué)，賦予教育變革。在此愿景下，REDlab基于d.school的設(shè)計(jì)思維方法開發(fā)了d.loft STEM Learning系列課程，旨在通過基于設(shè)計(jì)思維的動(dòng)手實(shí)踐、互動(dòng)式的學(xué)習(xí)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生掌握STEM領(lǐng)域的深層知識(shí)以及提高STEM職業(yè)的興趣。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與加州、猶他州的教育工作者合作，開展課程研討會(huì)，探索在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域以設(shè)計(jì)思維為視角來開發(fā)STEM主題課程，將設(shè)計(jì)思維融入到課堂。該系列課程中將設(shè)計(jì)思維和緊迫的全球問題（包括水、能源和住房）緊密結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生積極面對(duì)并解決全球和本地環(huán)境中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。水（Dive In！Water Curriculum）、能源（Ignite！Energy Curriculum）和避難所（Built to Learn！Shelter Curriculum）的再設(shè)計(jì)是d.loft STEM項(xiàng)目中經(jīng)典課程案例，學(xué)生在課程中探索基于能源的設(shè)計(jì)思維挑戰(zhàn)，開展與環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源及生產(chǎn)相關(guān)的STEM活動(dòng)。本研究選擇d.loft STEM項(xiàng)目中“避難所的再設(shè)計(jì)”（Buih to Learn！Shelter Curriculum）作為分析對(duì)象，詳細(xì)探討基于設(shè)計(jì)思維的跨學(xué)科STEM課程的整體設(shè)計(jì)、活動(dòng)設(shè)計(jì)以及教學(xué)實(shí)施等。

三、基于設(shè)計(jì)思維的d.loft STEM課程的分析

（一）課程整體設(shè)計(jì)

“避難所的再設(shè)計(jì)（Redesigning Shelter）”通過STEM和設(shè)計(jì)思維的結(jié)合，來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造力、批判性思維、解決問題、溝通和協(xié)作等方面的能力。通過STEM基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，以開發(fā)可行的方案來解決當(dāng)?shù)?、?guó)家和全球的難題。在為期四周的項(xiàng)目中，運(yùn)用設(shè)計(jì)思維方法來識(shí)別和解決現(xiàn)實(shí)世界的問題，基于STEM概念和共情驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思維過程來設(shè)計(jì)并建造避難所，提高學(xué)生們創(chuàng)新的信心和能力。

課程以模塊化的方式組織，總共包括4個(gè)模塊，詳細(xì)如表1所示。完成課程所有內(nèi)容需要4周，每周5-8小時(shí)的講授課時(shí)以及額外的活動(dòng)時(shí)間。該課程為6-8年級(jí)的學(xué)生設(shè)計(jì)，同時(shí)也可用于各種夏令營(yíng)、課外活動(dòng)和工作坊，教師可以根據(jù)課時(shí)安排、學(xué)生水平來選擇性的延遲或縮短部分模塊的時(shí)間。模塊3和模塊4中的“設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)2.0、3.0”都是將學(xué)生對(duì)STEM概念的學(xué)習(xí)聯(lián)系在一起的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。

模塊1：個(gè)人住房設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。從介紹設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)開始，為學(xué)生簡(jiǎn)單概述設(shè)計(jì)過程。通過后續(xù)活動(dòng)為學(xué)生提供學(xué)習(xí)和實(shí)踐設(shè)計(jì)思維方法的機(jī)會(huì)，深入體驗(yàn)設(shè)計(jì)過程。

模塊2：STEM知識(shí)學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)與房屋建造相關(guān)的知識(shí)，包括建筑、可持續(xù)發(fā)展、結(jié)構(gòu)與材料等單元。

模塊3：全球避難所設(shè)計(jì)。為發(fā)展中國(guó)家的人們?cè)O(shè)計(jì)住所，學(xué)生運(yùn)用模塊1學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)思維方法，結(jié)合模塊2中學(xué)習(xí)的STEM概念來進(jìn)行實(shí)踐。他們共情生活在發(fā)展中國(guó)家、缺乏學(xué)習(xí)和游戲空間的同齡人，經(jīng)歷設(shè)計(jì)過程的從共情到原型，最終設(shè)計(jì)并制作出避難所的原型來滿足發(fā)展中國(guó)家人們的需求。

模塊4：當(dāng)?shù)刈》吭O(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。重新設(shè)計(jì)學(xué)?？臻g與環(huán)境，結(jié)合設(shè)計(jì)思維和STEM知識(shí)，為特定的用戶設(shè)計(jì)學(xué)校避難所。課程結(jié)束時(shí)，匯報(bào)展示最終產(chǎn)品。

（二）跨學(xué)科知識(shí)和學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

該課程圍繞房屋設(shè)計(jì)與建造這一主題，根據(jù)其設(shè)計(jì)和建造過程中需要開展的科學(xué)研究和工程實(shí)踐活動(dòng)，劃分為3個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和7個(gè)基于STEM的單元組成。每個(gè)STEM單元對(duì)應(yīng)美國(guó)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，簡(jiǎn)稱NGSS）中的學(xué)科目標(biāo)要求，圍繞學(xué)科核心概念，進(jìn)行整合設(shè)計(jì)。7個(gè)STEM基礎(chǔ)單元在內(nèi)容與能力目標(biāo)上逐漸深入、螺旋上升，其內(nèi)容包括：制作原則、建筑、可持續(xù)性發(fā)展、結(jié)構(gòu)與建筑材料、全球住房、生物多樣性和STEM職業(yè)。它們圍繞“房屋設(shè)計(jì)”主題融合了與之相關(guān)的物理結(jié)構(gòu)、材料、氣候、生態(tài)等多方面的知識(shí)，具體依托的學(xué)科包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、地理、生物等，共同為學(xué)生完成設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，創(chuàng)建最佳設(shè)計(jì)解決方案提供所需的STEM知識(shí)和技能。在設(shè)計(jì)活動(dòng)中，融合STEM學(xué)科知識(shí)和工程制作，有效地聯(lián)結(jié)、利用、融合成一個(gè)整體的教學(xué)架構(gòu)，來幫助學(xué)生跨越多學(xué)科，獲得對(duì)知識(shí)的全面理解。基于設(shè)計(jì)思維融合多學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，開展以人為中心的創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)，課程模塊及內(nèi)容安排如表2所示。

（三）基于設(shè)計(jì)思維的STEM設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)思維方法作為一種支持創(chuàng)新學(xué)習(xí)及復(fù)雜問題解決的方法，不同的機(jī)構(gòu)組織或研究者開發(fā)了適用于不同領(lǐng)域的操作模型。例如，早期Simon提出“分析—綜合—評(píng)估”的設(shè)計(jì)思維線性模型;Tim Brown在線性模型基礎(chǔ)上提出的“靈感（Inspiration）、構(gòu)思（Ideation）、實(shí)現(xiàn)（Implentation）”三階段的循環(huán)模型;英國(guó)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)提出的體現(xiàn)思維發(fā)散聚斂的“雙鉆模型（Double Diamond model）”，包括發(fā)現(xiàn)（Discover）、定義（Define）、開發(fā)（Develop）、交付（Deliver）四個(gè)階段;IDEO將Tim Brown模型分解為“發(fā)現(xiàn)（Discovery）、解釋（Interpretation）、構(gòu)思（Ideation）、實(shí)驗(yàn)（Experiment）、評(píng)估（Evaluation）”五個(gè)環(huán)節(jié);德國(guó)波茨坦大學(xué)HPT研究院（Hasso Plattner Institute）將設(shè)計(jì)思維分成理解（Understand）、觀察（Observe）、整合觀點(diǎn)（Define Point of View）、構(gòu)思（Ideate）、原型（Prototype）、測(cè)試（Test）六個(gè)步驟;以及斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院（d.school）提出“共情（Empathize）、定義（Define）、構(gòu)思（Ideate）、原型（Prototype）和測(cè)試（Test）”五階段的EDIPT模型（如圖1所示），這也是目前全球教育領(lǐng)域中采用最廣泛的設(shè)計(jì)思維模型。d.loft STEM項(xiàng)目課程中基于d.school的設(shè)計(jì)思維模型來組織和開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，本研究以“設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)2.0：全球避難所設(shè)計(jì)”的內(nèi)容為例，介紹其學(xué)習(xí)活動(dòng)具體的實(shí)施流程。

1.共情需求環(huán)節(jié)

本環(huán)節(jié)的主要目標(biāo)是學(xué)生深入探索設(shè)計(jì)過程的共情階段，通過觀察和訪談的信息，對(duì)發(fā)展中國(guó)家難民營(yíng)中的同齡人建立同理心，尋找流離失所者對(duì)生活住處和方式的見解及需求，并繪制同理心地圖。

首先，教師通過帶有敘利亞地區(qū)背景的幻燈片，向?qū)W生介紹任務(wù)，即為發(fā)展中國(guó)家的同齡人重新設(shè)計(jì)庇護(hù)所。然后，教師播放一段17歲敘利亞難民哈納迪（Hanadi）的訪談視頻，學(xué)生在觀看時(shí)要“仔細(xì)觀察所看到的、聽到的，試著設(shè)身處地的為他們著想”。視頻看完后，學(xué)生需要回答“你對(duì)哈納迪有什么了解？關(guān)于哈納迪，什么讓你感到驚訝？如果你可以問哈納迪一個(gè)問題，你會(huì)問她什么？”等問題，小組內(nèi)部對(duì)這些問題進(jìn)行討論與交流。最后，學(xué)生根據(jù)訪談的過程和結(jié)果，以及教師提供的模板要求，在大白紙上繪制同理心地圖。

2.定義問題環(huán)節(jié)

學(xué)生根據(jù)上一階段得到的同理心地圖來定義哈納迪的需求，并陳述小組需要解決的問題。教師向?qū)W生呈現(xiàn)如何綜合訪談的數(shù)據(jù)，用不同的語(yǔ)句來描述用戶的需求。小組內(nèi)開展討論，得到2-3個(gè)觀點(diǎn)陳述，認(rèn)真思考“對(duì)用戶、需求和內(nèi)部有清晰的描述”，最終確定需要解決的設(shè)計(jì)問題，并在全班進(jìn)行觀點(diǎn)陳述分享。

3.方案構(gòu)思環(huán)節(jié)

方案構(gòu)思是設(shè)計(jì)思維中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它直接影響作品的創(chuàng)造性。該環(huán)節(jié)聚焦于通過頭腦風(fēng)暴來發(fā)散思維，從而讓小組設(shè)計(jì)作品的思維變得更加清晰;通過分析來篩選或者合并創(chuàng)意的想法，思維從分散逐步收斂，最終形成匯合群體智慧的作品設(shè)計(jì)方案。

首先教師向?qū)W生介紹頭腦風(fēng)暴的規(guī)則和技巧，并給學(xué)生提供如何在小組中進(jìn)行頭腦風(fēng)暴的列表。在真正的頭腦風(fēng)暴之前，帶領(lǐng)學(xué)生開展5分鐘的即興活動(dòng)進(jìn)行熱身。然后，將成員經(jīng)過頭腦風(fēng)暴之后得到的想法進(jìn)行匯總，通過反思對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上修改、重構(gòu)自己的方案。之后，每個(gè)小組將方案在全班進(jìn)行分享，每位學(xué)生選擇他們最喜歡的3個(gè)方案，并在相應(yīng)的便利貼下投票。最后，每個(gè)小組分享他們得票最高的方案。在此過程中，需要結(jié)合前面單元模塊中學(xué)習(xí)過的結(jié)構(gòu)、材料、建筑、環(huán)境生物等方面的知識(shí)來進(jìn)行方案構(gòu)思。

4.原型制作環(huán)節(jié)

學(xué)生將根據(jù)選擇的方案構(gòu)建原型，教師給學(xué)生提供小木棍、紙帶、紙板、塑料管道、馬克筆等其他手工制作可用材料，學(xué)生制作出避難所的紙?jiān)汀Ｍ瑫r(shí)，學(xué)生還可以通過故事板的方式，將設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)出來。通過故事板來表示各個(gè)角色、場(chǎng)景、事件是如何串聯(lián)在一起的，從而給人們呈現(xiàn)完整的體驗(yàn)過程。在制作過程中，教師要鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行反思和討論“是否犯過錯(cuò)誤，從中學(xué)到了什么，如何改進(jìn)設(shè)計(jì)？”等。

5.測(cè)試迭代環(huán)節(jié)

學(xué)生向大家簡(jiǎn)要的介紹小組原型，從教師和其它學(xué)生中得到用戶反饋，重新思考他們的設(shè)計(jì)方案是否滿足了用戶的需求，解決了用戶的問題。學(xué)生之間提出“你喜歡/不喜歡這個(gè)方案中的什么？什么讓你感到驚訝？”等問題。得到反饋之后，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化迭代。

四、d.loft STEM項(xiàng)目課程的特點(diǎn)

通過對(duì)d.loft STEM課程的分析發(fā)現(xiàn)，其在核心理念、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、活動(dòng)設(shè)計(jì)等方面值得未來STEM課程的開發(fā)者和一線教學(xué)工作者學(xué)習(xí)和借鑒。

（一）基于設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)學(xué)生核心技能與素養(yǎng)

設(shè)計(jì)思維是一種創(chuàng)新的、以人為中心的方法來定義和解決復(fù)雜問題的動(dòng)態(tài)過程，它可以在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完善STEM學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)思維的每個(gè)環(huán)節(jié)都在培養(yǎng)學(xué)生相應(yīng)的思維及技能，學(xué)生從訪談和觀察開始培養(yǎng)對(duì)用戶的同理心;數(shù)據(jù)綜合分析提供發(fā)現(xiàn)用戶深層需求和洞察的機(jī)會(huì);生成式的頭腦風(fēng)暴為學(xué)生提供使用STEM知識(shí)和21世紀(jì)技能創(chuàng)造創(chuàng)新解決方案的工具。學(xué)生們帶著創(chuàng)造性的信心完成這段學(xué)習(xí)經(jīng)歷，以創(chuàng)新的、以人為本的方式成為積極的問題解決者，鍛煉了21世紀(jì)核心技能及素養(yǎng)，從而更好地面對(duì)未來的挑戰(zhàn)。d.loft STEM項(xiàng)目課程中通過協(xié)作互動(dòng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，以設(shè)計(jì)思維過程為實(shí)踐方法，貫穿STEM學(xué)科知識(shí)來開展實(shí)踐活動(dòng)。避難所再設(shè)計(jì)的案例中總共有3個(gè)完整的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，每個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都要求學(xué)生嚴(yán)格的按照設(shè)計(jì)思維的“共情一定義一構(gòu)思一原型一測(cè)試”五個(gè)環(huán)節(jié)來完成。同時(shí)，在一些單元中加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)思維某些環(huán)節(jié)的鍛煉，例如在“城堡設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”單元，鍛煉學(xué)生共情需求的能力;“棉花糖挑戰(zhàn)”單元，鍛煉學(xué)生結(jié)構(gòu)制作搭建原型的能力等。

（二）課程目標(biāo)與NGSS標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)

d.loft STEM項(xiàng)目課程中，每個(gè)模塊都列出其教學(xué)目標(biāo)，以及為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)而要求學(xué)生所需完成的、具體的、可操作且可衡量的學(xué)習(xí)成果。教學(xué)目標(biāo)以及每個(gè)教學(xué)活動(dòng)，都與《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中的具體學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)及其要求所對(duì)應(yīng)。課程根據(jù)NGSS設(shè)計(jì)當(dāng)前主題下解決的核心問題所涉及的工程科學(xué)、生命科學(xué)、物理科學(xué)和地球科學(xué)四大領(lǐng)域具體的學(xué)科核心概念。例如，在此案例模塊3中的“氣候帶的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”單元，學(xué)生需要掌握地球氣候帶的知識(shí)，了解不同區(qū)域地理、氣候和溫度差異，以及這些差異對(duì)人們生活的影響。同時(shí)，在“全球避難所設(shè)計(jì)”單元中，需要綜合考慮地理、氣候在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的限制與約束。該單元的目標(biāo)和知識(shí)對(duì)應(yīng)NGSS中的MS-ETS1和MS-LS2的內(nèi)容，分別是中學(xué)工程設(shè)計(jì)（Middle School Engineering Design）和中學(xué)生態(tài)系統(tǒng)（Middle School Ecosystems），如表3所示。

（三）以真實(shí)情境問題為載體實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)整合

杜威認(rèn)為教育不能脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境，不能孤立地、抽象地訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的思維力。d.loft STEM項(xiàng)目課程以現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)問題為載體，把學(xué)生置于復(fù)雜、有意義的問題情境中，將STEM學(xué)科知識(shí)融入在具體的實(shí)踐活動(dòng)中，通過開展一系列實(shí)踐活動(dòng)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生在真實(shí)情境的問題解決過程中將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)和技能進(jìn)行整合應(yīng)用?；谠O(shè)計(jì)思維的、STEM課程中的“設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”以基于項(xiàng)目的協(xié)作學(xué)習(xí)方式，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下基于設(shè)計(jì)的過程和方法對(duì)項(xiàng)目問題進(jìn)行探索，綜合運(yùn)用STEM多學(xué)科知識(shí)和技能，有效利用教師提供的各種資源與工具，最后以創(chuàng)意物化形式解決現(xiàn)實(shí)問題。例如，模塊4的“設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)3.0：在學(xué)校設(shè)計(jì)避難所”，學(xué)生要掌握如何將STEM概念和設(shè)計(jì)思維過程應(yīng)用到自己學(xué)校的再設(shè)計(jì)中。在此過程中不僅要運(yùn)用設(shè)計(jì)思維的過程方法，對(duì)教師、學(xué)生及相關(guān)人員進(jìn)行訪談，還需要結(jié)合之前所學(xué)的生物、材料、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程搭建等，最后將設(shè)計(jì)創(chuàng)意賦予原型。

（四）提供豐富的學(xué)習(xí)支架與工具促進(jìn)有效學(xué)習(xí)發(fā)生

d.loft STEM課程強(qiáng)調(diào)運(yùn)用設(shè)計(jì)思維完成真實(shí)問題的解決，通過學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐促進(jìn)在復(fù)雜學(xué)習(xí)過程中有效學(xué)習(xí)的發(fā)生。每個(gè)單元模塊中，教師根據(jù)單元內(nèi)容和目標(biāo)的不同，按照實(shí)踐活動(dòng)的需要給學(xué)生提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)支持工具，其作為學(xué)習(xí)支架促進(jìn)學(xué)生完成設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)在真實(shí)的問題情境中將對(duì)新知識(shí)的深入理解進(jìn)行知識(shí)遷移并應(yīng)用。

在此案例中，教師不僅在知識(shí)講授、設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)提出時(shí)給學(xué)生提供多媒體形式的學(xué)習(xí)支架，還會(huì)在每個(gè)環(huán)節(jié)都為其提供完成學(xué)習(xí)活動(dòng)、設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)所需要的各種支持性工具，如同理心地圖、需求分析表、訪談?dòng)涗洷淼入A段性工作表格，頭腦風(fēng)暴、原型制作階段需要的工具和材料等（如表4所示）。例如，在模塊1的“城堡設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”單元中，教師給學(xué)生提供了紙板、剪刀、膠帶、大白紙、筆（彩色馬克筆、鉛筆、蠟筆）、王冠或皇室標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，還給學(xué)生提供了“王室需求表”范例以及學(xué)生需要完成的需求分析表，如表5所示。

五、對(duì)我國(guó)STEM課程開發(fā)和建設(shè)的啟示

通過前面的分析發(fā)現(xiàn)，斯坦福大學(xué)“避難所再設(shè)計(jì)”課程在教學(xué)策略和活動(dòng)設(shè)計(jì)方面有很多值得我們借鑒的地方。為了更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)STEM教育的現(xiàn)狀，本文提出基于設(shè)計(jì)思維的跨學(xué)科STEM課程模型和學(xué)習(xí)模式（如2所示），以期對(duì)STEM課程建設(shè)和開發(fā)有所啟示。以學(xué)科關(guān)聯(lián)模塊的形式開展基于探究的學(xué)習(xí)，關(guān)注在跨學(xué)科關(guān)聯(lián)模塊的學(xué)習(xí)過程中，借鑒設(shè)計(jì)思維方法，引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)項(xiàng)目開展設(shè)計(jì)實(shí)踐，在活動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)和核心素養(yǎng)的發(fā)展。課程根據(jù)設(shè)計(jì)思維的“共情—定義—構(gòu)思—原型—測(cè)試”五個(gè)環(huán)節(jié)，聯(lián)通科學(xué)探究、數(shù)學(xué)分析、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在真實(shí)情境中的問題解決。

課程總共分為四個(gè)模塊，教師根據(jù)STEM課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，選擇現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)問題，并將解決該問題所涉及的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)和工程相關(guān)學(xué)科知識(shí)融入進(jìn)來，最后學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)踐，以作品呈現(xiàn)問題解決。首先問題提出模塊，學(xué)生接受教師提出的問題，確定學(xué)習(xí)的主題。然后進(jìn)入探究主題階段，教師通過講授和基于問題的學(xué)習(xí)方式，組織學(xué)生通過相關(guān)的活動(dòng)單元，學(xué)習(xí)與主題結(jié)合的科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)與工程的相關(guān)學(xué)科知識(shí)。接下來進(jìn)入設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生按照基于設(shè)計(jì)思維方法來完成活動(dòng)，并提供學(xué)生相應(yīng)的學(xué)習(xí)支架，如學(xué)習(xí)資源、任務(wù)表單、活動(dòng)工具、技術(shù)制作工具等。在原型完成之后，學(xué)生可以通過海報(bào)、視頻、情景劇等多種方式展示和分享小組成果作品，并展開互評(píng)和反思（如圖3所示）。

基于設(shè)計(jì)思維的跨學(xué)科STEM課程需關(guān)注以下幾個(gè)方面：

（1）綜合多學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)。d.loft STEM課程根據(jù)《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中課程目標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)STEM學(xué)習(xí)主題所需要的物理、生物、地理及工程科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科核心概念。STEM課程目標(biāo)不是某一門學(xué)科的課程目標(biāo)，而是要將多個(gè)學(xué)科的課程目標(biāo)綜合考慮，重新設(shè)計(jì)與學(xué)生認(rèn)知能力、知識(shí)水平相符的課程目標(biāo)。

（2）以真實(shí)情境的問題解決為學(xué)習(xí)途徑。問題或項(xiàng)目的設(shè)計(jì)對(duì)于STEM教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施效果具有重要的影響，STEM教育中的問題情境應(yīng)該是來自學(xué)習(xí)者身邊的科學(xué)問題。STEM教育教學(xué)實(shí)踐以項(xiàng)目為支撐，強(qiáng)調(diào)將科學(xué)知識(shí)蘊(yùn)含在項(xiàng)目中。學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決這些真實(shí)世界和情境的科學(xué)問題，其本質(zhì)上是基于建構(gòu)主義的情景化學(xué)習(xí)模式，通過項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

（3）以設(shè)計(jì)思維為學(xué)習(xí)活動(dòng)指導(dǎo)策略。作為支持創(chuàng)新學(xué)習(xí)及問題解決的方法，設(shè)計(jì)思維為學(xué)生提供在設(shè)計(jì)過程中所需的策略、方法及工具。在具體的策略方法上，它為學(xué)生者提供了一套系統(tǒng)的模式，學(xué)習(xí)者通過它學(xué)習(xí)如何共情、創(chuàng)意構(gòu)思、原型迭代等，參照設(shè)計(jì)思維方法的操作過程框架，按照其方法，一步步完成設(shè)計(jì)制作的過程，從而使得設(shè)計(jì)、制作、創(chuàng)新變得簡(jiǎn)單、透明。在設(shè)計(jì)思維的各個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要用到多種調(diào)查與分析的方法，如觀察、訪談、體驗(yàn)、頭腦風(fēng)暴、九宮格等。同時(shí)，為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)踐的每個(gè)環(huán)節(jié)提供了大量的思維可視化工具，為學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)作提供腳手架支持，有效地幫助學(xué)生解決問題，完成設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

（4）以設(shè)計(jì)思維方法作為教師教學(xué)創(chuàng)新的指導(dǎo)策略。數(shù)字時(shí)代的STEM教師不僅需要知識(shí)、技術(shù)整合應(yīng)用的教學(xué)能力，更需要一種直接指向創(chuàng)新教學(xué)變革的設(shè)計(jì)思維與能力。設(shè)計(jì)思維方法作為支持創(chuàng)新學(xué)習(xí)及復(fù)雜問題解決的方法，為教師設(shè)計(jì)創(chuàng)造性教學(xué)和持續(xù)改進(jìn)教學(xué)提供很好的策略及方法指導(dǎo)，幫助教師教學(xué)改進(jìn)原有的課程，以適應(yīng)未來教育的要求，通過設(shè)計(jì)創(chuàng)新教學(xué)，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教育目標(biāo)。

（5）多方協(xié)同合作建設(shè)STEM課程及教育生態(tài)體系。最新的美國(guó)STEM教育戰(zhàn)略“北極星計(jì)劃”中強(qiáng)調(diào)通過建立涵蓋學(xué)校、家庭、社區(qū)學(xué)院、博物館、圖書館與科學(xué)中心、企業(yè)與基金會(huì)，以及其它非營(yíng)利性組織的STEM生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者在課堂、校園內(nèi)外更好地開展STEM學(xué)習(xí)。STEM的協(xié)同合作包括校內(nèi)與校外的多方合作，政府及教育部門從政策、資源、環(huán)境、師資、資金等各方面提供支持，整合學(xué)科間以及校內(nèi)外的資源，銜接正式教育和非正式教育，打造STEM教育實(shí)踐社區(qū)，建設(shè)一體化的STEM教育生態(tài)體系。

六、結(jié)語(yǔ)

作為全球公認(rèn)的科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效模式，我國(guó)開展STEM教育應(yīng)借鑒國(guó)際先進(jìn)的理念，成立國(guó)家STEM教育委員會(huì)，加強(qiáng)STEM教育的頂層設(shè)計(jì)，形成政府、高校與科研機(jī)構(gòu)、公共服務(wù)機(jī)構(gòu)、企業(yè)以及中小學(xué)校等多方力量參與的STEM教育生態(tài)體系;構(gòu)建貫通小初高各學(xué)段的STEM課程標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)STEM課程的研究，促進(jìn)有效地培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)和21世紀(jì)核心素養(yǎng);推動(dòng)教育教學(xué)改革，開發(fā)系統(tǒng)化的、優(yōu)質(zhì)的、跨學(xué)科整合的STEM課程及學(xué)習(xí)資源，實(shí)施創(chuàng)新課程模型，在課程中實(shí)施基于項(xiàng)目的、探究的、設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí);建立STEM教育監(jiān)管和評(píng)價(jià)機(jī)制，通過一系列評(píng)價(jià)和監(jiān)管機(jī)制，確保STEM教育的質(zhì)量，推動(dòng)STEM教育的有序開展，提高我國(guó)的科技創(chuàng)新能力和全球核心競(jìng)爭(zhēng)力。