基于工程設(shè)計(jì)法的STEM項(xiàng)目實(shí)踐

徐青青 茅君平 袁媛

摘?要：工程設(shè)計(jì)法與STEM課程設(shè)計(jì)原則完美契合，以工程設(shè)計(jì)法為思路，改進(jìn)建模，設(shè)計(jì)適應(yīng)高中教學(xué)的STEM課程框架，并以“橋梁的設(shè)計(jì)”為例，進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐，教學(xué)效果顯著.

關(guān)鍵詞：STEM;工程設(shè)計(jì)法;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);最近發(fā)展區(qū)

文章編號(hào)：1008-4134（2020）05-0034中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基金項(xiàng)目：中國(guó)STEM教育2029創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃課題“STEM教育特色學(xué)校建設(shè)的行動(dòng)研究”（課題編號(hào)：2018STEM089）.

作者簡(jiǎn)介：徐青青（1993-），女，浙江臨海人，本科，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式和STEM高中教育;

茅君平（1979-），男，浙江溫嶺人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：支架式教學(xué)和STEM高中教育;

袁媛（1982-），女，安徽安慶人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和高中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì).

STEM教育理念中，科學(xué)（Science）重在認(rèn)識(shí)自然規(guī)律，工程（Engineering）和技術(shù)（Technology）重在應(yīng)用自然規(guī)律、改造世界.工程設(shè)計(jì)是要解決一個(gè)實(shí)際需求所引發(fā)的問題，學(xué)生取代教師的主導(dǎo)地位，自主建立明確的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮各學(xué)科知識(shí)，設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)踐中反復(fù)修正，給出最優(yōu)化的解決方案[1].其中跨學(xué)科整合、解決實(shí)際問題、融入工程技術(shù)、結(jié)果明確和途徑多樣等特點(diǎn)，無一不與STEM課程的設(shè)計(jì)原則[2]相契合.同時(shí)，工程設(shè)計(jì)法能將STEM的四種教學(xué)方法有機(jī)整合：在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的主線下穿插問題式、設(shè)計(jì)式、探究式學(xué)習(xí)模式[3].

1?以工程設(shè)計(jì)法為路徑的STEM項(xiàng)目模型

1.1?改進(jìn)工程設(shè)計(jì)法流程

傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)流程如圖1所示，將所要解決的問題分化為一系列的具體步驟，各步驟關(guān)系緊密、交互進(jìn)行.其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：學(xué)習(xí)方式的多樣性、學(xué)生的主體性、知識(shí)范圍的廣闊性、難易的伸縮性和思維的層次性.

但在應(yīng)用于高中STEM項(xiàng)目的過程中，既要結(jié)合高中生的認(rèn)知發(fā)展階段特征，又要考慮STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基本要求.因此，需要對(duì)一般工程設(shè)計(jì)法步驟細(xì)化改進(jìn)，如圖2所示.例如，將“提出解決方案”分步進(jìn)行，改為“頭腦風(fēng)暴”和“制定方案”，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力;增加“研究資料”和“分享交流”階段，進(jìn)一步豐富學(xué)習(xí)方式，也豐富學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備;將“改進(jìn)”作為核心驅(qū)動(dòng)階段，穿插于各步驟之中，在改進(jìn)時(shí)不再循規(guī)蹈矩地重復(fù)所有步驟，效率可得到大幅度提升.

1.2?基于工程設(shè)計(jì)法STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)

基于上述改進(jìn)，將項(xiàng)目分為三步進(jìn)行，分別是：學(xué)科整合的融合性課程、解決真實(shí)問題的實(shí)踐性課程、供學(xué)生深入學(xué)習(xí)的研究性課程.每個(gè)課程中設(shè)計(jì)相應(yīng)的具體活動(dòng)，包括學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)和教師在其中的指導(dǎo)活動(dòng).項(xiàng)目框架及課程設(shè)計(jì)如圖3所示.

1.2.1?確定問題

許多現(xiàn)實(shí)問題是復(fù)雜、模糊的，作為高中學(xué)生的研究對(duì)象，需要將其簡(jiǎn)化、重新定義.解決“是什么”的問題，有助于學(xué)生理解整個(gè)活動(dòng)的必要性.具體操作上，首先要確定一個(gè)大的問題方向，即總體任務(wù)目標(biāo);其次，對(duì)這一大目標(biāo)分解，列出具體的小問題，將模糊的問題具體化.例如，我們要設(shè)計(jì)什么？設(shè)計(jì)結(jié)果服務(wù)對(duì)象是誰？最后，要確定參數(shù)，量化設(shè)計(jì)要求、評(píng)價(jià)指標(biāo)以及限制因素.

1.2.2?頭腦風(fēng)暴

大部分現(xiàn)實(shí)問題都沒有單一的正確答案，解決方案多樣，并不斷被以創(chuàng)新的方式解決.因此這一階段教師的任務(wù)就是挖掘?qū)W生的元認(rèn)知，發(fā)散思維，引導(dǎo)學(xué)生走向最近發(fā)展區(qū).建議將學(xué)生分組，讓學(xué)生更有效地集思廣益，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，尋求盡可能多的解決方案.該階段的重點(diǎn)是團(tuán)隊(duì)合作和大膽創(chuàng)新，而非對(duì)想法可行性的定量分析.

1.2.3?學(xué)科整合

大部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)不止一個(gè)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)，需要學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通.因此，教師需要整合學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)STEM課堂，教授學(xué)生解決問題所需的新知識(shí).

1.2.4?制定方案

頭腦風(fēng)暴是學(xué)生在生活經(jīng)驗(yàn)和元認(rèn)知的基礎(chǔ)上，以直覺的方式呈現(xiàn)出來的，是一個(gè)從具體現(xiàn)象到抽象思維的過程，那么在學(xué)習(xí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝R(shí)后，就需要對(duì)抽象思維進(jìn)行可行性分析，將方案具體化.方案中應(yīng)當(dāng)包含：總體目標(biāo)和小問題、針對(duì)問題的解決辦法或設(shè)計(jì)、操作過程、可視化的圖示.該階段旨在具體化學(xué)生抽象的思維，要求嚴(yán)格的定量分析.

1.2.5?建立模型

這個(gè)過程，有助于學(xué)生進(jìn)一步發(fā)揮各自的創(chuàng)造力和動(dòng)手能力，將想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，也為測(cè)試評(píng)價(jià)服務(wù).建立的模型需要以方案為指導(dǎo)，有序進(jìn)行，同時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況靈活調(diào)整.

1.2.6?測(cè)試評(píng)價(jià)

該階段的主要任務(wù)是檢測(cè)學(xué)生建立的模型是否解決了一開始的問題和需求，是否工作流暢，又是否存在不足之處.

1.2.7?交流分享

一個(gè)人的力量是有限的，一個(gè)團(tuán)隊(duì)亦是如此，因此，需要各組交流分享，取長(zhǎng)補(bǔ)短.建議該階段以學(xué)生答辯的方式展開，答辯前各組組內(nèi)討論，答辯期間其他組可提問質(zhì)疑或收集改進(jìn)靈感.內(nèi)容主要圍繞以下幾點(diǎn)：各自的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、模型展示、優(yōu)點(diǎn)缺陷.

1.2.8?改進(jìn)

STEM教育是整合學(xué)科知識(shí)、解決實(shí)際問題的交互式過程，這就要求學(xué)生不能止步不前，不斷優(yōu)化方案，以更有效地解決實(shí)際問題.工程設(shè)計(jì)法的核心階段，要求學(xué)生取其精華，棄其糟粕，即整合測(cè)試和交流分享的結(jié)果，查找相應(yīng)資料，頭腦風(fēng)暴，有選擇地吸收其他組的優(yōu)點(diǎn)和建議，改進(jìn)方案.“改進(jìn)”是內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊，穿插于各階段之中，學(xué)生在最后以迭代改進(jìn)的思想，不斷完善方案.

2?活動(dòng)案例

該文以“橋梁設(shè)計(jì)”這一主題為例，以工程設(shè)計(jì)法為路徑框架，圍繞STEM素養(yǎng)目標(biāo)（見表1），在浙江省臺(tái)州市T中（T中學(xué)為中國(guó)STEM教育協(xié)作聯(lián)盟授予的“STEM教育領(lǐng)航學(xué)校”，以下簡(jiǎn)稱“T中”）展開實(shí)踐活動(dòng).

2.1?確定問題

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）創(chuàng)設(shè)情景：展示“T中”附近的各種橋梁圖片、航拍視頻，以及其他橋梁事故案例.

（2）給出任務(wù)目標(biāo)：請(qǐng)同學(xué)們像工程師們一樣（圖1），在學(xué)校邊的河流上設(shè)計(jì)一座橋梁.

（3）分解問題：我們?yōu)槭裁匆O(shè)計(jì)橋梁？設(shè)計(jì)橋梁有哪些需求？我們需要解決哪些問題？

（4）對(duì)拱橋進(jìn)行受力分析，演示其中的合成分解過程.

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）分組討論：明確總?cè)蝿?wù)，并回答上述小問題.

（2）對(duì)各種橋梁進(jìn)行受力分析以及力的合成分解.

（3）量化要求：確定設(shè)計(jì)要求、評(píng)價(jià)指標(biāo)、限制因素等，見表2.

2.2?頭腦風(fēng)暴

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）教師列舉幾個(gè)自己的想法，以激勵(lì)學(xué)生跳出思維定勢(shì).例如：使用空心磚建橋以減少橋梁自重;懸浮在水面上的橋.

（2）強(qiáng)調(diào)該節(jié)課的目標(biāo)是收集各種創(chuàng)意，提醒同學(xué)們不要急于否定質(zhì)疑.

（3）給每個(gè)學(xué)生準(zhǔn)備兩種顏色的便利貼，最后進(jìn)行投票，例如紅色便利貼代表喜歡，藍(lán)色代表不喜歡.

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）小組代表匯報(bào)研究資料收集成果.

（2）討論、記錄小組成員針對(duì)問題的各種想法，并加以整理.

（3）各小組代表上臺(tái)用草圖和關(guān)鍵詞來展示想法.

（4）所有學(xué)生對(duì)各小組的想法進(jìn)行投票，并在便利貼中寫下自己對(duì)該模型的想法.

2.3?學(xué)科整合

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）選取幾個(gè)學(xué)生頭腦風(fēng)暴中畫的草圖，對(duì)其受力分析.

（2）層層遞進(jìn)，從簡(jiǎn)單的平橋到墩橋，再到上、下拱橋，演示從物理理論知識(shí)到工程實(shí)踐的發(fā)展過程.

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）對(duì)各種橋梁進(jìn)行受力分析、研究各個(gè)拱橋的工作原理.

（2）查閱資料，采訪從事橋梁建設(shè)的工作人員.

2.4?制定方案

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）給出方案案例，包含橋梁設(shè)計(jì)目的、橋梁設(shè)計(jì)圖示、載重說明、所用材料等.

（2）演示CAD基本操作過程.

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）在教師指導(dǎo)下，根據(jù)量化參數(shù)分析多種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇一個(gè)最優(yōu)方案.

（2）使用CAD或者其他技術(shù)語言將草圖轉(zhuǎn)化為嚴(yán)格的圖示.

（3）參考案例框架，制定自己的橋梁建造方案.

2.5?建立模型

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）用木塊搭建古代拱橋模型，展示其承重效果.

（2）指明建立模型的目標(biāo)是為了測(cè)試設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo).

（3）提供木條、膠水、工具刀等物品.

（4）指導(dǎo)學(xué)生搭建過程中出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn).

（5）帶領(lǐng)學(xué)生參觀“T中”STEM中心的3D打印設(shè)備，演示其建模過程，展示一些3D打印小模型的說明書.

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）根據(jù)方案，小組分工合作，搭建橋梁實(shí)物模型.

（2）記錄所用材料及其數(shù)量.

（3）討論：針對(duì)現(xiàn)實(shí)搭建過程中的難點(diǎn)，小組討論技術(shù)路徑、尋求教師指導(dǎo).

（4）改進(jìn)：學(xué)習(xí)3D?One電腦小程序，打出自己的模型，嘗試以說明書的形式改進(jìn)方案框架.

2.6?測(cè)試評(píng)價(jià)

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）帶領(lǐng)學(xué)生前往“T中”物理實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，借助牛頓第三定律的拉力傳感器，使學(xué)生熟悉壓力傳感器的應(yīng)用.

（2）前往“T中”地理實(shí)驗(yàn)室的地震館，測(cè)試橋梁的抗震能力.

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）使用壓力傳感器測(cè)試橋梁承重能力，畫出力的圖示，受力分析.

（2）分析橋梁結(jié)構(gòu)，對(duì)比各模型的抗震能力得出三角形等穩(wěn)定結(jié)構(gòu).

（3）記錄測(cè)試的數(shù)據(jù)，根據(jù)量化參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行全方位評(píng)價(jià).

（4）改進(jìn)：觀測(cè)稱重情況和抗震情況，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn).例如，增加三角形結(jié)構(gòu)加固.

（5）評(píng)價(jià)：使用雷達(dá)圖展現(xiàn)各個(gè)量化參數(shù)，便于比較，如圖4所示，橋梁1的承重和抗震能力突出，而橋梁2在其他方面表現(xiàn)較好，建造成本較低.

2.7?交流分享

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）要求各組展示模型、根據(jù)STEM各素養(yǎng)參數(shù)介紹其優(yōu)點(diǎn).

（2）追問學(xué)生設(shè)計(jì)方案的未來展望.

（3）答辯后組織各組學(xué)生觀看其他組模型、相互交流設(shè)計(jì)過程（如圖5）.

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）小組上臺(tái)，各成員展示答辯自己負(fù)責(zé)的區(qū)塊.

（2）聆聽其他組的答辯，針對(duì)不足之處提問.

（3）改進(jìn)：收集其他組的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)本組存在的缺陷、提升整個(gè)設(shè)計(jì)方案.

（4）交流：交流設(shè)計(jì)過程，取長(zhǎng)補(bǔ)短（如圖6）.例如，在制定方案這一階段采用矩陣的形式對(duì)各種方案快速評(píng)估，提高效率.

3?結(jié)束語

STEM項(xiàng)目式教學(xué)模式立足真實(shí)情景，使用工程設(shè)計(jì)法引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)體系，教學(xué)效果顯著.學(xué)生設(shè)計(jì)豐富多樣，動(dòng)手能力極強(qiáng)，建立的模型精細(xì)美觀，完全超出教師的預(yù)設(shè).同時(shí)，低學(xué)業(yè)水平學(xué)生在此次項(xiàng)目活動(dòng)后表現(xiàn)出對(duì)物理、技術(shù)學(xué)科極大的學(xué)習(xí)興趣和積極性;高學(xué)業(yè)水平學(xué)生也能在應(yīng)用理論知識(shí)的過程中獲得極大的成就感，表現(xiàn)出超高的動(dòng)手能力和解決問題的能力;參與的教師既加深了對(duì)STEM理論的理解，也對(duì)STEM項(xiàng)目的實(shí)踐過程更加熟悉.

參考文獻(xiàn)：

[1]肖瑗，葉兆寧.科學(xué)課程中設(shè)計(jì)STEM活動(dòng)的有效方法：從工程和技術(shù)的角度審視科學(xué)探究活動(dòng)[J].中國(guó)科技教育，2014（09）：16～19.

[2]趙宸.中小學(xué)STEM課程設(shè)計(jì)模型建構(gòu)及案例設(shè)計(jì)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018，444（18）：70-74.

[3]王巍.?國(guó)際項(xiàng)目式STEM教育的研究現(xiàn)狀與啟示[J].?現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，?2019（04）：90-96.

[4]張海銀，林建芬，朱立偉.科學(xué)探究過程、工程設(shè)計(jì)過程和STEM過程的比較分析[J].教育信息技術(shù)，?2019（06）：54-57.

（收稿日期：2019-12-04）