以工程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的項(xiàng)目式STEM學(xué)習(xí)探索與實(shí)踐

孫越 史藝

《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》指出：“積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式、體驗(yàn)式等課堂教學(xué)，注重加強(qiáng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、課題研究等跨學(xué)科綜合性教學(xué)?！庇纱丝梢?，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求，需要引入以STEM教育為代表的以學(xué)生為中心、構(gòu)建問題解決或任務(wù)驅(qū)動(dòng)的跨學(xué)科整合學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。

● 基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)

STEM教育不同于傳統(tǒng)的分學(xué)科教學(xué)，它是一種跨學(xué)科、綜合性的教育，以提升學(xué)生STEM綜合素養(yǎng)為核心。STEM教育的實(shí)施方式很多，而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)被認(rèn)為是目前最有效的一種實(shí)施途徑，即利用項(xiàng)目來開展STEM學(xué)習(xí)。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，PBL）被認(rèn)為是一種教與學(xué)的模式，關(guān)注的是學(xué)科的核心概念和原理，要求學(xué)生從事的是問題解決、基于現(xiàn)實(shí)世界的探究活動(dòng)以及其他的一些有意義的工作，要求學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)并通過制作最終作品的形式來自主地完成知識(shí)意義的建構(gòu)。所以，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)同樣也是建構(gòu)主義理論。

基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)是圍繞真實(shí)的社會(huì)問題、工程問題組織，以實(shí)踐性的項(xiàng)目完成為核心，偏向于知識(shí)的綜合運(yùn)用，適合學(xué)生在掌握了一定的分科知識(shí)之后進(jìn)行學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在項(xiàng)目中，通過查找搜尋資料、小組交流合作，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問題，達(dá)成知識(shí)和能力的主動(dòng)建構(gòu)，提升STEM素養(yǎng)。教師的作用則是提供腳手架幫助學(xué)生將知識(shí)進(jìn)行重構(gòu)，生成有意義的綜合知識(shí)體系。

● 以工程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的項(xiàng)目式STEM學(xué)習(xí)

為了使STEM教育中的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更好的融合，通常將工程作為STEM課程的框架，作為連通科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)學(xué)科知識(shí)的“橋梁”，美國(guó)《K-12工程教育》的研究報(bào)告中明確將工程確定為“綜合STEM教育的催化劑”，并指出“STEM教育中的工程學(xué)是解決當(dāng)前STEM教育缺乏整合的方式”;數(shù)學(xué)和科學(xué)作為STEM課程的基礎(chǔ)學(xué)科，既有知識(shí)的學(xué)習(xí)，也有知識(shí)的綜合運(yùn)用;技術(shù)體現(xiàn)在工程之中。也就是說，在具體的工程設(shè)計(jì)過程中，要讓學(xué)生借助科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)工具，設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案，完成工程作品，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)和技術(shù)的興趣，發(fā)展綜合能力，更好地理解數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)。

工程設(shè)計(jì)過程可以歸納為以下七個(gè)步驟，這些步驟可以是線性地進(jìn)行，也可以不斷迭代，直到得出最終的方案。

①任務(wù)界定。學(xué)生能夠正確地定義問題，清晰而準(zhǔn)確地提煉出核心的有針對(duì)性的問題，所有成員能夠?qū)?xiàng)目的目標(biāo)和范圍達(dá)成共識(shí)，此外還需要分析項(xiàng)目的制約因素和標(biāo)準(zhǔn)。

②調(diào)查研究。對(duì)相關(guān)主題進(jìn)行調(diào)查研究是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)前最有效的途徑，為后續(xù)形成設(shè)計(jì)觀點(diǎn)、批判性分析、頭腦風(fēng)暴提供了基礎(chǔ)。學(xué)生對(duì)相關(guān)主題進(jìn)行調(diào)查，可以調(diào)研前人在某領(lǐng)域已經(jīng)完成了什么，以免重復(fù)勞動(dòng)，還可以初步了解該項(xiàng)目所涉及的學(xué)科領(lǐng)域。

③頭腦風(fēng)暴。頭腦風(fēng)暴是在“思考—合作—分享”中進(jìn)行的，學(xué)生在這個(gè)環(huán)節(jié)開始真正進(jìn)行問題的解決，創(chuàng)造性是這個(gè)環(huán)節(jié)的核心。學(xué)生列出可能解決問題的所有方案，也包括一切風(fēng)險(xiǎn)和不利因素，這些想法不是憑空想象出來的，而是在調(diào)查研究、分析所收集資料的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。

④制訂計(jì)劃。工程設(shè)計(jì)并非單一的正確答案，而是在幾個(gè)可能的答案中識(shí)別出最好的解決途徑。學(xué)生在項(xiàng)目制約因素和標(biāo)準(zhǔn)的背景下，分析多種方案的優(yōu)劣，以便獲得切實(shí)可行的最優(yōu)方案，并制訂項(xiàng)目計(jì)劃完成解決方案。

⑤具體實(shí)施。學(xué)生對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行拆解，不同學(xué)生承擔(dān)不同的分工，并利用數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)的知識(shí)，根據(jù)最優(yōu)方案，構(gòu)建出最為合理的模型或解決方案，并制作出產(chǎn)品的形式。

⑥測(cè)試改進(jìn)。解決方案同樣要進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試，包括預(yù)測(cè)、測(cè)試條件、觀察和結(jié)果，基于測(cè)試的結(jié)果，學(xué)生會(huì)優(yōu)化他們的方案，并對(duì)自己的方案的長(zhǎng)處和缺陷進(jìn)行批判性思考，可能需要重新回到頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)，建立新的模型再次測(cè)試和優(yōu)化，保證產(chǎn)品的社會(huì)有效性。

⑦分享反思。各組學(xué)生在展示過程中，著重表達(dá)出想法、設(shè)計(jì)的藍(lán)圖、詳細(xì)的尺寸、測(cè)試結(jié)果，同時(shí)也以技術(shù)性的概念和術(shù)語(yǔ)來支撐自己的解釋。通過對(duì)過程和結(jié)果的反思，可以幫助學(xué)生創(chuàng)作出更好的設(shè)計(jì)方案。

● 案例分析——傘的設(shè)計(jì)

“傘的設(shè)計(jì)”是一節(jié)以工程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的STEM課例，設(shè)計(jì)過程中學(xué)生會(huì)經(jīng)歷“任務(wù)界定、調(diào)查研究、頭腦風(fēng)暴、制訂計(jì)劃、具體實(shí)施、測(cè)試改進(jìn)、分享反思”的過程，體會(huì)工程在STEM中所起的“連通”科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)的作用，同時(shí)利用已有學(xué)科知識(shí)，開發(fā)解決方案，測(cè)試、評(píng)估、修改完善，使方案在滿足制約因素和限制條件下達(dá)到最優(yōu)。

本課例除了涉及STEM中的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之外，還加入了人文藝術(shù)（Art）的領(lǐng)域，所以更確切地說，這是一節(jié)以工程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的STEAM課例。

1.項(xiàng)目主題：傘的設(shè)計(jì)

2.教學(xué)目標(biāo)

工程設(shè)計(jì)：通過真實(shí)情境的工程設(shè)計(jì)問題，理解工程設(shè)計(jì)的重要性及一般流程。

科學(xué)探究：構(gòu)建模型，通過控制變量方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)，總結(jié)歸納科學(xué)規(guī)律。

數(shù)學(xué)思維：提升數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算素養(yǎng)。

技術(shù)素養(yǎng)：能夠利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)易工程的局部建模和仿真。

人文藝術(shù)：體會(huì)中國(guó)古代建筑之美與中國(guó)人造字的智慧。

3.項(xiàng)目過程

（1）創(chuàng)設(shè)情境

①教師活動(dòng)：提問——如果讓你設(shè)計(jì)一把傘，你會(huì)考慮哪些因素呢？

②學(xué)生活動(dòng)：思考、討論、回答。

（2）任務(wù)拆解

①教師活動(dòng)：提問——結(jié)合大家提出的因素，我們?nèi)绾蝸碇痦?xiàng)分析呢？

②學(xué)生活動(dòng)：查閱資料、頭腦風(fēng)暴。

（3）引導(dǎo)探究

①教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生分析三種簡(jiǎn)單模型的性能（如圖1）。

實(shí)用性分析：這幾種傘頂都能實(shí)現(xiàn)防雨防曬功能嗎？

穩(wěn)定性分析：這幾種傘頂哪種更穩(wěn)定？

抗風(fēng)性分析：如何分析傘的抗風(fēng)能力？（利用3D軟件和風(fēng)阻測(cè)試軟件進(jìn)行分析）

排水性分析：如果雨水從三種傘頂頂端滑下，哪一種軌道下滑最快呢？

美觀性分析：你覺得什么樣的傘頂比較美觀？說出你的理由。

②學(xué)生活動(dòng)：建立模型（控制變量：大小、高低均一樣，只是形狀有別）。

穩(wěn)定性分析：結(jié)合物理學(xué)科（重心位置與穩(wěn)定性的關(guān)系如圖2所示）。

抗風(fēng)性分析：利用Autodesk 123D軟件建立不同傘頂?shù)哪Ｐ?利用Autodesk Flow Design對(duì)傘頂進(jìn)行風(fēng)阻測(cè)試;學(xué)生根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)傘的抗風(fēng)能力進(jìn)行對(duì)比分析。

排水性分析：查閱資料，了解最速降線的特點(diǎn)及其參數(shù)方程的推導(dǎo)（如圖3）。

美觀性分析：與中國(guó)古代建筑聯(lián)系（凹形傘頂有利于排水）;與中國(guó)文字“傘”聯(lián)系（中國(guó)人造字體現(xiàn)智慧性）;傘面的圖案設(shè)計(jì)體現(xiàn)美觀性。

（4）測(cè)試改進(jìn)

①教師活動(dòng)：請(qǐng)各組學(xué)生根據(jù)前述對(duì)三種簡(jiǎn)單傘頂模型的分析方法，對(duì)自己小組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試和完善，并制作出成品。

②學(xué)生活動(dòng)：實(shí)施、制作、測(cè)試、改進(jìn)。

（5）展示交流

①教師活動(dòng)：請(qǐng)各組學(xué)生展示作品，介紹設(shè)計(jì)理由進(jìn)行答辯。

②學(xué)生活動(dòng)：各組展示匯報(bào)。

（6）總結(jié)評(píng)價(jià)

①教師活動(dòng)：過程性評(píng)價(jià)與結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合。

②學(xué)生活動(dòng)：各組間進(jìn)行提問與互評(píng)。

（7）拓展提高

①教師活動(dòng)：最速降線形傘頂有很多的優(yōu)點(diǎn)，有沒有不足？如何將這種傘設(shè)計(jì)成攜帶方便的可折疊的傘？

②學(xué)生活動(dòng)：課下查閱資料并思考。

4.項(xiàng)目資源

該項(xiàng)目資源包括計(jì)算機(jī)（安裝軟件3D建模軟件Autodesk 123D Design和風(fēng)阻測(cè)試軟件Autodesk Flow Design）、3D打印機(jī)、水彩顏料、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告等教學(xué)材料。

5.項(xiàng)目評(píng)價(jià)方式

對(duì)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)，包括針對(duì)過程的形成性評(píng)價(jià)和針對(duì)結(jié)果的總結(jié)性評(píng)價(jià)，以這種形式對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的過程、資源、成果等進(jìn)行整理、總結(jié)與展示，同時(shí)對(duì)師生間、生生間的互動(dòng)給予更多的關(guān)注。

● 反思小結(jié)

“傘的設(shè)計(jì)”一課是一節(jié)典型的以工程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的STEM課，在課程的實(shí)施過程中，學(xué)生感受到工程迭代過程的重要性，運(yùn)用調(diào)查研究和科學(xué)探究相結(jié)合的手段為設(shè)計(jì)和制作產(chǎn)品提供支撐，通過測(cè)試完善改進(jìn)作品，最終實(shí)現(xiàn)各組獨(dú)特的傘的設(shè)計(jì)。

與傳統(tǒng)課程單一學(xué)科的教學(xué)相比，解決“一把傘的設(shè)計(jì)”的真實(shí)問題，不僅需要依靠一個(gè)學(xué)科的知識(shí)互動(dòng)，而且需要依靠橫跨STEM各學(xué)科之間的互動(dòng)。在傘的創(chuàng)新過程中利用3D打印技術(shù)進(jìn)行深入研究和分析問題，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造能力，鍛煉了學(xué)生的理性思維、科學(xué)探究和技術(shù)運(yùn)用能力，以及交流溝通和表達(dá)能力，促進(jìn)了學(xué)生多種核心素養(yǎng)的綜合成長(zhǎng)。