[STEM教育與科技教育]STEM教育的教學(xué)法案例（二）

向世清，博士，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員。長期從事激光物理與工程技術(shù)的前沿研發(fā)，是參與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略與決策咨詢、基礎(chǔ)教育改革咨詢、科技創(chuàng)新中心發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域戰(zhàn)略專家，也是上海市最為活躍的科技創(chuàng)新教育專家之一。

本講我們將給出第2種類型的STEM教育的教學(xué)法案例。大家記住，我們的體例仍然簡單遵循九步法的直接對照說明（請大家一直將九步法框架存在腦海中，這可是特別管用哈）。

案例類型二、工程問題解決型

工程是我們?nèi)祟惥C合使用已有知識，在所明確的前提條件、基本限制和特別要求的目標(biāo)限制要求下，通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案和建構(gòu)過程，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是實(shí)體性功能硬件系統(tǒng)的過程和結(jié)果。在此過程中，具有許多具體需要解決的技術(shù)性、設(shè)計(jì)性和系統(tǒng)組裝性問題，需要攻克相應(yīng)的難點(diǎn)難關(guān)。這些問題都可稱之為工程問題。

工程問題的解決是任何一名學(xué)生需要建立的知識應(yīng)用能力的基本內(nèi)容之一，甚至是核心。在各個學(xué)科的應(yīng)用能力的培養(yǎng)中，對此也幾乎都具有共性的一致規(guī)律要求（這也是現(xiàn)在設(shè)有各種工程科技專業(yè)的原因，如航天工程、生物工程、計(jì)算機(jī)工程等）。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)過學(xué)習(xí)，尤其是通過具體的真實(shí)場景下真實(shí)解決實(shí)際問題，就能將前人所形成的各種知識、技術(shù)、技能、已有系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，逐漸學(xué)會和完成重復(fù)性的系統(tǒng)建構(gòu)或者新穎系統(tǒng)的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)和建構(gòu)，最終達(dá)成工程問題的解決，并可能直接形成工程性成品或系統(tǒng)（或新成品與新系統(tǒng)）。所以，這也是我們在教育中最為基本的逐漸遞進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容。而這種循序漸進(jìn)的教學(xué)過程，不僅包含有相關(guān)知識的習(xí)得、積累，學(xué)生的知識憑借工程實(shí)現(xiàn)的載體進(jìn)一步建立了聯(lián)系并融會貫通，通過應(yīng)用和實(shí)踐進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了知識的增進(jìn)、拓展和創(chuàng)新;而且其中實(shí)際蘊(yùn)含著工程建構(gòu)方法論的不斷建立和提升，所以在這里特別要強(qiáng)調(diào)，解決問題的方法論的逐步建立最為關(guān)鍵，比知識建構(gòu)更為重要。一個學(xué)生只要逐漸掌握了這些方法論，就會形成類似于小時候建造小玩意兒、長大后就可以建設(shè)高科技產(chǎn)品的能力基礎(chǔ)和素養(yǎng)。

為給出一個特別典型化的工程問題解決案例，我們選擇“自行車的工程模型建構(gòu)制作”作為主題設(shè)計(jì)。同樣為了更多的導(dǎo)師或教師可在不同知識程度水平上都能理解案例，這里仍特別選擇簡單水平能級，直接針對小學(xué)高年級學(xué)習(xí)的教案予以呈現(xiàn)（其他學(xué)段或能級的案例只需逐漸增加知識和技能等方面的難度要求）。

自行車幾乎是每一個人都有認(rèn)知的一個常見人工交通工具，雖然真實(shí)的自行車具有較高的復(fù)雜性，但簡單模型化的自行車對于以主體構(gòu)型限定建造要求時，是連小學(xué)生都能適合的建構(gòu)對象（初中生和高中生只需建構(gòu)更為實(shí)際的提高版的自行車）。所以自行車模型建造（如圖）很容易理解，就算不教物理和工程，也同樣是很容易得到認(rèn)識的。

實(shí)際上，孩子們從小就會喜歡拆拆裝裝、制作搭建，這甚至是天性使然。這個過程對于孩子成長其實(shí)特別重要和必要，因?yàn)槠渲忻恳徊蕉加芯薮蟮墨@得感和成就感。通常情況下，孩子早期只是根據(jù)對于外形的簡單認(rèn)識，制作形狀上基本表達(dá)對象抽象構(gòu)型的結(jié)果;然后才是逐步以遞增的結(jié)構(gòu)、裝配等工程性知識作為基礎(chǔ)，逐步可以復(fù)雜化制作。

針對小學(xué)高年級的學(xué)生，這里我們先粗框架地界定一個有趣的制作要求：給定1根長度約1米左右的細(xì)鐵絲，請學(xué)生根據(jù)自己的觀察、想象和設(shè)計(jì)，在不剪斷鐵絲的前提要求下，制作出1輛樣式不限的自行車模型。雖然這看起來極其簡單，基本就是怎么使用鐵絲彎折和纏繞，最終完成具有基本元素和大致外形的自行車模型，但其中卻蘊(yùn)含著較多的學(xué)生自我想象和發(fā)揮的變化可能性，也包括了解自行車相關(guān)知識的學(xué)習(xí)要求和需求理解，包括自行車的具體結(jié)構(gòu)選擇，元素、形狀、大小確定，以及其中的結(jié)構(gòu)比例尺寸等定量要求，更包括鐵絲的彎法技巧和工具使用技能等，實(shí)際上是一個完整的創(chuàng)意設(shè)計(jì)制作過程。如果提高要求，即便對于成年人，這也是一個饒有趣味、頗有難度的工作。所以這一教學(xué)案例就需要進(jìn)行更好的教學(xué)方式設(shè)計(jì)和過程選擇。以下，我們按照九步法簡明地給出“教案”。特別強(qiáng)調(diào)，這里不能要求“標(biāo)準(zhǔn)答案”，最多只能要求建構(gòu)過程和方式基本一致（大家一定要認(rèn)識到，其中可有很多的設(shè)計(jì)變通和過程方式，正是培育學(xué)生自主思考、設(shè)計(jì)和創(chuàng)意的好教學(xué)載體）。

總體來說，對于模型制作的教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)圍繞設(shè)計(jì)的方法、內(nèi)涵與技能展開。其中，對于前人針對對象的歷史發(fā)展中如何提出新穎設(shè)計(jì)的經(jīng)歷和利用相關(guān)知識、思維等過程應(yīng)加以引導(dǎo)學(xué)習(xí)。過程中更應(yīng)特別注意以合適的制作方案設(shè)計(jì)完善過程支撐教學(xué)的過程（否則就變成按要求的“動手做”了）。教師的作用始終是輔助和協(xié)助學(xué)生優(yōu)化實(shí)施。最后，特別強(qiáng)調(diào)，其中設(shè)計(jì)與技能思維發(fā)展是無止境的，這幾個步驟的時間要盡可能放寬。