基于設(shè)計(jì)思維框架的STEM教育研究

何秀晶

【摘? ?要】? 設(shè)計(jì)思維能讓學(xué)生經(jīng)歷像設(shè)計(jì)師一樣在不斷構(gòu)思、測(cè)試中最終找到問(wèn)題解決方法的創(chuàng)新過(guò)程，這點(diǎn)與學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)無(wú)縫接軌。設(shè)計(jì)思維強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作共享，注重方案迭代優(yōu)化，這些則與STEM精神高度契合。基于實(shí)踐研究，本文通過(guò)案例分析，探討了在小學(xué)科學(xué)中基于設(shè)計(jì)思維框架的STEM教育價(jià)值及教學(xué)模式。

【關(guān)鍵詞】? 小學(xué)科學(xué);設(shè)計(jì)思維;STEM教育

傳統(tǒng)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)存在理論教育過(guò)多，難以全面提高學(xué)生綜合素養(yǎng)的教學(xué)弊端，如何優(yōu)化小學(xué)科學(xué)教學(xué)，是教師關(guān)注的問(wèn)題。STEM教育作為一種注重學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)的熱點(diǎn)教育，能夠有效提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。然而，當(dāng)前的STEM教學(xué)實(shí)踐中存在“實(shí)踐有余、創(chuàng)新不足”的現(xiàn)象，減損了STEM教育在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面的重要價(jià)值。設(shè)計(jì)思維作為一種支持學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思考和問(wèn)題解決的方法論，擁有一套成熟的思維理念和工具方法，能夠有效地彌補(bǔ)STEM課程中存在的不足。

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，可以實(shí)施基于設(shè)計(jì)思維框架的STEM教育，融合設(shè)計(jì)思維的模式體系與研究應(yīng)用成果，建構(gòu)新的STEM課程教學(xué)模式，助力解決創(chuàng)新思維培養(yǎng)的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)模式的實(shí)施確實(shí)存在著教學(xué)優(yōu)勢(shì)。

一、STEM教育與設(shè)計(jì)思維

1. STEM。STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門(mén)學(xué)科的英文首字母的縮寫(xiě)。打破學(xué)科和學(xué)科之間的壁壘，引導(dǎo)學(xué)生在項(xiàng)目探索中綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和團(tuán)隊(duì)合作行為，促進(jìn)學(xué)生向綜合性、全面性的方向發(fā)展，是這種教育的突出特點(diǎn)。當(dāng)前，教育學(xué)者們提出，從小學(xué)階段就應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生的STEM思想，使學(xué)生能夠從真實(shí)情境的項(xiàng)目任務(wù)需求出發(fā)，打破學(xué)科和學(xué)科之間的知識(shí)壁壘，靈活綜合性地應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。

2.設(shè)計(jì)思維。設(shè)計(jì)思維是由斯坦福大學(xué) D.SCHOOL提出的一種思維模式，這種思維模式可描述如圖1。從圖1的模型中可以看到設(shè)計(jì)思維模式包含有同理心、定義問(wèn)題、構(gòu)思、快速原型、測(cè)試這五個(gè)思維階段。應(yīng)用這樣的思維，學(xué)生可以通過(guò)一種科學(xué)的思維模式來(lái)完成項(xiàng)目任務(wù)。

二、基于設(shè)計(jì)思維框架的STEM教育價(jià)值

設(shè)計(jì)思維應(yīng)用過(guò)程中涉及到的跨學(xué)科、同理心、真實(shí)情境下的問(wèn)題解決、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)與STEM教育中強(qiáng)調(diào)的學(xué)科整合、真實(shí)世界中的問(wèn)題解決、創(chuàng)新力的培養(yǎng)等理念不謀而合。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)思維方法在STEM課程中的應(yīng)用具有一定的可行性及意義價(jià)值。

在小學(xué)階段開(kāi)展基于設(shè)計(jì)思維框架的STEM教育，其目的是基于一個(gè)項(xiàng)目情境，讓學(xué)生了解應(yīng)運(yùn)用設(shè)計(jì)思維來(lái)完成一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)。學(xué)生在進(jìn)行項(xiàng)目任務(wù)時(shí)，需要綜合應(yīng)用多學(xué)科的知識(shí)，同時(shí)教師要注重引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、合作交流、構(gòu)想設(shè)計(jì)、創(chuàng)作實(shí)踐、迭代優(yōu)化從而最終解決問(wèn)題。在完成項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性將能落實(shí)，學(xué)習(xí)興趣將能提高，科學(xué)的態(tài)度將得到培養(yǎng)，理論知識(shí)將得到積累，實(shí)踐的能力將得到提升，創(chuàng)新思維將得到極大激發(fā)。這種教育是一種能夠全面突破傳統(tǒng)小學(xué)教育弊端，全面提升小學(xué)生綜合素養(yǎng)的教育模式。

三、基于設(shè)計(jì)思維框架的STEM教學(xué)模式

為了說(shuō)明基于設(shè)計(jì)思維框架的STEM教學(xué)模式，現(xiàn)以STEM項(xiàng)目案例《有趣的紙橋》為例來(lái)分析。

1.案例說(shuō)明。本STEM項(xiàng)目是由教科版小學(xué)科學(xué)六年級(jí)上冊(cè)第二單元第8課《用紙?jiān)煲蛔皹颉薄吠卣寡由煸O(shè)計(jì)的，結(jié)合課本的要求，給學(xué)生兩張A4大小的紙，只能應(yīng)用紙來(lái)造橋，不能使用其他的連接工具。在該次課程中，學(xué)生結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)制造橋梁可能存在的問(wèn)題，能夠用抽象的角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行詮釋，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)紙橋，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和調(diào)整中優(yōu)化紙橋的設(shè)計(jì)，能夠自己評(píng)估學(xué)習(xí)的成果。學(xué)生了解了紙這種材質(zhì)，通過(guò)分析橋梁結(jié)構(gòu)掌握了制造橋梁的基本技術(shù)，完成了應(yīng)用紙這種材質(zhì)來(lái)制造橋梁。學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生能發(fā)現(xiàn)橋面的寬度與承載力的關(guān)系，橋兩邊的坡度與橋的功能的關(guān)系，橋墩的數(shù)量與高度與承載力之間的關(guān)系。

本項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)為：（1）讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)橋的建設(shè)存在的問(wèn)題、解釋橋的結(jié)構(gòu)、構(gòu)思橋的穩(wěn)定性、實(shí)驗(yàn)橋的承壓力、評(píng)估項(xiàng)目成果。（2）對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)的科學(xué)知識(shí)和其他學(xué)科知識(shí)進(jìn)行遷移，達(dá)到靈活應(yīng)用知識(shí)的目的，繼而通過(guò)創(chuàng)造來(lái)解決現(xiàn)實(shí)生活中的任務(wù)。（3）培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，讓學(xué)生在完成工程項(xiàng)目的過(guò)程中交流合作，集思廣益，共同克服困難。

本項(xiàng)目的教學(xué)重點(diǎn)為引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，找到各種制造橋的方法;教學(xué)難點(diǎn)為引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)紙這種材料的特質(zhì)，能夠結(jié)合紙的材料特質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)橋的結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)目需要準(zhǔn)備如下教學(xué)材料：A4大小的紙甲、A4大小的紙乙、剪刀、橡皮（規(guī)格一致，N塊）、收納筐、鈴鐺、秒表、設(shè)計(jì)單。

2.教學(xué)模式。在教學(xué)的過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用設(shè)計(jì)思維去思考問(wèn)題，并且在實(shí)施的過(guò)程中，逐漸內(nèi)化這種思維，其教學(xué)模式可歸納如下：

（1）同理心分析，定義問(wèn)題——提出問(wèn)題。教師創(chuàng)設(shè)情境。出示多媒體，學(xué)生看到中國(guó)的四大名橋，產(chǎn)生民族自豪感。出示各種橋的圖片，通過(guò)各種案例，學(xué)生發(fā)現(xiàn)橋的功能、基本結(jié)構(gòu)，同理心對(duì)橋這種事物產(chǎn)生興趣。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：能不能應(yīng)用生活中常見(jiàn)的紙這種材質(zhì)制作一座橋，讓它擁有一定的承載力，比如讓橋上能夠平鋪5塊橡皮而不倒塌？在教師的引導(dǎo)下，同理心需求分析，學(xué)生明確定義了該次的項(xiàng)目任務(wù)：制造一座具有一定承載力的紙橋。

（2）頭腦風(fēng)暴，創(chuàng)想構(gòu)思——設(shè)計(jì)。用紙來(lái)設(shè)計(jì)橋，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮哪幾個(gè)方面的要求？要讓紙橋具備橋的功能，學(xué)生能夠應(yīng)用的材質(zhì)只有紙，學(xué)生必須通過(guò)優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)克服紙材料的不足。學(xué)生以小組團(tuán)隊(duì)為單位調(diào)查對(duì)比各式各樣的橋梁，分析橋梁各部分結(jié)構(gòu)的作用。通過(guò)交流，學(xué)生意識(shí)到，橋面的寬度能夠承載橡皮，橋墩的作用有二：一是營(yíng)造出橋面以下的空間，讓船能夠從橋下走過(guò)，于是橋墩的高度必須有一定的保證。二是橋墩的數(shù)量影響著橋面的承載力，從理論上而言，橋墩的數(shù)量越多，紙橋的承載力越高，然而橋墩的數(shù)量越多，橋下可通過(guò)的船支會(huì)受到限制，于是要優(yōu)化橋墩數(shù)量的設(shè)置。經(jīng)過(guò)分析，學(xué)生覺(jué)得制造紙橋的要點(diǎn)：一是確定橋面的功能;二是優(yōu)化橋墩的高度與跨度的設(shè)計(jì)。小組內(nèi)頭腦風(fēng)暴，組員間不同的想法思維碰撞，匯聚集體的聰明才智，創(chuàng)想構(gòu)思出最能滿足設(shè)計(jì)需求的紙橋設(shè)計(jì)方案。

小組間頭腦風(fēng)暴，完善設(shè)計(jì)方案。各小組代表交流分享紙橋的設(shè)計(jì)圖，其他小組可對(duì)該小組的設(shè)計(jì)提出建議或意見(jiàn)。如果覺(jué)得自己組的設(shè)計(jì)還不是很好，也可以借鑒別的小組的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)完善。

（3）快速制作，產(chǎn)品原型——制作。當(dāng)創(chuàng)意構(gòu)思基本落實(shí)之后，設(shè)計(jì)思維中的原型實(shí)現(xiàn)是指將解決方案表現(xiàn)出來(lái)的過(guò)程，在本STEM項(xiàng)目中這一步驟即是制作紙橋模型。各小組團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作，依據(jù)設(shè)計(jì)圖選擇材料制作出紙橋模型。

（4）測(cè)試產(chǎn)品，迭代優(yōu)化——測(cè)試優(yōu)化。教師引導(dǎo)學(xué)生共同制定評(píng)價(jià)量表，提出如下評(píng)價(jià)方法，采用5分制評(píng)分，最低分為1分，最高分為5分：

評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)圖：要求設(shè)計(jì)圖結(jié)構(gòu)完整、圖畫(huà)清橋。

評(píng)價(jià)承重力：要求承載至少5塊橡皮，橋梁不會(huì)倒塌。

評(píng)價(jià)功能：即橋墩要盡可能大，跨度盡可能大。

拓展分：6-10塊，從6塊起步，開(kāi)始計(jì)1分，每多承載1塊橡皮便能多計(jì)1分。

展示分：展示自己的成果，能否準(zhǔn)確、明晰地說(shuō)明自己的成果。

各小組團(tuán)隊(duì)展示產(chǎn)品，通過(guò)測(cè)試與評(píng)價(jià)，計(jì)算出團(tuán)隊(duì)總得分，評(píng)選出最佳的橋梁，并引導(dǎo)反思不斷優(yōu)化改進(jìn)自己的產(chǎn)品。

3.教學(xué)效果。在項(xiàng)目開(kāi)展的過(guò)程中，學(xué)生感受到了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，在設(shè)計(jì)和實(shí)踐的過(guò)程中獲得了學(xué)習(xí)的成就感，創(chuàng)新思維得到了發(fā)展，綜合素養(yǎng)得到了提高。

基于設(shè)計(jì)思維框架的STEM教育教學(xué)，能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，靈活地應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科的理論知識(shí)來(lái)創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，能有效提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

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