通過工程設(shè)計讓學(xué)生理解STEAM教育

◇張建穎（北京市東城區(qū)黑芝麻胡同小學(xué)）

一、工程設(shè)計的概念

如果科學(xué)是了解大自然，工程就是改造大自然。準(zhǔn)確點兒說，工程是指按照預(yù)設(shè)的目的和需要，應(yīng)用相關(guān)科學(xué)知識和科技設(shè)計和制定方案，以解決社會和日常生活中的問題。工程設(shè)計的目的是透過邏輯推演的方式，制定出有效的程序、產(chǎn)品裝置或系統(tǒng)。典型的工程設(shè)計流程包括界定問題、確認(rèn)需要和限制、進(jìn)行研究構(gòu)想、設(shè)計、制作和測試模型、分析和評價，以及根據(jù)評價結(jié)果將設(shè)計加以改良。這個設(shè)計過程可以用以下的流程圖表示：

由于任何設(shè)計方案都要經(jīng)過多次改良才會被選定為最終方案，所以工程設(shè)計是一個不斷迭代的過程。但是，以上所描述的只是一般的工程設(shè)計流程，在實際情況下，個別步驟的先后順序以及對學(xué)科知識、工藝技術(shù)和數(shù)學(xué)運算的要求，需針對問題的性質(zhì)及實際設(shè)計的難易程度而定。上圖所顯示的流程只能為初學(xué)者提供基礎(chǔ)的指導(dǎo)。

二、科學(xué)在工程設(shè)計上的作用

工程并非一定需要應(yīng)用科學(xué)知識，在科學(xué)尚未發(fā)展的年代，人類已創(chuàng)造了不少偉大的工程建設(shè)及科技發(fā)明。推行STEAM 教育更需弄清工程設(shè)計是如何借助科學(xué)和技術(shù)提供設(shè)計的理念和原理來提高效能的，有了這個基礎(chǔ)，可對應(yīng)工程設(shè)計的實際需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)?？茖W(xué)在工程設(shè)計上的應(yīng)用可分為兩個層次。一是科學(xué)概念的應(yīng)用；二是科學(xué)探究技能及推理的運用。很多工程上的問題，都需應(yīng)用科學(xué)概念來解決。以探尋汽車“外形與空氣阻力”的秘密為例，小學(xué)生要用適宜的實例理解流體力學(xué)的科學(xué)概念，同時教師也要嘗試帶領(lǐng)學(xué)生“三線并舉”。在一系列的驅(qū)動問題中，師生共同經(jīng)歷制作對比不同車體外形與空氣阻力成因的過程，根據(jù)理論或經(jīng)驗提出假設(shè)或設(shè)計理念、辨別變因、制定測試、分析數(shù)據(jù)、運用數(shù)學(xué)、建構(gòu)模型以及邏輯論證等。進(jìn)而探究流線型外形可以減小汽車在空氣中運動時的阻力的原理，掌握設(shè)計對比不同外形的模型的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)科學(xué)知識與科學(xué)推理之間的關(guān)系。設(shè)計前，學(xué)生未必已經(jīng)掌握相關(guān)的科學(xué)知識，這就需要在設(shè)計和測試過程中邊學(xué)邊用，因此STEAM 教育既是應(yīng)用知識的過程，也是學(xué)習(xí)新知識的途徑。這也就不奇怪為什么在STEAM 課堂里，知識的應(yīng)用與學(xué)習(xí)常常處于交替和互動的聯(lián)通狀態(tài)。

三、通過工程設(shè)計提高學(xué)生探究能力

通過工程設(shè)計過程，可以幫助學(xué)生提高科學(xué)探究和推理能力。但要實現(xiàn)這個目標(biāo)，教師先要辨析工程設(shè)計過程中的每個階段所涉及的科學(xué)元素，在教學(xué)設(shè)計上有系統(tǒng)地提供指引或腳手架，幫助學(xué)生逐步發(fā)展相關(guān)知識和推理能力。為幫助STEAM教師進(jìn)行這方面的規(guī)劃，本文參考了Baker and Piburn對科學(xué)推理的分析，歸納出在工程設(shè)計的過程中，各主要階段對科學(xué)知識和科學(xué)推理的要求，結(jié)果如下：

工程設(shè)計階段/步驟科學(xué)知識科學(xué)探究技能和推理探究和推理結(jié)果在工程設(shè)計上的應(yīng)用界定問題（確認(rèn)要求和限制）研究構(gòu)想設(shè)計提出假設(shè)·流線型減小空氣阻力·非流線型減小空氣阻力選擇處理方法（課堂進(jìn)行時根據(jù)教學(xué)目標(biāo)材料而定）先測試流線型外觀與空氣阻力的關(guān)系測試模型了解外形與空氣阻力的關(guān)系·框架結(jié)構(gòu)的原理·流線型與空氣阻力·非流線型與空氣阻力流線型外觀在空氣中運動阻力減小·測試儀器和測試方法·框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性解決設(shè)計、制作、測試過程中遇到的問題公平測試·找出三種不同外形受空氣阻力大小的影響測試過程顯示要得到最佳效果及量度更為準(zhǔn)確·三種外形是同一材料制作·三種車外形都在同一環(huán)境下測試分析及評估測試結(jié)果流體力學(xué)概念（應(yīng)用數(shù)學(xué)）·針對問題的成因，改良原來的設(shè)計。反思問題是否出于錯誤運用科學(xué)理論或者知識。如果有需要，要重新檢測原來的科學(xué)原理或者設(shè)計理念是否奏效·根據(jù)評估結(jié)果，進(jìn)一步分析方案的效能改良更深入的理論：材料的輕重會影響空氣阻力的大小數(shù)據(jù)分析，建構(gòu)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型·對測試結(jié)果進(jìn)行分析評定，流線型外觀受到的空氣阻力最小利用塑料（3D）或者金屬替代陶泥，以減少重量對空氣阻力的影響·根據(jù)測試結(jié)果，選擇材質(zhì)輕的流線型外觀設(shè)計車體，并將其納入新的設(shè)計方案之中

補充主題活動產(chǎn)生背景和教學(xué)過程進(jìn)行解釋：做—比—說—迭代。

（一）源于學(xué)生的需求

湘教版科學(xué)課程《大自然的啟示》讓參與Greenpower能源車社團(tuán)的成員發(fā)現(xiàn)了車外觀的形狀與車速會有“關(guān)系”：為什么呈梯形的車架不是橢圓形或者其他的形狀？為什么需要給車架制作曲線的外形？梳理問題有技術(shù)層面的，如：什么外形的車體跑起來更快，車體支架的拼搭與車外觀的關(guān)系；有科學(xué)原理層面的，如：框架式結(jié)構(gòu)的車體更穩(wěn)固，流線型的外形可以減小它在空氣中運動時的阻力。比較這兩大類問題，就是在權(quán)衡科學(xué)知識與科學(xué)推理關(guān)系的問題。

教學(xué)中由車輪引出汽車并添畫汽車的外形，然后出示幾種外形不同的汽車圖片，讓學(xué)生做“汽車”(模型，突出外形輪廓)。從“汽車”比賽的話題中引出速度，讓學(xué)生分組預(yù)測本組做的“汽車”中哪輛速度最快(填寫在卡片上)。學(xué)生在預(yù)測時就進(jìn)行了推理和解釋，并運用科學(xué)知識建立車體運動時外形與空氣阻力間的關(guān)系。在自行探究環(huán)節(jié)，學(xué)生分工合作，積極參與研究，做好實驗記錄并匯報交流，歸納出“流線型的外形可以減小它在空氣中運動時的阻力”；在后期拓展中，研究水中運動的物體的流線型外形與它的運動有什么關(guān)系。這既是運用所學(xué)知識進(jìn)行運動類產(chǎn)品的外形設(shè)計，也是科學(xué)與工程的聯(lián)動。

（二）源于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需求

核心素養(yǎng)是指學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的必備品格與關(guān)鍵能力，科學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受科學(xué)教育過程中逐步形成的重要品格和關(guān)鍵能力，兩者在方向和性質(zhì)上是統(tǒng)一的。科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中提到的“科學(xué)思維與創(chuàng)新”，是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)，它是科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心，在科學(xué)的一般思維基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造性思維。通過“探究制作車體外觀車型”“探究比較哪種外觀的車體在空氣中的運行效果好”兩個系列化探究活動，最終完成揭秘汽車“流線型外形可以減小在空氣中運動時的阻力”。在整個探究過程中，注重學(xué)生科學(xué)思維與創(chuàng)新、科學(xué)觀念與應(yīng)用的培養(yǎng)。

新課標(biāo)指出，設(shè)計是工程和技術(shù)的核心過程。通過設(shè)計過程，一個人能學(xué)會如何辨別問題或需要，如何思考各種選擇及約束條件，如何做計劃、建模型、用迭代方法解決問題，如何提高高階思維技能和實實在在的可見技能。在技術(shù)與工程領(lǐng)域，重點是讓學(xué)生關(guān)注自然界與人工世界之間的相互聯(lián)系，愿意通過對工具、材料和技能的改進(jìn)更好地解決生活中的實際問題；知道如何明確問題，分析情況，搜集相關(guān)信息，形成切實可行的創(chuàng)意或方案，并將其轉(zhuǎn)化為實物或?qū)σ延形锲愤M(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

小學(xué)階段進(jìn)行的科學(xué)實踐活動大多簡單易行，經(jīng)歷這些活動，能讓小學(xué)生在已有認(rèn)知和技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，獲得使用簡單工具解決生活中的問題以及制作產(chǎn)品的經(jīng)歷和體驗。在解決問題和制作產(chǎn)品的過程中，創(chuàng)造性地運用所學(xué)的各方面知識，在設(shè)計、制作、打磨、修改、再完善等一系列程序中，鍛煉學(xué)生動手動腦的能力。以上討論，證明了小學(xué)科學(xué)課程中的工程與科學(xué)以至數(shù)學(xué)在STEAM 教育中的緊密關(guān)系。由此可見，一個有效的STEAM 教學(xué)設(shè)計應(yīng)能提供豐富的工程設(shè)計經(jīng)驗，讓學(xué)生理解科學(xué)、科技、工程與數(shù)學(xué)之間的關(guān)系，并了解怎樣應(yīng)用不同學(xué)科的知識，再配合科學(xué)探究技能和科學(xué)推理解決生活上的問題。根據(jù)這些理念而設(shè)計的教學(xué)活動，能更加貼近真實世界的情境，會令學(xué)習(xí)變得更有意義，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。