基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)STEM課程設(shè)計(jì)例析

詹夢(mèng)穎 舒劍梅

STEM教育是指聚焦真實(shí)世界面臨的復(fù)雜問題，開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）、數(shù)學(xué)（Math）等學(xué)科知識(shí)，發(fā)展學(xué)生解決真實(shí)問題的綜合能力。

2022年，教育部頒布了新的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》。從課程總目標(biāo)來看，新版的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)更加注重以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)，關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的探究實(shí)踐能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力。課程內(nèi)容淡化了四大領(lǐng)域，提煉了13個(gè)核心概念和4個(gè)跨學(xué)科概念，注重綜合，要求至少開展10%的跨學(xué)科實(shí)踐。而技術(shù)與工程領(lǐng)域是加強(qiáng)跨學(xué)科實(shí)踐的重要保證。因此，STEM課程是應(yīng)對(duì)新課程標(biāo)準(zhǔn)改革的關(guān)鍵抓手。

本文總結(jié)梳理了以“工程設(shè)計(jì)”為核心的STEM課程設(shè)計(jì)原則，并基于工程設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)應(yīng)用《設(shè)計(jì)海邊塔臺(tái)》STEM課程案例。文中結(jié)合工程設(shè)計(jì)過程遵循的系統(tǒng)步驟，介紹了案例中工程設(shè)計(jì)的具體實(shí)施過程，以及課程實(shí)踐的成效與不足，希望能為基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)STEM課程開發(fā)與實(shí)施提供建議。

一、基于工程設(shè)計(jì)的STEM課程設(shè)計(jì)原則

1.驅(qū)動(dòng)問題為劣構(gòu)性

基于工程設(shè)計(jì)的STEM驅(qū)動(dòng)問題，從結(jié)構(gòu)特征這一維度可以分為良構(gòu)性和劣構(gòu)性。相比于良構(gòu)問題，劣構(gòu)問題沒有唯一的答案，而有多種解決方案，因?yàn)樗咏谖覀冋鎸?shí)世界中存在的問題。聚焦真實(shí)情境提出的驅(qū)動(dòng)問題，學(xué)習(xí)者會(huì)更愿意參與其中，更有利于培養(yǎng)其解決實(shí)際問題的能力。

2.以“工程設(shè)計(jì)”為核心，強(qiáng)調(diào)“再設(shè)計(jì)”

基于工程設(shè)計(jì)的STEM課程是指以工程設(shè)計(jì)過程為主線，與科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科融合的學(xué)習(xí)模式。在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)“工程設(shè)計(jì)過程”，強(qiáng)調(diào)“再設(shè)計(jì)”的理念，凸顯STEM課程的探索性、設(shè)計(jì)性和迭代性。

3.跨學(xué)科整合課程

基于工程設(shè)計(jì)的STEM課程一定是跨學(xué)科融合的學(xué)習(xí)模式。問題解決過程必須整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，才能夠解決復(fù)雜的實(shí)際問題。例如，在本文開發(fā)的STEM課程《設(shè)計(jì)海邊塔臺(tái)》案例中，要求學(xué)生搭建一座60厘米高，承重、抗風(fēng)、抗震性能強(qiáng)的瞭望塔臺(tái)，學(xué)生需要用到“塔臺(tái)形狀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”等工程知識(shí)、“上小下大，上輕下重”等科學(xué)概念知識(shí)、測(cè)試性能技術(shù)知識(shí)以及造價(jià)成本計(jì)算等數(shù)學(xué)知識(shí)。

二、基于工程設(shè)計(jì)的STEM課程設(shè)計(jì)應(yīng)用

（一）工程設(shè)計(jì)：STEM課程的核心

要想培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工程思維來解決實(shí)際問題，關(guān)鍵在STEM課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用“工程設(shè)計(jì)過程”。工程設(shè)計(jì)過程（Engineering Design Process，簡(jiǎn)稱 EDP）是指運(yùn)用工程思維解決問題時(shí)的系統(tǒng)方法。詹姆斯·R·摩根(James R.Morgan)等人在《用工程學(xué)思想提升項(xiàng)目質(zhì)量》中詳細(xì)介紹了工程設(shè)計(jì)過程可以分為“七個(gè)步驟” 。驅(qū)動(dòng)問題的復(fù)雜性和解決方案的多樣性，決定了工程設(shè)計(jì)過程是需要不斷迭代的。而且，在問題解決過程中，可以跳轉(zhuǎn)至其中的一個(gè)步驟重新開始，或是在幾個(gè)步驟之間往復(fù)，直到找到最佳的解決方案。

（二）基于工程設(shè)計(jì)過程的案例分析：設(shè)計(jì)海邊塔臺(tái)

本文基于工程設(shè)計(jì)過程開發(fā)了小學(xué)STEM課程《設(shè)計(jì)海邊塔臺(tái)》。課程以“為深圳西灣紅樹林公園設(shè)計(jì)一座用于眺望灘涂的塔臺(tái)”為情境依托，要求塔臺(tái)安全穩(wěn)定，能通過各項(xiàng)性能測(cè)試。

第一步，識(shí)別問題和制約因素，即準(zhǔn)確地描述要解決的工程任務(wù)和識(shí)別任務(wù)中所有的制約因素和標(biāo)準(zhǔn)。在《聚焦任務(wù)，明確標(biāo)準(zhǔn)》活動(dòng)中，學(xué)生要明確工程任務(wù)是搭建一座海邊塔臺(tái)模型。項(xiàng)目的限制因素包括時(shí)間、造價(jià)成本，標(biāo)準(zhǔn)是要求達(dá)到一定的高度，并且安全穩(wěn)定，能通過各項(xiàng)性能測(cè)試。

第二步，調(diào)查研究，即為解決工程問題收集相關(guān)的信息，做必要的準(zhǔn)備。一方面提高效率，另一方面使負(fù)面影響最小化。因此在《聚焦任務(wù)，明確標(biāo)準(zhǔn)》活動(dòng)中，學(xué)生實(shí)地考察紅樹林公園的生態(tài)環(huán)境、地理?xiàng)l件，以及塔臺(tái)的最佳選址并說明原因。了解別人在造塔方面已經(jīng)做過的工作，吸取經(jīng)驗(yàn)，為問題的解決提供更多可能性策略。

第三步，形成概念。要想有效地解決問題，經(jīng)常需要在多種觀點(diǎn)或方案里進(jìn)行選擇或優(yōu)化，工程師會(huì)采用頭腦風(fēng)暴法，開拓思維，盡可能把所有想到的觀點(diǎn)全部記錄下來。在《設(shè)計(jì)塔臺(tái)，參與競(jìng)標(biāo)》活動(dòng)中，有的小組依據(jù)塔臺(tái)模型評(píng)價(jià)量規(guī)，利用前面收集到的信息進(jìn)行頭腦風(fēng)暴式討論，繪制模型設(shè)計(jì)圖；而有的小組是每個(gè)成員各繪制一份設(shè)計(jì)圖，然后再識(shí)別每個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后將這些方案進(jìn)行整合，形成小組的初步方案。

第四步，分析觀點(diǎn)，即在概念形成階段對(duì)初次形成的方案進(jìn)行分析，并進(jìn)一步優(yōu)化，使它得到充分發(fā)展。在《設(shè)計(jì)塔臺(tái)，參與競(jìng)標(biāo)》活動(dòng)中，各工程隊(duì)在形成初步的方案后，依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)方案存在的優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)行充分地評(píng)估，并展示設(shè)計(jì)成果，接受其他小組的質(zhì)疑和建議。各工程隊(duì)再次對(duì)不同的觀點(diǎn)進(jìn)行“討論—識(shí)別—整合”，然后對(duì)自身的方案進(jìn)行“再設(shè)計(jì)”，甚至需要多次往返于EDP的幾個(gè)步驟之間，最后識(shí)別出切實(shí)可行的最優(yōu)方案。

第五步，建立模型，即根據(jù)設(shè)計(jì)方案構(gòu)建一個(gè)解決問題的完整工作模型。在《購(gòu)買材料，制作模型》活動(dòng)中，學(xué)生利用吸管、透明膠等材料創(chuàng)造塔臺(tái)模型。

第六步，測(cè)試和優(yōu)化，即對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估效果并進(jìn)行優(yōu)化，測(cè)試條件應(yīng)盡量貼合最后成品的實(shí)際使用環(huán)境。首先，小組成員要明確每項(xiàng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)和條件，參與測(cè)試并記錄測(cè)試結(jié)果。通過測(cè)試與觀察，小組成員討論交流塔臺(tái)模型有哪些地方需要進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。在這個(gè)階段，有些小組可能需要依據(jù)測(cè)試結(jié)果重新識(shí)別問題和制約因素，回到起點(diǎn)進(jìn)行修改，再次進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，分析整合觀點(diǎn)更新設(shè)計(jì)，建立新的模型，又一次進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化。此時(shí)，有些小組可能會(huì)出現(xiàn)挫敗心理或中途放棄，教師應(yīng)該給予鼓勵(lì)，并明確經(jīng)歷這些過程的重要性。

第七步，溝通與反思。工程設(shè)計(jì)需要有效的溝通，包括人際互動(dòng)、口頭溝通、視覺溝通等。在《模型發(fā)布會(huì)》活動(dòng)中，各小組展示塔臺(tái)模型成果，提出方案存在的優(yōu)勢(shì)與不足，并再次進(jìn)行優(yōu)化，這就需要良好的口頭溝通和視覺溝通能力。這一步不僅體現(xiàn)在《模型發(fā)布會(huì)》活動(dòng)中，也貫穿于整個(gè)STEM課程中。

三、基于工程設(shè)計(jì)的STEM課程設(shè)計(jì)啟示

（一）實(shí)施成效

EDP作為問題解決的一種系統(tǒng)思考方式，給學(xué)生在解決真實(shí)世界中的問題時(shí)提供了腳手架。通過本次課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，學(xué)生在以下幾個(gè)方面得以提升：

1.“工程設(shè)計(jì)思維”的提升

學(xué)生在課時(shí)三《設(shè)計(jì)塔臺(tái)模型參與競(jìng)標(biāo)》中，能在理解和分析具體問題的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和技術(shù)工具，考慮問題需求、資源總量等因素的限制，在諸多問題解決方案中選擇更具創(chuàng)造性和整體性的解決方案，并最終解決問題。

2.“再設(shè)計(jì)工程思維”提升

根據(jù)學(xué)生多次修改的設(shè)計(jì)圖，以及他們?cè)谀Ｐ桶l(fā)布會(huì)上重審原先的設(shè)計(jì)，結(jié)合工程的成本與可靠性、系統(tǒng)性、藝術(shù)性等做出再構(gòu)思，可以發(fā)現(xiàn)他們的“再設(shè)計(jì)工程思維”得到一定程度的提升。

3.批判性思維的培養(yǎng)

我們對(duì)課時(shí)六《模型發(fā)布會(huì)》一課進(jìn)行了課堂觀察，通過分析教學(xué)實(shí)錄量化教學(xué)效果發(fā)現(xiàn)：在這節(jié)課上教師的提問類型中有58.8%的問題為批判性問題，學(xué)生的回答類型中，有62.5%為創(chuàng)造評(píng)價(jià)性回答，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均可證明，孩子在課堂上有大量的批判性思維參與。

（二）教學(xué)反思

1.對(duì)項(xiàng)目案例真實(shí)性的反思

項(xiàng)目中涉及的工程知識(shí)，與真實(shí)工程知識(shí)是有差異的；教師理解的工程師的思維方式，與真實(shí)工程師的思維方式有差異；學(xué)生的工程體驗(yàn)，與真實(shí)工程也存在差異。后期我們會(huì)通過閱讀工程學(xué)書籍、觀看工程學(xué)紀(jì)錄片、訪談工程師等方式，增加教師自身的工程知識(shí)，提高教師自身的工程思維，讓工程項(xiàng)目更接近真實(shí)工程項(xiàng)目。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)自主性的反思

執(zhí)教過程中發(fā)現(xiàn)，越到高年級(jí)，學(xué)生的問題意識(shí)越薄弱。我們的科教方案很大程度是根據(jù)教師的教學(xué)設(shè)計(jì)推進(jìn)，而不是學(xué)生自主推進(jìn)，后期我們會(huì)注重學(xué)生問題意識(shí)的培養(yǎng)，讓項(xiàng)目由學(xué)生自己產(chǎn)生的問題推進(jìn)。