面向工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)的STEM教學(xué)模式構(gòu)建與案例分析

嚴(yán)大虎，姚 靜

（1.江南大學(xué) 江蘇“互聯(lián)網(wǎng)+教育”研究基地；2.江南大學(xué) 人文學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

0 引言

新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新正在悄然進(jìn)行，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)在各行各業(yè)的迅速滲透，科技變革持續(xù)對(duì)工程教育發(fā)出新的吶喊。工程設(shè)計(jì)思維作為工程教育培養(yǎng)的關(guān)鍵能力也受到廣泛關(guān)注，并逐漸被引入K-12 學(xué)段的STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）課程中。工程設(shè)計(jì)思維是工程設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)思維融合的產(chǎn)物［1］，指在工程設(shè)計(jì)過程中使用設(shè)計(jì)思維發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和反思問題的一項(xiàng)綜合能力［2］，旨在培養(yǎng)學(xué)生從多角度發(fā)散性看待問題［3］，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更好的問題解決方案。目前，依托STEM 教育跨學(xué)科的優(yōu)勢培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維已逐漸形成共識(shí)［4］。在新工科建設(shè)的影響下，已有不少研究嘗試將工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究整合起來以豐富K-12STEM 課程模式［5］，但如何將工程設(shè)計(jì)流程與STEM 教學(xué)進(jìn)行融合創(chuàng)新，以深度探索工程設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)仍比較欠缺。因此，探索針對(duì)性教學(xué)模式，以充分發(fā)揮工程設(shè)計(jì)與跨學(xué)科教學(xué)的優(yōu)勢，落實(shí)基礎(chǔ)教育學(xué)段工程設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)尚需努力。

1 相關(guān)研究

1.1 工程設(shè)計(jì)思維

工程是人類社會(huì)為滿足自身需要進(jìn)行的有意識(shí)的造物活動(dòng)，而設(shè)計(jì)作為工程的核心［6］，是對(duì)這些活動(dòng)進(jìn)行頂層規(guī)劃與細(xì)節(jié)布局的有目的的創(chuàng)造過程。工程設(shè)計(jì)作為工程與設(shè)計(jì)的結(jié)合，是指以工程問題為驅(qū)動(dòng)，滿足特定約束條件，依據(jù)設(shè)計(jì)概念和規(guī)范化流程實(shí)現(xiàn)用戶需求、目標(biāo)的系統(tǒng)化過程［1］。從這個(gè)意義上講，其符合人工科學(xué)與自然科學(xué)的內(nèi)在轉(zhuǎn)換機(jī)制。同時(shí)，由于其具有強(qiáng)烈的工程特征，是設(shè)計(jì)者在工程制造過程進(jìn)行知識(shí)分析與應(yīng)用的復(fù)雜認(rèn)知過程，因此Dym 等［1］將其細(xì)化為工程設(shè)計(jì)思維，屬于設(shè)計(jì)思維的子范疇。不同學(xué)者對(duì)于工程設(shè)計(jì)思維的理解不同。例如，Atman 等［7］認(rèn)為工程設(shè)計(jì)思維是指通過提供恰當(dāng)?shù)乃季S支架與問題約束幫助學(xué)習(xí)者界定問題范圍、考慮替代方案、靈活控制時(shí)間及把握方案質(zhì)量的一系列關(guān)鍵能力，是培養(yǎng)學(xué)生專家型設(shè)計(jì)行為與意識(shí)的新方法；Chang等［8］認(rèn)為工程設(shè)計(jì)思維是通過分解工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，嘗試以分類步驟的方式系統(tǒng)解決具有現(xiàn)實(shí)意義工程問題的能力。綜合各方觀點(diǎn)，本文認(rèn)為工程設(shè)計(jì)思維是對(duì)工程問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行理性觀察與評(píng)估，并采用一套系統(tǒng)完整的流程，即問題界定、方案設(shè)計(jì)、建模測試與優(yōu)化作為策略支撐解決工程問題的方法論。該思維啟發(fā)學(xué)生從多角度看待問題，并運(yùn)用系統(tǒng)、辯證及審視的態(tài)度促進(jìn)問題解決過程中設(shè)計(jì)認(rèn)知的發(fā)展與融合，以及設(shè)計(jì)概念有目的的轉(zhuǎn)化。

當(dāng)前工程設(shè)計(jì)思維研究主要集中在其培養(yǎng)和評(píng)價(jià)兩方面。工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)研究重視課程模式的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用。例如，Lin 等［3］為培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維，將STEM 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合，提出基于工程設(shè)計(jì)的STEM 項(xiàng)目式教學(xué)模式（EDP-STEM-PBL），研究表明該模式在澄清問題、產(chǎn)生想法、建模和可行性分析方面更能鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維；周安然等［4］以美國NASA 宇宙飛船安全課程案例為參考，主張圍繞工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)開發(fā)螺旋上升式的STEM 活動(dòng)，以真實(shí)任務(wù)情境驅(qū)動(dòng)學(xué)生探索工程問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)；李宏偉等［9］基于設(shè)計(jì)思維與工程教育的特性，從課程內(nèi)容建構(gòu)、教學(xué)過程組織和教學(xué)方式設(shè)定3 個(gè)層面總結(jié)出以設(shè)計(jì)思維為主線的工程設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)課程框架。工程設(shè)計(jì)思維評(píng)價(jià)的研究重點(diǎn)關(guān)注新手與專家工程的設(shè)計(jì)思維差異以及工程設(shè)計(jì)思維評(píng)價(jià)的操作化。例如，Atman 等［7］分析比較了工程專業(yè)學(xué)生與專家設(shè)計(jì)游樂場所時(shí)表現(xiàn)出的行為差異，結(jié)果表明專家在界定設(shè)計(jì)問題上花費(fèi)的時(shí)間更多，他們通常在廣泛收集信息后再深入挖掘設(shè)計(jì)問題，以保證問題的科學(xué)性；Safoutin 等［10］基于大量設(shè)計(jì)模型和參與者話語分析發(fā)現(xiàn)，工程設(shè)計(jì)思維可被分解為問題定義、信息收集、想法生成等能力，為工程設(shè)計(jì)思維的測評(píng)提供了新思路；Lin 等［3］和Ninger 等［11］和分別嘗試對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)原型、設(shè)計(jì)過程和認(rèn)知流程圖進(jìn)行編碼分析，結(jié)果表明這些過程性產(chǎn)出能夠清晰揭示設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)思想到設(shè)計(jì)實(shí)踐的具體轉(zhuǎn)變，有助于提升工程設(shè)計(jì)思維評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

總體而言，現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)主要依托于工程設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)，其評(píng)價(jià)不僅揭示了新手與專家工程設(shè)計(jì)思維的差異，也逐漸由會(huì)話分析向認(rèn)知評(píng)價(jià)靠攏。值得注意的是，上述研究雖然將工程設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)或項(xiàng)目學(xué)習(xí)融入到STEM 教學(xué)中，但其本質(zhì)仍立足于正向工程的視角，即從零開始構(gòu)建一項(xiàng)工程制品。然而，單一視角所產(chǎn)生的禁錮現(xiàn)象是直接導(dǎo)致其教學(xué)模式刻板且缺乏深度的主要原因［12］。因此，如何跳出固定限制，豐富STEM 教學(xué)中的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用仍有待深入研究。

1.2 STEM 教育與工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)的內(nèi)在聯(lián)系

STEM 教育以整合創(chuàng)新為宗旨，是一種融合多學(xué)科知識(shí)來解決現(xiàn)實(shí)問題的創(chuàng)新教學(xué)法，其引導(dǎo)學(xué)生在問題解決過程中利用工程控制流程、技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能、科學(xué)與數(shù)學(xué)原理完成概念解釋，以此實(shí)現(xiàn)問題解決能力與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)［13］。然而，以往的STEM 教育注重科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)科的融合發(fā)展，對(duì)技術(shù)與工程的整合關(guān)注較少［14］。隨著國際化進(jìn)程的加快，技術(shù)變革與工業(yè)競爭讓越來越多的國家意識(shí)到工程與技術(shù)教育是國家創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。2018 年，美國國家科學(xué)院與工程院聯(lián)合發(fā)布《以調(diào)查和設(shè)計(jì)為中心的6-12 年級(jí)科學(xué)與工程》報(bào)告，明確指出STEM 教育要注重工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究活動(dòng)相結(jié)合，以有趣的現(xiàn)象或工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目開展教學(xué)是促進(jìn)學(xué)生積極參與跨學(xué)科學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。其于2020 年發(fā)布的《技術(shù)與工程素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)：STEM 教育中技術(shù)與工程的作用》更是直接利用工程設(shè)計(jì)將技術(shù)教育與工程教育兩者進(jìn)行整合。可見，以工程設(shè)計(jì)的形式將工程與技術(shù)融入到STEM 教育中受到眾多研究者的青睞，這不單是STEM 教育整合發(fā)展的一劑良方，也為工程設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

1.3 工程設(shè)計(jì)與逆向工程

1.3.1 工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

工程設(shè)計(jì)作為探究工程問題的主流方式，受到眾多機(jī)構(gòu)與學(xué)者的普遍認(rèn)同。表1 為不同研究者或機(jī)構(gòu)對(duì)工程設(shè)計(jì)流程的理解。通過比較各流程的共性，Berland 等［15］總結(jié)出工程設(shè)計(jì)的四大特點(diǎn)：①問題定義。該特點(diǎn)指從廣泛、冗余的需求中挖掘出用戶的真實(shí)想法，并將其陳述為清晰、明確的工程問題；②設(shè)計(jì)解決方案。該特點(diǎn)指工程師依據(jù)所需條件，將工程問題與科學(xué)概念建立連接，并調(diào)動(dòng)已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)不斷權(quán)衡、審視，以尋找方案最優(yōu)解；③建模與分析。該特點(diǎn)指利用數(shù)學(xué)模型模擬真實(shí)應(yīng)用場景對(duì)方案進(jìn)行全面審查、剖析與調(diào)整；④迭代優(yōu)化。該特點(diǎn)指工程師重新回顧先前步驟，依據(jù)建模與分析結(jié)果不斷改進(jìn)和完善。上述四大特點(diǎn)是對(duì)傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)流程的高度凝練，其核心是利用工程設(shè)計(jì)流程引導(dǎo)學(xué)生明確問題并構(gòu)建解決方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)。然而，如何維持學(xué)生參與過程中的積極性尚未有很多研究，這也是導(dǎo)致教師刻板遵循流程、學(xué)生缺乏深度探索的主要原因。

Table 1 Understanding of engineering design processes by different researchers or institutions表1 不同研究者或機(jī)構(gòu)對(duì)工程設(shè)計(jì)流程的理解

1.3.2 逆向工程的內(nèi)涵與優(yōu)勢

逆向工程是以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物、樣件作為研究對(duì)象，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法對(duì)其進(jìn)行解剖、測量與分析，以確定產(chǎn)品內(nèi)部組件及其相互關(guān)系與再創(chuàng)造的過程［22］。與正向工程相比，逆向工程的思想更符合人類認(rèn)知規(guī)律，其所具有的強(qiáng)操作性可以更好地繼承原有產(chǎn)品優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的融合創(chuàng)新。從認(rèn)知角度看，逆向工程的本質(zhì)是在前人成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部創(chuàng)新，無需設(shè)計(jì)者經(jīng)歷從無到有的構(gòu)想，而是緊緊圍繞當(dāng)前產(chǎn)品的缺陷與不足進(jìn)行再創(chuàng)造。從實(shí)踐角度看，逆向工程以生活中常見的工程實(shí)物展開設(shè)計(jì)，因此其能快速帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入使用者和設(shè)計(jì)者身份意識(shí)，換位思考和揣摩先前設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作意圖，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用發(fā)散思維追尋真問題［23］。不僅如此，可擴(kuò)展性也是逆向工程的另一顯著優(yōu)勢。在高等教育中，Otto 等［24］將逆向工程與再設(shè)計(jì)進(jìn)行整合，將其實(shí)施過程擴(kuò)展為逆向工程、建模與分析、再設(shè)計(jì)3 個(gè)階段，以此呼吁通過逆向拆解的方法挖掘用戶需求并創(chuàng)新出更好的產(chǎn)品。該模式在德克薩斯大學(xué)、麻省理工學(xué)院和美國空軍學(xué)院中被廣泛應(yīng)用［25］。在基礎(chǔ)教育中，康斯雅等［12］將逆向工程思想融入小學(xué)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，提出解構(gòu)復(fù)原、解構(gòu)糾錯(cuò)、要素增減和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新4 類逆向工程拓展模式，以層層遞進(jìn)的方式引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)感知、分解、設(shè)計(jì)、實(shí)施、評(píng)價(jià)全過程，幫助其實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)與創(chuàng)新應(yīng)用。可見，逆向工程并非徹底顛覆工程設(shè)計(jì)，而是以真實(shí)、多樣的工程問題情境激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、豐富參與體驗(yàn)，推動(dòng)學(xué)生在感知與實(shí)踐的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)新。

2 面向工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)的STEM 教學(xué)模式

2.1 逆向工程與工程設(shè)計(jì)的融合

工程設(shè)計(jì)是嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范的設(shè)計(jì)流程，是探索工程問題的不二之選。逆向工程作為創(chuàng)設(shè)問題情境與拓展工程模式的新方法，是豐富傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的有效途徑。將兩者融合不僅能批判性地繼承彼此優(yōu)點(diǎn)，而且凸顯了STEM 教育實(shí)施的多樣性。具體而言，兩者整合的價(jià)值主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）以真實(shí)工程問題為起點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。有效的問題情境是教學(xué)效果的關(guān)鍵保障，而有效的問題情境強(qiáng)調(diào)真實(shí)、有趣并富有意義。逆向工程與工程設(shè)計(jì)的整合是從真實(shí)工程問題出發(fā)，通過建立生活需求與設(shè)計(jì)創(chuàng)新之間的有機(jī)聯(lián)系增強(qiáng)工程設(shè)計(jì)活動(dòng)的吸引力，從而激發(fā)學(xué)生探索、挑戰(zhàn)的本能，使其主動(dòng)參與到工程問題解決過程中，有助于深度探索行為的發(fā)生。

（2）以豐富的工程模式為指導(dǎo)，滿足各類教學(xué)需求。逆向工程獨(dú)特的擴(kuò)展性為彌補(bǔ)工程設(shè)計(jì)的單一現(xiàn)象提供了天然契機(jī)，其分別從橫向與縱向兩個(gè)維度對(duì)傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)流程進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用。從橫向上看，逆向工程的參與改變了傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)被正向工程壟斷的現(xiàn)狀，拓寬了工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍；從縱向上看，豐富的工程模式涵蓋了從基本概念理解到物品復(fù)原再到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的全方位教學(xué)需求，為適配不同深度的教學(xué)目標(biāo)提供了更多選擇。

（3）以動(dòng)手設(shè)計(jì)為主線，保障工程設(shè)計(jì)實(shí)踐落實(shí)。設(shè)計(jì)作為貫穿整個(gè)工程問題解決過程的主線，是解決問題的關(guān)鍵所在。然而在K-12 學(xué)段，追求完全的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是難以實(shí)現(xiàn)的，而彌補(bǔ)和完善已有產(chǎn)品的不足，聚焦于局部創(chuàng)新是有效降低設(shè)計(jì)者認(rèn)知與操作負(fù)擔(dān)、體驗(yàn)設(shè)計(jì)樂趣的關(guān)鍵。因此，以逆向思想驅(qū)動(dòng)的微創(chuàng)新是保障設(shè)計(jì)者積極參與與落實(shí)實(shí)踐的核心，是推動(dòng)深度探索的重要途徑。

2.2 模式構(gòu)建

基于對(duì)工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)底層邏輯的梳理，以傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)流程為基礎(chǔ)，將逆向工程選擇與拆解的核心環(huán)節(jié)整合到該流程中，經(jīng)歷“選擇目標(biāo)產(chǎn)品→明確需求和問題→剖析產(chǎn)品部件與結(jié)構(gòu)→提出解決方案→建模與測試→迭代優(yōu)化→評(píng)價(jià)”的漸進(jìn)設(shè)計(jì)過程，形成設(shè)計(jì)與探索并重的STEM 教學(xué)模式，具體如圖1 所示。該模式由STEM 學(xué)科知識(shí)、逆向工程教學(xué)法與工程設(shè)計(jì)思維三者整合的內(nèi)循環(huán)和新工程設(shè)計(jì)的外循環(huán)組成。其中，內(nèi)循環(huán)是基于教學(xué)目標(biāo)與學(xué)習(xí)者當(dāng)前工程設(shè)計(jì)思維現(xiàn)狀，通過逆向工程教學(xué)法為STEM 教學(xué)選取合適的工程產(chǎn)品、創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，并利用工程學(xué)自身的系統(tǒng)流程優(yōu)勢將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)與具體問題情境進(jìn)行有機(jī)整合的循環(huán)過程，是推動(dòng)STEM 課程實(shí)施的核心；外循環(huán)則是內(nèi)循環(huán)驅(qū)動(dòng)下展開的具體工程設(shè)計(jì)流程，即學(xué)生解決問題的操作步驟。兩個(gè)循環(huán)圈之間不是簡單的疊加，而是彼此交融、相互滲透，以內(nèi)循環(huán)的“需要知道”觸發(fā)外循環(huán)的“需要做”，共同實(shí)現(xiàn)基于STEM 教學(xué)的工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)。

Fig.1 STEM teaching mode for the cultivation of engineering design thinking圖1 面向工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)的STEM 教學(xué)模式

工程設(shè)計(jì)思維蘊(yùn)含在STEM 工程設(shè)計(jì)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)：①選擇目標(biāo)產(chǎn)品。教師作為教學(xué)的設(shè)計(jì)者和執(zhí)行者，選擇與教學(xué)目標(biāo)相統(tǒng)一的工程制品，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境的關(guān)鍵。教師在該環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生觀察和體驗(yàn)?zāi)繕?biāo)產(chǎn)品，鼓勵(lì)他們從多元角度發(fā)散性看待問題，并在感知與共情的基礎(chǔ)上完成信息收集與標(biāo)準(zhǔn)制定；②明確需求和問題。該環(huán)節(jié)需對(duì)識(shí)別的需求和問題進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，以目標(biāo)情境和現(xiàn)實(shí)約束共同確定產(chǎn)品的核心改進(jìn)點(diǎn)，幫助落實(shí)后續(xù)設(shè)計(jì)需解決的具體工程問題；③剖析產(chǎn)品部件與結(jié)構(gòu)。該環(huán)節(jié)給學(xué)生提供了知識(shí)建構(gòu)的契機(jī)，是推動(dòng)工程問題與科學(xué)概念映射的核心環(huán)節(jié)。教師作為探究學(xué)習(xí)的促進(jìn)者，帶領(lǐng)學(xué)生在明確目標(biāo)、理論與實(shí)踐的循環(huán)映射中領(lǐng)悟新知，完成信息加工與知識(shí)遷移；④提出解決方案。該環(huán)節(jié)是在經(jīng)驗(yàn)與新知的相互作用下對(duì)工程問題探索的具體外顯，包括產(chǎn)出設(shè)計(jì)草圖、闡釋與分享解決方案及評(píng)估方案可行性。新的解決方案是檢驗(yàn)知識(shí)習(xí)得與創(chuàng)新意識(shí)的直接證據(jù)，教師作為學(xué)習(xí)的促進(jìn)者，不僅要鼓勵(lì)學(xué)生積極表達(dá)想法，還應(yīng)提供相應(yīng)的教學(xué)支持激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，給予設(shè)計(jì)認(rèn)同，使其在融洽的氛圍中實(shí)現(xiàn)知識(shí)意義遷移并提升問題解決能力；⑤建模與測試。該環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，引導(dǎo)學(xué)生通過CAD 或3D 建模工具完成產(chǎn)品三維模型設(shè)計(jì)，并模擬真實(shí)使用情境對(duì)其進(jìn)行多輪測試，以檢驗(yàn)解決方案存在的不足；⑥迭代優(yōu)化。該環(huán)節(jié)是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。合理的迭代不僅可以更大范圍地覆蓋設(shè)計(jì)不足，為最終產(chǎn)品質(zhì)量保駕護(hù)航，也能使學(xué)生領(lǐng)會(huì)權(quán)衡與反思在設(shè)計(jì)中的重要性；⑦評(píng)價(jià)。在該環(huán)節(jié)中，學(xué)生要向老師和同學(xué)展示優(yōu)化后的最終方案，評(píng)價(jià)者可以從問題界定、流程完整性、概念映射及創(chuàng)新意識(shí)等方面給予反饋。同時(shí)，教師也要善于從學(xué)生的評(píng)價(jià)與反饋中總結(jié)活動(dòng)不足，不斷修正，為培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)思維指明方向。

3 STEM 教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 案例設(shè)計(jì)

本研究以華東地區(qū)某中學(xué)為實(shí)驗(yàn)基地，應(yīng)用前文構(gòu)建的STEM 教學(xué)模式，以“手持小風(fēng)扇改造”為案例展開教學(xué)。在改造過程中，學(xué)生一方面可以將日常經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)感受相結(jié)合，討論風(fēng)力變化，領(lǐng)會(huì)電流、磁力等物理概念，探究電能與風(fēng)能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素；另一方面可通過對(duì)解決方案的迭代優(yōu)化進(jìn)一步感知設(shè)計(jì)與制造之間的智慧轉(zhuǎn)化，并在總結(jié)與反思中加深對(duì)工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)性、規(guī)范性的理解，有助于學(xué)生工程設(shè)計(jì)思維的持續(xù)提升?；诖?，案例教學(xué)目標(biāo)圍繞學(xué)科核心知識(shí)、跨學(xué)科整合知識(shí)及工程設(shè)計(jì)思維層層遞進(jìn)，具體如表2所示。

Table 2 Teaching objectives for handheld small fan transformation case表2 手持小風(fēng)扇改造案例教學(xué)目標(biāo)

3.2 案例實(shí)施

邀請(qǐng)?jiān)撝袑W(xué)47 名九年級(jí)學(xué)生進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，共8 個(gè)課時(shí)，持續(xù)4 周。在課程開始前一周實(shí)施前測，課程結(jié)束后一周實(shí)施后測，具體教學(xué)實(shí)施流程如圖2 所示。在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，首先由教師選擇好恰當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品——傳統(tǒng)手持小風(fēng)扇，并基于該產(chǎn)品為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，帶領(lǐng)學(xué)生觀察風(fēng)扇外形、構(gòu)造，體驗(yàn)風(fēng)扇風(fēng)力大小、噪音強(qiáng)弱，收集風(fēng)扇相關(guān)信息，在廣泛收集信息的基礎(chǔ)上明確核心問題；然后指導(dǎo)學(xué)生逐步完成風(fēng)扇拆解，深入剖析風(fēng)扇組件的工作原理、學(xué)習(xí)電生磁的概念，并為學(xué)生提供相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工具，包括螺絲刀、電子秤、尺子、萬能表等，引導(dǎo)其開展分組實(shí)驗(yàn)。需要注意的是，在學(xué)生拆解風(fēng)扇和提出方案的過程中，教師要進(jìn)行適當(dāng)指導(dǎo)，記錄拆解步驟和操作易錯(cuò)點(diǎn)，檢查問題與概念映射關(guān)系是否正確；最后從創(chuàng)新性和價(jià)值性等方面對(duì)學(xué)生的實(shí)踐成果進(jìn)行評(píng)價(jià)，幫助學(xué)生優(yōu)化解決方案、反思問題，樹立開放、辯證的設(shè)計(jì)態(tài)度。

Fig.2 Teaching implementation process of handheld small fan transformation case圖2 手持小風(fēng)扇改造案例教學(xué)實(shí)施流程

學(xué)生活動(dòng)與教師活動(dòng)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在明確小風(fēng)扇改進(jìn)問題后采用小組合作的形式完成風(fēng)扇拆解、概念映射和3D 建模。在該過程中，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)與自身經(jīng)驗(yàn)提出解決方案，利用3D 建模探究不同扇葉材料、數(shù)量對(duì)風(fēng)力、噪音的影響，并在測試—觀察—記錄—優(yōu)化的循環(huán)過程中完成自我建構(gòu)，獲得最佳方案。在完成方案設(shè)計(jì)后進(jìn)行評(píng)價(jià)與反思，每組學(xué)生依次進(jìn)行成果分享交流。

3.3 效果分析

3.3.1 數(shù)據(jù)收集

研究采用問卷調(diào)查法和訪談法對(duì)學(xué)生工程設(shè)計(jì)思維發(fā)展水平進(jìn)行評(píng)估，以驗(yàn)證新教學(xué)模式的有效性。其中，問題解決能力問卷改編自Byun 等［26］制定的問題解決能力評(píng)價(jià)量表，包括問題感知和定義、提出方案和考慮結(jié)果、選擇方案和邏輯推理、反思方案和方案評(píng)估5 個(gè)方面；創(chuàng)新能力問卷改編自Besemer 等［27］制定的創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)量表，包括新穎性、有效性、精密性和綜合性4 個(gè)方面；協(xié)作能力問卷改編自胡小勇等［28］提出的協(xié)作能力評(píng)價(jià)量表，包括學(xué)習(xí)態(tài)度和小組協(xié)作兩方面。整份問卷共有28 道題目，均采用李克特五點(diǎn)量表的形式呈現(xiàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，問卷3 個(gè)維度的Cronbach′s Alpha 系數(shù)均高于0.80，表明該問卷信度良好。同時(shí)，訪談借鑒了Ninger 等［11］提出的工程設(shè)計(jì)理解問題示例用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)思維，包括原型制作、目標(biāo)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)推理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及流程規(guī)范6個(gè)方面。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

（1）問題解決能力。本研究對(duì)學(xué)生問題解決能力前后測數(shù)據(jù)進(jìn)行了配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果表明，通過手持小風(fēng)扇改造案例實(shí)踐，學(xué)生的問題解決能力各維度后測成績均高于前測，具體如表3 所示。可見，面向工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)的STEM 教學(xué)模式具有明顯的問題導(dǎo)向特征，有助于提升其解決問題的能力。

Table 3 Pre and post-test data for problem solving ability表3 問題解決能力前后測數(shù)據(jù)

（2）創(chuàng)新能力。如表4 所示，聚焦微創(chuàng)新后，學(xué)生的創(chuàng)新能力各維度后測成績均高于前測，其中新穎性增幅最突出，原因是聚焦后的問題十分明確，同時(shí)彰顯出極強(qiáng)的生活特征，學(xué)生們更容易將自身生活經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來，以生活為靈感實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)新。

Table 4 Pre and post-test data of innovation ability表4 創(chuàng)新能力前后測數(shù)據(jù)

（3）協(xié)作能力。如表5 所示，通過手持小風(fēng)扇改造案例實(shí)踐，學(xué)生的協(xié)作能力各維度后測成績均高于前測?？梢娫谛陆虒W(xué)模式的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生作為小組成員會(huì)以更強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)熱情投入其中，積極參與計(jì)劃制定與分工合作，并在討論中有意識(shí)地修正方向，規(guī)避討論偏離問題主體，共同實(shí)現(xiàn)問題解決與知識(shí)建構(gòu)。

Table 5 Pre and post-test data for collaboration capabilities表5 協(xié)作能力前后測數(shù)據(jù)

（4）系統(tǒng)思維。如圖3 所示，通過手持小風(fēng)扇改造案例實(shí)踐，學(xué)生在原型制作、設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)推理和材料選取方面的能力明顯提升。同時(shí)，學(xué)生能在原型制作中正確運(yùn)用概念、原理和公式對(duì)每個(gè)步驟作出清晰闡釋，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的遷移與應(yīng)用。

Fig.3 Comparison of pre and post-test data for systematic thinking圖3 系統(tǒng)思維前后測數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)語

工程教育是建設(shè)新時(shí)代的重要命題，工程人才培養(yǎng)是壯大新經(jīng)濟(jì)的首要途徑。本研究面向工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)實(shí)際需求，以手持小風(fēng)扇改造案例為例進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，論證了融合逆向工程與工程設(shè)計(jì)的新型教學(xué)模式的有效性。然而，本文研究尚存在局限之處：由于條件限制僅針對(duì)九年級(jí)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)，缺乏大規(guī)模實(shí)踐應(yīng)用，后續(xù)還需將其應(yīng)用于不同課堂情境中不斷完善，為推進(jìn)K-12 工程教育的實(shí)施提供教學(xué)操作層面的參考。