基于STEM理念指導下設計制作要素的把握

顧永樟

（浙江省余姚市教育局教研室 浙江余姚 315400）

設計制作指學生運用各種工具、工藝（包括信息技術）進行設計，并動手操作，將自己的創意、方案付諸現實，轉化為物品或作品的過程，它注重提高學生的技術意識、工程思維、動手操作能力等。

在課堂教學中，教師要針對學生原有的學習基礎、情感興趣、視野經驗等引導學生主動去發現設計制作要素，利用“STEM”理念，從“科學為基礎”、“數學為導向”、“技術為應用”、“工程為主線”四個不同維度來感知創意設計、動手制作，發展技術要素，從而提高學生的技術素養。[1]

一、科學探索是設計制作活動的基礎

設計制作類活動方式在小學階段主要體現的是以勞動技術為內容的動手操作，對此教師在開展相關主題時，想到的不僅是技術、是設計、是工程，同樣也必須考慮其中涉及的科學原理和規律，只有遵循科學原理和規律，設計制作活動才富有價值，探索才能體現孩子的科學精神。[2]

1．在科學探究中提高設計創新能力

省編的勞技新教材比以往更注重學生的設計性學習，它要求學生在綜合運用所學知識和技能的基礎上，進行作品制作前的科學設計，并按照設計進行實踐性操作。它更強調學生的自主設計和實踐操作以及創新精神，強調讓學生參與技術活動全過程，是技術教育的核心，是培養學生技術素養的重要途徑，也是科學探索精神在勞技教學中運用的重要體現。

如《沙漏的設計》主題活動中，學生在制作之前對沙漏進行科學設計，可以從材料選擇，制作方法，制作中難點的把握等不同的方面進行。選擇的瓶子一定要透明，制作過程中需要用到的其他材料也要選擇好，中間漏沙通道的處理與調試方法要事先想好等等。設計要盡量合理、細致、全面、周到，體現沙漏計時的精確性和科學性，學生在討論中設計，在實踐中修改，如以上的設計中，學生在制作時發現如果選擇的瓶子過高，還會出現重心不穩，容易倒的問題，于是，對于自己之前的設計進行了進一步的修改，在一次次的實踐與修改中，學生的科學設計能力與實踐能力得以提高。

2．在科學探究中發現問題并解決問題

在探究性學習過程中，學生必然會遇到很多學習上的問題，這個時候，教師不要急于解決學生出現的問題，應鼓勵學生用科學思維多嘗試，多探究，多實踐，在體驗中不斷深入。因為學習掌握新的知識與技能是一時的，而學會學習是終身的。在stem理念的倡導下，設計制作教學要把培養學生自我解決生成問題的能力當成首要任務來完成。教師可以指導學生運用觀察、比較、思考、想象、嘗試等不同的方法來解決探究過程中生成的問題，還要激發學生多角度、多側面、多方位進行大膽思考與分析，拓寬思維的廣度與深度，在個人嘗試，小組合作，互幫互助等各種不同的方法中解決問題。在解決生成問題的過程中促使學生自我進步。

如在《郵運薯片》的主題活動中，學生在了解運輸膨化食品，到顧客手里都碎了的這一現象后，教師讓學生開始嘗試科學探索一種簡單、有效、實惠的包裝方式，從而解決這一難題。學生在自主設計制作的過程中遇到了許多問題：包裝材料選擇，運輸測試，建模改進等問題，其中對于運輸模擬測試的實驗設計，引導學生運用科學知識思考：包裹在運輸過程會碰到哪些運動？擠壓、堆疊、拋投等，對此我們可以探究設計哪些實驗進行測試？于是出現了各種各樣的解決辦法：堆碼試驗、震動試驗、跌落試驗，模擬薯片在運輸過程中的種種問題，通過對比試驗再找出問題所在，繼續進行嘗試。有了這些科學的探究方法，設計制作中碰到的問題都能一一化解。在實踐探究中讓學生發現問題，并想辦法解決問題，是教師應該培養學生養成的一種能力，也是學生勞技素養提高的一個重要方面。

二、數學思維是設計制作活動的導向

設計制作活動的核心過程是對技術方案的設計，對此，在教學指導過程中，教師應滲透設計的意識，以數學思維為設計導向，讓學生親歷設計過程，逐步形成一定的設計能力。

1．學會用精準的數據體現技術方案的可行性

如在《橋梁的設計與制作》主題活動中，學生對于斜拉橋模型的設計結構沒有建模，隨意在設計稿中增添橋面、橋身的材料數量，而忽視了橋梁結構的比例、承重、造型等數據分析。對此，在教學指導中，教師要引導學生用數學工程思維對橋梁進行設計分析，探究結構與承重的關系，斜拉橋的構型是什么形狀？運用了數學幾何圖形中的哪些原理？各構件之間如何建立連接，材料的多少、長短、比例對橋梁模型有何影響，進行數學知識和技能的遷移運用，從而使橋梁設計圖更精準，更具有操作可行性。[3]

2．搜集科學的數據改進設計制作的完善

數學思維的導向還體現在制作成品交流展示中的數據采集、分析、應用中。如在《降落傘的設計與制作》主題活動中，學生利用相同材料、制作的降落傘在相同條件下降落的時間不一樣這一現象，引導學生利用數學思維提出問題，學會用搜集數據來改進降落傘的制作技術，改進降落傘的相關變量，如增減降落繩的數量、改變降落傘的面積等數學計算，從而發現降落時間與傘面結構的關系。通過數學思維的應用，促使學生對設計制作更加嚴謹，只有通過真實問題做科學，過程才是快樂的；通過數學實踐用科學，結果是才是難忘的。

三、技術意識是設計制作活動的靈魂

設計制作活動針對不同的學習內容，選擇模仿、合作和探究的不同學習方式，引導學生在教師指導下主動地、富有個性地學習，注重提高學生的技術意識、動手操作能力。

1．技術示范提升設計制作的質量

技術示范引領的方式有很多，可以是教師自己的示范，也可以是優秀學生的示范，可以當場示范，也可以以圖片、微課的方式示范，只要能夠有效地解決技術難點，對學生技能的形成具有滲透、促進作用，都是可行的。如《奇妙的繩結》主題活動中，班級里的孩子以前都沒有接觸過平結，為了降低打平結的難度，教師特意舍去了書中的分解圖，選擇更為簡潔明了的圖示重新拍下圖片，清晰地呈現了一個結的打法，供學生學習參考。后來又把靜態的圖片拍成了動態的微課視頻，連續打結的方法一目了然，技術中的難點一下子就化解了。

2．同伴互助提升學生的技術素養

在綜合實踐活動中，往往以小組合作的形式進行，根據設計制作的不同特點，可以將學生分成若干個不同的學習小組。在小組同學的共同探究中，學生可以從嘗試中發現問題，找到技法學習的難點，可以在嘗試的過程中實踐所學的技能，也可以在小組其他同學的影響下學習到不同的技術方法，拓寬思維，取長補短，共同進步。

如《紙杯毛驢》主題活動中，教師始終讓學生以四人小組為單位進行合作，合作的好壞決定了作品制作的質量。學生通過小組討論集思廣益，統一意見，想出了有別于范例，富有創意的構思。通過分工合作來共同完成作品，一人做頭部，一人做身體，一人剪頸部及以裝飾物，另一人負責整體的粘合，這樣能帶動個別動手能力差又不主動參與的同學進行制作。在制作過程中，同學之間互幫互助，既能培養學生的集體觀念，提高集體榮譽感，又能提高與人相處、與人合作的能力。

四、工程應用是設計制作活動的主線

工程學源于需要解決的某個難題，如“怎樣提高汽車燃油的效率？如何減少某種疾病的發病？”工程師的基本實踐是不斷提出問題，來搞清楚需要解決的難題，確定成功的解決方案標準。對此，在設計制作活動中，教師應立足學生實際，引導學生在活動過程中不斷提出問題，以工程學的思維來推動設計制作活動，生成設計解決方案，論證制作活動的可操作性，從而用模型或模擬的方法來解決問題，發現設計中的優點和局限。

如《小風車的設計與制作》主題活動中，學生發現有個別風車的風桿是斜的，此時，如果只對這一作品進行否定，就錯失了一次技術要素的鞏固時機。教師可以讓學生把這一小風車的風桿取下進行觀察，這時，學生就會發現，原來發電房的屋頂的口子開得太大，導致風桿無法直立。此時，教師可以引導學生利用工程學問，把小風車放置在真實場景中進行思考：如果屋頂的口子開得太大，有沒有什么補救的辦法？通過嘗試設計解決方案，生成工程問題應用，進一步生活場景模擬測試、實驗論證，學生一致認為在發電房里塞入紙團進行固定既省時又方便，效果也不錯。這樣的工程學問引導生成設計制作活動的主線，能讓學生對于技術要素有進一步的把握，技能掌握也更加扎實。

綜上所述，在綜合實踐活動課程指導綱要深入推進的當下，設計制作主題類活動中，學生綜合各學科知識，利用簡單的工具和材料，設計、制作屬于他們的創意作品、模型。在教學指導中，應以制作模型為研究項目驅動STEM教育，以制作模型為基點不斷改進工程設計，以制作模型為載體加強科學、數學學科融合，從而提升學生的技術意識和素養，把握設計制作的關鍵要素。

[1]教育部《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》2017版

[2]管光海《基于標準聚焦核心概念的STEM整合教育模式》開放教育研究201712

[3]吳昱寰《中小學STEM教育本土化策略探討》課程教育研究201609