基于PIRPOSAL模型下的STEM教育解讀

石雨鑫，賀小光

（長春師范大學，吉林長春 130032）

1 綜合STEM教育

綜合 STEM 教育 （Integrative STEM Education，ISTEM ED）如今被定義為：運用以技術(shù)或工程設計為基礎的教學方法，通過技術(shù)或工程教育中的內(nèi)容與實踐，教授科學和數(shù)學教育的內(nèi)容與實踐。由定義可知，ISTEM ED是一種通過讓學生參與以技術(shù)或工程設計為基礎的學習來進行知識建構(gòu)的教學方式。它將動手與動腦聯(lián)系在一起，利用實踐經(jīng)驗帶動腦力的學習成果；即通過經(jīng)驗學習促進知識構(gòu)建。對于STEM教育者而言，他們需要一個模型來指導和落實I-STEM ED。但通過對現(xiàn)有教學模型的嚴格審查發(fā)現(xiàn)它們并不能表達STEM綜合教育理念。因此以過去十年的I-STEM ED的教學設計和發(fā)展為基礎，2016年5月PIRPOSAL作為一個可以滿足這一需求的模型被John G.Wells所提出。

2 PIRPOSAL模型：從理論到實踐

2.1 理論到實踐：在課堂中落實I-STEM ED

落實以PIRPOSAL模型為基礎的I-STEM ED的最好方式，就是對其各個階段進行討論。為方便起見，該文將順序介紹該模型。由于設計過程的出發(fā)點完全取決于設計者提出的問題，因此，討論一般由中心問題展開，再通過八個設計的階段來引導學生。

2.2 P.I.R.P.O.S.A.L階段

根據(jù)學生們在整個設計過程中所需要了解的特定問題，PIRPOSAL的每個階段都包含了三個設計焦點，分別是P:需求、定義、構(gòu)想；I：標準、頭腦風暴、生成；R：探究、調(diào)查、測試；P：分析、構(gòu)思、選擇；O:實驗、重新探討、建構(gòu)；S：測試、分析、解釋說明；A：確認、重新設計、重新測試；L:流程、迭代、證明。且每個焦點都強調(diào)了對具體實踐的整合。下面詳細介紹了在設計挑戰(zhàn)的各個已知階段中，設計性提問引導學生的方法。且每個焦點都強調(diào)了對具體實踐的整合。下面詳細介紹了在設計挑戰(zhàn)的各個已知階段中，設計性提問引導學生的方法。

2.3 Problem identification確定問題階段

基于初步需求，教育者會提示學生在操作上定義問題，并使學生明確為什么需要該工程學解決方案。而以操作型定義為基礎，學生可以構(gòu)想出一個簡要的問題說明。該說明需要包含基于設計規(guī)范細節(jié)（需求+問題）的綜合問題，以及工程學解決方案最終起到的作用。在闡述問題說明的過程中，需要概述由工程學解決方案的背景和功能所共同決定的標準、參量和約束條件。

2.4 Ideation構(gòu)思階段

在確定問題階段學生可以收集到一些信息（參數(shù)、約束條件等），構(gòu)思階段就開始于對這些信息中所包含的評判標準的回顧。這種回顧可以使學生對下列問題進行了解：（1）關(guān)于問題已知什么？（2）關(guān)于問題須知什么？

該階段首先是集中性提問。根據(jù)對問題的了解，學生進行討論，然后向小組成員征求潛在設計方案的相關(guān)意見。而在頭腦風暴的同時，學生也要意識到他們在哪些領(lǐng)域缺乏知識、哪些領(lǐng)域需要對設計變量做進一步調(diào)查。在構(gòu)思階段，團隊成員需要記錄所有的建議和意見，包括任何與潛在設計相關(guān)的草稿、圖紙或注釋，它們將共同生成一個或多個初始的設計解決方案。

2.4.1 R.研究階段

在研究階段，要求教育者在設計問題時，將調(diào)查重點放在STEM學科的內(nèi)容和實踐中，確保學生能實現(xiàn)學習成果。為此，需要讓學生對與設計方案各部分相關(guān)的科學、技術(shù)、工程和數(shù)學進行知識測試。這樣的測試對學生提高對STEM要素限制條件的理解而言，至關(guān)重要。

2.4.2 P.潛在解決方案階段

憑借學生在頭腦風暴和研究階段所獲得的想法和知識，就能夠確定哪些潛在解決方案是可行的。在潛在解決方案階段，學生的初始任務是分析潛在解決方案中的基本要素。當學生對潛在解決方案（技術(shù)、材料、過程等方面）分析了解后，集中性提問就顯得尤為重要。通過提問獲得足夠的信息，進而判斷所做決定是否正確。再通過詳細的草圖對每一項設計進行分析，設計者就可以構(gòu)思出最合適的替代解決方案。在繪制草圖和圖紙的過程中，學生會為他的想法賦予一些實質(zhì)性內(nèi)容，如型號、材料等，最終選擇出一個或多個可行的潛在設計解決方案。

2.4.3 O.優(yōu)化階段

在很大程度上潛在設計的優(yōu)化階段是由發(fā)散性提問引導的。通常根據(jù)實驗來完成對各部分的評估，進而確定它們在設計方案中的功能。然后設計人員根據(jù)這些結(jié)果重新探討出一個特定的設計方向，并評估各部分在多大程度上對實現(xiàn)設計標準有幫助，而其他的考慮因素則包括如成本（時間、資源、生產(chǎn)）、影響（環(huán)境、社會文化、政治）等一些變量。基于這些評估，學生能確定潛在解決方案中哪些部分的結(jié)合最有用。優(yōu)化階段能使學生有足夠的信心開始建構(gòu)原型方案，進而引導出最終的設計解決方案。

2.4.4 S.方案評估階段

為證實觀點，原型方案通過實際測試、收集和分析數(shù)據(jù)、觀察、對原型進行必要的調(diào)整，同時根據(jù)對實驗結(jié)果的解釋說明，得出結(jié)論，進而測驗其設計觀念。因此，在方案評估階段提出的設計性問題，將針對設計挑戰(zhàn)中的各個標準來對原型解決方案的屬性進行評估。這通常涉及一系列子實驗。當重新設計解決方案時，對定量和定性結(jié)果的解釋說明可用于描述失敗的設計或需要被解決的設計屬性。為了改進解決方案，這些解釋說明對制定良好的設計有直接的影響。

2.4.5 A.改良階段

初始設計就能滿足所有設計規(guī)范是很少見的，在設計可行的工程學解決方案的過程中，最初嘗試總是伴隨著性能問題，同時也會產(chǎn)生一些新的設計性提問。這些提問使學生回溯到方案評估階段的結(jié)果中，并重新確定初始方案中的性能問題。重新討論這些結(jié)果，可以使學生分離出初始原型中不符合規(guī)范且需要重新設計的特定屬性。

2.4.6 L.學習成果鞏固階段

在整個設計過程中學到的知識，可以在學生的答案中顯現(xiàn)出來。學習成果階段要求學生以圖表、口頭或書面形式交流他們所了解到的知識。在工程設計過程中，對流程的探討是揭示學生程序性知識和陳述性知識的理想方法。而對迭代的討論則揭示了低階問題的發(fā)展，反映出學生在聚合性思維與發(fā)散性思維之間的轉(zhuǎn)變。同時學生可以利用內(nèi)容和實踐之間的聯(lián)系做出正確的決定。而在對這種聯(lián)系解釋說明時，他們能夠展示更高階的思想，由此證明出他們設計方向的正確性。

3 結(jié)語

盡管在具體應用實踐中，國內(nèi)對STEM教育的研究、落實還處于起步階段，但從已有的國內(nèi)外對PIRPOSAL模型的研究來看，在I-STEM ED中落實PIRPOSAL模型，符合社會發(fā)展需要，也有利于培養(yǎng)《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)總體框架》所提出的具備六大素養(yǎng)的新一代學生，使中國在未來全球競爭中搶占優(yōu)勢。