以設計思維理念開展STEM課程設計的要點解析

葉兆寧

設計思維在教育中的運用始于斯坦福大學設立的設計學院，最早主要集中在高等教育中的工程和設計領域，隨后在商業、醫療、社會科學等領域得到廣泛應用。近年來，設計思維逐步擴展到了K—12的基礎教育中，教育模式從開設專門的課程逐步向設計思維與課程融合的方式轉變^[1]。

設計思維在國內教育中的運用起初也多集中在高等教育中，但隨著STEM教育、創客教育等教育模式在K—12教育中的實踐越來越多，具有跨學科特征的課程也逐漸增多，設計思維在其中的運用也慢慢凸顯出來。設計思維與STEM教育在學科融合、基于解決真實問題、創造力培養、合作學習及行動與反思等方面都有契合之處（因篇幅所限，文中具體契合點的描述，請訪問雜志官網——編者注）。因此，將設計思維引入具有跨學科特征的STEM教育的課程設計，不僅能增強課程的邏輯體系，還有助于提高課程的品質和教育效果。

下面以《中國科技教育》雜志匯編的《國外優秀STEM教育案例集》的課程案例為例，解析以設計思維理念開展STEM課程設計時有哪些可關注的要點。

要點一：來源于社會生產生活的真實問題

真實問題的引入不僅是STEM教育的需求，也是設計思維的需求。在真實問題的導引下，各個學科的學習和引入會圍繞問題本身自然而然地展開，設計需求的來源、任務要求和成果形式得以清晰明確，設計任務的目的也因此而具有現實意義和價值，為后續的學習打好基礎。

案例：風暴警報

這是1個面向4年級為期3天的有關颶風的課程，采用5E教學法。在“引入”階段，教師和學生討論當地的自然災難，并討論人和自然如何抵御災難，如“有哪些天然防護屏障可以保護一個地區少遭受颶風等自然災難的破壞”“如果你住在沿海社區，你如何抵御自然災害”“有哪些人為造成的環境變化會擴大颶風的影響”“人們可以采取什么防護措施以降低自然災害對于社區的破壞”等。在討論之后的“探究”階段，教師提出了一個表現性任務：你們小組供職于城市住房發展委員會，該委員會指導當地建筑公司根據最新的安全規定改造升級沿本州海岸區域建造的房屋。你們的一部分工作內容是建造房屋模型并測試它們抵抗颶風等自然災害的有效性。你們將測試這些房屋抵抗強風、暴雨和風暴潮的強度……

解析

在這個案例中課程聚焦于當地的自然災害，這本身就具備真實性。活動并不是立即從設計開始，而是通過引入部分分析、調研和討論，學生對真實問題有了較多的認識和經驗。可見，引入部分是學生開展設計思維的基礎。探究部分表現性任務的提法也具備真實性，該任務內容包括：“為什么要建造房屋模型？該房屋模型需要得到什么功能？要怎樣測試房屋模型？”任務的描述非常具體，也具有一定的可信度。同時案例中引入和探究2個環節較好地將設計思維的起點融入教學中，幫助學生理解人們開展設計的想法來源于何處，顯然教師并沒有期望4年級的學生自己挖掘出設計的機會，而是通過教學安排一步步幫助學生體驗出這一點。

要點二：以人為本的設計任務

通過共情對用戶需求進行挖掘和定義是進行設計的起點。這幫助學生的思維從以自己為中心轉向以用戶的需求為中心。然而更深層次的意義在于：設計思維中的以人為本，不是簡單的以用戶為中心，而是考慮人和自然的統一和諧與可持續發展，要涵蓋體現了人類目標和自然法則的物體和現象。這也正是體現設計思維與STEM教育共同價值的出發點。

案例：抓錯了魚——為金槍魚捕撈業中的兼捕問題設計一個解決方案

這是個適用于8年級的涉及環境科學和生物學的跨學科課程，學生將通過課堂活動設計和測試金槍魚捕撈中兼捕問題的解決方案。學生要收集和使用數據優化自己的設計，并考慮這個模型如何在現實生活中應用。通過學習，學生將能夠討論世界海洋漁業可持續發展的必要性;能夠設計、評估和完善減少兼捕的解決方案;能夠把他們設計的模型和實際生活聯系起來。活動開始時，學生首先模擬在海洋中捕撈的過程，辨認出目標物種和非目標物種，然后討論怎樣會被漁具抓到，引導學生反思這些物種在捕撈過程中遇到的不必要的個體損失，其中的一些物種正受到威脅。活動中教師引導學生通過調查，討論以下問題。

·你如何用自己的話解釋漁業的可持續發展？

·什么是兼捕？為什么兼捕是一個問題？

·什么是過度捕撈？為什么過度捕撈是一個問題？

·哪種捕魚方式會導致大量的兼捕？

·哪種捕魚方式可使兼捕的可能性小一些？

·對于漁民來說，每一種方式的優點和缺點是什么？從對環境的影響角度看呢？

解析

該案例從漁業中普遍存在的兼捕現象中提出設計問題，對這一現象的討論不僅需要學生從人的需求出發，還要幫助學生理解為何要從自然生態的角度思考，并將漁業發展與過度捕撈帶來的生態影響結合起來研究。這不僅有助于學生找到設計的需求，明確分析出該解決方案應該達成的作用，同時也能有效地幫助學生理解科學、技術、社會和環境的相互作用，以及何為可持續發展，人類需要為可持續發展采取怎樣的行動。

要點三：可視化

可視化不僅是設計思維的特點，STEM教育中也非常強調可視化。在教學中選擇可視化的工具，通過可視化的方式可以促進交流和思維。例如在設計思維中常用便利貼、馬克筆、繪圖紙等工具，采用思維導圖、頭腦風暴等方法將思維和想法可視化;利用模型制作將解決方案可視化;采用角色扮演和直接調研將設計需求可視化;用視頻、照片、記錄等將過程可視化等。可視化幫助學生匯集各種想法，深入了解過程中的各種變化，促進學生優化解決方案，找到更有效的問題解決方案。

案例：冠狀動脈無小事

這是1個面向初中學生的STEM課程，聚焦于學生對人體循環系統和呼吸系統的深入理解。在學生對人體的系統有一定程度的學習之后，教師給學生提供1個用糖霜和透明塑料管粘在一起的模型，模擬被諸塞的動脈血管。學生注意到糖霜位于管子的中間位置，且難以取出。接下來組織班級討論，學生需要提出清理動脈的方法，以及醫生在手術中可能遇到的困難。學生將這些想法都寫到白板上，以便全班同學都能看到。學生可以使用之前觀看心臟及細胞的視頻時做的筆記論證自己的觀點。教師鼓勵學生同意或反對他人的觀點，并且通過自己對證據的闡述支持或反對這些觀點。通過這個過程，學生了解到設計項目的需求，即用什么方法能取得動脈最大血液流量，并設計對項目成果的定量測試。

在接下來的小組活動中，教師為學生提供便利貼、不同顏色的馬克筆、繪圖紙，以及充足的空間。學生輪流將自己的想法寫在便利貼上，并貼在小組的繪圖紙上。教師指導學生使用正面肯定的語言評價想法。在小組確定了設計方案之后，學生們開始進行原型制作及測試，學生在制作和測試過程中會遇到很多問題，教師鼓勵學生一邊用錄像記錄下測試的過程，一邊對原方案進行現場修改或改進，但要求學生對方案的任何修改都記錄下來，將其作為未來設計迭代的基礎。

課程的最后，學生被要求評價項目設計方案，對其他同學的工作進行評價，并改進設計方案。每組的方案都要在全班進行展示以接收同行評議。學生還被要求制作1張海報，討論他們的設計過程和“手術”的成功。

解析

該案例中教師用了多種方法幫助學生展現自己的想法，理解他人的想法，包括用便利貼、馬克筆等將所有的想法寫到白板上，制作海報討論設計過程等。

每位學生都有機會展示自己的想法，而此前對血液循環系統和呼吸系統的學習為此打下了基礎。視頻拍攝有效地幫助學生記錄下測試的過程，他們可以利用視頻回顧測試的細節，分析問題出現的可能原因，并進行改進并記錄改進后的測試結果。學生對過程和過程中思考的記錄和再現對設計迭代起到了有效的促進作用。另外，該案例中還利用模型給出任務要求，讓學生改進模型以得到原型，這也是一種可視化。

要點四：行動中反思

設計思維的過程可以理解為“行動中反思”的動態過程，用行動擴展思維，通過行動的結果支配反思。

讓學生反思過程，即要求其闡明在項目學習過程中學到了什么、做了什么、改進了什么，根據回答能夠評價出學生的批判性思維和問題解決能力。在項目的每個階段，要求學生測量和比較自己的制品，判定制品在現實生活中的應用情況。一方面，可以通過收集和比較學生的不同版本的制品，分析學生的思維變化;注重學生在原型環節的展示與匯報，如果學生能夠借助原型，利用清晰的思路，結合學科知識的講解，將制品介紹給大家并得到認可，這不僅能突破用傳統的考試方式考查知識的掌握，更能夠反映學生的整體素養。

案例：抓錯了魚——為金槍魚捕撈業中的兼捕問題設計一個解決方案

此案例的工程任務是：設計一個新型漁網，減少模擬海洋（大桶）中的兼捕情況，并在捕撈時把“海豚”排除在外。教師向學生展示可能用到的材料，指導學生分析數據表，并告訴他們每個組要想出2種設計方案，并把其中1種做出原型。教師為學生提供設計評價量規表，學生可以在本組的容器或班級的大桶中測試模型，記錄捕魚網中的個體數量，然后和小組成員討論如何優化設計。

在課堂上演示他們的最終模型之前，每個小組應該把“測試—優化”過程至少重復3次。教師要提醒學生把每一次的數據記錄在他們的數據表里，并且計算所捕獲的目標物種和非目標物種的百分比。在小組活動過程中，教師可以巡視并提出一些能了解學生想法的問題，例如：“上一次測試完后，你們做了什么調整？為什么？基于數據你們如何判斷后一個模型比前一個更好？”

在課程最后的展示階段，教師引導學生討論各組設計的成功之處，鼓勵學生引用數據表中的數據支持他們的答案，如提問哪種設計方案最為成功、有什么特殊之處、你的模型從開始到最后有了哪些改變、為什么等。

解析

該案例中教師圍繞設計任務采用不同策略幫助學生在行動中反思，如：要求每個組有2種設計方案，促進學生在方案的測試和比較中進行思考;要求每個小組多次重復“測試—優化”過程，并運用問題促進學生在每次測試之后根據數據對模型進行修改，再通過數據測試不斷提升模型的實際效果。這正是體現了設計思維反復迭代的過程，也體現出教學中促進學生在行動中反思的要點。

要點五：指向學習與發展的評價

比起評價學生的設計制品或知能掌握情況，更加重要的是評價學生的學習和發展。眾所周知，中小學生受到其知識及能力水平的制約，不可能像真正的工程師那樣解決實際產品的設計和制作。既然如此，讓中小學生進行設計方面的學習意義何在呢？不言而喻，通過設計方面的學習在提升學生思維方法和創新能力方面都有很大益處。其實還有一點不可忽視的是課程本身應是立足于學生現階段的學習與知能發展，使設計過程的學習和認知的提升相互作用，使得融入設計的學習活動更具有教育價值。當然，這一點只了解課程表面的活動往往是不夠的，通過指向學習與發展的評價過程，課程設計的這一意義才會凸顯出來。

案例：工程設計與效果——1個水過濾實例

這是1個針對6年級的作為水循環單元一部分的課程活動，給學生提供學習人類的用水是如何進入水循環系統的機會，這也正符合NGSS工程設計標準。由于它涉及到了人類活動影響和地球科學領域學習的工程問題，所以它也能與NGSS“地球與人類活動”標準對接。

課程的第1步是與學生討論環境工程師們處理的最重要的議題之一，即處理飲用水，促進學生理解何為安全的飲用水。接下來引入Beaufort鎮需要幫助去除飲用水中的有害雜質（用紅色食用色素與自來水混合模擬）的工程任務。在開始進入初始設計階段之前，學生需要單獨完成1份活動前決策工作表，表中要求學生先繪制1張闡述水處理在水循環過程中的位置的示意圖和1張過濾器的草圖，并回答問題——你如何得知你設計的過濾器能夠起作用？為什么？之后，學生小組開始進行設計，經歷包括確認問題、確認標準和約束條件、頭腦風暴產生可能的解決方案、形成想法、探討可能性、選擇一種方法、建立模型或原型、完善設計等工程設計的過程。

在課程結束前，學生被要求獨立完成1個與活動前決策工作表類似的活動后決策工作表，回答3個相關問題：①畫出過濾器的草圖。你會使用什么材料？②你在活動過程中學到的知識如何改變了你的設計草圖？③關于水過濾器，你學到的最有意思的是什么？對比活動后決策工作表和活動前決策工作表，可以對學生的學習成果進行評價。

解析

從這個案例的描述中不難看出課程活動在采用工程設計方法的基礎上，以設計思維的過程和方法為主線，教師引導學生經歷設計水過濾器的工程設計活動，其中隱含了設計思維中對問題和解決方案思考方式的學習。但同時，在課程設立之初開發者就將課程的整體放在了NGSS的平臺上，清楚地顯示出開發者對該課程目標的準確理解和定位。更值得關注的是，課程運用了形成性評價——課程前后的決策工作表，關注學生對水過濾器與水循環的理解，關注學生對人類飲用水問題的分析，這些不僅體現出課程的教育目標和教育意義，也體現出課程運用指向學生學習和發展的評價開展教育過程的獨到之處。

參考文獻

[1]林琳，沈書生.設計思維與學科融合的作用路徑研究.電化教育研究，2018（5）