基于工程設(shè)計法的STEM項目實踐

徐青青 茅君平 袁媛

摘?要：工程設(shè)計法與STEM課程設(shè)計原則完美契合，以工程設(shè)計法為思路，改進(jìn)建模，設(shè)計適應(yīng)高中教學(xué)的STEM課程框架，并以“橋梁的設(shè)計”為例，進(jìn)行項目實踐，教學(xué)效果顯著.

關(guān)鍵詞：STEM;工程設(shè)計法;項目式學(xué)習(xí);最近發(fā)展區(qū)

文章編號：1008-4134（2020）05-0034中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

基金項目：中國STEM教育2029創(chuàng)新行動計劃課題“STEM教育特色學(xué)校建設(shè)的行動研究”（課題編號：2018STEM089）.

作者簡介：徐青青（1993-），女，浙江臨海人，本科，中學(xué)二級教師，研究方向：項目式學(xué)習(xí)模式和STEM高中教育;

茅君平（1979-），男，浙江溫嶺人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：支架式教學(xué)和STEM高中教育;

袁媛（1982-），女，安徽安慶人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：實驗教學(xué)設(shè)計和高中物理課堂教學(xué)設(shè)計.

STEM教育理念中，科學(xué)（Science）重在認(rèn)識自然規(guī)律，工程（Engineering）和技術(shù)（Technology）重在應(yīng)用自然規(guī)律、改造世界.工程設(shè)計是要解決一個實際需求所引發(fā)的問題，學(xué)生取代教師的主導(dǎo)地位，自主建立明確的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮各學(xué)科知識，設(shè)計方案，并在實踐中反復(fù)修正，給出最優(yōu)化的解決方案[1].其中跨學(xué)科整合、解決實際問題、融入工程技術(shù)、結(jié)果明確和途徑多樣等特點，無一不與STEM課程的設(shè)計原則[2]相契合.同時，工程設(shè)計法能將STEM的四種教學(xué)方法有機整合：在項目式學(xué)習(xí)的主線下穿插問題式、設(shè)計式、探究式學(xué)習(xí)模式[3].

1?以工程設(shè)計法為路徑的STEM項目模型

1.1?改進(jìn)工程設(shè)計法流程

傳統(tǒng)工程設(shè)計流程如圖1所示，將所要解決的問題分化為一系列的具體步驟，各步驟關(guān)系緊密、交互進(jìn)行.其優(yōu)點主要表現(xiàn)為：學(xué)習(xí)方式的多樣性、學(xué)生的主體性、知識范圍的廣闊性、難易的伸縮性和思維的層次性.

但在應(yīng)用于高中STEM項目的過程中，既要結(jié)合高中生的認(rèn)知發(fā)展階段特征，又要考慮STEM項目設(shè)計的基本要求.因此，需要對一般工程設(shè)計法步驟細(xì)化改進(jìn)，如圖2所示.例如，將“提出解決方案”分步進(jìn)行，改為“頭腦風(fēng)暴”和“制定方案”，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力;增加“研究資料”和“分享交流”階段，進(jìn)一步豐富學(xué)習(xí)方式，也豐富學(xué)生的知識儲備;將“改進(jìn)”作為核心驅(qū)動階段，穿插于各步驟之中，在改進(jìn)時不再循規(guī)蹈矩地重復(fù)所有步驟，效率可得到大幅度提升.

1.2?基于工程設(shè)計法STEM項目設(shè)計

基于上述改進(jìn)，將項目分為三步進(jìn)行，分別是：學(xué)科整合的融合性課程、解決真實問題的實踐性課程、供學(xué)生深入學(xué)習(xí)的研究性課程.每個課程中設(shè)計相應(yīng)的具體活動，包括學(xué)生的學(xué)習(xí)活動和教師在其中的指導(dǎo)活動.項目框架及課程設(shè)計如圖3所示.

1.2.1?確定問題

許多現(xiàn)實問題是復(fù)雜、模糊的，作為高中學(xué)生的研究對象，需要將其簡化、重新定義.解決“是什么”的問題，有助于學(xué)生理解整個活動的必要性.具體操作上，首先要確定一個大的問題方向，即總體任務(wù)目標(biāo);其次，對這一大目標(biāo)分解，列出具體的小問題，將模糊的問題具體化.例如，我們要設(shè)計什么？設(shè)計結(jié)果服務(wù)對象是誰？最后，要確定參數(shù)，量化設(shè)計要求、評價指標(biāo)以及限制因素.

1.2.2?頭腦風(fēng)暴

大部分現(xiàn)實問題都沒有單一的正確答案，解決方案多樣，并不斷被以創(chuàng)新的方式解決.因此這一階段教師的任務(wù)就是挖掘?qū)W生的元認(rèn)知，發(fā)散思維，引導(dǎo)學(xué)生走向最近發(fā)展區(qū).建議將學(xué)生分組，讓學(xué)生更有效地集思廣益，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，尋求盡可能多的解決方案.該階段的重點是團隊合作和大膽創(chuàng)新，而非對想法可行性的定量分析.

1.2.3?學(xué)科整合

大部分項目設(shè)計不止一個學(xué)科的知識點，需要學(xué)科知識融會貫通.因此，教師需要整合學(xué)科知識設(shè)計STEM課堂，教授學(xué)生解決問題所需的新知識.

1.2.4?制定方案

頭腦風(fēng)暴是學(xué)生在生活經(jīng)驗和元認(rèn)知的基礎(chǔ)上，以直覺的方式呈現(xiàn)出來的，是一個從具體現(xiàn)象到抽象思維的過程，那么在學(xué)習(xí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝R后，就需要對抽象思維進(jìn)行可行性分析，將方案具體化.方案中應(yīng)當(dāng)包含：總體目標(biāo)和小問題、針對問題的解決辦法或設(shè)計、操作過程、可視化的圖示.該階段旨在具體化學(xué)生抽象的思維，要求嚴(yán)格的定量分析.

1.2.5?建立模型

這個過程，有助于學(xué)生進(jìn)一步發(fā)揮各自的創(chuàng)造力和動手能力，將想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實，也為測試評價服務(wù).建立的模型需要以方案為指導(dǎo)，有序進(jìn)行，同時需要根據(jù)現(xiàn)實情況靈活調(diào)整.

1.2.6?測試評價

該階段的主要任務(wù)是檢測學(xué)生建立的模型是否解決了一開始的問題和需求，是否工作流暢，又是否存在不足之處.

1.2.7?交流分享

一個人的力量是有限的，一個團隊亦是如此，因此，需要各組交流分享，取長補短.建議該階段以學(xué)生答辯的方式展開，答辯前各組組內(nèi)討論，答辯期間其他組可提問質(zhì)疑或收集改進(jìn)靈感.內(nèi)容主要圍繞以下幾點：各自的設(shè)計要點、模型展示、優(yōu)點缺陷.

1.2.8?改進(jìn)

STEM教育是整合學(xué)科知識、解決實際問題的交互式過程，這就要求學(xué)生不能止步不前，不斷優(yōu)化方案，以更有效地解決實際問題.工程設(shè)計法的核心階段，要求學(xué)生取其精華，棄其糟粕，即整合測試和交流分享的結(jié)果，查找相應(yīng)資料，頭腦風(fēng)暴，有選擇地吸收其他組的優(yōu)點和建議，改進(jìn)方案.“改進(jìn)”是內(nèi)核驅(qū)動模塊，穿插于各階段之中，學(xué)生在最后以迭代改進(jìn)的思想，不斷完善方案.

2?活動案例

該文以“橋梁設(shè)計”這一主題為例，以工程設(shè)計法為路徑框架，圍繞STEM素養(yǎng)目標(biāo)（見表1），在浙江省臺州市T中（T中學(xué)為中國STEM教育協(xié)作聯(lián)盟授予的“STEM教育領(lǐng)航學(xué)?！保韵潞喎Q“T中”）展開實踐活動.

2.1?確定問題

【教師指導(dǎo)活動】

（1）創(chuàng)設(shè)情景：展示“T中”附近的各種橋梁圖片、航拍視頻，以及其他橋梁事故案例.

（2）給出任務(wù)目標(biāo)：請同學(xué)們像工程師們一樣（圖1），在學(xué)校邊的河流上設(shè)計一座橋梁.

（3）分解問題：我們?yōu)槭裁匆O(shè)計橋梁？設(shè)計橋梁有哪些需求？我們需要解決哪些問題？

（4）對拱橋進(jìn)行受力分析，演示其中的合成分解過程.

【學(xué)生活動】

（1）分組討論：明確總?cè)蝿?wù)，并回答上述小問題.

（2）對各種橋梁進(jìn)行受力分析以及力的合成分解.

（3）量化要求：確定設(shè)計要求、評價指標(biāo)、限制因素等，見表2.

2.2?頭腦風(fēng)暴

【教師指導(dǎo)活動】

（1）教師列舉幾個自己的想法，以激勵學(xué)生跳出思維定勢.例如：使用空心磚建橋以減少橋梁自重;懸浮在水面上的橋.

（2）強調(diào)該節(jié)課的目標(biāo)是收集各種創(chuàng)意，提醒同學(xué)們不要急于否定質(zhì)疑.

（3）給每個學(xué)生準(zhǔn)備兩種顏色的便利貼，最后進(jìn)行投票，例如紅色便利貼代表喜歡，藍(lán)色代表不喜歡.

【學(xué)生活動】

（1）小組代表匯報研究資料收集成果.

（2）討論、記錄小組成員針對問題的各種想法，并加以整理.

（3）各小組代表上臺用草圖和關(guān)鍵詞來展示想法.

（4）所有學(xué)生對各小組的想法進(jìn)行投票，并在便利貼中寫下自己對該模型的想法.

2.3?學(xué)科整合

【教師指導(dǎo)活動】

（1）選取幾個學(xué)生頭腦風(fēng)暴中畫的草圖，對其受力分析.

（2）層層遞進(jìn)，從簡單的平橋到墩橋，再到上、下拱橋，演示從物理理論知識到工程實踐的發(fā)展過程.

【學(xué)生活動】

（1）對各種橋梁進(jìn)行受力分析、研究各個拱橋的工作原理.

（2）查閱資料，采訪從事橋梁建設(shè)的工作人員.

2.4?制定方案

【教師指導(dǎo)活動】

（1）給出方案案例，包含橋梁設(shè)計目的、橋梁設(shè)計圖示、載重說明、所用材料等.

（2）演示CAD基本操作過程.

【學(xué)生活動】

（1）在教師指導(dǎo)下，根據(jù)量化參數(shù)分析多種方案的優(yōu)缺點，選擇一個最優(yōu)方案.

（2）使用CAD或者其他技術(shù)語言將草圖轉(zhuǎn)化為嚴(yán)格的圖示.

（3）參考案例框架，制定自己的橋梁建造方案.

2.5?建立模型

【教師指導(dǎo)活動】

（1）用木塊搭建古代拱橋模型，展示其承重效果.

（2）指明建立模型的目標(biāo)是為了測試設(shè)計的各項指標(biāo).

（3）提供木條、膠水、工具刀等物品.

（4）指導(dǎo)學(xué)生搭建過程中出現(xiàn)的技術(shù)難點.

（5）帶領(lǐng)學(xué)生參觀“T中”STEM中心的3D打印設(shè)備，演示其建模過程，展示一些3D打印小模型的說明書.

【學(xué)生活動】

（1）根據(jù)方案，小組分工合作，搭建橋梁實物模型.

（2）記錄所用材料及其數(shù)量.

（3）討論：針對現(xiàn)實搭建過程中的難點，小組討論技術(shù)路徑、尋求教師指導(dǎo).

（4）改進(jìn)：學(xué)習(xí)3D?One電腦小程序，打出自己的模型，嘗試以說明書的形式改進(jìn)方案框架.

2.6?測試評價

【教師指導(dǎo)活動】

（1）帶領(lǐng)學(xué)生前往“T中”物理實驗室的數(shù)字化實驗室，借助牛頓第三定律的拉力傳感器，使學(xué)生熟悉壓力傳感器的應(yīng)用.

（2）前往“T中”地理實驗室的地震館，測試橋梁的抗震能力.

【學(xué)生活動】

（1）使用壓力傳感器測試橋梁承重能力，畫出力的圖示，受力分析.

（2）分析橋梁結(jié)構(gòu)，對比各模型的抗震能力得出三角形等穩(wěn)定結(jié)構(gòu).

（3）記錄測試的數(shù)據(jù)，根據(jù)量化參數(shù)，對模型進(jìn)行全方位評價.

（4）改進(jìn)：觀測稱重情況和抗震情況，對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn).例如，增加三角形結(jié)構(gòu)加固.

（5）評價：使用雷達(dá)圖展現(xiàn)各個量化參數(shù)，便于比較，如圖4所示，橋梁1的承重和抗震能力突出，而橋梁2在其他方面表現(xiàn)較好，建造成本較低.

2.7?交流分享

【教師指導(dǎo)活動】

（1）要求各組展示模型、根據(jù)STEM各素養(yǎng)參數(shù)介紹其優(yōu)點.

（2）追問學(xué)生設(shè)計方案的未來展望.

（3）答辯后組織各組學(xué)生觀看其他組模型、相互交流設(shè)計過程（如圖5）.

【學(xué)生活動】

（1）小組上臺，各成員展示答辯自己負(fù)責(zé)的區(qū)塊.

（2）聆聽其他組的答辯，針對不足之處提問.

（3）改進(jìn)：收集其他組的優(yōu)點，改進(jìn)本組存在的缺陷、提升整個設(shè)計方案.

（4）交流：交流設(shè)計過程，取長補短（如圖6）.例如，在制定方案這一階段采用矩陣的形式對各種方案快速評估，提高效率.

3?結(jié)束語

STEM項目式教學(xué)模式立足真實情景，使用工程設(shè)計法引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建知識體系，教學(xué)效果顯著.學(xué)生設(shè)計豐富多樣，動手能力極強，建立的模型精細(xì)美觀，完全超出教師的預(yù)設(shè).同時，低學(xué)業(yè)水平學(xué)生在此次項目活動后表現(xiàn)出對物理、技術(shù)學(xué)科極大的學(xué)習(xí)興趣和積極性;高學(xué)業(yè)水平學(xué)生也能在應(yīng)用理論知識的過程中獲得極大的成就感，表現(xiàn)出超高的動手能力和解決問題的能力;參與的教師既加深了對STEM理論的理解，也對STEM項目的實踐過程更加熟悉.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2019-12-04）