在實驗教學中融合STEM設計思維

吳逢高

科學課以科學實驗為載體，通過探究活動的經歷與體驗，可以對學生思維上的分析維度和象征維度進行有效培養，但這種培養不是對全腦思維的開發，具有一定的局限性。STEM教育中的工程設計過程正好能彌補科學探究活動在思維訓練上的維度缺失，將工程設計活動中有關思維參與的部分進行提煉，可以得到其核心內容——設計思維。本文就實驗教學與STEM教育理念中的設計思維融合創新展開研究與論述。

設計思維的內涵與定義

設計思維，是思維方法體系的投射與應用，它通過提供切實的思維支架及方法支持，引導學習者從定義問題開始，充分發揮現有材料、科學技術的優勢，逐步掌握創意構思、原型迭代、測試等一系列創新方法技能，最終實現問題的創新解決或產品的創新設計。

1.設計思維應用在科學實驗教學中的內涵與定義

設計思維應用在科學實驗教學中可理解為：面對需要論證或探索的自然現象和科學規律，通過系統的觀察和分析，將已有的信息有效地聯系起來，并結合實際情況找出富有創意的有效實證手段或創造性的解決辦法。學生經歷有效的設計過程，其設計思維能得到發展，能彌補單一的科學探究在思維培養上的盲點。設計的過程是對已存在的真實現象和自然規律加以綜合解決的過程，以“真實、綜合”為主要元素，正好彌補科學（以“分析、象征”為主要元素）的元素不足。

2.設計思維對小學生全腦思維發展的重要作用

科學倡導的是意義性的研究，其思維方式是從具體的自然現象中通過分析抽象出概念以及科學規律，屬傳統思維方式。而STEM教育中的設計思維則是實用性的研究，基于真實情境解決復雜問題。從右表中我們可以看出傳統思維與設計思維的不同。

基于設計思維確定實驗教學目標

科學探究培養的是線型思維，項目設計訓練的是發散思維。如果說科學探究是獲取知識的過程，那么設計思維就是知識應用的基礎。結合《義務教育小學科學課程標準》（以下簡稱“課程標準”）中的目標設定的有關內容，設計思維的目標定位應從以下四個維度進行考量，即“科學知識目標，科學探究目標，科學態度目標，科學、技術、社會與環境目標”，在目標制訂中還需要參考優秀設計者應該具備的同理心、原型迭代、團隊合作、可視化能力、系統觀、運用語言工具、創造力自信、樂觀等品質。基于設計思維確定小學科學實驗教學的定位框架如圖1所示。

1.通過基于STEM理念的設計思維培養，發展學生多元化的探究能力

美國國家科學教育標準中定義探究是多層面的活動，包括：觀察;提出問題;通過瀏覽書籍和其他信息資源發現什么是已知的結論，制訂調查研究計劃;根據實驗證據對已有的結論做出評價;用工具收集、分析、解釋數據;提出解答，解釋和預測;交流結果。探究要求確定假設，進行批判的、邏輯的思考，并且考慮其他可以替代的解釋。從其探究一詞的用法可以看出，STEM教育也是探究式學習的一種策略，探究既是學習的過程又是學習的目的，它的指向就是通過探究活動對學生進行多元化探究能力的培養，設計思維作為STEM教育中重要的工程導向環節，對學生探究多元化的發展有著極其重要的作用。

2.通過基于STEM理念的設計思維培養，豐富科學態度標準的內涵

課程標準對科學態度的目標從四個維度進行了描述：探究興趣、實事求是、追求創新、合作分享。以設計思維培養為載體，在對科學態度的描述中可以引入STEM教育與設計思維的理念，增加“遵循法律與道德規范”“系統觀”“創造力自信”和“樂觀”等維度。

3.通過基于STEM理念設計思維的培養，使“科學、技術、社會與環境”目標的設定更顯“人文”

STEM教育理念與設計思維中“同理心”的引入，更加凸顯“科學、技術、社會與環境”目標中的“以人為本”。除了讓學生了解、認識科學技術與日常生活的聯系，與社會發展的聯系以及人類與自然和諧相處的關系外，新增了要求學生多角度、詳細地觀察世界，了解社會發展過程中遇到的難題，理解人類對科學與新技術的不斷需求等。

4.通過基于STEM理念設計思維的培養，促進學生新知識的生成和創新

科學是認識世界、解釋自然界的客觀規律，主要解決自然現象“是什么”“為什么”的問題;STEM教育中的工程與技術是被人們用來改造世界，滿足社會需求，回答在社會實踐中“做什么”“怎么做”的問題。設計思維則是為“怎么做”提前做好方案規劃與重要論證的過程。STEM教育理念與小學科學學科的有機融合，促使設計思維植入小學科學實驗教學。這種多元智能培養的融合創新，極大地豐富了小學科學實驗教學的內涵，在促進他們的設計思維發展的同時，對促進學生全面發展也有著非常重要的意義。

基于設計思維的實驗內容選擇與實施策略

1.基于設計思維的探究實驗教學設計思路

培養學生設計思維的實驗，要以現有的科學實驗內容為基礎，并在實施中融入基于STEM教育理念的設計思維元素。通過更加“人文”的設計思維培養過程，發展學生多元化的探究能力、豐富學生的科學態度，促進學生設計能力與創新、創造能力的發展。

基于設計思維的探究實驗教學設計框架如圖2所示，具體闡述如下：

（1）教學設計必須遵循一定的原則——以課程標準為指南，對接核心素養，突出“學科育人”的重要性，在遵循設計原則的基礎上引入“思想實驗”概念，對學生的設計思維進行培養。

（2）以教材現有科學實驗為主要內容，構建新的實驗教學設計，注重設計思維的發展。培養小學生的設計思維，要本著“以教材為本”的思想，在不加重學生學業負擔的前提下，對教材現有科學實驗內容進行實施方案的重構，達到多維產出的目標。

（3）在對現有科學實驗實施方案重構前，教師要對取得的效益進行有預期的研判，不能只是實驗操作形式的改變而思維發展收益不足。

2.基于設計思維的探究實驗的教學內容選擇

小學科學實驗從操作方法上可分為兩種：一種是實驗操作技能訓練的實驗，以規范學生的實驗操作為主，其探究價值與思維訓練價值不是太大，可以不列入需要融合STEM理念與設計思維的序列，如用顯微鏡觀察細胞、托盤天平的使用、酒精燈的使用等。另一種是科學探索實驗，它是訓練設計思維的重點，如杠桿、浮力、日食與月食等內容。

3.基于設計思維的探究實驗的教學重構策略

（1）把按圖索驥的簡單驗證，重構為自主設計。通過“思想實驗”培養學生的創新構思，促進他們設計思維的發展。

自主設計是學生在自主實驗過程中提出問題到實驗之間最為關鍵的一步。實驗方案的設計直接影響到整個探究活動的成功與否。在自主設計過程中，學生通過“思想實驗”能夠體驗探索科學的方法，構建科學的思維。學生對所要研究的問題做出猜測，然后根據自己的猜測結合現有材料進行實驗設計并實施，以證明自己猜測的正確與否。如五年級上冊《土壤里面有什么》一課中，學生先對自己熟悉的土壤里的組成成分進行猜測，有空氣、水、小石頭、砂、灰（學生此時還無黏土概念）、營養（學生此時還沒有腐殖質概念）等。猜測完畢后，教師指出設計要求，讓學生自主設計實驗證明自己猜測的正確性。“用手摸是濕的可證明有水”“把土壤扔進水里有氣泡冒出證明有空氣”，這些設計很快就出來了。但證明是否有營養時遇到了短暫的冷場，教師適時安排分組討論，指導學生把問題與已有知識聯系起來。討論中，學生迅速完成了分析與推理，他們認為：可以用火燒的辦法來證明土壤中有營養，理由是四年級學過檢驗蛋白質就是用火燒，含有蛋白質的食物被灼燒后會有刺鼻的臭味，土壤里的營養是動植物腐爛后變成的;植物我們不知道，但動物的肌肉、內臟的主要成分就是蛋白質，雖然腐爛了，但我們猜測蛋白質以另一種方式存在而已，用火燒可以檢測土壤中的營養。“思想實驗”完成后，學生用準備好的實驗器材進行實驗驗證。在STEM理念與設計思維的建構過程中，學生這些富有邏輯的聯系、分析與推論，真正做到了核心概念的活學活用。

（2）根據學生的具體學情與年齡特點，對教材中的實驗次序進行重構，搭建好設計思維的培養平臺。

教材具有普適性，而各地各校有各自的具體情況，這要求教師根據實際學情與學生年齡特點對教學次序進行重構。如《空氣占據空間嗎》一課中，教材設計由《烏鴉喝水》的故事引入，再讓學生自主探究：在瓶子里裝一些水，用幾根吸管和一塊橡皮泥，在不傾斜瓶子的情況下，能不能利用空氣把水從瓶子中擠出來？探究得出結果后再做一個實驗進行驗證：把一團紙巾放在一個杯子的底部，然后把杯子豎直倒扣入水中，紙巾會被水浸濕嗎？為什么？整個流程的設計為“引入—探究—驗證”。

在STEM教育理念下這里增加了實踐環節，教學策略做如下調整：由《烏鴉喝水》引入，在故事中強化學生對三個關鍵詞“空間”“有限”和“占據”的理解。概念確立后，學生在教師引導下把原來的驗證實驗改為探究實驗，并完成紙巾不濕實驗的探究。探究流程為“猜測—尋找證據—實驗驗證—用繪本的方式完成思維外顯”。然后再對這個實驗進行延伸——如果杯子底有個孔又會發生什么現象？最后讓學生再經歷一次猜測、找證據支持自己的猜測、驗證、用繪本的方式完成思維外顯，從而內化學生對知識的理解。這樣的過程為學生積累了更多的知識與成功經驗，為解決后面的實踐問題打下了基礎。通過探究獲取知識，知識內化完成后再提出用空氣擠水實驗的設想，進行項目驅動。教師要求學生以團隊合作方式，通過討論與設計，在最短的時間內完成用空氣把水擠出來這一任務。在實際教學中，學生對這個具有一定難度的實踐活動的完成率在85%以上。

（3）針對教材中實驗的漏洞或問題進行二次設計，通過原型迭代與不斷測試為學生提供經歷“設計思維”的迭代過程的機會。

二次設計可視為項目式學習中的工程迭代過程。通過教材提供的實驗已經證明了知識的正確性后，學生在教師的引導下對教材上的實驗進行質疑，如實驗操作過于煩瑣、實驗效果不太明顯、實驗現象過于抽象等。針對這些問題對實驗進行新的設計，力爭重構后達到最優。如證明“光沿直線傳播”時，教材上的實驗設計為：電筒光只能穿過在同一條直線上的三個小孔，并將光投影到小孔后的屏上;當三個小孔不在一條直線上時，光則不能投影到屏上。在這個實驗中學生不能真實地看到電筒光在空氣中呈直線傳播，只能通過三個小孔是否在一條直線進行推測，不易理解。

在教師引導下，學生結合自己的生活經驗重新設計實驗：將一把粉筆灰撒向電筒光，光穿過粉塵時，直線傳播的路線就直觀地呈現在學生眼前。創新思維被激發后，常會有更精彩的生成：當看到粉筆灰下的光柱后，有學生進行了更深入的思考——粉筆灰是小顆粒，當光穿過時還能看到這些粉塵。如果讓光穿過微粒，會不會只看到光而看不到微粒。很快學生把自己的想法付諸實踐，當看到電筒光直直地穿過被稀釋過的墨水后，教室里響起一片掌聲。很快又有同學提出“那煙霧是不是由更細小的微粒組成的”。

（4）獨立思考與小組合作，滿足不同學生的學習需求。

大多數學生在遇到困難時都愿意與同伴一起合作完成學習任務，這是合作能力培養的過程，也是他們在遇到學習障礙時喜歡的一個解決問題的方法。教師在教學過程中應根據實際情況將學生獨立思考與合作學習結合起來，并在此過程中兼顧到學習共同體的建設。

（5）多元化的設計評價指向多維度的效益產出。

評價應采取多元化的評價體系，在評價內容上不僅要關注學生對知識的理解與應用，更要關注學生設計思維與創新能力的提升;在評價方式上，采用學生自評、學生互評、教師評價相結合的方式進行;在評價目標的確定上，與小學科學課程四維目標對接指向多維度的效益。

（本文系“中國STEM教育2029創新行動計劃”立項課題“STEM理念與小學科學教材<教科版>深度融合實踐研究”的研究成果之一，項目編號：2018STEM139）

四川省威州民族師范學校附屬小學

（623000）

東華大學（201620）

參考文獻

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