設(shè)計型學(xué)習(xí)視域下的STEM教學(xué)模式構(gòu)建

摘要：STEM教育與設(shè)計型學(xué)習(xí)在目標(biāo)、內(nèi)容、問題、過程、學(xué)習(xí)等多方面存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。設(shè)計型學(xué)習(xí)視域下的STEM教學(xué)模式，以培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)為學(xué)習(xí)目標(biāo)，以問題導(dǎo)向、頭腦風(fēng)暴、協(xié)作溝通、思維可視化為學(xué)習(xí)策略，構(gòu)建包括科學(xué)探究環(huán)、工程設(shè)計環(huán)、拓展環(huán)三個循環(huán)的學(xué)習(xí)模型。

關(guān)鍵詞：STEM教育;設(shè)計型學(xué)習(xí);教學(xué)模式

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-90942020）07B-0009-04

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今學(xué)校教育越來越重視創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。正是順應(yīng)這樣的要求，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的STEM教育受到世界各國的廣泛關(guān)注，各國政府都在努力推進(jìn)STEM教育。STEM教育起源于美國，2011年美國頒布了K-12科學(xué)教育框架，其核心內(nèi)容包含科學(xué)與工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念、學(xué)科核心概念，將STEM教育引入科學(xué)課堂中。隨后，世界各國相繼出臺有關(guān)STEM教育的政策，加入STEM教育改革的行列當(dāng)中。2017年2月，我國教育部頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》首次將技術(shù)與工程教育加入科學(xué)教育體系中，并強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的STEM教育，把STEM作為以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)融合為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。

設(shè)計型學(xué)習(xí)是當(dāng)前國外教育界悄然興起的一種全新的探究性學(xué)習(xí)方式，以真實(shí)挑戰(zhàn)為出發(fā)點(diǎn)，學(xué)生通過設(shè)計和探究完成挑戰(zhàn)，掌握技能，發(fā)展高階思維。設(shè)計型學(xué)習(xí)作為一種探究性學(xué)習(xí)方式，是STEM教育理念“落地”的重要途徑。為進(jìn)一步探究小學(xué)科學(xué)課堂開展STEM項目學(xué)習(xí)的教學(xué)改革研究，筆者把設(shè)計型學(xué)習(xí)與STEM教育結(jié)合起來，探索設(shè)計型學(xué)習(xí)視域下的STEM教育模式，為STEM教育實(shí)踐提供新的思路。

一、設(shè)計型學(xué)習(xí)的內(nèi)涵與操作模型

（一）設(shè)計型學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

設(shè)計型學(xué)習(xí)是美國教育學(xué)者納爾遜（Nelson）提出來的概念，也稱為“基于設(shè)計的學(xué)習(xí)”（learning-by-design，LBD）[2]。設(shè)計型學(xué)習(xí)將設(shè)計的技能、思維與教學(xué)過程結(jié)合起來，整個學(xué)習(xí)過程以設(shè)計為中心，不斷循環(huán)迭代。學(xué)生在設(shè)計學(xué)習(xí)的過程中完成知識的建構(gòu)，體驗真實(shí)的操作過程，掌握技能，從而培養(yǎng)解決問題能力、合作能力、溝通能力，提升批判性思維、創(chuàng)造性思維。

對于設(shè)計型學(xué)習(xí)的內(nèi)涵，目前研究者主要從方法和設(shè)計兩方面進(jìn)行闡述。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，設(shè)計型學(xué)習(xí)是一種基于項目的探究學(xué)習(xí)方法[3]，學(xué)生在真實(shí)的任務(wù)環(huán)境中，通過完成特定任務(wù)，掌握相應(yīng)的學(xué)科知識和技能。這種觀點(diǎn)是把設(shè)計型學(xué)習(xí)視為基于項目學(xué)習(xí)的一種具體學(xué)習(xí)形式，學(xué)生以小組合作方式參與實(shí)踐活動，在完成作品設(shè)計與制作的過程中，掌握科學(xué)概念和技能。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，設(shè)計型學(xué)習(xí)是一種教學(xué)模式[4]，學(xué)生在完成多學(xué)科設(shè)計任務(wù)過程中，掌握綜合應(yīng)用方面的相關(guān)知識和技能。本文采納第一種觀點(diǎn)，把設(shè)計型學(xué)習(xí)作為一種項目學(xué)習(xí)的探究學(xué)習(xí)方式，通過多次探究、設(shè)計完成真實(shí)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力。設(shè)計型學(xué)習(xí)以“設(shè)計”為核心，體現(xiàn)“實(shí)踐性”“整體性”“迭代性”“反思性”的特點(diǎn)，學(xué)生在設(shè)計過程中獲得科學(xué)思維、設(shè)計思維、技術(shù)思維、數(shù)學(xué)思維等方面的提升。

（二）設(shè)計型學(xué)習(xí)的操作模型

典型的設(shè)計型學(xué)習(xí)模型主要有兩種：一種是由Nelson提出的逆向思維模型;另一種是由克羅德納（Kolodner）提出的基于設(shè)計的雙循環(huán)探索模型[5]。本文主要以Kolodner提出的模型作為STEM教學(xué)模式建構(gòu)的原型。

基于設(shè)計的雙循環(huán)探索模型是Kolodner根據(jù)設(shè)計型學(xué)習(xí)的循環(huán)迭代性、過程整體性的特點(diǎn)提出來的。它體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)中涉及的科學(xué)探究和工程設(shè)計兩個過程，以及兩者間的緊密關(guān)系。同時，該模型也體現(xiàn)了學(xué)生建構(gòu)知識和解決問題整個過程。基于設(shè)計的雙循環(huán)探索模型主要由設(shè)計/再設(shè)計、調(diào)查/探究兩個基本循環(huán)組成（如圖1 ）[6]。設(shè)計/再設(shè)計循環(huán)圈是從挑戰(zhàn)性的任務(wù)開始，進(jìn)行設(shè)計與制作活動;調(diào)查/探究循環(huán)圈是為設(shè)計與制作活動提供多學(xué)科知識、信息資源，幫助解決問題。兩個循環(huán)之間不是簡單疊加，而是相互滲透、互相支持的密切關(guān)系。在這之中，“需要做”和“需要知道”是構(gòu)成兩個循環(huán)的紐帶。在“需要做”的活動中，會不斷遇到問題，這就要多次進(jìn)入“需要知道”的循環(huán)圈里面，不斷改進(jìn)修正，最終完成挑戰(zhàn)的任務(wù)。

二、設(shè)計型學(xué)習(xí)與STEM教育的關(guān)聯(lián)

STEM教育是科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）和數(shù)學(xué)（mathematics）四門學(xué)科的交叉融合，不過于關(guān)注學(xué)科界限，而是將核心放在要解決的問題上，強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與實(shí)踐，體驗建構(gòu)、設(shè)計、創(chuàng)造、合作解決問題的過程，從而獲得在真實(shí)世界中應(yīng)用知識解決問題的綜合能力。設(shè)計型學(xué)習(xí)是一種具體的探究學(xué)習(xí)方式，通過設(shè)計循環(huán)和探究循環(huán)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的綜合能力，為STEM教育提供了清晰、系統(tǒng)、可操作的實(shí)施方式。設(shè)計型學(xué)習(xí)與5E探究模式、工程設(shè)計循環(huán)相比更能凸顯STEM教育的實(shí)踐性、跨學(xué)科性、設(shè)計性等特征。二者的關(guān)系如圖2所示。

在培養(yǎng)目標(biāo)方面，設(shè)計型學(xué)習(xí)與STEM教育都強(qiáng)調(diào)能力本位和高階思維的培養(yǎng)u7在基于設(shè)計的雙循環(huán)探究模型中，強(qiáng)調(diào)設(shè)計過程中運(yùn)用多學(xué)科的知識解決遇到的問題，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生解決問題能力、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。這與STEM教育強(qiáng)調(diào)利用多學(xué)科知識的遷移運(yùn)用解決實(shí)際問題是一致的。在內(nèi)容方面，兩者都強(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科性和生成性[8]。設(shè)計型學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)項目中的任務(wù)，并在完成任務(wù)過程中不斷創(chuàng)新，形成新的知識和想法，并付諸設(shè)計與制作。這與體現(xiàn)了STEM教育內(nèi)容的開放性存在內(nèi)在的一致性。在問題方面，兩者強(qiáng)調(diào)的都是情境性和真實(shí)性。設(shè)計型學(xué)習(xí)是在挑戰(zhàn)情境中進(jìn)行主動的探究，STEM教育也強(qiáng)調(diào)問題產(chǎn)生于真實(shí)的情境中，學(xué)生解決的問題是來源于他們真實(shí)生活的、實(shí)踐中遇到的問題。在過程方面，兩者都強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性和迭代性。設(shè)計型學(xué)習(xí)體現(xiàn)STEM教育過程中的迭代性，例如整個學(xué)習(xí)過程呈現(xiàn)為多次設(shè)計、改進(jìn)和完善的過程;同時設(shè)計型學(xué)習(xí)也體現(xiàn)了STEM教育中的強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與實(shí)踐，在動腦、動手、動嘴自主參與學(xué)習(xí)過程中，體驗解決問題的整個流程。在學(xué)習(xí)方面，設(shè)計型學(xué)習(xí)也體現(xiàn)了STEM教育中學(xué)生為完成挑戰(zhàn)性任務(wù)而相互協(xié)作、相互交流，在完成任務(wù)的過程中通過設(shè)計圖、作品等可見的方式評估學(xué)生學(xué)習(xí)的情況和完成任務(wù)的質(zhì)量。

三、設(shè)計型學(xué)習(xí)視域下的STEM教學(xué)模式構(gòu)建

設(shè)計型學(xué)習(xí)與STEM教育有眾多的結(jié)合點(diǎn)，在STEM教育中采用設(shè)計型學(xué)習(xí)的操作模型作為STEM教學(xué)模式的基礎(chǔ)，有利于構(gòu)建小學(xué)科學(xué)課堂中開展STEM教育的應(yīng)用教學(xué)模式。本文以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，以基于設(shè)計的雙循環(huán)探究模型為參考，凸顯STEM教育的設(shè)計性、迭代性、跨學(xué)科性、體驗性等特點(diǎn)，從學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)模型、學(xué)習(xí)策略三個維度構(gòu)建基于設(shè)計型學(xué)習(xí)的STEM教學(xué)模式（如圖3）。

（一）學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)習(xí)目標(biāo)是教學(xué)模式的核心要素，STEM教育注重學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。通過STEM教育培養(yǎng)學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜問題的能力和創(chuàng)新意識，特別是解決工程問題的能力，是STEM教育的核心。而工程的關(guān)鍵是設(shè)計，所以在STEM教育中，工程意識和設(shè)計能力是其中的關(guān)鍵。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在調(diào)查研究和工程實(shí)踐中能獲得多學(xué)科知識和技能、批判性思維、創(chuàng)新思維、溝通能力和合作能力的提升。

（二）學(xué)習(xí)模型

學(xué)習(xí)是整個STEM教學(xué)模式的主體部分。學(xué)生、教師組成學(xué)習(xí)共同體，教師是組織者、指導(dǎo)者、支持者，學(xué)生則充當(dāng)“科學(xué)家”“設(shè)計師”“工程師”的角色，在教師的輔助下，學(xué)生執(zhí)行學(xué)習(xí)任務(wù)，經(jīng)過一系列的探索、設(shè)計和實(shí)踐，最終解決問題，制造出產(chǎn)品。從圖3可見，學(xué)習(xí)模型包含3個循環(huán)，分別是科學(xué)探究環(huán)、工程設(shè)計環(huán)、拓展環(huán)，其中最基礎(chǔ)的是科學(xué)探究環(huán)和工程設(shè)計環(huán)。科學(xué)探究環(huán)幫助學(xué)生獲得進(jìn)行工程設(shè)計環(huán)所需要的科學(xué)知識和技能，技術(shù)和數(shù)學(xué)給科學(xué)探究和工程設(shè)計以支持，在多方的共同支持和相互作用下完成作品定型，通過評價量規(guī)檢測完成任務(wù)的情況。同時這個循環(huán)又是開放的，對作品可以進(jìn)行進(jìn)一步創(chuàng)新、拓展，這樣會進(jìn)入新的任務(wù)，開始新的一輪探究和實(shí)踐循環(huán)。如此不斷地循環(huán)迭代，正是體現(xiàn)了工程思想。從具體的學(xué)習(xí)模型操作過程看，第一步是明確任務(wù)，STEM教育強(qiáng)調(diào)融人生活、從身邊的現(xiàn)象出發(fā)，建立教育與生活之間的有機(jī)聯(lián)系，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，利用有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和動機(jī)。第二步提出驅(qū)動性問題或識別問題，明確要完成的任務(wù)、需要解決的主要問題，并給出完成挑戰(zhàn)性任務(wù)的評價標(biāo)準(zhǔn)。第三步根據(jù)任務(wù)，選擇進(jìn)入科學(xué)探究環(huán)或工程設(shè)計環(huán)，左邊循環(huán)和右邊循環(huán)是互相促進(jìn)、彼此滲透，相互交替進(jìn)行。如果需要先了解所要知道的，那么就進(jìn)入科學(xué)探究環(huán)，掌握完成任務(wù)所需要的知識和技能。如果需要先進(jìn)行設(shè)計，那么就進(jìn)入工程設(shè)計環(huán)，先制定設(shè)計方案，利用已有的知識和技能進(jìn)行初步的設(shè)計;然后制作和展示初步的作品，通過相互交流，提出修改意見，進(jìn)行完善;接著進(jìn)行測試和優(yōu)化;再進(jìn)行分析解釋。如果還存在問題，可以繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探究或改進(jìn)設(shè)計、完善作品。第四步就是作品定型，進(jìn)行發(fā)布、評價。第五步，如果還有更好的創(chuàng)意想法，可以對作品進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)新，再次進(jìn)入新的一輪循環(huán)中。整個學(xué)習(xí)過程以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)，在每一次的循環(huán)迭代中學(xué)生獲得多學(xué)科知識和技能、高階思維能力、創(chuàng)新能力、問題解決能力的提升。

（三）學(xué)習(xí)策略

在整個學(xué)習(xí)過程中，以驅(qū)動性問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生一步步進(jìn)行探究和實(shí)踐，通過頭腦風(fēng)暴，讓學(xué)生充分暴露自己的想法和觀點(diǎn)，鼓勵學(xué)生奇思妙想。小組協(xié)作學(xué)習(xí)是學(xué)生進(jìn)行STEM學(xué)習(xí)的重要形式。學(xué)生通過學(xué)習(xí)共同體互相討論、交流和溝通，獲得對知識和設(shè)計的理解，從而有效完成任務(wù)。在此過程中，溝通顯得尤為重要，學(xué)生要學(xué)會聆聽，尊重他人的意見，虛心接受別人的建議，對自己的學(xué)習(xí)進(jìn)行反思，整合他人的觀點(diǎn)，在小組中做出自己的貢獻(xiàn)。教師要幫助學(xué)生搭建探究腳手架，讓學(xué)生的思維可視化。可以通過多種呈現(xiàn)方法和多種表達(dá)方式，例如設(shè)計圖紙、模型、報告等，呈現(xiàn)學(xué)生的思維過程。引導(dǎo)學(xué)生積極主動參與到解釋的過程中，講解自己的設(shè)計過程、制作過程和方法，在呈現(xiàn)自己思維過程的同時，培養(yǎng)元認(rèn)知技能，實(shí)現(xiàn)科學(xué)世界與學(xué)習(xí)世界的互動。

參考文獻(xiàn)：

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[5][6][8]秦瑾若，傅鋼善.面向STEM教育的設(shè)訓(xùn)型學(xué)習(xí)研究：模式構(gòu)建與案例分析[J].電化教育研究，2018，39（10）：86，86，85.

[7]趙亞萍.設(shè)計型學(xué)習(xí)視域下的STEM教學(xué)對小學(xué)生科學(xué)探究能力的影響研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2018：17.

責(zé)任編輯：楊孝如

本文系廣州市教育科學(xué)規(guī)劃2017年度名師課題“基于STEM教育的小學(xué)科學(xué)項目設(shè)計與實(shí)踐研究——以技術(shù)與工程領(lǐng)域為例”（1201741491）研究成果。

收稿日期：2020-04-19

作者簡介：鄭雪萍，廣州市天河區(qū)教育局教研室（廣東廣州，510630）教研員，高級教師，廣州市名教師工作室主持人，主要研究方向為初中生物教學(xué)和小學(xué)科學(xué)教學(xué)。