以工程設計為導向的項目式STEM學習探索與實踐

孫越 史藝

《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》指出：“積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發式、探究式、體驗式等課堂教學，注重加強項目設計、課題研究等跨學科綜合性教學。”由此可見，傳統的教學模式已經不能滿足創新型人才培養需求，需要引入以STEM教育為代表的以學生為中心、構建問題解決或任務驅動的跨學科整合學習的教學模式。

● 基于項目的STEM學習

STEM教育不同于傳統的分學科教學，它是一種跨學科、綜合性的教育，以提升學生STEM綜合素養為核心。STEM教育的實施方式很多，而項目式學習被認為是目前最有效的一種實施途徑，即利用項目來開展STEM學習。

項目式學習（Project-Based Learning，PBL）被認為是一種教與學的模式，關注的是學科的核心概念和原理，要求學生從事的是問題解決、基于現實世界的探究活動以及其他的一些有意義的工作，要求學生主動學習并通過制作最終作品的形式來自主地完成知識意義的建構。所以，項目式學習的理論基礎同樣也是建構主義理論。

基于項目的STEM學習是圍繞真實的社會問題、工程問題組織，以實踐性的項目完成為核心，偏向于知識的綜合運用，適合學生在掌握了一定的分科知識之后進行學習，強調學生在項目中，通過查找搜尋資料、小組交流合作，綜合運用多學科知識解決問題，達成知識和能力的主動建構，提升STEM素養。教師的作用則是提供腳手架幫助學生將知識進行重構，生成有意義的綜合知識體系。

● 以工程設計為導向的項目式STEM學習

為了使STEM教育中的科學、技術、工程和數學四個領域實現更好的融合，通常將工程作為STEM課程的框架，作為連通科學、數學和技術學科知識的“橋梁”，美國《K-12工程教育》的研究報告中明確將工程確定為“綜合STEM教育的催化劑”，并指出“STEM教育中的工程學是解決當前STEM教育缺乏整合的方式”;數學和科學作為STEM課程的基礎學科，既有知識的學習，也有知識的綜合運用;技術體現在工程之中。也就是說，在具體的工程設計過程中，要讓學生借助科學、數學和技術工具，設計和改進方案，完成工程作品，從而激發學生對科學和技術的興趣，發展綜合能力，更好地理解數學、科學和技術。

工程設計過程可以歸納為以下七個步驟，這些步驟可以是線性地進行，也可以不斷迭代，直到得出最終的方案。

①任務界定。學生能夠正確地定義問題，清晰而準確地提煉出核心的有針對性的問題，所有成員能夠對項目的目標和范圍達成共識，此外還需要分析項目的制約因素和標準。

②調查研究。對相關主題進行調查研究是進行工程設計前最有效的途徑，為后續形成設計觀點、批判性分析、頭腦風暴提供了基礎。學生對相關主題進行調查，可以調研前人在某領域已經完成了什么，以免重復勞動，還可以初步了解該項目所涉及的學科領域。

③頭腦風暴。頭腦風暴是在“思考—合作—分享”中進行的，學生在這個環節開始真正進行問題的解決，創造性是這個環節的核心。學生列出可能解決問題的所有方案，也包括一切風險和不利因素，這些想法不是憑空想象出來的，而是在調查研究、分析所收集資料的基礎上產生的。

④制訂計劃。工程設計并非單一的正確答案，而是在幾個可能的答案中識別出最好的解決途徑。學生在項目制約因素和標準的背景下，分析多種方案的優劣，以便獲得切實可行的最優方案，并制訂項目計劃完成解決方案。

⑤具體實施。學生對項目進行拆解，不同學生承擔不同的分工，并利用數學、科學、技術的知識，根據最優方案，構建出最為合理的模型或解決方案，并制作出產品的形式。

⑥測試改進。解決方案同樣要進行評估和測試，包括預測、測試條件、觀察和結果，基于測試的結果，學生會優化他們的方案，并對自己的方案的長處和缺陷進行批判性思考，可能需要重新回到頭腦風暴環節，建立新的模型再次測試和優化，保證產品的社會有效性。

⑦分享反思。各組學生在展示過程中，著重表達出想法、設計的藍圖、詳細的尺寸、測試結果，同時也以技術性的概念和術語來支撐自己的解釋。通過對過程和結果的反思，可以幫助學生創作出更好的設計方案。

● 案例分析——傘的設計

“傘的設計”是一節以工程設計為導向的STEM課例，設計過程中學生會經歷“任務界定、調查研究、頭腦風暴、制訂計劃、具體實施、測試改進、分享反思”的過程，體會工程在STEM中所起的“連通”科學、技術、數學的作用，同時利用已有學科知識，開發解決方案，測試、評估、修改完善，使方案在滿足制約因素和限制條件下達到最優。

本課例除了涉及STEM中的科學、技術、工程和數學之外，還加入了人文藝術（Art）的領域，所以更確切地說，這是一節以工程設計為導向的STEAM課例。

1.項目主題：傘的設計

2.教學目標

工程設計：通過真實情境的工程設計問題，理解工程設計的重要性及一般流程。

科學探究：構建模型，通過控制變量方式進行實驗、收集數據，總結歸納科學規律。

數學思維：提升數學建模、數據分析處理和數學運算素養。

技術素養：能夠利用計算機進行簡易工程的局部建模和仿真。

人文藝術：體會中國古代建筑之美與中國人造字的智慧。

3.項目過程

（1）創設情境

①教師活動：提問——如果讓你設計一把傘，你會考慮哪些因素呢？

②學生活動：思考、討論、回答。

（2）任務拆解

①教師活動：提問——結合大家提出的因素，我們如何來逐項分析呢？

②學生活動：查閱資料、頭腦風暴。

（3）引導探究

①教師活動：引導學生分析三種簡單模型的性能（如圖1）。

實用性分析：這幾種傘頂都能實現防雨防曬功能嗎？

穩定性分析：這幾種傘頂哪種更穩定？

抗風性分析：如何分析傘的抗風能力？（利用3D軟件和風阻測試軟件進行分析）

排水性分析：如果雨水從三種傘頂頂端滑下，哪一種軌道下滑最快呢？

美觀性分析：你覺得什么樣的傘頂比較美觀？說出你的理由。

②學生活動：建立模型（控制變量：大小、高低均一樣，只是形狀有別）。

穩定性分析：結合物理學科（重心位置與穩定性的關系如圖2所示）。

抗風性分析：利用Autodesk 123D軟件建立不同傘頂的模型;利用Autodesk Flow Design對傘頂進行風阻測試;學生根據測試結果對傘的抗風能力進行對比分析。

排水性分析：查閱資料，了解最速降線的特點及其參數方程的推導（如圖3）。

美觀性分析：與中國古代建筑聯系（凹形傘頂有利于排水）;與中國文字“傘”聯系（中國人造字體現智慧性）;傘面的圖案設計體現美觀性。

（4）測試改進

①教師活動：請各組學生根據前述對三種簡單傘頂模型的分析方法，對自己小組的設計方案進行測試和完善，并制作出成品。

②學生活動：實施、制作、測試、改進。

（5）展示交流

①教師活動：請各組學生展示作品，介紹設計理由進行答辯。

②學生活動：各組展示匯報。

（6）總結評價

①教師活動：過程性評價與結果性評價相結合。

②學生活動：各組間進行提問與互評。

（7）拓展提高

①教師活動：最速降線形傘頂有很多的優點，有沒有不足？如何將這種傘設計成攜帶方便的可折疊的傘？

②學生活動：課下查閱資料并思考。

4.項目資源

該項目資源包括計算機（安裝軟件3D建模軟件Autodesk 123D Design和風阻測試軟件Autodesk Flow Design）、3D打印機、水彩顏料、實驗設計報告等教學材料。

5.項目評價方式

對項目的評價，包括針對過程的形成性評價和針對結果的總結性評價，以這種形式對整個項目的過程、資源、成果等進行整理、總結與展示，同時對師生間、生生間的互動給予更多的關注。

● 反思小結

“傘的設計”一課是一節典型的以工程設計為導向的STEM課，在課程的實施過程中，學生感受到工程迭代過程的重要性，運用調查研究和科學探究相結合的手段為設計和制作產品提供支撐，通過測試完善改進作品，最終實現各組獨特的傘的設計。

與傳統課程單一學科的教學相比，解決“一把傘的設計”的真實問題，不僅需要依靠一個學科的知識互動，而且需要依靠橫跨STEM各學科之間的互動。在傘的創新過程中利用3D打印技術進行深入研究和分析問題，培養了學生的創新意識、創造能力，鍛煉了學生的理性思維、科學探究和技術運用能力，以及交流溝通和表達能力，促進了學生多種核心素養的綜合成長。