融合科學探究和逆向工程教學的STEM課程探索

張清泉

【摘要】以學習過程和結果為導向，可以將STEM教育劃分為科學探究模式和工程制作模式。而逆向工程是以先進的樣件或產品為模型，來分析、復原、優化和再創，對中小學老師來說相對比較陌生。本文從筆者的實際教學情況出發，探討一種融合科學探究與逆向工程教學的STEM教育模式。

【關鍵詞】STEM教育;科學探究;逆向工程;跨學科學習

STEM教育的本質就是跨學科學習，強調打破學科界限，運用科學、技術、工程、數學等多門學科知識解決真實生活情境中的問題，培養學生在做事中形成的做過事、想做事、能做事的綜合素養。科學探究和工程制作是STEM教育的主要組成部分。

一、概念界定

科學探究過程一般為從生活中的科學問題出發，制訂科學探究方案，開展科學探究實踐并收集數據，利用數據統計相關軟件分析數據，使學生在習得跨學科知識、科學的思維過程與方法的同時，提高學生的科學探究能力。

逆向工程，又稱反向工程，是以造物為目的，以先進產品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，運用現代設計理論、方法、測量技術，對已有產品進行建模、仿真，最終實現優化既有產品和再創造的過程。

在STEM項目中，我們中學生創作的很多作品都是圍繞已有的產品或者案例，來分析探討其實現的功能和結構搭建的過程，再去分析各個功能由什么硬件和軟件去實現，分析工程結構上的搭建。在這種基礎上，再去原型再造或升級再創。我們只有先去做過一些小作品或者拆解一些作品，逐步了解和掌握各種開源軟硬件工具的知識和使用技巧，遇到更加前緣的產品或者案例，他才能去分析，去拆解，才能去復制產品，或用習得的這個產品的功能或技巧來改善和優化已有的作品。

二、融合科學探究與逆向工程教學的探索實踐

我們的現在的科創類STEM課程不能只是為了造物而去造物，我們實際教學中的項目往往既有科學探究，又有工程造物。以下是筆者以《設計制作室內空氣環境檢測儀》為課例探討融合科學探究和逆向工程教學的一種模式，如圖所示。本項目首先以學生通過調查研究，分析影響身邊環境室內空氣質量的因素和這些因素如何影響人們的健康。通過已有產品的使用和分析，接著以制作完成一種室內環境檢測儀作為輸出成果，讓學生在設計、探究、制作的過程中，學會涉及檢測儀制作的各類傳感器的原理與運用，最后測試各種環境的空氣質量，培養學生愛護環境、可持續發展的思想觀念。

科學探究與逆向工程教學過程

1.提出問題，形成假設

項目學習的關鍵是基于真實的情境，有驅動性的問題。老師可以引導學生需通過文獻閱讀、視頻觀看、走訪調查、頭腦風暴等形式對空氣質量、環境變化等方面有一個更加深入的了解，從而對“設計制作室內環境檢測儀”主題的學習產生濃厚的學習興趣。如很現實的驅動問題，我們宿舍或者教室的空氣質量好壞怎么測定？綠植真的有改善室內空氣質量的功能嗎？哪些物質是導致室內空氣質量變差的主要因素？市面上有哪些檢測空氣環境的產品？空氣有害物質如何影響人體健康的？這里會涉及到一些列學科的知識和內容，如物理、生物、地理等。

2.擬定計劃和設計實驗

我們要引導學生分組分工擬定計劃，設計相關實驗，如對不同教室有無綠植的環境檢測值的對比實驗、通風環境和非通風環境的數值對比。

3.產品的使用與功能分析

我們學生的作品是以前學生做的能檢測溫濕度和氣體濃度的作品，但功能單一，對一氧化碳、甲烷和液化石油氣可以很敏感。這個作品已經不能滿足學生的需求，市面上很多環境檢測的儀器都能檢測出甲醛、TVOC、CO2、PM2.5、溫濕度、氣體濃度、氣壓等值的傳感器。我們學生買了幾個不同型號的簡易產品，就可以開始實驗和產品功能的分析。

4.進行實驗與數據分析

可以在學校選擇兩間教室進行測試，一間教室置有各種綠色植物，一間無任何綠色植物，或其他可以對比的場所如一個在工業區房間和一個在深山森林環境的房間對比，進行多次的固定時間檢測的數值，進行數據記錄及分析對比。在此基礎上，我們可以對數據進行分析，得出一些結論。但我們更希望學生要了解這些數值是靠什么測出的。

5.作品分解與復原

對于我們學生創作的作品可以分解和復原，但對現有商品比較難，根據已有商品，學生可以分析得出他有什么功能，對應這種功能是靠什么得以實現的。如我們通過前期的調研，分析影響空氣質量最關鍵的是總揮發性有機物（TVOC），它是靠什么傳感器實現測試的，我們的甲醛值是靠什么傳感器測得的，我們的PM2.5的均值是靠什么測定。我們學生就可以列出表格來對應在相關開源硬件商品中找出來。

6.產品復制或升級改造

我們根據產品的功能分解，是可以做出相關功能的產品來，甚至還可以升級改造。這個部分是我們逆向工程教學的關鍵，逆向工程不只是單純的仿制，再設計與優化也是重要一環，以便讓學生在“認識原型→再現原型→超越原型”的過程中深化學習。我們不僅僅是希望再造和優化這個檢測空氣的儀器，我們更希望學生能持續地去思考，去探究，去創新應用。

7.數據據對比和得出結論

我們讓學生創造出來的新的作品，也要進行實驗檢測和數據分析。對比一下我們商品測得的值之間的誤差，來檢驗我們傳感器的功能實現是否能接近已有商品，如果數值太大，那么要對產品的復制或升級方案重新調整，重新再次制作。

8.分享展示、評價與反思

學生分組完成科學探究和造物后，有成果的有效展示，學生作品展示結束后，學生需要進行自評、小組評價和教師評價。自評和小組評價使用教師提供的項目學習報告進行，教師提前制定好相應的評價量規。量規既是學生學習的目標，也是評價的標準。我們評價和反思既要對科學探究進行評價，比如我們測出來的究竟哪些因素是影響空氣質量優劣的，分別測得的值的區間值多少說明空氣質量好等，以獲得多元的知識為目標。同時，還要對我們逆向工程的造物過程進行評價。

我們很多科創類的STEM課程都過于強調造物，講述一個個傳感器的使用方法和技巧，甚至按照一個個圖形化編程模塊的使用方法來講述，不斷累加而形成課程。這忽略了學生跨學科能力和創新能力的培養。這種融合科學探究和逆向工程教學的項目式學習可以給STEM課程提供很好的參考。你看到這個圖例所示是順序執行，其實我們是有回路的，有迭代，有螺旋上升的方式，目的是讓學生能持續的去探究和思考，發現隱藏在問題背后的知識技能，一步步去完善自己的想法，去做出自己的作品，才能去解決好實際的問題，從而培育他們的創新思維和動手實踐能力。

參考文獻：

[1] 蔡慧英，顧小清. 設計學習技術支持STEM課堂教學的案例分析研究 [J].電化教育研究，2016（3）：93-100.

[2] 鐘柏昌.創客教育的內涵式發展：微創新與跨學科是怎樣“煉”成的 [N].中國教育報，2018.