基于工程思維培養(yǎng)的STEM校本課程建構

洪盈

【摘 要】在當今這個大眾創(chuàng)新的時代，工程思維不再局限在所謂的理工科領域，而是被視為創(chuàng)新必備的思維能力。面對STEM教育的思維力及課程改革的挑戰(zhàn)力，基于STEM教育理念的校本課程的開發(fā)與實施是應對這種挑戰(zhàn)的一種較為可取的方式。本文以“設計環(huán)保清潔劑”STEM校本課程的建構為例，研究如何在課程建設中培養(yǎng)學生的工程決策思維、工程設計思維、工程實施思維及工程消費思維，即培養(yǎng)學生在真實生活情境中學會提出問題，在產品設計中懂得分析問題，在探究實踐中能夠解決問題，在成果推廣中實現價值認可。

【關鍵詞】STEM 校本課程 工程思維

一、課程背景與簡介

教育家、哲學家赫斯特說：“教育的中心目的是向學生傳授主要的思維形式。”2018年“中國STEM教育2029行動計劃”發(fā)布，STEM教育在我國進入蓬勃發(fā)展階段。在當今這個大眾創(chuàng)新的時代，工程思維不再局限在所謂的理工科領域，而是被視為創(chuàng)新必備的思維能力。面對STEM教育的思維力及課程改革的挑戰(zhàn)力，基于STEM教育理念校本課程的開發(fā)與實施是應對這種挑戰(zhàn)的一種較為可取的方式。STEM指科學、技術、工程、數學，近年在STEM中又加入了藝術（Art），之后再加入閱讀（Reading），提升為STREAM，即S（Science）科學，T（Technology）技術，R（Reading）閱讀，E（Engineering）工程，A（Art）藝術，M（Mathematics）數學，而在人工智能飛速發(fā)展的同時，我們是否也可以賦予A（AI）人工智能的寓意，使之變得更加全面。筆者在認真研究和學習中對STREAM有更深層次的理解，即“S”（Smart）智慧，“T”（Thinking）思維，“R”（Reason）追問原因，“E”（Experience）體驗，“A”（Assessment）評價，“M”（Multimode）多模態(tài)教學。意即基于項目式學習智慧教學，促進學生運用跨學科知識和技能解決實際問題，并在完成目標任務的過程中學會思考、追問、評價，在探究、體驗中提升分析問題、解決問題的能力，形成多模態(tài)教學。

“工程思維”就是人們在進行工程活動和工程研究過程中所形成的獨特的思維方式，有人把它定義為“專業(yè)層次的策劃型實體思維”。工程思維是STEM教育理念的核心，STEM教育是工程思維的有效載體。基于工程思維培養(yǎng)的校本課程建設應融合STEM教育理念，培養(yǎng)學生在真實生活情境中學會提出問題，在產品設計中懂得分析問題，在探究實踐中能夠解決問題，在成果推廣中實現價值認可。

二、課程開發(fā)與實施

“設計環(huán)保清潔劑”STEM校本課程的開發(fā)與實施即著力于學生工程思維的培養(yǎng)，體現了跨學科融合的STEM教育理念。學校通過組織團隊、理論培訓、學習交流、定期研討、實踐體驗等活動促進校本課程的開發(fā)，以“設計環(huán)保清潔劑”為研究主線，經過確定課程目標、設計課程內容、制訂課程方案、擬定課程評價等措施推動校本課程的實施，在實施過程中推進課程綱要的制定、校本教材的編撰、教學資源包的完善以及教學實踐的研討，逐步建構基于工程思維培養(yǎng)的STEM校本課程。本課程由真實的水污染，以及水污染對人類和生態(tài)系統(tǒng)的影響為情境引入，讓學生意識到使用環(huán)保清潔劑有助于環(huán)境水資源的保護，從而激發(fā)學生了解、制作環(huán)保清潔劑的興趣，開展基于項目的解決任務式學習。本課程共分12課時，內容涵蓋語文、綜合實踐活動、數學、科學、人工智能、美術、英語、道德與法治等學科。學科跨度大，內容豐富，領域涉及面廣，能較好地幫助學生工程思維的培養(yǎng)。

（一）創(chuàng)設情境，提出問題，培植工程決策思維

工程思維活動的基礎是工程決策。工程決策思維是指人們在工程決策行為中的信息加工活動，包括提出問題、形成方案、檢驗與評價方案等活動中的思維方法與過程。教師應根據學生的特點及活動要達到的目的創(chuàng)設真實情境，以此激發(fā)學生的情感共鳴，學生在真實情境中對活動的目標、意義、環(huán)境、分工、實施等確認，以更好地提升工程決策思維。例如，“設計環(huán)保清潔劑”課程的第一課時“認識清潔劑”，課程開發(fā)組運用微視頻創(chuàng)設真實情境：全球每年有成千上萬的泳灘因為受到污染而被關閉。強降雨造成垃圾、化學物等各種污染物被沖入水中，接觸污染物可能導致患病或受到傷害……教師還利用了生活中洗手、洗澡、洗衣服和打掃衛(wèi)生等圖片場景提出問題：在清潔的過程中，人們多數情況下會用到清潔劑，而這些清潔劑大多數是化學合成的，它們對身體和環(huán)境都有什么影響呢？生活中遇到的真實問題極大地激發(fā)了學生探究的興趣，引導學生認識清潔劑。教師通過讓學生調查了解、小組討論、學習交流等多角度思考清潔劑的功效和危害，從而提出任務目標：設計一款環(huán)保清潔劑并能推廣使用。學生分組制訂方案，反復推敲方案的可行性及需要學習的相關知識。在這個過程中，學生的工程決策思維得到有效培植。

（二）設計產品，分析問題，激發(fā)工程設計思維

工程設計是工程思維活動的靈魂。工程設計思維是指根據工程決策階段制訂的方案進行細化，分析活動中可能出現的問題，設計解決該問題的措施，并預測可能發(fā)生的阻礙。這種思維面臨的主要契機是潛在可能性與現實可行性的轉化。工程設計思維簡單說就是解決問題的思考過程。課程開發(fā)組在確定了“設計環(huán)保清潔劑”研究任務和研究方案之后，開啟工程設計。為了解決可能發(fā)生的問題，課程設計了“認識容積單位”“有趣的數學比”兩個課時，幫助學生了解容積單位和比的概念等數學知識，為設計清潔劑掃除“變量控制”障礙。而《藏在水中的小秘密》一課則幫助學生研究水質、了解溶解性總固體（TDS）含量，為環(huán)保清潔劑的制作提供了科學依據。考慮到工程設計的可行性，教師引導學生通過一次次的實驗、對比、再實驗，幫助學生尋找解決問題的最優(yōu)策略，形成解決問題的能力。在工程設計運思過程中，學生發(fā)現可溶物不同，導致的清潔效果也不一樣：可溶物含量低的水制作出的清潔劑的清潔效果比較好。在實驗過程中，學生的知識不僅得到拓展，實驗能力得到提升，更重要的是，對數學的嚴謹、對科學的探究、對工程設計思維的發(fā)展均產生了更深的影響。

（三）探究實踐，解決問題，發(fā)展工程實施思維

工程實施需要學生按照設計好的解決方案實施、對實施結果進行評估總結、完善設計方案等步驟進行循環(huán)操作與思考;教師需要根據學生的進展情況，靈活把握活動過程。課程開發(fā)組設計了“工程思維自我學習反思評價”“工程思維學習任務完成能力評價”等評價表，在每一課時均讓學生進行自我反思，即從已學懂的知識、還未學懂的知識、還想繼續(xù)關注的知識以及仍然存在疑問的知識等方面幫助學生對每一次的探究實踐進行評估總結，以便進行方案的調整和再實踐。例如，第五課時《設計環(huán)保清潔劑》教學重點為會做洗滌用品去污實驗，了解洗滌劑的不同用量帶來的不同結果，學會控制變量，了解環(huán)保的價值意義。基于學生在工程設計階段已初步構建制作環(huán)保清潔劑的知識框架，對設計方案也進行了可行性分析和研究的基礎上進行實踐驗證，通過自我學習反思評估，學生發(fā)現要解決的是水的選擇，以及水、小蘇打、醋等環(huán)保原材料的配比是否能夠達到最佳洗滌效果，其pH值是否達標等問題，進而在不斷實驗中獲取最優(yōu)數據。學生在經歷了多種設計解決方案、對實施結果評估、完善設計方案的探究過程后，實現迭代性思維，發(fā)展工程實施思維。而對課程的開發(fā)和設計最終是否完成學生工程思維培養(yǎng)，學習任務完成能力評價表，較全面地幫助工程實施效果檢驗。

（四）成果推廣，實現價值，促進工程消費思維

當某項工程竣工時，它的價值還只是潛在的，只具有可能性意義上的價值。如果建成的工程不能進入消費階段，那么這項工程的價值就是沒有實現的價值。工程成果的消費過程也是工程消費交往共同體解讀和重構工程成果的過程。經過師生的共同努力，制作出了環(huán)保清潔劑、環(huán)保清潔皂以及自動感應清潔劑裝置，那么如何將產品進行宣傳和推廣，實現其消費價值？課程開發(fā)組還設計了“動手設計包裝”、The Environmental Cleaner、“策劃和推廣”等課時，即進行產品包裝設計達到美的視覺效果。廈門是一個包容性很強的國際化城市，對外交流和宣傳離不開英語，設計用英語推介產品成果，將更好地培養(yǎng)學生國際視野、跨文化交流意識。“策劃與推廣”則基于設計出來的產品能夠讓更多的人了解和使用，得到消費者的認可，具有可持續(xù)性和價值性。這就需要培養(yǎng)學生的工程消費思維，學生需要調查了解大眾的消費觀、市場競爭壓力、大眾檢驗效能進行常識性重構和大眾日常語言重構等，這個過程既是對成果的推廣，實現其價值的過程，也是對產品再修正、再研發(fā)的過程，更是促進學生工程消費思維的發(fā)展。

三、課程成效與反思

基于工程思維培養(yǎng)開發(fā)的STEM校本課程投入實施后，目前已初見成效。一是學校層面。學校STEM校本課程體系初見模型，并且編寫了《環(huán)保清潔劑我設計》校本教材，設計整理了配套的教學資源包。承擔的福建省教育科學“十三五”規(guī)劃課題“綜合課程視域下小學生工程思維培養(yǎng)的課程建設研究”順利完成中期匯報。學校榮獲國家級信息化教學思明實驗區(qū)領航校稱號，面向市區(qū)級領導、兄弟學校開展國家級信息化教學思明實驗區(qū)STEM項目研討活動，獲得與會領導、專家與同行的好評。二是教師層面。教師的理論視野變寬了，思維素養(yǎng)有質的突破，研究能力更強了，公開課、講座、論文、子課題等紛紛出成績：三位教師的子課題獲區(qū)立項，五位教師的相關論文在區(qū)內獲獎，三位教師在市級開課、講座，等等。三是學生層面。參與STEM課程的學生在各方面都得到了提升。課堂上，學生的思維活躍了，他們不再是聽眾，而是積極思考、敢于質疑、懂得辯證解決問題、具有較強工程思維力的學習探究者。課后，他們積極參加創(chuàng)客、動漫、編程、人工智能等社團活動及比賽，頻頻獲獎。

當然，課程建設還處于不斷探索與實踐階段，課程體系的整體建構還不夠全面，還面臨諸多問題：如何延展STEM主題課程，覆蓋各個年級，進行普惠化實施;如何進一步培養(yǎng)學生的工程思維，培養(yǎng)適應未來領域的創(chuàng)新型人才等。未來，我們還要對課程體系進行完善，圍繞主題課程繼續(xù)開發(fā)其他年級的STEM校本課程，使之形成系列化，如以環(huán)保為主題，貫穿1～6年級，開發(fā)“環(huán)保太陽能小燈”“環(huán)保無動力小車”“環(huán)保污水過濾器”“環(huán)保空氣凈化器”“環(huán)保清潔劑”“環(huán)保垃圾桶”等。我們將深入研究，制訂符合學生發(fā)展理念、適合學科融合、體現學校特色的方案和體系，形成可持續(xù)發(fā)展的教學模式，探索出適合校情的課程體系。

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注：本文系福建省教育科學“十三五”規(guī)劃2019年度課題“綜合課程視域下小學生工程思維培養(yǎng)的課程建設研究”，立項批準號：FJJKXB19-671。