產品設計視角下的中小學STEM 項目教學實踐探索*

◆高惠嬌 程振才

0 引言

當前，STEM 領域的研究基本達成共識：STEM教育不是四門學科（S，科學；T，技術；E，工程；M，數學）的簡單疊加，而是通過四門學科核心知識與能力的有機整合[1]，促使學生綜合解決生產生活情境中的真實問題，從而培養學生的跨學科整合能力、創新能力和高階思維。STEM 教育自身蘊含的學科融合屬性，使其成為推動跨學科教學的有效途徑[2]，而方案、模型、作品、產品等物化實踐能促進學生將STEM 不同學科知識和技能整合貫通[3]。本文所討論的產品是指能滿足人們某種需求的有形物品，它來源于復雜的現實問題情境，能為整個問題解決過程提供非良構的結果呈現。

1 區域STEM教育模式

筆者所在區域內中小學校多采用兩種模式開展STEM 教育。

一種（見圖1）是根據國家STEM 四學科課程內容提取出大概念，依據概念原理形成項目問題和探究活動，讓學生在問題解決中體驗方法、呈現結果。在這種模型結構中，四學科是并列關系，各學科內容占比和并列順序按需調節，其總體學習目標主要是促進科學和數學學科的教學，而工程和技術是教與學的輔助手段和促進學習的支架；其知識層面是通過涉及的學科核心知識構建知識網絡，形成學科大概念以及小的核心概念；其思維層面是以觀察、記錄、描述科學現象，實驗探究科學規律，培養推理、論證、質疑和創新等科學思維，以數量關系和空間形式，理解和表達現實中事物的本質、關系和規律，培養符號運算、邏輯推理、模型建構等數學思維。

圖1 STEM 教育開展模式一

另一種模式（見圖2）是以某種主線貫穿STEM學科內容、能力素養和思維方式。在這種模型中，STEM 四學科是串聯關系，雖然串聯順序可以根據實際需求調整，但四學科的內容占比基本均衡，并且在學習活動的每一個環節，四學科缺一不可。

圖2 STEM 教育開展模式二

本文所闡述的STEM 項目教學就是以產品設計為主線，促使學生綜合運用科學、技術、工程和數學等相關領域知識，解決生活中的實際問題，從而培養創新能力和綜合實踐應用能力。

2 產品設計貫穿STEM教學的可行性分析

2.1 產品設計的性質

產品源于生活，用于提高生活品質。產品的基本要素包括用戶、場景、需求、原型與模型、材料與工藝、測試與優化等。設計能把設想形成方案和產品，是一個包括構思、成形、優化、迭代的問題解決過程，是對人類生活的可能性的謀劃，是一種人生智慧。產品設計需要運用問題解決、創造性思維、批判性思考和推理等多種策略，強調手腦并用，采取多種方案創新解決不良結構問題，蘊含著文化修養、社會責任、自主發展等豐富的育人價值，對學生創新精神和實踐能力的培養以至對國家科技發展都起到良好的支撐作用。

產品設計的主要規 則有問題解決、功能、約束條件、權衡、創新、最優化、試驗、效率、結構、控制、流程、系統。產品設計一般遵循科學性原則、安全性原則、實用性原則、經濟性原則、可靠性和耐用性原則、工程心理和生理學原則等，常常使用試驗、試用、測試等方面檢驗實際效果。

2.2 產品設計與STEM 四學科的關系

2.2.1 設計必須遵循科學原理，產品設計是把科學理論轉化為實踐力的橋梁 科學活動的本質是發現客觀對象的真理性，產品設計前期必須依靠科學原理的指導，明確“是什么” “為什么”等問題。產品設計過程中的邏輯推理、實驗驗證、證據解釋、應用解決問題等科學探索環節，不但能極大地促進科學知識和思維技能的發展，而且能培養嚴謹求真、獨立合作、質疑批判、實證理性等科學素養。

2.2.2 設計是技術蘊含的應有之義，產品設計是技術改變人們生產生活方式的主要途徑 技術的根本目的是解決實際問題，而設計是產生解決問題方法的主要途徑；設計是技術的關鍵，設計推動技術不斷進步和發展。產品的出發點是使生活更加舒適，其創新和革新既要求從功能、性能指標、耐用、安全、外觀、適應性等多種外部關系進行設計，還要求從結構、系統、流程、控制等內部矛盾、協調、制約等相互關系來設計。產品設計過程中的規范性、完整性、嚴謹性、先進性、創新性，能促使學生掌握相關技術，理解技術的規范標準及技術對人類社會、自然的影響，培養學生的安全責任意識、環保意識。

2.2.3 設計是解決工程問題的基本方法，產品設計有助于發展工程素養 工程屬于改造世界的實踐，產品設計是制造具有使用價值的物品的一個過程，兩者都高度關注實踐過程和結果的形成與優化。當前，我國中小學課程中缺乏工程類知識內容及思維能力培養，不利于我國未來智能制造及工程裝備的發展，因此，在實施STEM 教育時更需要引導學生從產品的創新性、產業性、經濟性等視角解決生活生產中的真實問題，全面培養學生的工程素養。產品設計需要掌握工程常識與專業知識，需要具備分析解決問題和動手操作的工程能力，需要具有發現問題、正視風險的工程意識，需要有生態、安全等工程倫理，能培養學生以系統分析和比較權衡為核心的工程思維，能引導學生領悟結構、流程、系統、控制思想和方法并加以運用，能促使學生進行簡單的風險評估和綜合決策，能促使學生通過工藝和材料進行工程實踐。

2.2.4 設計必須以數學概念及思想奠基，產品設計能以不同形式、多種思考方式來表征數學 數學素養是一種理性素養，是現代社會每一個人都應該具備的基本素養。問題需要用數學關系去描述，產品設計初期需要收集數據與評價數據設計；產品設計過程需要用動作、圖形、符號等不同形式和準確理解、牢固掌握、判斷推理、解決問題等多種思考方式來進行數學表征，需要用數學抽象、推理和模型來揭示產品結構與結構化，需要使用數學推演與推導的思想與方法，經歷從特殊到一般的探究過程。

綜上所述，產品設計在知識內容、能力方法、思維意識等諸多方面與四學科緊密相連，有關鍵的聯結點和控制點，能作為一條重要主線貫穿STEM教育教學。

3 產品設計視角下的STEM項目教學框架分析

筆者所在區域內中小學STEM 項目教學多采用問題驅動、任務驅動、項目化學習等方式，其中項目化學習是采用最多的教學方式。項目化學習解決真實情境、真實生活、真實社會中的問題[4]，關乎用戶真實而繁雜的實際需求，立足特定的條件和準確而具有挑戰性的目標，需要尋求各種資源并借助各種工具，持續探索解決路徑并螺旋修正優化。基于產品設計的有效STEM 項目教學有三大特征：一是能運用STEM 學科方法和迭代式設計來解決現實生活中的問題；二是能批判性地反思產品制造和運用對生活、社會與環境產生的影響；三是能將物化產品（學習成果）的效益及其含義有效地傳達給受眾。

3.1 教學設計

本文闡述的項目包含科學、技術、工程、數學四個要素，以產品設計為主導，運用所學知識關注現實問題，結果開放。產品設計貫穿下的項目教學，用產品作為任務的關鍵詞，以產品設計串聯四學科的專業特點、思維方式、價值觀念、行為規律，其本質是通過產品設計，讓不同知識體系之間建立內在關聯，通過不同學科相互作用形成知識的整合，形成跨學科的化學反應。

3.1.1 設計原則 產品是STEM 教學的物化呈現，是真問題、真應用、做真事；設計是STEM 教學的活動體驗[5]，是真探究、真解決、真做事。產品設計的目的不是簡單地獲得知識，而是通過設計讓學生在情境中體驗、在交互中體驗、在個性中體驗、在探究中體驗，讓學生在知識應用與重構、實踐驅動與探究中發現和成長，以激發學生的問題意識、學術思維、批判精神、獨立思考能力、知識綜合應用和創造能力。

基于產品設計的STEM 項目教學的核心原則有：

1）學生主動設計，讓產品在學生自然、自知、自主、自控、自在的設計中完成；

2）以問題解決為導向進行情境體驗，讓學習探究活動適切、愉悅、真實；

3）以用戶為中心進行交互迭代，讓學生理解和滿足人們的實際需求，讓產品在真實生活情境中應用并考慮最終使用者，讓設計成為一個過程結果可視、不斷批判評估、反復螺旋改進的探究過程。

3.1.2 教學目標 產品設計能避免STEM 教學走入“重技能培養輕知識學習，重活動形式輕科學精神，重學習結果輕學習過程”等誤區。產品設計貫穿下的STEM 項目教學，以問題解決為起點，以產品物化為依托，讓學生在理解、設計和制造產品的創造性過程中去理解原理、享受過程、發展思維，從而將學科內容、學科思維與現實問題結合，將思維方式、情感激發、社會責任和價值信念融合，逐步形成未來所需的價值觀念、必備品格和STEM 關鍵能力，促使學生成為有時代理念、會技術設計、能動手制作、善創新創造的高素質人才。

3.1.3 實施步驟

1）發布真實產品需求、制定功能目標與評價量表。展示實地調查和收集的問題資料，組織學生明確產品設計的價值和技術問題，引導學生依據需求結果寫明產品功能，然后繪制功能評價量表。

2）組織學生調查并收集相關設計信息。組織學生小組合作收集設備、材料、技術、資金等信息，明確設計條件及能力。

3）運用四學科相關知識、按照設計原則和流程制訂設計產品方案。組織學生制訂多個不同的產品設計方案，小組合作對方案進行分析、權衡和比較，選定最優方案進行具體、詳細的設計。

4）進行產品實現、試驗完善優化、展示交流分享。組織學生小組合作使用相關材料和工藝對產品進行制作和調試，組織學生小組間產品展示和試用，收集、分析存在的問題和解決建議，對產品進行優化修改。

教師在整個過程中需要持續追蹤學生的學習過程，并及時精準為學生提供反饋，確保產品制作按設計方案進行。

3.1.4 教學評價 基于產品設計的STEM 項目教學評價，以產品的實際效果以及達到的標準、面臨的限制條件和使用者的評價為基礎，綜合產品是否達到預期功能、設計的可行性與安全性和心理生理學及法律規范等因素，開發具體的學習評價量規，聚焦學生、教師、專家等多主體參與，堅持過程性評價與結果性評價相結合，對教師STEM 教學質量、學生STEM 素養進行綜合評價。

3.1.5 注意事項 產品設計所需資源較多，教師在組織教學活動時應提供范例支架、問題支架、向導支架、工具支架、圖表支架等多種支撐框架，加強支架導引，驅動學生自主探究；也可采用“半成品加工”教學法，以縮短產品制作的進度、控制產品成品的差異度。產品設計與制作周期較長，教師在實施中可設置導引課、探究課和展示課等多種課型，并合理構建不同課型的構成要素和教學功能。

3.2 學習流程

STEM課程是融合探究、設計、實踐和創造的跨學科綜合課程[6]，產品設計貫穿下的STEM 項目學習強調真實問題發現、綜合知識應用、系統創新設計和產品物化實踐。產品設計是一個動態發展的過程，每個階段和步驟根據設計實際可能不同，在綜合學生已有知識和經驗的基礎上，構建以下學習流程：

1）發現確定問題或研究對象，明確用戶需求結果和產品功能分析；

2）界定目標和限制條件，明確是否值得解決、是否有條件解決；

3）搜集設計產品所需的信息、數據、資料及知識探究；

4）計劃出多步驟的制作過程，開展“頭腦風暴”，提出多種可能的產品解決方案；

5）對多種方案進行分析、比較、權衡，分析產品制作的可行性，根據自身或小組實際選定產品方案；

6）進行具體詳細的產品設計，用相關技術、材料和工藝、工具制作原型或模型，制造中間過程需要多次檢測、評價及改進；

7）基于技術指標和測試數據對成型產品進行功能測試、性能測試、安全測試、適用性測試，對產品測試發現的問題或新的創意進行改進和優化；

8）向同學、老師、親朋好友、技術專家描述制作過程、展示產品，并咨詢他們對產品的意見和建議（如果需要產品優化，可重新設計方案，進行產品設計的流程）；

9）根據產品行業標準或技術規范制訂適當的評價表并進行評價，撰寫產品說明書，進行鑒定或申請專利。

因為產品設計與學生已有的知識體系、所涉及的問題和學習中遇到的困難與挑戰相關聯，所以以上各步驟并不是絕對的，在具體實施中，各步驟可以重復，或者從某一步驟反饋到之前的任何步驟并不斷迭代。

3.3 育人價值

產品設計貫穿的中小學STEM 項目教學是教育體系的重要組成，承載著時代和社會發展需求。學生經歷產品設計的全過程，能學習、積累、重構和應用STEM 多學科基礎知識內容、基本方法技能、基本思維素養和基本實踐經驗；能形成對現實生活問題的認知敏感性、產品設計的親近感、經濟社會的責任擔當意識，以及對產品與人、社會、自然的文化感悟；能養成綜合運用多學科知識解決多場景、混合式問題的思維習慣，養成實事求是、細致嚴謹、精益求精的勞動觀念；能形成初步的理工類職業規劃、職業素養和創業意識，為培養未來制造業人才奠定基礎。

4 結束語

產品設計貫穿的STEM 項目教學，以指向驅動性問題解決的產品為基礎，以設計整合教學活動和任務流程，從設計能解決實際問題的、有價值的產品出發，確立主題，以問題的生成、探索與解決為主線串起各個活動。它是一個基于問題進行創新產品方案構思的系列問題解決的過程，是一個運用相關的跨學科知識與方法進行問題解決的過程，是一個學生從“被動聽從”轉向“主動設計”的過程，是一個學生始終持有好奇心、神奇感和成就感的過程。它能改變STEM 教育領域存在的學科教育與跨學科教育未能協調發展的狀況，能促進未來社會勞動力知識、能力、素養結構的升級換代，能提升我國的國際競爭力。