STEM教學中關鍵概念的比較與落地

[摘? ?要]科學探究、設計思維、計算思維、工程思維已成為STEM教學的關鍵詞。準確理解并實踐上述核心概念，是當前STEM教學中的一類重要問題。梳理概念內涵，以形成便于廣泛傳播、利于實踐交流的共識，是解決這一問題的前提;以各概念模型與核心特征為參考，形成操作流程、教學腳手架等實踐抓手，是支持這些概念在教學中準確落地的關鍵和核心。

[關鍵詞]STEM教學;科學探究;設計思維;計算思維;工程思維

一、引言

當前，科學探究（Scientific Inquiry）、計算思維（Computational Thinking）、設計思維（Design Thinking）、工程思維（Engineering Thinking）已成為STEM教育的關鍵詞。然而，當前的一些教學實踐表明，上述概念存在內涵不明、理解泛化、形式主義乃至異化實踐的現象，這不僅偏離了其教育初衷，而且破壞了STEM教學的發展生態。為使這些概念有效落地，需做好兩方面工作：一是要對表述不盡統一的概念內涵進行梳理，以形成便于廣泛傳播、利于共同體實踐交流的內涵共識標本，這是引領概念落地的基礎;二是以各概念教學模型為參考形成實踐操作流程，以易于理解、簡化提煉的概念核心特征為實踐指南，生成各概念在實踐環節中的教學腳手架，這是確保各概念形神兼備、準確落地的實踐抓手，是支持概念落地的關鍵和核心。

二、實踐基礎：確定各概念的基本內涵共識

科學探究、計算思維、設計思維、工程思維等概念，在理論層面有多種定義，其不盡統一的內涵表述，客觀上為課程目標設置與教學策略選擇等教學應用制造了障礙。因此，有必要對這些概念追本溯源，從多樣化表述中厘清其基本內涵。

1.科學探究

科學探究是教育領域一個相對成熟的概念。科學教育領域的經典書目Teaching Secondary School Science將其定義為：“科學探究是一種系統的調查研究活動，其目的在于發現并描述物體和事物之間的關系，其特點是采用有秩序的和可重復的過程;簡化調查研究對象的規模和形式;運用邏輯框架作解釋和預測。探究的操作活動包括觀察、提問、實驗、比較、推理、概括、表達、運用和其他活動。[1]”科學探究原本是指科學家為生成、驗證、發展科學知識而在科學研究過程中開展的各種探究活動，同時涉及一系列方法，其目的在于通過對人類所累積的知識進行本質的理解和反思，對后繼觀察有預測的解釋[2]。科學探究的本質在于通過強邏輯性的系列證據完成對假設的驗證。在教育領域，科學探究主要應用于科學教育。在不同情境中，科學探究可以被理解為一種教學方法、一種教學活動類型，或者一段教學過程。與科學家的科學探究相比，科學教學中的科學探究在對象、方法、結果等方面均存在差異[3]。具體而言，科學探究涉及到的具體科學方法包括：觀察;確定因變量、自變量并對其進行測量、分類、記錄;對實驗數據進行統計分析;使用圖表、表格等。

2.設計思維

設計思維起源于設計學、管理學領域[4]，最早可追溯到1969年西蒙（Simon）《人工科學》一書。后因關注與應用范圍的擴大，其內涵不斷豐富。整體而言，對設計思維的理解大致可以分為三種：一是方法觀，認為設計思維是一套幫助人們創新的結構化方法;二是過程觀，認為設計思維是一種基于分析、構想、創造、迭代等環節的解決問題的過程;三是能力觀，認為設計思維是設計師與他人相區別的一種復雜而高階的專業心理能力[5]。其中，能力觀因難以鑒定其概念的內涵與結構，且缺乏評價標準，對實際教學的影響有限。目前，設計思維在STEM領域主要是以方法觀和過程觀結合的視角被理解和應用的，具體表現為支持創新教育實踐的方法、策略、模型、框架等形式。

3.計算思維

2006年周以真教授發表了名為Computational Thinking的論文，標志著計算思維的研究與實踐進入了一個新的階段。在國內，計算思維的研究是從高等教育向基礎教育拓展，從計算機科學向STEM等其他學科延伸。當前，對計算思維的研究主要有三種視角：一是計算機科學的學科視角，以編程為核心內容和培育方式，強調提高學科教育水平;二是問題解決視角，強調計算思維的功能性和綜合性，能實現對復雜問題的求解;三是思維能力視角，認為計算思維是信息時代一種重要的認知思維方式[6-7]。整體上，在理解和應用計算思維方面多為上述三種視角的整合，其中問題解決視角更占主流。與此類似，代表了國內權威的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》，對計算思維的定義也突出了問題解決的綜合視角，指出“計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理算法形成解決問題的方案，并遷移到與之相關的其他問題解決中的一系列思維活動。[8]”

4.工程思維

工程思維概念源起于21世紀初在高等教育領域興起的工程哲學，該領域提出了“科學技術工程三元論”，為進一步辨析與把握工程的本質與特殊內涵，工程思維這一術語應運而生[9]。工程思維在基礎教育階段被廣泛熟知是源于《普通高中通用技術課程標準（2017版）》將其作為學科核心素養之一，并對其定義進行了具體描述：“工程思維是以系統分析和比較權衡為核心的一種籌劃性思維。學生能認識系統與工程的多樣性和復雜性;運用系統分析的方法，針對某一具體技術領域的問題進行要素分析、整體規劃，并運用模擬和簡易建模等方法進行設計;能領悟結構、流程、系統、控制等基本思想和方法并加以運用;能進行簡單的風險評估和綜合決策。[10]”相較而言，工程教育是基礎教育中的后起之秀，聚焦工程思維，深入而系統的教學實踐仍不多見。整體而言，當前相關教學對工程思維的理解與應用，主要是出于凸顯教學具有工程教育的特質以與其他教學形式相區分的目的，具有融合工程思維與工程素養且內涵更接近素養的特點。

三、基于共識內涵的各概念

在STEM教學中的定位比較

明晰概念內涵，確定概念性質，是教育概念得以準確落地的前提。將關聯概念統一橫向比較，既益于識別日常被忽視或引發疑惑的各概念具微的屬性差異，有助于更準確地理解概念內涵，又能在差異化比較中，促進理解各概念最本質的核心特征。

各概念在內涵方面具有一定的開放性和豐富性。簡而言之，在STEM教育中，科學探究既是實體教學環節，也是一種教學方法;設計思維是一個綜合性概念，在教學中多表現為一種教學策略，屬于方法論層面，旨在追求創新;計算思維融合多重視角內涵，具有綜合性，是學科核心素養，屬于教學的目標成分;工程思維是一種學科核心素養，其本質是一種高階思維形式，屬于教學的目標成分（見表1）。

四、實踐關鍵：以核心特征為引領，

基于教學模型流程，生成教學腳手架

以上概念已有部分被確立為課標內容，實踐落地勢在必行。教師作為實踐落地的主力軍，更關心概念的操作流程及其規范。本文認為，操作流程與規范要求固然重要，它解決的是“如何做”的問題，是概念落地的實踐之“形”，但在實踐中只懂得固守其“形”，不深究其規范何以形成的深層原因，只會使實踐走向機械與僵化。因此，教育概念落地時的操作流程還需思想理念引領變通。為便于專業反思和共同體交流，應將概念的思想理念簡化提煉為核心特征，這是概念實踐落地的“神”。如是，形神兼備，生成教師實踐的教學腳手架，作為教育概念落地的實踐抓手。以核心特征為引領，基于教學模型流程，生成教學腳手架，三位一體，可增強概念落地操作的科學性和生命力，這是教育概念實踐落地的關鍵和核心。

1.科學探究的核心特征

科學探究的核心特征是基于證據的思辨、大膽質疑、嚴謹求證。科學探究在科學教育中不可或缺，其意義在于使科學教育擺脫原有的將科學知識與結論向學生直接灌輸的非科學式教學方式，能夠將科學好奇、科學質疑、主動思辨、批判創新的主體還給學生，通過實驗探究的嚴謹求證過程最大程度地“活”學科學，批判性、主動性、建構性地理解科學思想。科學探究作為探求問題的一類方法，在科學教育中的一般過程包括以下六步。

一是提出問題，是指科學探究的出發點是一個科學問題，以問題喚醒學生的好奇心，激發其探究的興趣;二是作出假設，即通過日常經驗、觀察與思考，歸納出可能對探究問題產生影響的因素，對這些因素與問題進行相關的肯定或否定的猜想（如“物體的穩定性與支撐面的大小有關”），并以命題的方式呈現;三是實驗設計，即根據假設，在滿足一定信度、效度、實驗誤差等條件下，通過控制變量，設計觀察并記錄實驗自變量與因變量的互動變化關系的方法或途徑，以最終判斷假設是否成立;四是實驗實施，即根據上一步的實驗設計，依靠必要的材料、工具、方法等開展真實的實驗實踐，并在科學規范的操作中記錄實驗數據;五是得出結論，即對實驗數據進行整理、分析，形成對假設的明確的支持與否定的判斷，進而依據假設給出實驗結論，如“物體的穩定性與支撐面大小有關，且支撐面越大物體的穩定性越好”;六是表達交流，即向自己的共同體清晰表達自己的實驗邏輯、數據與結果，并進行建設性對話，促進對這一問題的再認識與新發現。

為支持教師對科學探究類學習活動的教學反思與改進，可以參考如表2所示的科學探究類教學的腳手架。

2.設計思維

設計思維的核心特征是以人為本、創新。設計思維倡導面對問題，要從需求的主體即用戶出發，設計者要切換到用戶視角，通過捕捉用戶的背景信息、個人習慣、事件場景等與該問題產生與依附相關聯的盡可能多的信息，獲得更多高價值的問題解決線索，進而支持最終創造性地提出具有私人定制特征的解決方案，以站在用戶的角度更好地達成問題解決。

設計思維已經成為研究與應用的熱點之一，過程框架的模型眾多。雖不同模型略有差異，但主要都包含“啟發—構思—實現”三大步驟[12]。為更具指導性，在此以應用最多、影響力最大的斯坦福大學設計學院的五環節模型為例[13]，介紹設計思維的典型教學過程。

一是共情（Empathize）。設計思維的一個重要理念是“以人為中心”，為深度理解用戶，需要開發者設身處地地站在用戶的視角，通過觀察、訪談、融入等多種方法獲取用戶的第一手資料，對“人”的需求進行深度、系統、個性化的分析，為后續解決問題選擇突破點、方法、工具奠定實情基礎。比如，自動取票機放置身份證的臺面采用了傾斜設計，乘客需要始終手扶身份證以免滑落，這樣就能有效避免在匆忙中遺失身份證。這一設計的成功之處在于對用戶的深度共情，精準捕捉到了在擁擠的火車站場景中乘客容易在匆忙中遺失證件的特征。

二是定義（Define）。定義是指對問題的進一步描述。因為最開始接觸和發掘的原始信息可能是冗雜的，需要對原始資料進行二次梳理。可以根據用戶需求、現實支持條件等各方面信息綜合確定設計方案應聚焦解決的子問題。簡言之，這是對復雜問題進行歸納分類，并確定問題解決功能指向性的重要一步。

三是構想（Ideate）。通過采用類比、歸納、想象等方法，積極調動發散思維、聚合思維、直覺等形式，提出問題的解決方案。構想的外部方法或形式包括“頭腦風暴”“九宮格”“六頂帽子”等。

四是原型（Prototype）。根據構想階段的方案，依據具體的材料、工具，應用必要的技術與工程方法與技術，完成概念方案的物理模型實現。

五是測試（Test）。基于原始問題，將產品置于情境中進行問題解決實效檢驗。根據實際檢測的效果與用戶需求，進一步優化作品。

設計思維作為一種復雜的方法論，其有力促進與發展創新的主旨并不會在教學中自然地發生。高質量創新學習的發生，其必要條件之一是學習者與恰當教學環境的合理互動，這有賴于教師精心與專業的設計。設計思維在各教學環節有其獨特的學習路徑喜好或要求，因而，課程開發與教學的專業設計，應確保以匹配的教學策略與方法組織相應的學習活動。也只有在這樣設計的學習環境中，學生才能在參與學習活動時，真正作為主體，建構性地體驗、參與、發展設計思維的概念意義與教育價值。設計思維類學習活動的操作方法如表3所示。

3.計算思維

計算思維是信息時代人人必備的通識素養，其理念在于培育人以信息可計算的方式去解決問題，通過一個特定問題實現一類問題的自動化解決、創新問題解決的意識和能力。在現有文獻中，談及計算思維要素核心特征最多的詞匯是抽象、自動化、形式化、建模、算法等[14-16]。概括而言，計算思維的核心特征是抽象。本文認為，上述其他特征僅僅是計算思維在問題解決的不同環節中“抽象”這一核心特征在處理形式上的差異化表達。例如，形式化是對現實現象以特定標識轉為信息的過程，是對現實問題的抽象處理的直接結果;建模是基于形式化所得結果，進一步對所涉及信息以結構化數據的形式呈現，在此基礎上抽象出信息流輸入輸出的完整共相模型;而算法則是基于該模型解決問題的完整過程的分解，更清晰并可驗證地達成每一步的結果，進而完成完整的問題求解;而自動化則是算法實現的運行方式，通常有機器運行而非使用人力的含義。以計算機為例，計算機之所以能夠處理海量信息，是因為其所處理的信息遍歷了上述信息形式化、數據結構化、建立共相模型、算法實現、自動化的從原始現象到結構信息數據的抽象過程。反過來說，計算機仍有很多不能處理的信息，也正是因為計算機對上述過程尚未完全抽象遍歷的結果。總而言之，抽象是計算思維的本質。

基于課標中的定義，可梳理出計算思維的一般流程共八個步驟，它們都是抽象的階段性關鍵表達，可完整呈現計算思維的問題解決邏輯。

一是界定問題。包含兩層含義。其一，要從自然環境、復雜情境中剝離出要解決的問題，實現從客觀世界問題到可解決問題的轉化;其二，要對這個可解決的問題是否適宜采用計算思維加以解決進行可行性判斷。不是所有的問題都適宜以計算思維解決，計算思維更傾向于通過對特例問題的一次性建模以達到對同一類問題自動化求解的情況。如，通過對一元二次方程ax2+bx+c=0進行一次性程序建模，對任意確定的一組參數a、b、c都可以求得x的解。

二是抽象特征。基于界定的要解決的問題，首先需要甄別出涉及該問題的對象、屬性等關鍵要素或特征，以概括的方式將原始的復雜問題簡化，使人更容易理解和把握問題的本質。

三是結構數據。根據上一步關鍵特征或要素的性質，選擇合適的數據表征方式完成原始信息的數據映射表達，最終確保各關鍵信息以合理的方式完整、準確地被存儲和組織。

四是建立模型。根據先前的結構化數據，對所有參與問題解決的變量進行完整的因果關系或相關關系的系統描述，使所有關鍵特征具有明確的輸入輸出關系。模型的方式可以是程序、認知策略模型、函數、編碼規范等。

五是算法分解。根據所建立的問題解決模型，設計一套問題解決的完整流程，該流程要細分為若干更小的步驟。而每一個步驟都需要用清晰的概念表達，而且每一步的執行結果成敗可以被明確檢驗。這樣，算法分解就是一個使問題解決的過程細化、清晰、完整化的步驟。

六是調試優化。即對先前建立的模型與具體算法進行實現，在實現過程中檢驗該模型或算法的功能性、穩定性，根據實驗中經歷的失敗、問題等進行迭代優化，追求最優解的過程。

七是問題解決。根據先前的模型、算法及優化調試，得到相對滿意的解決方案后，回應并解決最初界定待解決的問題。這是該問題是否被解決的一個結果呈現步驟。

八是歸納遷移。將解決該問題所形成的方案，通過歸納分析，遷移應用到同類問題，實現舉一反三的效果，這也是計算思維與其他概念問題解決的最大差異。歸納遷移也使計算思維實現了從特殊到一般，再從一般到特殊的抽象進階。

計算思維在實踐中靈活性較大，為此，可用關鍵反思問題作為教學腳手架，以支持教師反思教學實施（見表4）。

4.工程思維

工程思維是工程領域思考方式獨特性的體現，其核心特征是實踐性、綜合性和系統性。實踐性是指工程思維必須為真實的問題解決過程服務，并最終以實體作品的形式作為成果。實踐性是工程思維的靈魂，也是其本質特色。綜合性包含兩層含義，一是工程思維需要匯集多個學科，包括但不限于科學、技術、數學、藝術、經濟等;二是工程的各環節同樣需要多種工藝、技巧、方法等。系統性是指工程的所有環節應該經過理性的統一規劃、設計、管理、實施，避免管理失序和實施混亂，以降低成本、提高效率。

工程思維分為兩個類別：流程類和思維能力品質類。遵循便于實踐的原則，本研究以流程類為例介紹工程思維的一般流程，共分為以下四大階段。

一是工程決策。主要涉及調查探索、分析問題、確定目標等，是工程活動的首要環節。通過工程決策可為后期的方案設計等確定實情依據與方案方向。

二是工程設計。主要涉及功能篩選、結構設計、程序設計、美觀設計等，其目標是針對要解決的工程問題確定工程方案，為后續工程實踐進行科學、理性的規劃。

三是工程實施。主要涉及器材選擇、產品搭建、程序設計、美藝處理、測試與迭代優化等。作品原型與最終形式將在這一階段產出。該階段一般采用項目合作的方式進行，教師應特別注意學生在該階段所表現出的工程管理意識和能力，它涉及分工合作、材料監管、程序軟件與硬件搭建、項目耗時的階段性監管、遇到困難挑戰時的問題解決等一系列現實要素，直接關系項目最后的成敗與質量。

四是工程評價。主要涉及作品展示、總結反思兩個子維度。

為了支持教師不斷優化教學實踐，本文對STEM教學中工程思維的實踐操作要點和反思問題進行了歸納（見表5）。此外，工程思維還具有目標成分，高中相關課程標準對工程思維進行了5個層次水平的區分，值得借鑒（見表6）。這些內容將有助于STEM教師進一步打磨出具有個人特色的教學腳手架。

五、各概念在STEM教學中的特質與作用

概念特質是不同概念獨特本質的差異化內涵表達，是各概念教育思想與教育理念的重要載體。準確把握各概念內涵特質，有助于各概念在復雜多變的教學實踐中因地制宜地實現各概念教學實踐的準確落地，是在教學中充分發揮概念的特色與教育價值的關鍵（見表7）。

科學探究的特質是求真，是基于證據的思辨、大膽質疑、嚴謹求證。在STEM教學中，科學探究可作為其中的一個環節，讓具有不同想法的學生都能有足夠的主動嘗試、科學試錯的機會，充分探究各具特色、充滿想象力與創新性的想法，以實現主動思考式的問題解決。科學探究的價值還在于發現和驗證“是什么”“為什么”。因而，應鼓勵學生在發現和選擇后續問題解決方法的過程中，基于科學探究采用準科學式的、比較的、量化實驗分析的方法，甄別不同問題解決方法的科學原理、技術與工程技藝的優劣，進而在方法選擇中從基于經驗的簡單感性逐漸趨向基于科學原理的證據理性。

設計思維的核心特質是共情、創新。共情與創新緊密聯系，以深度理解用戶的方式實現創新式問題解決。在STEM教學中，共情是手段，創新是結果。用戶需求可分為核心需求和個性需求，在依據功能指向選擇問題解決技術路徑時，核心需求起主導功能，但個性需求發揮著問題解決技術方法差異化、豐富化、個性化的作用，能使問題解決具有私人定制的專屬特點，是深度共情的著力表現點，也是影響作品創新水平的重要突破口。簡言之，集深度共情與創新的設計思維，重在“做什么”“怎么做”兩個方面充分展現個性和創意。

計算思維的核心特質是抽象。在STEM教學中，其核心價值在于提供具有遷移功能的問題解決模型，其本質是“怎么做”“如何做”的方法選擇問題。在STEM教學中，應有意識地幫助學生從單個問題解決積極反思同類問題的遷移現象，增強學生“從特殊到一般，再從一般到特殊”的抽象思維能力。

工程思維的核心特質是實踐性、綜合性、系統性。在STEM教學中，要注重系統籌劃、工程管理、科學技術等跨學科知識整合等屬性，以實踐為核心，真正動手操作，而且要做成，追求特定限制條件下的最優解。

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作者簡介：曹峰，陜西省西安高新第一中學初中校區教師，E-mail：cf2012bsd@126.com（陜西西安，710075）

基金項目：中央電化教育館全國教育信息技術研究2018年度重點課題“證據導向的STEM教育模式研究”（編號：181120019-0009）;陜西省STEM教育（2020—2023）行動計劃專項課題“一致性導向的STEM課程評價研究”（編號：STEM2020-125）