建構STEM 校本課程 著力工程思維培養
——以“設計環保清潔劑”為例

洪盈

（廈門市思明區教育督導評估事務中心，福建 廈門 361004）

2018 年“中國STEM 教育2029 行動計劃”發布，STEM 教育在我國進入蓬勃發展階段。［1］而在當前大眾創新時代，工程思維培養已不僅僅局限于理工科領域，它更是學生創新思維能力的必備基礎。面對STEM 教育的思維力及課程改革的挑戰力，基于STEM 教育理念的校本課程的開發與實施是應對這種挑戰的一種較為可取的方式。STEM 指科學、技術、工程、數學，它是一種重實踐、跨學科的教育理念，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）多模態教學。意即基于項目式學習進行智慧教學，促進學生具備跨學科高階思維，懂得在任務完成中學會思考、追問原因，在探究、體驗中提升分析問題、解決問題的能力，將評價貫穿項目研究始終，形成多模態教學，如圖1 所示。

圖1

何為“工程思維”，顧名思義，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“專業層次的策劃型實體思維”。［2］工程思維分為：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等。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?；诠こ趟季S培養的校本課程建設應融合STEM 教育理念，培養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，如圖2所示：

圖2

一、當前校本課程開發存在的問題

隨著新課改的不斷深入，校本課程的投入也逐漸成為新課改的重點，但是各中小學在校本課程的開發過程中，存在著許多不容忽視的問題。一是教師的課程意識淡薄。由于受國家課程與地方課程為主導地位的課程體制影響，教師們習慣于完成指令性的課程計劃，對校本課程的認識還不足，對校本課程的涵義一知半解。二是教師的課程開發能力欠缺。絕大部分教師立足學科本位，專注于自己的學科專業，沒有充分的課程理論和實踐經驗的準備，大部分學校在課程開發中也往往集中部分骨干教師參與，導致教師資源匱乏。三是忽視學生的發展需求。校本課程的開發即是課程生成的過程，是自下而上的過程，即基于學生的發展需求、培養需要而開設，然而現行學校往往為“開發”而開發，忽略了對學生發展需求的調研和對學校課程資源的整合，忽視了校本課程的質量和意義。四是缺乏科學的課程評價體系。校本課程評價不僅僅是學生學業評價，還應關注校本課程本身的評價即課程原型評價。課程開發是一個迭代改進的過程，課程評價的意義尤顯重要。然而多數學校設計的評價還停留于學生自評、互評，教師評價等簡單指標，忽視了評價中最應體現的學生實踐能力、創新精神、團隊合作及思維能力等的培養，未形成科學的評價體系。

基于工程思維培養建構的STEM 校本課程，首先，順應時代發展態勢，讓教師在STEM 項目式活動中不斷實踐，汲取養料，讓他們在獲得成功體驗后豁然開朗，學校召集全體教師共同參與、學科滲透，在研究中推進，使教師變“要我做”為“我覺得很有必要做”，成為積極主動參與者，解決了教師對課程理念認識不足及課程開發能力的問題。其次，教師應當清楚當今學生發展更需要培養其學科核心素養、適應未來生活的關鍵能力和必備品格，STEM 校本課程的研發中主要培養學生科學探究、創新意識、工程思維、團隊合作等綜合能力，無論是課程內容、教學方式還是評價體系，都將較好地幫助學生實現新能力的發展。

二、基于工程思維培養的課程開發

“設計環保清潔劑”STEM 校本課程的開發即著力于學生工程思維的培養，體現了跨學科融合的STEM 教育理念。課程開發組通過組織團隊、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，以“設計環保清潔劑”為項目研究主線，經過架構課程綱要、確定課程目標、設計課程內容、制定課程方案、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STEM 校本課程，培養工程思維，如圖3 所示。本課程由真實的水污染，以及水污染對人類和生態系統的影響為情境引入，讓學生意識到使用環保清潔劑有助于環境水資源的保護，從而激發學生嘗試去了解、制作環保清潔劑，開展基于項目的解決任務式學習。本課程共分12 課時，內容涵蓋語文學科《認識清潔劑》《學寫說明書》、綜合實踐活動《走進污水廠》、數學學科《認識容積單位》《有趣的“數學比”》、科學學科《設計環保清潔劑》《制作環保清潔皂》《藏在水里的小秘密》、人工智能《自動感應清潔劑裝置》、美術學科《動手設計包裝》、英語學科The Environmental Cleaner 和道德與法治學科《策劃和推廣》等。課程的學科跨度大、內容豐富、涉及面廣，較好地幫助學生培養工程思維。

圖3

（一）創設情境，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設真實情境，如生活中忽略的現象或遇到的難題，有趣的現象或需要解決的問題容易吸引學生的興趣，激發思維，促進理解。有了真實生活情境的課程創設更能讓學生產生情感的共鳴，學生在真實情境中對活動的目標、意義、環境、分工、實施等確認，以更好地提升他們的工程決策思維。

如“設計環保清潔劑”課程的第一課時《認識清潔劑》中，課程開發組運用微視頻創設真實情境：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、動物排泄物等各種污染物被沖入水中，工業廢水、生活污水等也對人們的生產生活產生較大的影響，接觸污染物可導致身體患病或受到傷害……教師利用生活中洗手、洗澡、洗衣服和做衛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，它們對身體和環境都有什么影響呢？如此真實存在，生活中面臨的真切問題極大地激發學生探究的欲望，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，從而提出大任務：設計環保清潔劑；任務目標：設計一款環保清潔劑并能推廣使用；學生分組制定方案，反復推敲方案的可行性及需要學習的相關知識，在這個過程中有效培植了學生的工程決策思維。

（二）設計產品，分析問題，激發工程設計思維

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定的方案進行細化，分析活動可能出現的問題，設計解決該問題的措施，并預測可能發生的阻礙。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，包括設計中的決策運思、工程生態環境之思、設計中的美感之思以及設計中的工程合理性思考等。［3］工程設計思維簡單說就是解決問題的思考過程。課程開發組在確定了“設計環保清潔劑”研究任務和研究方案之后，開啟工程設計。為了解決可能發生的阻礙，課程設計了兩個課時《認識容積單位》《有趣的數學比》，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TDS 含量，為環保清潔劑的制作提供了科學依據?？紤]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策略，形成解決問題的能力。在認真比對各個方案的用量、配比及不同水源的過程中，學生發現不同可溶物清潔效果不一樣，用可溶物含量低的水制作的清潔劑其清潔效果較好……為工程實施打下基礎。在實驗過程中，學生不僅知識得到拓展，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展均得到更深的影響。

（三）探究實踐，解決問題，發展工程實施思維

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。工程實施思維包含思維方式、使用價值、規范、心理四個層面的整合與重構。課程開發組設計了《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，包括我已學懂的知識、我還未學懂的知識、我還想繼續關注的知識和我仍然存在疑問的知識等方面，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會帶來的不同結果，學會控制變量，掌握環保的價值意義?；趯W生在工程設計階段已初步構建制作環保清潔劑的知識框架，對設計方案也進行了可行性分析和在研究的基礎上進行實踐驗證，通過自我學習、反思、評估，學生發現要解決的是水的選擇，以及水、小蘇打、醋等環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，在實驗中不斷獲取最優數據。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，發展工程實施思維。而對課程的開發和設計最終是否完成學生工程思維培養，學習任務完成能力評價表，如表1 所示，較全面地幫助工程實施效果檢驗。

表1 工程思維學習任務完成能力評價

（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。［2］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，制作出了環保清潔劑、環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，將更好地培養學生國際視野、跨文化交流。而《策劃與推廣》則基于讓我們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，具有可持續性和價值性。這就需要培養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，亦是對產品再修正、再研發的過程，更是促進學生工程消費思維的發展。

三、課程成效與反思

基于工程思維培養開發的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，并且編著了《環保清潔劑我設計》校本教材，設計整理了配套的教學資源包；福建省教育科學“十三五”規劃課題“綜合課程視域下小學生工程思維培養的課程建設研究”順利完成中期匯報；榮獲國家級信息化教學思明實驗區領航校；于2021 年6 月11 日面向市區級領導、兄弟學校開展國家級信息化教學思明實驗區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：3 位教師的子課題獲區立項；5 位教師的相關論文區獲獎；3 位教師在市級開課、講座。三是學生層面。參與STEM 課程的學生在各方面都得到了提升。課堂上學生的思維變得活躍了，學生不再是死氣沉沉的聽眾，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；課后積極參加創客、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；如何進一步培養學生工程思維，培養適應未來領域的創新型人才等。未來我們還需對課程體系進行完善，圍繞主題課程繼續開發其他年級的STEM 校本課程，使之形成系列化，如以環保為主題，貫穿1-6年級，開發“環保太陽能小燈”“環保無動力小車”“環保污水過濾器”“環?？諝鈨艋鳌薄碍h保清潔劑”“環保垃圾桶”等。學校將繼續深入研究，探索出符合學生發展理念、適合學科融合、體現學校特色的課程體系，形成可持續發展的教學模式。