通過工程設計讓學生理解STEAM教育

◇張建穎（北京市東城區黑芝麻胡同小學）

一、工程設計的概念

如果科學是了解大自然，工程就是改造大自然。準確點兒說，工程是指按照預設的目的和需要，應用相關科學知識和科技設計和制定方案，以解決社會和日常生活中的問題。工程設計的目的是透過邏輯推演的方式，制定出有效的程序、產品裝置或系統。典型的工程設計流程包括界定問題、確認需要和限制、進行研究構想、設計、制作和測試模型、分析和評價，以及根據評價結果將設計加以改良。這個設計過程可以用以下的流程圖表示：

由于任何設計方案都要經過多次改良才會被選定為最終方案，所以工程設計是一個不斷迭代的過程。但是，以上所描述的只是一般的工程設計流程，在實際情況下，個別步驟的先后順序以及對學科知識、工藝技術和數學運算的要求，需針對問題的性質及實際設計的難易程度而定。上圖所顯示的流程只能為初學者提供基礎的指導。

二、科學在工程設計上的作用

工程并非一定需要應用科學知識，在科學尚未發展的年代，人類已創造了不少偉大的工程建設及科技發明。推行STEAM 教育更需弄清工程設計是如何借助科學和技術提供設計的理念和原理來提高效能的，有了這個基礎，可對應工程設計的實際需要引導學生學習科學?？茖W在工程設計上的應用可分為兩個層次。一是科學概念的應用；二是科學探究技能及推理的運用。很多工程上的問題，都需應用科學概念來解決。以探尋汽車“外形與空氣阻力”的秘密為例，小學生要用適宜的實例理解流體力學的科學概念，同時教師也要嘗試帶領學生“三線并舉”。在一系列的驅動問題中，師生共同經歷制作對比不同車體外形與空氣阻力成因的過程，根據理論或經驗提出假設或設計理念、辨別變因、制定測試、分析數據、運用數學、建構模型以及邏輯論證等。進而探究流線型外形可以減小汽車在空氣中運動時的阻力的原理，掌握設計對比不同外形的模型的技術，發現科學知識與科學推理之間的關系。設計前，學生未必已經掌握相關的科學知識，這就需要在設計和測試過程中邊學邊用，因此STEAM 教育既是應用知識的過程，也是學習新知識的途徑。這也就不奇怪為什么在STEAM 課堂里，知識的應用與學習常常處于交替和互動的聯通狀態。

三、通過工程設計提高學生探究能力

通過工程設計過程，可以幫助學生提高科學探究和推理能力。但要實現這個目標，教師先要辨析工程設計過程中的每個階段所涉及的科學元素，在教學設計上有系統地提供指引或腳手架，幫助學生逐步發展相關知識和推理能力。為幫助STEAM教師進行這方面的規劃，本文參考了Baker and Piburn對科學推理的分析，歸納出在工程設計的過程中，各主要階段對科學知識和科學推理的要求，結果如下：

工程設計階段/步驟科學知識科學探究技能和推理探究和推理結果在工程設計上的應用界定問題（確認要求和限制）研究構想設計提出假設·流線型減小空氣阻力·非流線型減小空氣阻力選擇處理方法（課堂進行時根據教學目標材料而定）先測試流線型外觀與空氣阻力的關系測試模型了解外形與空氣阻力的關系·框架結構的原理·流線型與空氣阻力·非流線型與空氣阻力流線型外觀在空氣中運動阻力減小·測試儀器和測試方法·框架結構的穩定性解決設計、制作、測試過程中遇到的問題公平測試·找出三種不同外形受空氣阻力大小的影響測試過程顯示要得到最佳效果及量度更為準確·三種外形是同一材料制作·三種車外形都在同一環境下測試分析及評估測試結果流體力學概念（應用數學）·針對問題的成因，改良原來的設計。反思問題是否出于錯誤運用科學理論或者知識。如果有需要，要重新檢測原來的科學原理或者設計理念是否奏效·根據評估結果，進一步分析方案的效能改良更深入的理論：材料的輕重會影響空氣阻力的大小數據分析，建構應用數學模型·對測試結果進行分析評定，流線型外觀受到的空氣阻力最小利用塑料（3D）或者金屬替代陶泥，以減少重量對空氣阻力的影響·根據測試結果，選擇材質輕的流線型外觀設計車體，并將其納入新的設計方案之中

補充主題活動產生背景和教學過程進行解釋：做—比—說—迭代。

（一）源于學生的需求

湘教版科學課程《大自然的啟示》讓參與Greenpower能源車社團的成員發現了車外觀的形狀與車速會有“關系”：為什么呈梯形的車架不是橢圓形或者其他的形狀？為什么需要給車架制作曲線的外形？梳理問題有技術層面的，如：什么外形的車體跑起來更快，車體支架的拼搭與車外觀的關系；有科學原理層面的，如：框架式結構的車體更穩固，流線型的外形可以減小它在空氣中運動時的阻力。比較這兩大類問題，就是在權衡科學知識與科學推理關系的問題。

教學中由車輪引出汽車并添畫汽車的外形，然后出示幾種外形不同的汽車圖片，讓學生做“汽車”(模型，突出外形輪廓)。從“汽車”比賽的話題中引出速度，讓學生分組預測本組做的“汽車”中哪輛速度最快(填寫在卡片上)。學生在預測時就進行了推理和解釋，并運用科學知識建立車體運動時外形與空氣阻力間的關系。在自行探究環節，學生分工合作，積極參與研究，做好實驗記錄并匯報交流，歸納出“流線型的外形可以減小它在空氣中運動時的阻力”；在后期拓展中，研究水中運動的物體的流線型外形與它的運動有什么關系。這既是運用所學知識進行運動類產品的外形設計，也是科學與工程的聯動。

（二）源于核心素養的培養需求

核心素養是指學生應具備的適應終身發展和社會發展所需要的必備品格與關鍵能力，科學學科的核心素養是學生在接受科學教育過程中逐步形成的重要品格和關鍵能力，兩者在方向和性質上是統一的?？茖W學科核心素養中提到的“科學思維與創新”，是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質，它是科學學科核心素養的核心，在科學的一般思維基礎上，強調創造性思維。通過“探究制作車體外觀車型”“探究比較哪種外觀的車體在空氣中的運行效果好”兩個系列化探究活動，最終完成揭秘汽車“流線型外形可以減小在空氣中運動時的阻力”。在整個探究過程中，注重學生科學思維與創新、科學觀念與應用的培養。

新課標指出，設計是工程和技術的核心過程。通過設計過程，一個人能學會如何辨別問題或需要，如何思考各種選擇及約束條件，如何做計劃、建模型、用迭代方法解決問題，如何提高高階思維技能和實實在在的可見技能。在技術與工程領域，重點是讓學生關注自然界與人工世界之間的相互聯系，愿意通過對工具、材料和技能的改進更好地解決生活中的實際問題；知道如何明確問題，分析情況，搜集相關信息，形成切實可行的創意或方案，并將其轉化為實物或對已有物品進行改進與優化。

小學階段進行的科學實踐活動大多簡單易行，經歷這些活動，能讓小學生在已有認知和技術水平的基礎上，獲得使用簡單工具解決生活中的問題以及制作產品的經歷和體驗。在解決問題和制作產品的過程中，創造性地運用所學的各方面知識，在設計、制作、打磨、修改、再完善等一系列程序中，鍛煉學生動手動腦的能力。以上討論，證明了小學科學課程中的工程與科學以至數學在STEAM 教育中的緊密關系。由此可見，一個有效的STEAM 教學設計應能提供豐富的工程設計經驗，讓學生理解科學、科技、工程與數學之間的關系，并了解怎樣應用不同學科的知識，再配合科學探究技能和科學推理解決生活上的問題。根據這些理念而設計的教學活動，能更加貼近真實世界的情境，會令學習變得更有意義，又能提高學生的學習積極性。