基于工程思維培養(yǎng)的STEM校本課程建構(gòu)
——以“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”為例

福建省廈門市思明區(qū)教育督導(dǎo)評估事務(wù)中心 洪 盈

一、課程背景與簡介

教育家、哲學(xué)家赫斯特說：“教育的中心目的是向?qū)W生傳授主要的思維形式。”2018年“中國STEM教育2029行動(dòng)計(jì)劃”發(fā)布，STEM教育在我國進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。在當(dāng)今這個(gè)大眾創(chuàng)新的時(shí)代，工程思維不再局限在所謂的理工科領(lǐng)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(shí)施是應(yīng)對這種挑戰(zhàn)的一種較為可取的方式。STEM指科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)，近年在STEM中又加入了藝術(shù)（Art），之后再加入閱讀（Reading），提升為STREAM，即S（Science）科學(xué)，T（Technology）技術(shù)，R（Reading）閱讀，E（Engineering）工程，A（Art）藝術(shù)，M（Mathematics）數(shù)學(xué)，而在人工智能飛速發(fā)展的同時(shí)，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(rèn)真研究和學(xué)習(xí)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(yàn)，“A”（Assessment）評 價(jià)，“M”（Multimode）多模態(tài)教學(xué)。意即基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)智慧教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識和技能解決實(shí)際問題，并在完成目標(biāo)任務(wù)的過程中學(xué)會思考、追問、評價(jià)，在探究、體驗(yàn)中提升分析問題、解決問題的能力，形成多模態(tài)教學(xué)。

“工程思維”就是人們在進(jìn)行工程活動(dòng)和工程研究過程中所形成的獨(dú)特的思維方式，有人把它定義為“專業(yè)層次的策劃型實(shí)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(shè)應(yīng)融合STEM教育理念，培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)生活情境中學(xué)會提出問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中懂得分析問題，在探究實(shí)踐中能夠解決問題，在成果推廣中實(shí)現(xiàn)價(jià)值認(rèn)可。

二、課程開發(fā)與實(shí)施

“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”STEM校本課程的開發(fā)與實(shí)施即著力于學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，體現(xiàn)了跨學(xué)科融合的STEM教育理念。學(xué)校通過組織團(tuán)隊(duì)、理論培訓(xùn)、學(xué)習(xí)交流、定期研討、實(shí)踐體驗(yàn)等活動(dòng)促進(jìn)校本課程的開發(fā)，以“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”為研究主線，經(jīng)過確定課程目標(biāo)、設(shè)計(jì)課程內(nèi)容、制訂課程方案、擬定課程評價(jià)等措施推動(dòng)校本課程的實(shí)施，在實(shí)施過程中推進(jìn)課程綱要的制定、校本教材的編撰、教學(xué)資源包的完善以及教學(xué)實(shí)踐的研討，逐步建構(gòu)基于工程思維培養(yǎng)的STEM校本課程。本課程由真實(shí)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(xué)生意識到使用環(huán)保清潔劑有助于環(huán)境水資源的保護(hù)，從而激發(fā)學(xué)生了解、制作環(huán)保清潔劑的興趣，開展基于項(xiàng)目的解決任務(wù)式學(xué)習(xí)。本課程共分12課時(shí)，內(nèi)容涵蓋語文、綜合實(shí)踐活動(dòng)、數(shù)學(xué)、科學(xué)、人工智能、美術(shù)、英語、道德與法治等學(xué)科。學(xué)科跨度大，內(nèi)容豐富，領(lǐng)域涉及面廣，能較好地幫助學(xué)生工程思維的培養(yǎng)。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，培植工程決策思維

工程思維活動(dòng)的基礎(chǔ)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(dòng)，包括提出問題、形成方案、檢驗(yàn)與評價(jià)方案等活動(dòng)中的思維方法與過程。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)及活動(dòng)要達(dá)到的目的創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，以此激發(fā)學(xué)生的情感共鳴，學(xué)生在真實(shí)情境中對活動(dòng)的目標(biāo)、意義、環(huán)境、分工、實(shí)施等確認(rèn)，以更好地提升工程決策思維。例如，“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”課程的第一課時(shí)“認(rèn)識清潔劑”，課程開發(fā)組運(yùn)用微視頻創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境：全球每年有成千上萬的泳灘因?yàn)槭艿轿廴径魂P(guān)閉。強(qiáng)降雨造成垃圾、化學(xué)物等各種污染物被沖入水中，接觸污染物可能導(dǎo)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(shù)情況下會用到清潔劑，而這些清潔劑大多數(shù)是化學(xué)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(shí)問題極大地激發(fā)了學(xué)生探究的興趣，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識清潔劑。教師通過讓學(xué)生調(diào)查了解、小組討論、學(xué)習(xí)交流等多角度思考清潔劑的功效和危害，從而提出任務(wù)目標(biāo)：設(shè)計(jì)一款環(huán)保清潔劑并能推廣使用。學(xué)生分組制訂方案，反復(fù)推敲方案的可行性及需要學(xué)習(xí)的相關(guān)知識。在這個(gè)過程中，學(xué)生的工程決策思維得到有效培植。

（二）設(shè)計(jì)產(chǎn)品，分析問題，激發(fā)工程設(shè)計(jì)思維

工程設(shè)計(jì)是工程思維活動(dòng)的靈魂。工程設(shè)計(jì)思維是指根據(jù)工程決策階段制訂的方案進(jìn)行細(xì)化，分析活動(dòng)中可能出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)解決該問題的措施，并預(yù)測可能發(fā)生的阻礙。這種思維面臨的主要契機(jī)是潛在可能性與現(xiàn)實(shí)可行性的轉(zhuǎn)化。工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”研究任務(wù)和研究方案之后，開啟工程設(shè)計(jì)。為了解決可能發(fā)生的問題，課程設(shè)計(jì)了“認(rèn)識容積單位”“有趣的數(shù)學(xué)比”兩個(gè)課時(shí)，幫助學(xué)生了解容積單位和比的概念等數(shù)學(xué)知識，為設(shè)計(jì)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(xué)生研究水質(zhì)、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(xué)依據(jù)。考慮到工程設(shè)計(jì)的可行性，教師引導(dǎo)學(xué)生通過一次次的實(shí)驗(yàn)、對比、再實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)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(shè)計(jì)運(yùn)思過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)可溶物不同，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生的知識不僅得到拓展，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫教嵘匾氖牵瑢?shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)、對科學(xué)的探究、對工程設(shè)計(jì)思維的發(fā)展均產(chǎn)生了更深的影響。

（三）探究實(shí)踐，解決問題，發(fā)展工程實(shí)施思維

工程實(shí)施需要學(xué)生按照設(shè)計(jì)好的解決方案實(shí)施、對實(shí)施結(jié)果進(jìn)行評估總結(jié)、完善設(shè)計(jì)方案等步驟進(jìn)行循環(huán)操作與思考；教師需要根據(jù)學(xué)生的進(jìn)展情況，靈活把握活動(dòng)過程。課程開發(fā)組設(shè)計(jì)了“工程思維自我學(xué)習(xí)反思評價(jià)”“工程思維學(xué)習(xí)任務(wù)完成能力評價(jià)”等評價(jià)表，在每一課時(shí)均讓學(xué)生進(jìn)行自我反思，即從已學(xué)懂的知識、還未學(xué)懂的知識、還想繼續(xù)關(guān)注的知識以及仍然存在疑問的知識等方面幫助學(xué)生對每一次的探究實(shí)踐進(jìn)行評估總結(jié)，以便進(jìn)行方案的調(diào)整和再實(shí)踐。例如，第五課時(shí)《設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑》教學(xué)重點(diǎn)為會做洗滌用品去污實(shí)驗(yàn)，了解洗滌劑的不同用量帶來的不同結(jié)果，學(xué)會控制變量，了解環(huán)保的價(jià)值意義。基于學(xué)生在工程設(shè)計(jì)階段已初步構(gòu)建制作環(huán)保清潔劑的知識框架，對設(shè)計(jì)方案也進(jìn)行了可行性分析和研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，通過自我學(xué)習(xí)反思評估，學(xué)生發(fā)現(xiàn)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(dá)到最佳洗滌效果，其pH值是否達(dá)標(biāo)等問題，進(jìn)而在不斷實(shí)驗(yàn)中獲取最優(yōu)數(shù)據(jù)。學(xué)生在經(jīng)歷了多種設(shè)計(jì)解決方案、對實(shí)施結(jié)果評估、完善設(shè)計(jì)方案的探究過程后，實(shí)現(xiàn)迭代性思維，發(fā)展工程實(shí)施思維。而對課程的開發(fā)和設(shè)計(jì)最終是否完成學(xué)生工程思維培養(yǎng)，學(xué)習(xí)任務(wù)完成能力評價(jià)表，較全面地幫助工程實(shí)施效果檢驗(yàn)。

（四）成果推廣，實(shí)現(xiàn)價(jià)值，促進(jìn)工程消費(fèi)思維

當(dāng)某項(xiàng)工程竣工時(shí)，它的價(jià)值還只是潛在的，只具有可能性意義上的價(jià)值。如果建成的工程不能進(jìn)入消費(fèi)階段，那么這項(xiàng)工程的價(jià)值就是沒有實(shí)現(xiàn)的價(jià)值。工程成果的消費(fèi)過程也是工程消費(fèi)交往共同體解讀和重構(gòu)工程成果的過程。經(jīng)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(dòng)感應(yīng)清潔劑裝置，那么如何將產(chǎn)品進(jìn)行宣傳和推廣，實(shí)現(xiàn)其消費(fèi)價(jià)值？課程開發(fā)組還設(shè)計(jì)了“動(dòng)手設(shè)計(jì)包裝”、The Environmental Cleaner、“策劃和推廣”等課時(shí)，即進(jìn)行產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)達(dá)到美的視覺效果。廈門是一個(gè)包容性很強(qiáng)的國際化城市，對外交流和宣傳離不開英語，設(shè)計(jì)用英語推介產(chǎn)品成果，將更好地培養(yǎng)學(xué)生國際視野、跨文化交流意識。“策劃與推廣”則基于設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品能夠讓更多的人了解和使用，得到消費(fèi)者的認(rèn)可，具有可持續(xù)性和價(jià)值性。這就需要培養(yǎng)學(xué)生的工程消費(fèi)思維，學(xué)生需要調(diào)查了解大眾的消費(fèi)觀、市場競爭壓力、大眾檢驗(yàn)效能進(jìn)行常識性重構(gòu)和大眾日常語言重構(gòu)等，這個(gè)過程既是對成果的推廣，實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的過程，也是對產(chǎn)品再修正、再研發(fā)的過程，更是促進(jìn)學(xué)生工程消費(fèi)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(shí)施后，目前已初見成效。一是學(xué)校層面。學(xué)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(shè)計(jì)》校本教材，設(shè)計(jì)整理了配套的教學(xué)資源包。承擔(dān)的福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“綜合課程視域下小學(xué)生工程思維培養(yǎng)的課程建設(shè)研究”順利完成中期匯報(bào)。學(xué)校榮獲國家級信息化教學(xué)思明實(shí)驗(yàn)區(qū)領(lǐng)航校稱號，面向市區(qū)級領(lǐng)導(dǎo)、兄弟學(xué)校開展國家級信息化教學(xué)思明實(shí)驗(yàn)區(qū)STEM項(xiàng)目研討活動(dòng)，獲得與會領(lǐng)導(dǎo)、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(zhì)的突破，研究能力更強(qiáng)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(xiàng)，五位教師的相關(guān)論文在區(qū)內(nèi)獲獎(jiǎng)，三位教師在市級開課、講座，等等。三是學(xué)生層面。參與STEM課程的學(xué)生在各方面都得到了提升。課堂上，學(xué)生的思維活躍了，他們不再是聽眾，而是積極思考、敢于質(zhì)疑、懂得辯證解決問題、具有較強(qiáng)工程思維力的學(xué)習(xí)探究者。課后，他們積極參加創(chuàng)客、動(dòng)漫、編程、人工智能等社團(tuán)活動(dòng)及比賽，頻頻獲獎(jiǎng)。

當(dāng)然，課程建設(shè)還處于不斷探索與實(shí)踐階段，課程體系的整體建構(gòu)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(gè)年級，進(jìn)行普惠化實(shí)施；如何進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，培養(yǎng)適應(yīng)未來領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才等。未來，我們還要對課程體系進(jìn)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(dòng)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(xué)生發(fā)展理念、適合學(xué)科融合、體現(xiàn)學(xué)校特色的方案和體系，形成可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)模式，探索出適合校情的課程體系。