基于工程設計的小學STEM課程設計例析

詹夢穎　舒劍梅

STEM教育是指聚焦真實世界面臨的復雜問題，開展跨學科學習，培養學生綜合運用科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）、數學（Math）等學科知識，發展學生解決真實問題的綜合能力。

2022年，教育部頒布了新的《義務教育小學科學課程標準》。從課程總目標來看，新版的科學課程標準更加注重以核心素養為導向的教學，關注培養學生的探究實踐能力、問題解決能力和創新能力。課程內容淡化了四大領域，提煉了13個核心概念和4個跨學科概念，注重綜合，要求至少開展10%的跨學科實踐。而技術與工程領域是加強跨學科實踐的重要保證。因此，STEM課程是應對新課程標準改革的關鍵抓手。

本文總結梳理了以“工程設計”為核心的STEM課程設計原則，并基于工程設計過程設計應用《設計海邊塔臺》STEM課程案例。文中結合工程設計過程遵循的系統步驟，介紹了案例中工程設計的具體實施過程，以及課程實踐的成效與不足，希望能為基于工程設計的小學STEM課程開發與實施提供建議。

一、基于工程設計的STEM課程設計原則

1.驅動問題為劣構性

基于工程設計的STEM驅動問題，從結構特征這一維度可以分為良構性和劣構性。相比于良構問題，劣構問題沒有唯一的答案，而有多種解決方案，因為它更接近于我們真實世界中存在的問題。聚焦真實情境提出的驅動問題，學習者會更愿意參與其中，更有利于培養其解決實際問題的能力。

2.以“工程設計”為核心，強調“再設計”

基于工程設計的STEM課程是指以工程設計過程為主線，與科學、技術、數學等學科融合的學習模式。在課程設計中應當體現“工程設計過程”，強調“再設計”的理念，凸顯STEM課程的探索性、設計性和迭代性。

3.跨學科整合課程

基于工程設計的STEM課程一定是跨學科融合的學習模式。問題解決過程必須整合科學、技術、工程、數學等學科知識，才能夠解決復雜的實際問題。例如，在本文開發的STEM課程《設計海邊塔臺》案例中，要求學生搭建一座60厘米高，承重、抗風、抗震性能強的瞭望塔臺，學生需要用到“塔臺形狀與結構設計”等工程知識、“上小下大，上輕下重”等科學概念知識、測試性能技術知識以及造價成本計算等數學知識。

二、基于工程設計的STEM課程設計應用

（一）工程設計：STEM課程的核心

要想培養學生運用工程思維來解決實際問題，關鍵在STEM課程設計中應用“工程設計過程”。工程設計過程（Engineering Design Process，簡稱 EDP）是指運用工程思維解決問題時的系統方法。詹姆斯·R·摩根（James R. Morgan）等人在《用工程學思想提升項目質量》中詳細介紹了工程設計過程可以分為“七個步驟” 。驅動問題的復雜性和解決方案的多樣性，決定了工程設計過程是需要不斷迭代的。而且，在問題解決過程中，可以跳轉至其中的一個步驟重新開始，或是在幾個步驟之間往復，直到找到最佳的解決方案。

（二）基于工程設計過程的案例分析：設計海邊塔臺

本文基于工程設計過程開發了小學STEM課程《設計海邊塔臺》。課程以“為深圳西灣紅樹林公園設計一座用于眺望灘涂的塔臺”為情境依托，要求塔臺安全穩定，能通過各項性能測試。

第一步，識別問題和制約因素，即準確地描述要解決的工程任務和識別任務中所有的制約因素和標準。在《聚焦任務，明確標準》活動中，學生要明確工程任務是搭建一座海邊塔臺模型。項目的限制因素包括時間、造價成本，標準是要求達到一定的高度，并且安全穩定，能通過各項性能測試。

第二步，調查研究，即為解決工程問題收集相關的信息，做必要的準備。一方面提高效率，另一方面使負面影響最小化。因此在《聚焦任務，明確標準》活動中，學生實地考察紅樹林公園的生態環境、地理條件，以及塔臺的最佳選址并說明原因。了解別人在造塔方面已經做過的工作，吸取經驗，為問題的解決提供更多可能性策略。

第三步，形成概念。要想有效地解決問題，經常需要在多種觀點或方案里進行選擇或優化，工程師會采用頭腦風暴法，開拓思維，盡可能把所有想到的觀點全部記錄下來。在《設計塔臺，參與競標》活動中，有的小組依據塔臺模型評價量規，利用前面收集到的信息進行頭腦風暴式討論，繪制模型設計圖；而有的小組是每個成員各繪制一份設計圖，然后再識別每個方案的優缺點，最后將這些方案進行整合，形成小組的初步方案。

第四步，分析觀點，即在概念形成階段對初次形成的方案進行分析，并進一步優化，使它得到充分發展。在《設計塔臺，參與競標》活動中，各工程隊在形成初步的方案后，依據評價標準對方案存在的優勢和不足進行充分地評估，并展示設計成果，接受其他小組的質疑和建議。各工程隊再次對不同的觀點進行“討論—識別—整合”，然后對自身的方案進行“再設計”，甚至需要多次往返于EDP的幾個步驟之間，最后識別出切實可行的最優方案。

第五步，建立模型，即根據設計方案構建一個解決問題的完整工作模型。在《購買材料，制作模型》活動中，學生利用吸管、透明膠等材料創造塔臺模型。

第六步，測試和優化，即對模型進行測試、評估效果并進行優化，測試條件應盡量貼合最后成品的實際使用環境。首先，小組成員要明確每項測試的標準和條件，參與測試并記錄測試結果。通過測試與觀察，小組成員討論交流塔臺模型有哪些地方需要進行改進優化。在這個階段，有些小組可能需要依據測試結果重新識別問題和制約因素，回到起點進行修改，再次進行頭腦風暴，分析整合觀點更新設計，建立新的模型，又一次進行測試優化。此時，有些小組可能會出現挫敗心理或中途放棄，教師應該給予鼓勵，并明確經歷這些過程的重要性。

第七步，溝通與反思。工程設計需要有效的溝通，包括人際互動、口頭溝通、視覺溝通等。在《模型發布會》活動中，各小組展示塔臺模型成果，提出方案存在的優勢與不足，并再次進行優化，這就需要良好的口頭溝通和視覺溝通能力。這一步不僅體現在《模型發布會》活動中，也貫穿于整個STEM課程中。

三、基于工程設計的STEM課程設計啟示

（一）實施成效

EDP作為問題解決的一種系統思考方式，給學生在解決真實世界中的問題時提供了腳手架。通過本次課程的設計與實踐，學生在以下幾個方面得以提升：

1.“工程設計思維”的提升

學生在課時三《設計塔臺模型參與競標》中，能在理解和分析具體問題的基礎上，運用科學知識和技術工具，考慮問題需求、資源總量等因素的限制，在諸多問題解決方案中選擇更具創造性和整體性的解決方案，并最終解決問題。

2.“再設計工程思維”提升

根據學生多次修改的設計圖，以及他們在模型發布會上重審原先的設計，結合工程的成本與可靠性、系統性、藝術性等做出再構思，可以發現他們的“再設計工程思維”得到一定程度的提升。

3.批判性思維的培養

我們對課時六《模型發布會》一課進行了課堂觀察，通過分析教學實錄量化教學效果發現：在這節課上教師的提問類型中有58.8％的問題為批判性問題，學生的回答類型中，有62.5％為創造評價性回答，兩項數據均可證明，孩子在課堂上有大量的批判性思維參與。

（二）教學反思

1.對項目案例真實性的反思

項目中涉及的工程知識，與真實工程知識是有差異的；教師理解的工程師的思維方式，與真實工程師的思維方式有差異；學生的工程體驗，與真實工程也存在差異。后期我們會通過閱讀工程學書籍、觀看工程學紀錄片、訪談工程師等方式，增加教師自身的工程知識，提高教師自身的工程思維，讓工程項目更接近真實工程項目。

2.學生學習自主性的反思

執教過程中發現，越到高年級，學生的問題意識越薄弱。我們的科教方案很大程度是根據教師的教學設計推進，而不是學生自主推進，后期我們會注重學生問題意識的培養，讓項目由學生自己產生的問題推進。

（作者單位：廣東深圳市寶安區坪洲小學）

責任編輯 成 盼