滲入工程設(shè)計思維的STEM課程探析

◇蘇巧玲（福建：泉州市豐澤區(qū)第二實驗小學(xué)）

STEM 教育不僅能夠鞏固學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識的基礎(chǔ)，還可以提高學(xué)生運用跨學(xué)科思維解決復(fù)雜問題的能力。發(fā)展STEM 教育已成為世界各國培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要手段之一。

一、滲入工程設(shè)計思維的STEM課程分析

“且聽簫音——自制創(chuàng)意小樂器”課程是面向四年級學(xué)生設(shè)計的。課程由一個課前活動和“設(shè)計排簫”“制作排簫”“展示、測試排簫”等三課時構(gòu)成，課程的總用時為2～3 小時。但授課教師可以根據(jù)實際教學(xué)情況、學(xué)生能力水平安排具體的教學(xué)課時。

二、滲入工程設(shè)計思維的STEM 課程教學(xué)實踐

（一）工程設(shè)計思維的內(nèi)涵界定

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》指出，工程教育要以設(shè)計為核心，首先是定義和界定工程問題，明確需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)和受到的限制條件，形成多種解決方案，基于證據(jù)進行優(yōu)化并確定方案。

因此，工程的設(shè)計思維是指學(xué)生圍繞一個具體的項目開展學(xué)習(xí)，以科學(xué)的知識與技能為載體，在形成設(shè)計方案或模型的迭代過程中綜合運用科學(xué)探究、模型建構(gòu)、證據(jù)推理、質(zhì)疑批判、評價反思等思維方式解決實際問題的一種高級認(rèn)知活動。

（二）滲入工程設(shè)計思維的教學(xué)模式

基于工程設(shè)計思維的特點，本課程采用了如下的教學(xué)模式。

首先要在研究的基礎(chǔ)上明確問題或需求，設(shè)計多種可能的解決方案，通過分享、交流、基于證據(jù)進行優(yōu)化并確定方案；選擇合適的工具和材料，實施方案設(shè)計，制作初步的產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ?。?jīng)過對結(jié)果的評估，發(fā)現(xiàn)存在的問題并進行改進。這是一個循序漸進又循環(huán)反復(fù)的過程。

（三）滲入工程設(shè)計思維的教學(xué)流程

本節(jié)課以“設(shè)計一把能發(fā)出1234567 的排簫”為課程項目的核心任務(wù)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)的真實的情境，基于已知科學(xué)原理和知識，圍繞著這一項目開展基于設(shè)計的觀察活動，通過定義和界定問題，明確標(biāo)準(zhǔn)，形成多種可能的解決方案模型，并根據(jù)存在的問題進行方案的迭代。從而養(yǎng)成工程思維的習(xí)慣，提升工程設(shè)計的能力。

1.激發(fā)學(xué)生參與工程學(xué)習(xí)的興趣

基于工程設(shè)計的項目任務(wù)，一定是來源于真實的生活，是一種以解決真實發(fā)生的問題為情境而展開的學(xué)習(xí)活動。本節(jié)課以觀看排簫演奏為情境引入，激發(fā)學(xué)生參與工程學(xué)習(xí)的興趣。

2.觀察簡易排簫模型

讓學(xué)生觀察簡易的排簫模型，了解排簫的結(jié)構(gòu)及發(fā)聲原理。激發(fā)學(xué)生設(shè)計思維的發(fā)生。這一環(huán)節(jié)，從探究的角度看，適當(dāng)?shù)墓ぞ呋驅(qū)嵨锬Ｐ陀兄诳茖W(xué)探究。用工程的方法和流程設(shè)計制造出的作品或?qū)嵨锬Ｐ停环矫嬖谠O(shè)計制作中需要應(yīng)用科學(xué)原理；另一方面可以幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)原理，使科學(xué)、技術(shù)、工程成為一個密切相關(guān)的整體。

3.頭腦風(fēng)暴

在探究的基礎(chǔ)上，教師提出此次工程挑戰(zhàn)的任務(wù)，即“做一把能發(fā)出1234567（CDEFGAB）的排簫”。在項目任務(wù)提出的時候，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進行頭腦風(fēng)暴，討論設(shè)計一把排簫需要考慮哪些因素，討論蘊含以下問題:“你們將設(shè)計出怎樣的模型？它會有怎樣的功能？”“在設(shè)計之中你們將會運用哪些科學(xué)概念？”用問題撬動學(xué)生思維的發(fā)生。在討論中，學(xué)生思維不斷發(fā)散，能基于前面探究環(huán)節(jié)學(xué)到的知識去分析設(shè)計，發(fā)展思維的深刻性、靈活性和全面性。

4.出示評價量表

頭腦風(fēng)暴后，學(xué)生對項目的需求會越來越明確，也知道了模型設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有哪些。緊接著教師出示整個項目評價量表，將評價標(biāo)準(zhǔn)前置，讓學(xué)生在設(shè)計和制作之前確定目標(biāo)，明確衡量的標(biāo)準(zhǔn)，參照評價標(biāo)準(zhǔn)進行自我監(jiān)控和自我評價。

5.設(shè)計方案

在這一步驟中，學(xué)生需要運用搜集及觀察到的信息，設(shè)計問題的解決方案。設(shè)計過程可以分為以下四個環(huán)節(jié)：觀察材料，基于材料的選擇討論解決問題的方案；對提出的解決方案進行建模（畫設(shè)計圖）；匯報模型設(shè)計圖；優(yōu)化模型設(shè)計圖。

工程設(shè)計思維取決于解決問題的思維方式，需要探究思維、批判性思維、創(chuàng)造性思維的協(xié)同作用，發(fā)揮效能。為了使工程設(shè)計思維更加高效，本節(jié)課在觀察、選擇材料時，教師就可以有意識地將材料分為兩部分，一部分是制作音管的材料，一部分是組合音管的材料，再引導(dǎo)學(xué)生進行合理的分工與觀察，對材料的觀察，教師可以適時地給予一些方法的指導(dǎo)，也可通過資料閱讀卡，讓學(xué)生自行閱讀，合議選擇哪些材料，并繪制解決方案的模型設(shè)計圖。

完成模型設(shè)計圖后，各小組需要在全班同學(xué)面前展示自己的想法和設(shè)計方案，討論方案的優(yōu)缺點。在綜合各小組同學(xué)的建議基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化設(shè)計方案。這是學(xué)生思維顯性化的體現(xiàn)，也是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的重要時機。

我們來看這一組學(xué)生優(yōu)化之前和優(yōu)化之后的設(shè)計圖。在小組匯報時，我們可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生有著自己獨特的想法，從他們給自己的小組取名“粼波彎月”就可以感覺到了。同時，我們也能意識到這組學(xué)生對“空氣柱越長，發(fā)出的聲音越低，空氣柱越短，發(fā)出的聲音越高”這一聲音的性質(zhì)，掌握得并不全面。他們認(rèn)為管越長，聲音越低，因此設(shè)計時他們忽略了管內(nèi)必須塞住泡沫塞，吹出的空氣才能在管內(nèi)振動，但他們很善于聽取其他小組的意見，當(dāng)有學(xué)生質(zhì)疑他們的設(shè)計時，他們能及時發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計的不足并進行改進，從他們優(yōu)化后的設(shè)計圖，我們就可以看出來了。

這是工程設(shè)計思維進階性體現(xiàn)，學(xué)生在調(diào)用工程設(shè)計思維解決問題時，需要有一個由淺入深的過程。從思維的深度上看，體現(xiàn)在能透過現(xiàn)象把握規(guī)律本質(zhì)的思維進階，能從具體的材料到繪制抽象的實物模型。同時，學(xué)生還需綜合各方面影響工程設(shè)計的因素，做到統(tǒng)籌考慮和逐步迭代，從而得出優(yōu)化方案，使其思維螺旋式上升。

這也是學(xué)生在本學(xué)科核心概念“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的建構(gòu)”的同時，形成和理解“結(jié)構(gòu)與功能”這個跨學(xué)科概念的體現(xiàn)。在技術(shù)與工程中，為了實現(xiàn)特定的功能，學(xué)生需要設(shè)計并制作有獨特結(jié)構(gòu)的裝置。若結(jié)構(gòu)存在缺陷，則不能充分實現(xiàn)設(shè)想的功能，從而使學(xué)生對“結(jié)構(gòu)與功能”這一跨學(xué)科概念有更深入的理解。

三、制作實物模型

學(xué)生在設(shè)計模型的基礎(chǔ)上建造實物模型，實物模型用于檢測所提出的解決方案是否可行。因此學(xué)生能夠?qū)嵨锬Ｐ瓦M行相應(yīng)的操作和測試。

制作實物模型，是要把設(shè)計解決問題的方案分步驟完成，制作排簫實物模型由制作音管和組合音管兩大活動構(gòu)成。教師可以先讓學(xué)生說說制作過程中可能會碰到哪些問題。根據(jù)學(xué)生的問題，教師可以采取不同的教學(xué)方式各個突破，例如，在制作音管中，學(xué)生對音準(zhǔn)這一項怎樣落實，存在著較大的困惑。因為很多學(xué)生沒有絕對音準(zhǔn)，僅靠聽力辨識不出音管吹出來的音準(zhǔn)。因此，我們可以引導(dǎo)學(xué)生去思考，借助智能化的調(diào)音軟件去調(diào)音。并通過微課及模型演示的方法，讓學(xué)生了解調(diào)音技巧，突破怎么校對音準(zhǔn)這一教學(xué)難點。

后續(xù)的組合音管的技巧，因為每個人選擇的材料是不一樣的，因此我們采用的是從網(wǎng)上下載或自制一些微課教學(xué)視頻，讓學(xué)生了解一些工具或材料的使用方式、方法，如橡皮筋捆綁的方式是怎么樣的、怎樣進行框架固定等等，將之整理出來，放在IPAD 的工具資源庫里面，學(xué)生可以通過自學(xué)，獲取相關(guān)的技能，制作出排簫的實物模型。這也是在課程資源開發(fā)與利用時，教師要善于選擇和組合各種適宜自身教學(xué)實際的課程資源，重視課程資源的整合與利用、信息技術(shù)與科學(xué)教學(xué)的深度融合，力爭給學(xué)生操作、體驗、探究、實踐等提供支持。

四、測試與評估

各組在完成制作后，需要進行2～3 分鐘的作品初步匯報，從而感受工程項目實施過程的成就感。緊接著學(xué)生必須根據(jù)項目評價量表，對實物模型的可行性和性能進行測試和評估。在此過程中，學(xué)生需要觀察音管吹口是否平整、豎直方向放3 個鉤碼、用2N 的力拉排簫模型時，排簫的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化。以及選擇測試員，運用調(diào)音軟件對各組排簫音準(zhǔn)進行測試，量化評分。

此過程能檢驗學(xué)生工程項目實施的效果，也能鞭策學(xué)生對項目學(xué)習(xí)進行反思，從而找到對排簫設(shè)計與制作的優(yōu)化方案，對作品進行再次優(yōu)化。

總結(jié)拓展，主要是留給學(xué)生更多的思考：今天我們制作的排簫能演奏一首《小星星》，如果我們想演奏其他更復(fù)雜的歌曲呢？我們又需要什么材料，怎樣設(shè)計、制作呢？讓學(xué)生把工程項目學(xué)習(xí)延續(xù)到課后，不斷突破自我。

評估內(nèi)容包括學(xué)生的學(xué)習(xí)評價（課堂參與度、分工協(xié)作能力、展示交流能力）以及測試和評價學(xué)生設(shè)計的模型。

關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程評價。要通過觀察學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中的表現(xiàn)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況、評價教學(xué)的成效，以此為依據(jù)調(diào)整教學(xué)目標(biāo)內(nèi)容和方法，提高教學(xué)活動的有效性。例如，可以根據(jù)學(xué)生在解答問題、小組合作等活動中的表現(xiàn)，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、思維投入、知識理解、能力水平，以及對任務(wù)的適應(yīng)程度，進而基于學(xué)生的學(xué)業(yè)表現(xiàn)評價教學(xué)目標(biāo)的合理性和教學(xué)方法的有效性，并進行必要的調(diào)整。

注重學(xué)生自評與互評。引導(dǎo)學(xué)生針對學(xué)習(xí)過程進行反思，與他人相互評價，在評估結(jié)束后，學(xué)生需要重新設(shè)計模型，或?qū)δＰ瓦M行優(yōu)化。

五、聽取反饋

設(shè)置這一步驟是為了讓學(xué)生聽取反饋意見，從而改進其設(shè)計方案。反饋意見包括口頭反饋和書面反饋。在工程設(shè)計的任何階段，都需要及時給出反饋以方便學(xué)生采取相應(yīng)的行動。

六、分享與交流

在活動進行中，學(xué)生需要與組內(nèi)成員或在小組之間進行交流與分享。這一過程是要向他人說明自己的設(shè)計是如何解決問題的，自己的設(shè)計又是如何滿足教師提出的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的。這就需要學(xué)生的用語條理清楚，以讓他人能夠準(zhǔn)確地理解自己想要表達的內(nèi)容。