基于PIRPOSAL模型下的STEM教育解读

2018-03-06石雨鑫贺小光

文化创新比较研究 2018年31期

石雨鑫，贺小光

（长春师范大学，吉林长春 130032）

1 综合STEM教育

综合 STEM 教育（Integrative STEM Education，ISTEM ED）如今被定义为：运用以技术或工程设计为基础的教学方法，通过技术或工程教育中的内容与实践，教授科学和数学教育的内容与实践。由定义可知，ISTEM ED是一种通过让学生参与以技术或工程设计为基础的学习来进行知识建构的教学方式。它将动手与动脑联系在一起，利用实践经验带动脑力的学习成果；即通过经验学习促进知识构建。对于STEM教育者而言，他们需要一个模型来指导和落实I-STEM ED。但通过对现有教学模型的严格审查发现它们并不能表达STEM综合教育理念。因此以过去十年的I-STEM ED的教学设计和发展为基础，2016年5月PIRPOSAL作为一个可以满足这一需求的模型被John G.Wells所提出。

2 PIRPOSAL模型：从理论到实践

2.1 理论到实践：在课堂中落实I-STEM ED

落实以PIRPOSAL模型为基础的I-STEM ED的最好方式，就是对其各个阶段进行讨论。为方便起见，该文将顺序介绍该模型。由于设计过程的出发点完全取决于设计者提出的问题，因此，讨论一般由中心问题展开，再通过八个设计的阶段来引导学生。

2.2 P.I.R.P.O.S.A.L阶段

根据学生们在整个设计过程中所需要了解的特定问题，PIRPOSAL的每个阶段都包含了三个设计焦点，分别是P:需求、定义、构想；I：标准、头脑风暴、生成；R：探究、调查、测试；P：分析、构思、选择；O:实验、重新探讨、建构；S：测试、分析、解释说明；A：确认、重新设计、重新测试；L:流程、迭代、证明。且每个焦点都强调了对具体实践的整合。下面详细介绍了在设计挑战的各个已知阶段中，设计性提问引导学生的方法。且每个焦点都强调了对具体实践的整合。下面详细介绍了在设计挑战的各个已知阶段中，设计性提问引导学生的方法。

2.3 Problem identification确定问题阶段

基于初步需求，教育者会提示学生在操作上定义问题，并使学生明确为什么需要该工程学解决方案。而以操作型定义为基础，学生可以构想出一个简要的问题说明。该说明需要包含基于设计规范细节（需求+问题）的综合问题，以及工程学解决方案最终起到的作用。在阐述问题说明的过程中，需要概述由工程学解决方案的背景和功能所共同决定的标准、参量和约束条件。

2.4 Ideation构思阶段

在确定问题阶段学生可以收集到一些信息（参数、约束条件等），构思阶段就开始于对这些信息中所包含的评判标准的回顾。这种回顾可以使学生对下列问题进行了解：（1）关于问题已知什么？（2）关于问题须知什么？

该阶段首先是集中性提问。根据对问题的了解，学生进行讨论，然后向小组成员征求潜在设计方案的相关意见。而在头脑风暴的同时，学生也要意识到他们在哪些领域缺乏知识、哪些领域需要对设计变量做进一步调查。在构思阶段，团队成员需要记录所有的建议和意见，包括任何与潜在设计相关的草稿、图纸或注释，它们将共同生成一个或多个初始的设计解决方案。

2.4.1 R.研究阶段

在研究阶段，要求教育者在设计问题时，将调查重点放在STEM学科的内容和实践中，确保学生能实现学习成果。为此，需要让学生对与设计方案各部分相关的科学、技术、工程和数学进行知识测试。这样的测试对学生提高对STEM要素限制条件的理解而言，至关重要。

2.4.2 P.潜在解决方案阶段

凭借学生在头脑风暴和研究阶段所获得的想法和知识，就能够确定哪些潜在解决方案是可行的。在潜在解决方案阶段，学生的初始任务是分析潜在解决方案中的基本要素。当学生对潜在解决方案（技术、材料、过程等方面）分析了解后，集中性提问就显得尤为重要。通过提问获得足够的信息，进而判断所做决定是否正确。再通过详细的草图对每一项设计进行分析，设计者就可以构思出最合适的替代解决方案。在绘制草图和图纸的过程中，学生会为他的想法赋予一些实质性内容，如型号、材料等，最终选择出一个或多个可行的潜在设计解决方案。

2.4.3 O.优化阶段

在很大程度上潜在设计的优化阶段是由发散性提问引导的。通常根据实验来完成对各部分的评估，进而确定它们在设计方案中的功能。然后设计人员根据这些结果重新探讨出一个特定的设计方向，并评估各部分在多大程度上对实现设计标准有帮助，而其他的考虑因素则包括如成本（时间、资源、生产）、影响（环境、社会文化、政治）等一些变量。基于这些评估，学生能确定潜在解决方案中哪些部分的结合最有用。优化阶段能使学生有足够的信心开始建构原型方案，进而引导出最终的设计解决方案。

2.4.4 S.方案评估阶段

为证实观点，原型方案通过实际测试、收集和分析数据、观察、对原型进行必要的调整，同时根据对实验结果的解释说明，得出结论，进而测验其设计观念。因此，在方案评估阶段提出的设计性问题，将针对设计挑战中的各个标准来对原型解决方案的属性进行评估。这通常涉及一系列子实验。当重新设计解决方案时，对定量和定性结果的解释说明可用于描述失败的设计或需要被解决的设计属性。为了改进解决方案，这些解释说明对制定良好的设计有直接的影响。

2.4.5 A.改良阶段

初始设计就能满足所有设计规范是很少见的，在设计可行的工程学解决方案的过程中，最初尝试总是伴随着性能问题，同时也会产生一些新的设计性提问。这些提问使学生回溯到方案评估阶段的结果中，并重新确定初始方案中的性能问题。重新讨论这些结果，可以使学生分离出初始原型中不符合规范且需要重新设计的特定属性。

2.4.6 L.学习成果巩固阶段

在整个设计过程中学到的知识，可以在学生的答案中显现出来。学习成果阶段要求学生以图表、口头或书面形式交流他们所了解到的知识。在工程设计过程中，对流程的探讨是揭示学生程序性知识和陈述性知识的理想方法。而对迭代的讨论则揭示了低阶问题的发展，反映出学生在聚合性思维与发散性思维之间的转变。同时学生可以利用内容和实践之间的联系做出正确的决定。而在对这种联系解释说明时，他们能够展示更高阶的思想，由此证明出他们设计方向的正确性。