基于工程设计的小学STEM项目设计

钱耀刚 张维

STEM教育就是基于项目的以科学、技术、工程、数学为主干的多学科融合式教育，是以解决问题或完成一个作品为目标的教育。如何设计出结构合理、内容全面的STEM项目，成为当前阶段有效开展STEM教育的重要条件。笔者以“制作埃及金字塔模型”项目为例，谈谈如何进行小学STEM项目的设计与开发。

以年龄知识水平为指引，明确项目内容与形式

基于小学生的年龄特点及小学阶段学科知识水平，将小学阶段的STEM项目定位于“初学者”层级。处于这一层级的基于项目的学习，以事实性知识技能的学习与掌握为目标，教师在整个项目推进的过程中占有较大比重的主导地位。“制作埃及金字塔模型”STEM项目的提出契机，是学校3D打印社团的老师了解到苏教版五年级语文教材中有《埃及的金字塔》一课，于是向社团的孩子们提出了“制作金字塔模型”这一项目主题，并形成了基于项目学习的维度框架（见表1）。

以工程设计思想为纽带，串起项目内容的珍珠

在STEM项目的开展过程中，我们通常熟知的传统学习周期与学习模式与工程设计过程步骤是非常契合的。被广泛应用的教学模式BSCS 5E模型提供了按照顺序排列的學习步骤，而这些步骤与工程设计过程步骤形成了较为一致的对应关系。显而易见，学习步骤可转化为工程设计步骤。因此，STEM项目设计时可以以工程设计思想为纽带，将科学、技术、数学、艺术、读写等其他学科内容综合运用，串接起来，成为一个完整的学习项目。

以“制作埃及金字塔模型”

STEM项目为例，概括为以下步骤。

1.识别问题和制约因素

受到制作模型材质的局限，无法使用与金字塔实物匹配的沙石材质；受到制作模型的尺寸限制，无法制作1∶1比例的模型。

2.调查研究，设想和分析观点

项目小组成员通过对五年级课文《埃及的金字塔》的文本阅读以及网络上关于金字塔的知识内容搜集合作讨论后，整理得出以下观点：材质选取易获取的粘土、轻质粘土以及PLA线材（3D打印笔或3D打印技术）；通过数学中的比例专题学习，掌握按比例缩放技能。以胡夫金字塔为例，其实际尺寸高146.59米，底边长230米，按1000∶1的比例进行缩小，得到高14.659厘米，底边长23厘米（也可根据需要按其他比例缩小），通过学习简单的勾股定理，计算得出金字塔棱长21.89厘米。

3.构建和沟通

在设想与分析基础上，分组利用粘土、轻质粘土捏制模型；用3D打印笔绘制模型；用3D One或者123D Design等软件建模后，3D打印模型（如图1～图2）。模型尺寸以上述计算结果为依据。通过讨论沟通，对于捏制模型得出两种方法：一种是一次成型完成金字塔整体模型；另一种是先构建堆叠金字塔的基础性立方体构件，再用构件堆叠组成金字塔（如图3）。对于3D打印笔绘制模型，可以得到分片绘制金字塔四棱锥表面，再组合的方法。

4.测试、优化和反思

在各小组采用不同方法完成模型制作的过程中，还可以对制作时间进行测量，对材质可塑性进行比较，对制作难易度进行比较，对模型精致度进行比较……通过比较、测试与反思，筛选出当前项目任务的相对较佳方案为粘土捏制（见表2）。

通过梳理项目实现的过程，可以发现在每个步骤中都涉及到相应的学科知识与技能。不难发现，工程设计思想贯穿了整个“制作埃及金字塔模型”STEM项目（见表3）。

以“塞耶模型”循环为基础，反复迭代取得优化

通常情况下，在STEM项目设计时，上文中的工程设计步骤，并非单次完成的，一般需要采取一种四步循环解决问题模型——“塞耶模型”。“塞耶模型”引导学生定义一个问题，描述具体要求，确定解决方案，然后再重新定义问题，开始新的循环。通过“塞耶模型”，每一轮循环都能将问题范围缩小，都趋向于指向最优化的解决方案。

同样以“制作埃及金字塔模型”STEM项目为例，当第一轮工程设计目标实现后，通过表格数据对比，不难发现使用粘土捏制与3D打印技术是两个较佳方案。但当对模型制作提出精致度更高的要求时，使用粘土捏制的方法便失去了领先地位，3D打印技术成为首选方案；当对模型提出更大尺寸的要求时（如100∶1），使用一般的3D打印技术便也失去了领先优势，但如果引入粘土构件堆叠的思想，利用3D打印机先构建堆叠构件时，则又能恢复这个方法的优势；当对金字塔内部构造提出更高仿真要求时，则又需要参考金字塔内部结构，对3D建模技术进行优化与提升，同时需要引入对金字塔内壁画艺术的研究。

综上所述，STEM项目的设计是基于工程设计的项目式学习，工程设计思想贯穿于整个项目的始终，其他相关的学科知识与技能都被工程整合，同时STEM项目也必须遵循基于项目的学习设计原则，即：让内容容易习得、让思维具有可见性、帮助学生向他人学习、促进自主学习和终身学习。