基于设计思维框架的STEM PBL课程实施研究

(江苏省苏州市吴江区鲈乡实验小学，江苏 苏州 215200)

1 设计思维与STEM PBL

1.1 设计思维的诞生与发展

上世纪80、90年代斯坦福大学的Rolf Faste在Robert McKim《视觉思维的体验》一书的基础上，首先把“设计思维”作为创意方式进行了定义和推广，其后被IDEO采用，他们为乔布斯的商业活动提供了许多优秀的产品，因此成就了IDEO的行业地位。凯迪在对大量的案例进行分析的基础上，提出了设计知识的运作模型，认为设计过程由探索阶段、生成阶段和评价阶段组成。创新机构IDEO的设计思维模型则包括发现、解释、构思、实验和评估五个环节，斯坦福大学设计思维学院亦将设计思维分成五个步骤(如图1)。

1.2 在STEM PBL课程实施中培养学生设计思维能力的可行性分析

基于项目的STEM教育强调植入真实情境，让学生体验运用跨学科知识解决实际问题的过程，往往需要设置自主探究、协作分享、设计创新、问题解决等环节，在操作流程上与设计思维的实施步骤相一致。设计思维强调以项目学习为依托，对学生进行创新、问题解决等能力的培养，培养目标上与STEM教育相契合。另外STEM PBL的目标任务强调问题域的可拓展性、实施路径的多元化等，也为设计思维的“生长”创设了良好的氛围。

2 基于设计思维框架下的STEM PBL教学计划、模式、评价特征及实施途径

2.1 关于教学计划

相对于传统的课程或许人们开始会感觉到不习惯，基于设计思维框架下的STEM PBL课程应该是无法计划的，准确地说只能弹性地罗列一些计划内的课程，至于能否在规定的时间段内完成，需要看学生们的具体进程。

2.2 教学模式选择

为了使讨论、质疑乃至争论得以充分进行，这些不仅仅发生在学生之间，教师也应该是讨论者之一，所以教师应该放下身段融入其中。一个平等自由的课堂氛围的形成对设计思维的培养尤为重要，桌椅的摆放很重要，应该摒弃学生一律朝着教师方向摆位的传统模式。“工作坊”是一种比较恰当的模式选择，设计思维学院甚至把不同专业的学生进行排列组合，当然我们的学生在基础教育阶段相对固定化，但是还是可以尽量做到差异化搭配，比如从性别、兴趣爱好等方面进行组合，而非整齐划一，这样做的好处易于发生思维的碰撞，从而产生创新解决方案。

2.3 评价方式的转变

当学生的初始方案还未完善时，各组的讨论尚未充分进行时，教师不要急于给予否定性评价或者排他性的肯定，让他们自主构思设计原型，然后进行测试验证，通过实践来检验。教师的评价要注重多元化，做到结果与过程并重，学生的每一个创意哪怕是针对某一设计“产品”细节方面的独特想法都应予以鼓励。

3 面向设计思维培养的STEM PBL课程案例分析

在STEM PBL的课程实施中充满了变量，应让学生了解没有什么不可以改变，想象力可天马行空，以下我们分析几个基于设计思维的STEM PBL案例。

3.1 同理心的力量推动需求定义精准优化

“智能花房管家”的设计目标是给花房设定一个无人值守的自动灌溉及恒温装置，初始方案是室内安装空调以保持恒温，提取土壤湿度传感器数据驱动电磁阀实现自动灌溉。由于采用Arduino硬件+S4A图形化编程的组合，原型设计很快实现。在模拟测试过程中，设计团队再一次头脑风暴的结果是应该加装二氧化碳气体检测装置，在植物需要的二氧化碳浓度下降到一定的阈值时驱动开窗器置换窗外的空气。由于要求团队要经常变换角色，模拟用户的产品使用体验，同理心的力量驱使需求定义不断优化，有学生提出不同的植物习性不同，因而给水的量应有差异，此时给出为每种植物配搭继电器控制的方案，也有让机器人识别不同的植物编号分别浇灌，通过思维“碰撞”出更简单有效的方法来解决问题，即给每种植物配备粗细不同的出水管(如图2)。当设计团队的每位成员“浸润”其中且变换角色时，基于用户考虑的同理心会让需求定义不断精准优化。当然目标问题域也会不断拓展，这会给原型实现乃至最后的测试环节带来不确定性和许多的反复，这正是设计思维的魅力所在。上述方案即便迭代了数次，最后还是有学生提出进一步优化的方案，如加装空气湿度传感器，当空气干燥时驱动加湿器工作，还有利用室内外温差进行温度调节时不使用空调以达到节能的目的等，以上STEM PBL的实施很好地诠释了“设计思维是进行各种美妙的创意和关于用户体验的深度思考”。

图2

3.2 需求与创意的演进实现“金鱼缸管家”智能化

图3

“金鱼缸管家”的初始目标是非良构的，目标任务是实现金鱼缸的无人值守、自动管理，但是由于该产品属于创新设计，用户的需求定义一开始是不够明晰的，因此会导致在创意构思、原型设计等环节不断添加、完善需求定义。设计团队对问题的解析是：实现自动喂食、自动加温、自动过滤，此“产品”的原型设计较为简单，所需的设备均可网购，于是除了金鱼缸外，还购买了自动喂食器、加热棒、水质传感器等(如图3)。

市售的喂食器、加热棒能实现自动加热、喂食，于是初始的创意仅用Arduino UNO提取水质数据，然后判断是否要进行水质的过滤。头脑风暴在设计思维的各个环节展开，有人质疑如果室温上升至30℃以上，加热棒无法实现水体温度的下降，而金鱼的习性是当温度上升到30℃以上时活跃指数下降，进食将明显变慢，此时若仍然按预设投食将导致过剩、污染水质。于是需求定义明确为根据水温的变化，以“鱼”为本，科学投食。在技术层面上加装了温度传感器，数据提供给Arduino UNO，触发继电器驱动投食器。试运行后又发现时间如果较长，水位会因蒸发而下降，需要实现自动补水，当主人靠近且环境亮度较低时，LED灯需要自动点亮。基于以人为本的设计理念，在同理心的作用下，用户的需求定义被不断地明晰优化，创意构思亦同步迭代演进。

4 基于设计思维框架的STEM PBL实施过程中的注意点

共同学习和工作是设计思维中的常态，通过汇聚集体的聪明才智解决问题，实现从智商向众商的变身是设计思维的魅力所在，我们在传统学校实施基于设计思维框架的STEM项目时需要注意以下几点。

4.1 引导学生跳出自我中心模式，产生冲突时暂停自己的观点表达

在基于设计思维的STEM项目实施中“工作坊”常常被采用，此时往往一开始从游戏开始，让设计团队的成员放松身心，当然组织者需要及时“收敛”，把足够多的时间放在需要解决的目标问题上。团队的成员包括组织者没有哪个是权威，因此谁都没有权利给别人贴“错误”的标签。自我中心的模式是每个人的默认模式，组织者需要营造的氛围是从善如流，每位成员要学会在产生冲突时暂停自己的想法表达，要善于从别人的质疑中反思自身的问题，从别人的方案中提取有益元素，增加自身方案的说服力和可行性。

4.2 提升设计团队参与人员的跨界“指数”，催生个体之间的头脑风暴

设计思维使个体的英雄主义让位于团队的“众商”，来自不同领域的设计团队成员的思维可以激发更多的可能性，是从智商到众商的进化过程。头脑风暴让我们不得不抛弃原本想固守的方案，有效突破自身视野的盲区，进行颠覆性的思考，寻求前所未有的不同寻常的新想法、新方案。此时影响头脑风暴有效性的变量之一是团队成员的“跨界”指数，我们要善于将一些看起来“互不相干”的、知识背景迥异的人组合起来，这样头脑风暴才会更猛烈，循规蹈矩的解决方案才会被摧毁，前所未有的创新方案才会产生。

4.3 创设快速模型化空间，缩短原型实现与测试反馈周期

当需求定义基本明晰，创意构思基本落实之后，影响产品“出厂日期”的就是原型设计，而且这往往是费时费力最多的环节。3D建模打印技术从某种程度上加快了原型设计的步伐，从而整体上使得迭代的周期进一步缩短，因此3D打印机应该成为设计思维团队必配的装备。当然激光雕刻机可以实现纸板、木材乃至金属件的加工，在原型设计中也可成为选配的设备。由于原型的设计未必是完美的，因此为了缩短迭代周期，一开始我们可以“粗线条”塑造原型，比如能用硬纸板替代的暂时不用金属件，3D打印在不影响测试效果时尽量打印微缩模型，打印的填充率选择30%或者以下，总之一切为了快速呈现，以便与团队成员、模拟用户及时地互动，缩短原型实现与测试反馈的周期，提升产品设计制造的效率。

乔布斯曾说：“你不能只问顾客要什么，然后想法子给他们做什么。等你做出来，他们已经另有新欢了”。设计思维正是进行各种美妙的创意和关于用户体验的深度思考，它以用户为中心，基于发展的眼光，利用集体的智慧，采取超前的设计策略来解决问题，满足用户的需求。在变化的时代我们需要新的解决方案和新的想法来应变，回顾过去我们人类历史上很多伟大的发明家、科学家如爱因斯坦、爱迪生等，他们个体的智慧推进了人类文明的进程，展望未来，或许我们需要集合更多人的智慧才能让世界变得更加不同，让人类文明跃上新的台阶，可以预见设计思维的理念将越来越深入人心。