STEM视野下科工整合路径与创新人才培养

王唯真

摘要：我国基础教育阶段科学探究与工程设计的整合应以已有科学课程为载体，开发整合与不同学科内容相关的工程设计任务，将工程设计作为科学知识在应用层面上的延伸，或在工程项目情境中兼顾探究科学原理和发展工程设计思路。科学教育领域专家应帮助教师把握整合STEM教育的目的，注重教学实施中科学探究与工程设计的有机结合，针对特定科学内容开发电子计算机技术环境，在其中融合简单的工程设计和科学原理探究等。

关键词：基础科学教育 STEM 科学探究 工程设计

STEM课程开发倡导由问题解决驱动的跨学科理科教育，整合STEM学科在国际上已成为科学教育政策主导和研究热点。整合STEM教育，目的是给学生展现这些学科的现实面貌，让他们体验更真实的科学探究与工程设计实践，帮助他们理解数学如何成为探究与设计的有力工具，技术的发展与应用如何拓宽科学的疆域，科学的发展如何帮助工程师把握技术原理和改进技术，以及STEM领域的实践与发展是如何与自然世界和人创世界相互关联和交互作用的[1]。

一、科工整合思路的借鉴与探索

科学探究与工程设计的整合，对我国基础科学教育发展、创新人才培养都至关重要，应该成为我们努力的主要方向。笔者综合分析国内外对STEM整合课程的研究案例，认为适用于我国基础教育阶段培养创新人才的科工整合途径主要有以下3个方面。

1.将工程设计作为科学知识在应用层面上的延伸

将工程设计作为科学知识在应用层面上延伸的一种手段，是源于工程学和应用科学之间本质上的一脉相承。在工程设计活动中，教师为学生提供一种接近实际生活的问题情境，引起学生兴趣，帮助学生用科学思维解决问题、设计制品，鼓励学生将科学知识应用到设计问题解决方案中，应用到制品设计反馈、合理性检验、方案权衡、讨论修正等过程中，自然而然地强调了科学知识的应用、迁移和提升，以及创新、创造力的培养。一个有效的工程设计活动必定需要以一定的先前知识为基础，而已习得的科学知识体系又在活动中得以再建构和深化，从而形成一个螺旋形循环往复的过程。

例如在“报警器的设计”[2]一课中，教师在项目开始之前先对学生进行了基础知识的笔试，用多项选择题的方式考查电流、电阻、电压、串并联等相关电学知识。这样做是为了确保所有的核心概念都是之前教过的。学生由于个体差异，试卷分数有高有低，表现出对这部分知识掌握程度的不同。教师让各组学生根据自己的需要设计出能用于特定场所、具有特定功能的报警器，并运用反映表实时反映学生是如何将科学概念运用到设计过程中的。观察发现，大多数学生都会在串联之前先采用并联方式，他们将并联称作“完全连接”。学生反映，是因为学习的时候是先学习串联再学习并联，因此认为并联是更全面有效更高级的方式，如果调换串并联知识的讲授顺序，学生的操作顺序也可能会相反。这说明学生在设计工程制品的时候，会主动调取已学过的知识，并在头脑中作出简单的权衡选择，加以应用。工程设计项目结束后，教师又对学生的电学知识进行了后测。结果表明，学生该部分知识水平都有了显著提高，并且在前测中表现得更好的学生提升的程度更大，这也反映了科学知识与工程设计融会贯通、相互促进的关系。

2.在工程项目情境中，兼顾探究科学原理和发展工程设计思路

这种整合思路更倾向于以工程项目为主，让学生在实际操作过程中自己发现科学原理，主动探究科学过程，形成工程设计思路;或者以学生角色为主，教师角色转变为引导者，通过提出循序渐进的问题，采用“脚手架”等方式帮助學生进行科学推理，培养科学思维。由于工程项目通常是团队作业，因此学生们的沟通表达能力也得到相应锻炼，通过分享讨论，他们能获得比个人学习可能得到的更多的知识。

例如“降落伞”[3]项目，专注于航空航天工程，挑战学生为宇宙飞船设计将要降落在比地球大气更稀薄的行星的降落伞。一开始，教师先询问设计之前需要弄清楚哪些问题，学生表示需要知道降落伞是在哪个星球使用、要用什么材料制作、需要什么附属物……接着，教师向学生展示2个塑料瓶，分别充满了有颜色的液体和空气。2个塑料瓶代表2种不同的大气，一个薄一个厚。教师向2个塑料瓶中同时丢进1颗高尔夫球，让学生观察并回答哪一个塑料瓶代表着更厚重的大气。学生回答说是高尔夫球下降得更慢的那个。教师进一步询问“为什么降落伞在密度更大的大气里下降得更慢”，学生回答说是因为下降的时候需要将周围的空气排开。在这个过程中，教师启发学生根据现象猜测原因。大气模型帮助学生理解大气厚度和密度对下落物体的影响，在工程设计的准备阶段兼顾了对科学原理的探究。紧接着进入正式的工程设计阶段，教师让学生测试3个降落伞因素（顶篷材料，顶篷尺寸、悬浮线长度）中的1个（保持另外2个因素不变）对降落伞下落速度的影响。为此，学生需要用3种不同的顶篷材料（或顶篷尺寸、悬浮线长度）制作降落伞，从同样的高度同时释放3只降落伞，记录它们着地的顺序。分别实验3次后，将实验结果记录在表单上。最后各组学生分享实验结果，尽管每组只探讨了1个因素，但通过汇总他们得以用更充分的数据得出降落伞各因素如何影响下落速度的结论。在分析解释数据阶段，教师要求学生解释为什么更大的顶篷能使降落伞下降得更慢，很短的悬浮线对降落伞的表现会产生怎样的影响，再一次引导学生主动参与探究科学原理。学生联想到之前的塑料瓶现象，进行对比，尝试透过现象剖析本质，得出更大的顶篷需要排除更多的空气，所以更慢;更长的悬浮线能够使降落伞彻底打开，所以更慢的结论。最后教师让学生分析全班的数据，权衡各种因素的影响，制作出不仅下落得慢，还适合宇宙飞船的第2个降落伞。在新的工程设计任务中，学生头脑中的背景知识跟第1次有了明显的不同，因此他们会根据经验，利用之前研究中收集的数据，考虑其他队员的意见，设计出更满足要求的降落伞。在整个制作过程中，学生的工程设计思路也逐渐清晰起来。

3.在电子技术环境中融合简单工程设计和科学原理的探究

根据科学机制建立计算机模拟环境，让学生通过完成模拟工程设计任务探究科学原理，在引发兴趣、锻炼工程设计思维的同时，还可利用模拟技术展现难以感知的理想或微观世界，降低科学学习难度。

用计算机为物理学科的学习提供一种物理环境和智力环境，其中一个具体的尝试是“龟标”的使用，它可以帮助学生探索力学[4]。学生在屏幕的任何位置点击便可以产生一个“力”，它将改变龟标运动中加速度的大小和方向，如果不点击，它便以恒定的速度直线前进，这符合牛顿第二定律和牛顿第三定律。研究结果表明，学生很乐意花足够的时间在动态龟标项目中，学生对于动态龟标逐步加深的理解，来源于对一系列不同策略下所绘制出的图案的直接观察。学生在尝试中发现，若要使龟标朝着与前进方向偏离45°的方向前进，只需要在其前进方向的垂直方向施加一个力。动态龟标的使用，纠正了学生幼稚的力学概念结构，帮助学生对牛顿定律等物理学知识有了更深刻的理解和记忆。

二、我国现有科工整合尝试与改进意见

国际STEM教育的发展为我国中小学科技教育改革提出了新的课题，为了适应这一发展趋势，我国各地中小学也开始进行各种有益的尝试。除信息技术、通用技术外，STEM教育还通过综合实践活动、研究性学习、专题讲座等方式得到体现。

经过调查，笔者发现重庆一些中小学除了组织学生开展与化学、生物、地理等科目相关的实践活动外，还鼓励学生参与各种各样的舰船、飞机、建筑模型，机器人项目等偏重工程知识的比赛，而在相应的日常教学中，教师也有意地在科技课中穿插了这方面的指导。

笔者通过深入真实课堂，收集了一些整合工程设计的科技课实例，现提供一个较有代表性的课堂实例——塔吊的设计。首先，教师播放了一段反映塔吊安全事故的視频，吸引学生的注意力，通过提供塔吊公司要招聘员工这样一个事件背景，引出本节课工程设计的目标——制作稳固的框架结构。教师为每组学生准备了1个由12根吸管构成的正方体框架结构，要求学生思考怎样用其他的吸管对其进行加固。制作结束后，教师让每组学生用逐步添加书本的方式测试框架结构的稳固程度，并强调轻拿轻放，避免不相关变量对实验结果的影响。测试结束，能承受最多书本的小组放置了19本，而最早结束的小组只放置了1本。学生对差异如此悬殊的结果产生了兴趣，教师将这两组的框架结构带上讲台，让学生观察它们的不同之处。“一个根本没有加固，一个在正方体的若干面的对角线上添加了吸管”，学生们回答道。教师继续提问： “为什么两种框架结构的承重力会如此不同？”引导学生们回忆起了三角形具有稳定性的知识。紧接着，教师让学生们思考三角形为什么具有稳定性，当在三角形的一个角上施加力时，力是如何传递的。 “力是沿两个边分散传递的”，学生回答道，教师对这个答案给予了肯定，并补充说明分散的力在底边又汇合在了一起，因此作用力被抵消，所以三角形具有稳定性。学生认识到三角形对加固框架结构的作用后，被要求重新制作新的框架，这一次，教师让学生对添加对角线多的框架和添加对角线相对少的框架进行对比测试，结果显示前者更稳固，进一步说明了三角形的稳定性。学生们在整个工程设计项目中不仅体验到了探索的乐趣，还弄清了现象背后的科学原理和规律。

在这些尝试整合工程设计的科技课中，也存在着一些问题。首先，教师的代劳部分过多，具体表现在材料基本由教师准备，学生不能通过自己的思考选择恰当的材料知识点基本由老师总结，学生通过自己的观察、查阅相关知识探索原理的机会不多;教师有时候刻意引导学生回答出自己教案里设计好的答案，甚至在学生回答之前先将答案板书在黑板上，禁锢了学生的思维，可能错过学生很多具有闪光点的想法。其次，工程设计思路存在欠缺，一个完整的工程设计思路应当包括回忆已有知识、学习基本概念、梳理相关信息、计划、实验、解释辨别、类比讨论、批判性思考、求证改进、迁移应用等，然而其中的很多步骤在课堂实践中并没有被涉及到。第三，应当注重过程性评价的应用，在这种以实际操作为特点的科技课中，不应单纯根据最后的设计制品评判学生的表现，而应当多采用学情调查表、科学日志、合作检查清单等方式在项目的进行过程中随时对学生的知识和能力进行评价。

笔者建议，在我国基础教育阶段开展科工整合课程，培养STEM综合发展的创新人才，可以在现有尝试的基础上，从以下方面进一步思考和探索。第一，以已有科学课程为载体，开发整合与不同学科内容相关的工程设计任务，将工程设计作为科学知识在应用层面上的延伸，或在工程项目情境中兼顾探究科学原理，发展工程设计思路。第二，科学教育领域专家帮助教师把握整合STEM教育的目的，注重教学实施中科学探究与工程设计的有机结合，针对特定科学内容开发电子计算机技术环境，在其中融合简单的工程设计和科学原理探究等。

参考文献

[1] NRC. A framework forK-12 science education： Practices，crosscutting concepts， and coreideas. National Academies Press，2011

[2] Yaron Doppelt， Eli Silk.Engagerrlent and Achievements ：A Case Study of Design-BasedLearning in a Science Context.Journal of Technology Education，2008， 19（2）： 22-39

[3]athy P .achapelle ，Kristin Sargianis， Christine M.C Unningham. Engineer It， LearnIt ： Science and EngineeringPractices in Action_Step into anelementary classroom to see whatNext Generation Science Standardspractices look like. Science andChildren， 2013， 11

[4] A. A. diSessa. ComputationAs A Physical and IntellectualEnviromnent For Learning Physics.Comput & Educ， 4： 67-75

点评

2018年中国青少年科技辅导员协会征文主题为“科学教育：开启培养未来创新人才的新探索”，而“从STEM到STEAM——跨学科的科学教育对培养未来创新人才的启示”，亦是诠释该主题的重要视角之一。本文作者依托对STEM整合课程的研究和自身教学实践，提出了“将工程设计作为科学知识在应用层面上的延伸” “在工程项目情境中，兼顾探究科学原理和发展工程设计思路”“在电子技术环境中融合简单工程设计和科学原理的探究”3个有益于科学探究与工程设计整合的途径，对广大科学教师和科技辅导员具有一定的启示、参考或借鉴作用。

当然，如果作者能够依据相关科学教育理论和更为全面的统计数据为上述论点提供佐证，以及进而能够剖析其与科技创新后备人才培养的关系，则全文的学术性还会增色不少。

——翟立原（中国青少年科技辅导员协会理论工作委员会副主任委员，第26届全国青少年科技辅导员论文征集活动评审委员会主任委员）