以设计思维理念开展STEM课程设计的要点解析

叶兆宁

设计思维在教育中的运用始于斯坦福大学设立的设计学院，最早主要集中在高等教育中的工程和设计领域，随后在商业、医疗、社会科学等领域得到广泛应用。近年来，设计思维逐步扩展到了K—12的基础教育中，教育模式从开设专门的课程逐步向设计思维与课程融合的方式转变^[1]。

设计思维在国内教育中的运用起初也多集中在高等教育中，但随着STEM教育、创客教育等教育模式在K—12教育中的实践越来越多，具有跨学科特征的课程也逐渐增多，设计思维在其中的运用也慢慢凸显出来。设计思维与STEM教育在学科融合、基于解决真实问题、创造力培养、合作学习及行动与反思等方面都有契合之处（因篇幅所限，文中具体契合点的描述，请访问杂志官网——编者注）。因此，将设计思维引入具有跨学科特征的STEM教育的课程设计，不仅能增强课程的逻辑体系，还有助于提高课程的品质和教育效果。

下面以《中国科技教育》杂志汇编的《国外优秀STEM教育案例集》的课程案例为例，解析以设计思维理念开展STEM课程设计时有哪些可关注的要点。

要点一：来源于社会生产生活的真实问题

真实问题的引入不仅是STEM教育的需求，也是设计思维的需求。在真实问题的导引下，各个学科的学习和引入会围绕问题本身自然而然地展开，设计需求的来源、任务要求和成果形式得以清晰明确，设计任务的目的也因此而具有现实意义和价值，为后续的学习打好基础。

案例：风暴警报

这是1个面向4年级为期3天的有关飓风的课程，采用5E教学法。在“引入”阶段，教师和学生讨论当地的自然灾难，并讨论人和自然如何抵御灾难，如“有哪些天然防护屏障可以保护一个地区少遭受飓风等自然灾难的破坏”“如果你住在沿海社区，你如何抵御自然灾害”“有哪些人为造成的环境变化会扩大飓风的影响”“人们可以采取什么防护措施以降低自然灾害对于社区的破坏”等。在讨论之后的“探究”阶段，教师提出了一个表现性任务：你们小组供职于城市住房发展委员会，该委员会指导当地建筑公司根据最新的安全规定改造升级沿本州海岸区域建造的房屋。你们的一部分工作内容是建造房屋模型并测试它们抵抗飓风等自然灾害的有效性。你们将测试这些房屋抵抗强风、暴雨和风暴潮的强度……

解析

在这个案例中课程聚焦于当地的自然灾害，这本身就具备真实性。活动并不是立即从设计开始，而是通过引入部分分析、调研和讨论，学生对真实问题有了较多的认识和经验。可见，引入部分是学生开展设计思维的基础。探究部分表现性任务的提法也具备真实性，该任务内容包括：“为什么要建造房屋模型？该房屋模型需要得到什么功能？要怎样测试房屋模型？”任务的描述非常具体，也具有一定的可信度。同时案例中引入和探究2个环节较好地将设计思维的起点融入教学中，帮助学生理解人们开展设计的想法来源于何处，显然教师并没有期望4年级的学生自己挖掘出设计的机会，而是通过教学安排一步步帮助学生体验出这一点。

要点二：以人为本的设计任务

通过共情对用户需求进行挖掘和定义是进行设计的起点。这帮助学生的思维从以自己为中心转向以用户的需求为中心。然而更深层次的意义在于：设计思维中的以人为本，不是简单的以用户为中心，而是考虑人和自然的统一和谐与可持续发展，要涵盖体现了人类目标和自然法则的物体和现象。这也正是体现设计思维与STEM教育共同价值的出发点。

案例：抓错了鱼——为金枪鱼捕捞业中的兼捕问题设计一个解决方案

这是个适用于8年级的涉及环境科学和生物学的跨学科课程，学生将通过课堂活动设计和测试金枪鱼捕捞中兼捕问题的解决方案。学生要收集和使用数据优化自己的设计，并考虑这个模型如何在现实生活中应用。通过学习，学生将能够讨论世界海洋渔业可持续发展的必要性;能够设计、评估和完善减少兼捕的解决方案;能够把他们设计的模型和实际生活联系起来。活动开始时，学生首先模拟在海洋中捕捞的过程，辨认出目标物种和非目标物种，然后讨论怎样会被渔具抓到，引导学生反思这些物种在捕捞过程中遇到的不必要的个体损失，其中的一些物种正受到威胁。活动中教师引导学生通过调查，讨论以下问题。

·你如何用自己的话解释渔业的可持续发展？

·什么是兼捕？为什么兼捕是一个问题？

·什么是过度捕捞？为什么过度捕捞是一个问题？

·哪种捕鱼方式会导致大量的兼捕？

·哪种捕鱼方式可使兼捕的可能性小一些？

·对于渔民来说，每一种方式的优点和缺点是什么？从对环境的影响角度看呢？

解析

该案例从渔业中普遍存在的兼捕现象中提出设计问题，对这一现象的讨论不仅需要学生从人的需求出发，还要帮助学生理解为何要从自然生态的角度思考，并将渔业发展与过度捕捞带来的生态影响结合起来研究。这不仅有助于学生找到设计的需求，明确分析出该解决方案应该达成的作用，同时也能有效地帮助学生理解科学、技术、社会和环境的相互作用，以及何为可持续发展，人类需要为可持续发展采取怎样的行动。

要点三：可视化

可视化不仅是设计思维的特点，STEM教育中也非常强调可视化。在教学中选择可视化的工具，通过可视化的方式可以促进交流和思维。例如在设计思维中常用便利贴、马克笔、绘图纸等工具，采用思维导图、头脑风暴等方法将思维和想法可视化;利用模型制作将解决方案可视化;采用角色扮演和直接调研将设计需求可视化;用视频、照片、记录等将过程可视化等。可视化帮助学生汇集各种想法，深入了解过程中的各种变化，促进学生优化解决方案，找到更有效的问题解决方案。

案例：冠状动脉无小事

这是1个面向初中学生的STEM课程，聚焦于学生对人体循环系统和呼吸系统的深入理解。在学生对人体的系统有一定程度的学习之后，教师给学生提供1个用糖霜和透明塑料管粘在一起的模型，模拟被诸塞的动脉血管。学生注意到糖霜位于管子的中间位置，且难以取出。接下来组织班级讨论，学生需要提出清理动脉的方法，以及医生在手术中可能遇到的困难。学生将这些想法都写到白板上，以便全班同学都能看到。学生可以使用之前观看心脏及细胞的视频时做的笔记论证自己的观点。教师鼓励学生同意或反对他人的观点，并且通过自己对证据的阐述支持或反对这些观点。通过这个过程，学生了解到设计项目的需求，即用什么方法能取得动脉最大血液流量，并设计对项目成果的定量測试。

在接下來的小组活动中，教师为学生提供便利贴、不同颜色的马克笔、绘图纸，以及充足的空间。学生轮流将自己的想法写在便利贴上，并贴在小组的绘图纸上。教师指导学生使用正面肯定的语言评价想法。在小组确定了设计方案之后，学生们开始进行原型制作及测试，学生在制作和测试过程中会遇到很多问题，教师鼓励学生一边用录像记录下测试的过程，一边对原方案进行现场修改或改进，但要求学生对方案的任何修改都记录下来，将其作为未来设计迭代的基础。

课程的最后，学生被要求评价项目设计方案，对其他同学的工作进行评价，并改进设计方案。每组的方案都要在全班进行展示以接收同行评议。学生还被要求制作1张海报，讨论他们的设计过程和“手术”的成功。

解析

该案例中教师用了多种方法帮助学生展现自己的想法，理解他人的想法，包括用便利贴、马克笔等将所有的想法写到白板上，制作海报讨论设计过程等。

每位学生都有机会展示自己的想法，而此前对血液循环系统和呼吸系统的学习为此打下了基础。视频拍摄有效地帮助学生记录下测试的过程，他们可以利用视频回顾测试的细节，分析问题出现的可能原因，并进行改进并记录改进后的测试结果。学生对过程和过程中思考的记录和再现对设计迭代起到了有效的促进作用。另外，该案例中还利用模型给出任务要求，让学生改进模型以得到原型，这也是一种可视化。

要点四：行动中反思

设计思维的过程可以理解为“行动中反思”的动态过程，用行动扩展思维，通过行动的结果支配反思。

让学生反思过程，即要求其阐明在项目学习过程中学到了什么、做了什么、改进了什么，根据回答能够评价出学生的批判性思维和问题解决能力。在项目的每个阶段，要求学生测量和比较自己的制品，判定制品在现实生活中的应用情况。一方面，可以通过收集和比较学生的不同版本的制品，分析学生的思维变化;注重学生在原型环节的展示与汇报，如果学生能够借助原型，利用清晰的思路，结合学科知识的讲解，将制品介绍给大家并得到认可，这不仅能突破用传统的考试方式考查知识的掌握，更能够反映学生的整体素养。

案例：抓错了鱼——为金枪鱼捕捞业中的兼捕问题设计一个解决方案

此案例的工程任务是：设计一个新型渔网，减少模拟海洋（大桶）中的兼捕情况，并在捕捞时把“海豚”排除在外。教师向学生展示可能用到的材料，指导学生分析数据表，并告诉他们每个组要想出2种设计方案，并把其中1种做出原型。教师为学生提供设计评价量规表，学生可以在本组的容器或班级的大桶中测试模型，记录捕鱼网中的个体数量，然后和小组成员讨论如何优化设计。

在课堂上演示他们的最终模型之前，每个小组应该把“测试—优化”过程至少重复3次。教师要提醒学生把每一次的数据记录在他们的数据表里，并且计算所捕获的目标物种和非目标物种的百分比。在小组活动过程中，教师可以巡视并提出一些能了解学生想法的问题，例如：“上一次测试完后，你们做了什么调整？为什么？基于数据你们如何判断后一个模型比前一个更好？”

在课程最后的展示阶段，教师引导学生讨论各组设计的成功之处，鼓励学生引用数据表中的数据支持他们的答案，如提问哪种设计方案最为成功、有什么特殊之处、你的模型从开始到最后有了哪些改变、为什么等。

解析

该案例中教师围绕设计任务采用不同策略帮助学生在行动中反思，如：要求每个组有2种设计方案，促进学生在方案的测试和比较中进行思考;要求每个小组多次重复“测试—优化”过程，并运用问题促进学生在每次测试之后根据数据对模型进行修改，再通过数据测试不断提升模型的实际效果。这正是体现了设计思维反复迭代的过程，也体现出教学中促进学生在行动中反思的要点。

要点五：指向学习与发展的评价

比起评价学生的设计制品或知能掌握情况，更加重要的是评价学生的学习和发展。众所周知，中小学生受到其知识及能力水平的制约，不可能像真正的工程师那样解决实际产品的设计和制作。既然如此，让中小学生进行设计方面的学习意义何在呢？不言而喻，通过设计方面的学习在提升学生思维方法和创新能力方面都有很大益处。其实还有一点不可忽视的是课程本身应是立足于学生现阶段的学习与知能发展，使设计过程的学习和认知的提升相互作用，使得融入设计的学习活动更具有教育价值。当然，这一点只了解课程表面的活动往往是不够的，通过指向学习与发展的评价过程，课程设计的这一意义才会凸显出来。

案例：工程设计与效果——1个水过滤实例

这是1个针对6年级的作为水循环单元一部分的课程活动，给学生提供学习人类的用水是如何进入水循环系统的机会，这也正符合NGSS工程设计标准。由于它涉及到了人类活动影响和地球科学领域学习的工程问题，所以它也能与NGSS“地球与人类活动”标准对接。

课程的第1步是与学生讨论环境工程师们处理的最重要的议题之一，即处理饮用水，促进学生理解何为安全的饮用水。接下来引入Beaufort镇需要帮助去除饮用水中的有害杂质（用红色食用色素与自来水混合模拟）的工程任务。在开始进入初始设计阶段之前，学生需要单独完成1份活动前决策工作表，表中要求学生先绘制1张阐述水处理在水循环过程中的位置的示意图和1张过滤器的草图，并回答问题——你如何得知你设计的过滤器能够起作用？为什么？之后，学生小组开始进行设计，经历包括确认问题、确认标准和约束条件、头脑风暴产生可能的解决方案、形成想法、探讨可能性、选择一种方法、建立模型或原型、完善设计等工程设计的过程。

在课程结束前，学生被要求独立完成1个与活动前决策工作表类似的活动后决策工作表，回答3个相关问题：①画出过滤器的草图。你会使用什么材料？②你在活动过程中学到的知识如何改变了你的设计草图？③关于水过滤器，你学到的最有意思的是什么？对比活动后决策工作表和活动前决策工作表，可以对学生的学习成果进行评价。

解析

从这个案例的描述中不难看出课程活动在采用工程设计方法的基础上，以设计思维的过程和方法为主线，教师引导学生经历设计水过滤器的工程设计活动，其中隐含了设计思维中对问题和解决方案思考方式的学习。但同时，在课程设立之初开发者就将课程的整体放在了NGSS的平台上，清楚地显示出开发者对该课程目标的准确理解和定位。更值得关注的是，课程运用了形成性评价——课程前后的决策工作表，关注学生对水过滤器与水循环的理解，关注学生对人类饮用水问题的分析，这些不仅体现出课程的教育目标和教育意义，也体现出课程运用指向学生学习和发展的评价开展教育过程的独到之处。

参考文献

[1]林琳，沈书生.设计思维与学科融合的作用路径研究.电化教育研究，2018（5）