“双奶酪模式”下的STEM 活动设计实践研究

叶 潇 郑思晨

（中国福利会少年宫 上海 200040）

一、当前STEM 活动设计中所存在的问题

当前STEM 活动设计缺乏科学论证的严谨性过程，难以培养学生分析问题的能力。STEM 活动是基于实际问题而开展的，在解决问题的过程中需要学生理解问题情境、寻找解决问题的一系列证据，并对证据进行严谨的科学论证，最后整合一系列的证据链条，形成解决问题的实际方案。但当前的STEM 活动缺乏科学论证的严谨过程，学生摆事实讲道理的能力普遍不强。

缺乏全面客观的过程性评价，难以反映学生的真实掌握情况。从理解知识到学会运用知识是循序渐进的过程，需要大量连续性和过程性的数据来评估学生的真实掌握情况。大多数STEM 活动仅仅侧重于要求学生完成一个作品，缺乏对学生学习过程的关注，没有客观性的数据来展现学生实际掌握知识的情况，难以评估学生能力素养的发展水平。

缺乏活动内容的系统性设计，难以促进学生跨学科实践能力的发展。教师需要有目的、有计划地设计和组织STEM 活动，帮助学生整合不同学科、不同领域的知识和技能来解决实际生活中的问题。当前的STEM 活动缺乏连贯、系统的设计和规划，难以促使学生由浅表学习走向深度学习、由初级理解向深度理解发展，未能真正实现学生跨学科知识与能力的整合。

二、“双奶酪模式”下的STEM 活动设计内涵和特征

鉴于上述STEM 活动设计中所存在的问题，笔者运用基于证据的学习理论，并借鉴设计思维方法，结合少年宫科技创新兴趣小组以及STEM 创意活动的实践经验，探索出了“双奶酪模式”STEM 活动设计模式以及相应的教学模式。

双奶酪模式是在原先奶酪法则（CHEESE）：好奇（Curiosity）、猜 测（Hypothesis）、探 究（Explora⁃tion）、解释（Explanation）、延伸（Spread）、评估（Eval⁃uation）的基础上发展而来的。原先的奶酪法则所呈现是一种具体的教学模式，并没有给出教师该如何进行STEM 教学活动内容的设计。笔者认为教师对STEM 教学活动内容的设计也是至关重要的，前期对教学活动内容的良好设计，为后期更好地实施教学活动构建了系统的框架。为此，笔者提出了双奶酪模式，融合了教学模式和活动设计模式。教学模式为原先的奶酪法则，注重的是在STEM 活动实施的过程中，教师如何“教”以及学生如何“学”。活动设计模式，注重的是教师如何设计STEM 教学活动内容。

STEM 活动设计模式中的“双奶酪模式”是由严谨的证明（Hard Evidence）、全面的评价（Exhaustive Evaluation）、系统的构思（Systematic Conception）三个词组合而成。强调知识网络的建构和知识的境域性；强调设计丰富的动手体验环节，并提供相应的学习支架；强调要以发展学生核心素养为目标，积极开展形成性评价和表现性评价。

（一）注重科学论证的严谨性（Hard Evidence）

模式强调学生在学习过程中运用一系列证据，完成科学探究任务和解决实际问题。学生需要运用证据去支持每一个观点的提出，在探究的过程中理解每一个步骤背后支持的证据以及该证据背后的学科知识或科学原理；基于证据运用理性的思维去分析、判断、推理、假设和创新，获得情境性知识并提升问题解决能力，体验获得知识的真实过程。［1］

模式为学科知识和科学原理建立了逻辑链条，并融入真实的问题情境中，形成了具有内在逻辑联系的情境。这种逻辑性表现为情境信息与情境问题、默会知识、测试目标等具有逻辑联系。［2］而且具有逻辑联系的情境有利于个体提取相关信息，促进问题模型的建立，最终促进问题解决。［3］

（二）注重过程评价的全面性（Exhaustive Evaluation）

模式突出了形成性评价过程性的特点，对STEM 活动评价内容进行丰富，评价贴合学习目标，能引发学生与预期学习相关的反应，评价活动包含一个适切的评分机制，能有依据地解释学生关于目标的表现，可以为后续改进教学提供有信度和效度的证据。此外，评价重视学生个性态度、动机水平、自我认知、情感等方面的因素，是一种彰显人文性的评价方式。［4］

STEM 活动的学习结果既是学习过程发生的“证据”，也是开展评价的“证据”。为了拿到这些“证据”，学生学习的过程必须能够外在地表现出来。因此，表现性评价的起点是教师给学生提供一些“表现任务”，它与学生学习的内容、技能等密切相关。［5］

（三）注重活动设计的系统性（Systematic Conception）

模式注重每个活动模块之间的内在联系性，关注学生积极主动地参与STEM 活动，帮助学生从广度、深度与关联强度等维度上建构知识网络。在实践活动中将已有知识迁移到新的情境中，更好地促进学生的深度学习，为学生全面发展构建平台。

在STEM 活动中，奶酪设计模式侧重于从理解人的需求出发，综合应用多学科知识，形成创新解决方案。［6］在具体的策略方法上，它为学生提供了一套系统的模式，学习者通过它学习如何共情、创意构思、原型迭代等，参照设计思维方法的操作过程框架，按照其方法，一步步完成设计制作的过程，从而使得设计、制作、创新变得简单、透明。［7］

三、“双奶酪模式”STEM 活动设计模式的实施建议

STEM 跨学科整合最核心的工作是项目或问题的设计，如果没有良好的结构化项目设计，会导致学习困难、效率不高、挫折感强、学习收获不大等一系列问题。STEM 项目设计强调将知识蕴含于情境化的真实问题中，强调调动学生主动积极地利用各学科的相关知识设计解决方案，跨越学科界限提高学生解决实际问题的能力。［8］在设计STEM 教育项目时，教师需要注重如下几个方面：

（一）加强教师自身多学科的学习实践

事实证明每门学科真正重要的概念和理论并不多，教师需要加强这些概念和理论与日程生活的联系，尽可能地把它们全部用上去解决生活中的所有问题。通过不断学习众多学科的知识，构建自己的多元思维模型，最终在头脑中形成一个思维模型的复式框架。

（二）设计STEM 调查问卷分析学生需求

在为学生设计STEM 调查问卷的时候，可从这些方面进行考虑：学生运用了哪些理论去解决了学习和生活中的哪些问题；学生在日常的学习和生活中，是否存在亟须解决的问题；学生对于近年来社会上热点问题的看法。

（三）综合分析学生问卷设计STEM 项目

通过问卷调查可以获悉学生对学科重要概念和理论的实际掌握情况，了解学生在日常生活和学习中的实际需求，掌握学生对社会的关注度以及兴趣点，教师运用自己的多元思维模型为学生规划和设计相应的STEM 项目。

1.运用多元思维模型划分STEM 项目模块

为学生设置一项大任务，即递交一个实物作品，作品需要体现整个STEM 项目中所涉及的多个学科的重要概念和理论的运用。运用多元思维模型将整个STEM 项目划分成若干个模块，每个模块之间可以具有一定的联系。

2.运用设计思维方法为学生构建学习支架

运用设计思维方法为学生提供大量思维可视化工具，结合学生对各学科中重要概念和理论的实际掌握情况，为学生构建一套学习支架系统，内含的学习支架形式有：学生学习记录文档，包括测量数据记录表格、问题思考表述文档、问题探究过程记录表格、工程设计表格、制作过程记录表格等。［9］

四、“双奶酪模式”STEM 教学模式实践

前期对STEM 项目中各模块的精心设计，为具体实施STEM 教学活动做了重要的、完备的铺垫工作，为了更好地让STEM 项目落地，除此之外还需要一套成熟的STEM 教学模式。

“双奶酪模式”STEM 教学模式分为六个环节：好奇（Curiosity）、猜测（Hypothesis）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、延伸（Spread）、评估（Evaluation）。

好奇环节是一个统领全局的环节。对于学生好奇心的培养，既要讲究科学性，又要讲究新颖性，教师需要创设丰富多彩的情境来激发学生的好奇心。猜测环节是一个维持好奇心的环节。学生充分发挥想象力，独立思考，大胆猜测，让好奇从天然的憧憬走向理性的探索，从原始的冲动走向科学的思考。探究环节是验证猜测与假设的环节。学生针对特定的内容，观察现象、建立事物之间的联系、概括规律、识别变量，对猜测进行科学严谨的实践与论证。解释环节是一个承上启下的环节。学生在教师的引导下对获得的成果进行初步解释，之后教师针对学生解释中所存在的问题和一些不完全的结果进行讲解、补充和矫正。延伸环节是一个学习迁移的环节。学生在教师创设的学习任务下，利用所习得的新知识去解决问题。教师应该为学生提供时间和空间，让他们参与讨论和获取信息，以加强对新概念的理解。评价环节是一个考核总结的环节。教师观察学生如何应用新的概念和方法来解决问题，并提出开放性的问题来评价学生对新概念或方法的理解和应用情况。同时，教师还应鼓励学生进行自评和互评。

模式的六个环节是相辅相成、缺一不可的，在每一个环节中可能都会有奶酪教学模式的缩影，它是一个不断完善的良性循环。

五、“双奶酪模式”下的STEM 活动案例“地球仪的创新设计”

（一）活动整体设计

根据笔者给少年宫STEM 八年级学生调查问卷的反馈结果，有部分学生对于地理中的地球运动、物理中的自行车受静摩擦力作用以及变速自行车的原理、物理中的电路设计、数学中的时针分针秒针在手表上的运行规律等问题觉得难以理解。为此特别设计了STEM 活动项目“地球仪的创新设计”，本项目划分为四个模块：“小身材，大作用”探究齿轮的用途、拨动时光的年轮、打开电子世界的大门、给地球穿上“新衣”。项目同样也可用于各种夏令营和工作坊，教师可以根据课时安排、学生水平来选择性地延迟和缩短部分模块的时间。

（二）模块“拨动时光的年轮”的教学活动设计

1.好奇环节

我们知道一个时辰在今天看来是两个小时，还有一些词语，例如：一刻、一炷香、一盏茶、弹指一挥间等等，这些时间如果换算到我们今天到底是多长的时间呢？

播放视频：《长安十二时辰》里没告诉你的计时方法

提问：除了视频中所看到的中国古代计时工具之外，你还知道有哪些计时工具吗？对于之前所提到的这些计时工具，你是否了解它们的运行原理呢？

2.猜测环节

学生观看视频《制作一个机械计数器，看看创意设计！》，教师通过提问引导学生猜测这个机械计数器是通过什么方式运转的，并要求学生说出猜测的原因：

（1）机械计数器的动力源来自哪里？

（2）个位计数圆盘是通过什么方式被带动旋转的？

（3）个（十）位计数圆盘是通过什么方式带动十（百）位计数圆盘的？

（4）这个机械计数器与我们日常生活中使用的钟表有什么相似的原理？

3.探究环节

要求学生完成“机械计数器”探究学习记录单，定量分析机械计数器的运转原理，根据学习支架——学习记录单的引导完成对之前猜测的验证。下面仅以计数器的个位装置为例呈现探究的过程：

（1）个位计数器组成部分：___个齿轮，___块圆盘。

（2）齿轮和圆盘的位置，从左到右依次是：_。

（3）这些齿轮和圆盘是否固定在一起：是 or 否（请打√）。

（4）个位计数器这个整体是怎么转动的：通过左边的齿轮驱动or 通过右边的齿轮驱动（请√）。

（5）请你写出你认为个位计数器通过左（右）边齿轮驱动的原因。

提示：观察左边齿轮（齿轮数为2）边缘是否有其他齿轮驱动。

（6）如果是右边的齿轮驱动，那么是否需要再安装一个齿轮来驱动右侧的齿轮：是or 否（请打√）。安装在什么位置比较合适？

4.解释环节

教师安排各小组选派一位代表上台分享探究活动经验，介绍一下该组在探究活动中遇到了哪些困惑，又是如何解决这些困惑的。其他小组在台下有礼貌地倾听，待该组分享结束后，其他小组可以对该组的每个成员进行提问。教师需要记录每组在分享和提问过程中出现疑义的地方，最后针对这些疑义向每组学生给出自己的解释。

5.延伸环节

学生首先需要完成项目的可行性分析，使用探究所得的成果对零部件进行尺寸设计，随后利用三视图分析此设计是否可行；其次需要根据分析制定项目预算，并对机械计数器的零件进行组装，完成组装之后，对模型进行测试，记录测试结果并进行反思设计，修改方案并重复测试直至确立定型方案；最后根据实际使用的材料情况制定项目决算，严格对照预算进行总结。

6.评价环节

各小组根据工程设计表格中实际记录的内容，制作PPT 展示交流项目经验，内容可以从项目的合理分工、小组成员的参与度、作品的完成度及美观度、实际决算使用以及与预算的偏离度、项目设计中的难点以及突破难点的方案、项目实施的问题分析及反思设计等角度进行设计。本组上台分享时，教师和其他小组的同学根据该组成员实际表现情况进行打分。

六、结语

“双奶酪模式”下的STEM 活动设计实践研究，融合了基于证据的学习理论、美国的5E 教学模式以及设计思维方法，能够多维度、多层次地对学生进行评价，注重核心素养的发展，以学生的发展为本，培养科学精神、创新精神、工匠精神、合作精神。

现代教育注重以人为本、面向世界。传统的课程观以及教学模式也发生了相应的转变。课程是一种发展的过程，而不是特定知识体系的载体，课程成为师生共同参与探究、实践的过程。课程的组织以及教学模式向正向跨学科和综合化的方向发展，从强调积累知识走向发现和创造知识。