基于工程设计法的STEM项目实践

徐青青 茅君平 袁媛

摘 要：工程设计法与STEM课程设计原则完美契合，以工程设计法为思路，改进建模，设计适应高中教学的STEM課程框架，并以“桥梁的设计”为例，进行项目实践，教学效果显著.

关键词：STEM;工程设计法;项目式学习;最近发展区

文章编号：1008-4134（2020）05-0034中图分类号：G633.7文献标识码：B

基金项目：中国STEM教育2029创新行动计划课题“STEM教育特色学校建设的行动研究”（课题编号：2018STEM089）.

作者简介：徐青青（1993-），女，浙江临海人，本科，中学二级教师，研究方向：项目式学习模式和STEM高中教育;

茅君平（1979-），男，浙江温岭人，本科，中学高级教师，研究方向：支架式教学和STEM高中教育;

袁媛（1982-），女，安徽安庆人，本科，中学一级教师，研究方向：实验教学设计和高中物理课堂教学设计.

STEM教育理念中，科学（Science）重在认识自然规律，工程（Engineering）和技术（Technology）重在应用自然规律、改造世界.工程设计是要解决一个实际需求所引发的问题，学生取代教师的主导地位，自主建立明确的目标和标准，综合考虑各学科知识，设计方案，并在实践中反复修正，给出最优化的解决方案[1].其中跨学科整合、解决实际问题、融入工程技术、结果明确和途径多样等特点，无一不与STEM课程的设计原则[2]相契合.同时，工程设计法能将STEM的四种教学方法有机整合：在项目式学习的主线下穿插问题式、设计式、探究式学习模式[3].

1 以工程设计法为路径的STEM项目模型

1.1 改进工程设计法流程

传统工程设计流程如图1所示，将所要解决的问题分化为一系列的具体步骤，各步骤关系紧密、交互进行.其优点主要表现为：学习方式的多样性、学生的主体性、知识范围的广阔性、难易的伸缩性和思维的层次性.

但在应用于高中STEM项目的过程中，既要结合高中生的认知发展阶段特征，又要考虑STEM项目设计的基本要求.因此，需要对一般工程设计法步骤细化改进，如图2所示.例如，将“提出解决方案”分步进行，改为“头脑风暴”和“制定方案”，激发学生的创造力;增加“研究资料”和“分享交流”阶段，进一步丰富学习方式，也丰富学生的知识储备;将“改进”作为核心驱动阶段，穿插于各步骤之中，在改进时不再循规蹈矩地重复所有步骤，效率可得到大幅度提升.

1.2 基于工程设计法STEM项目设计

基于上述改进，将项目分为三步进行，分别是：学科整合的融合性课程、解决真实问题的实践性课程、供学生深入学习的研究性课程.每个课程中设计相应的具体活动，包括学生的学习活动和教师在其中的指导活动.项目框架及课程设计如图3所示.

1.2.1 确定问题

许多现实问题是复杂、模糊的，作为高中学生的研究对象，需要将其简化、重新定义.解决“是什么”的问题，有助于学生理解整个活动的必要性.具体操作上，首先要确定一个大的问题方向，即总体任务目标;其次，对这一大目标分解，列出具体的小问题，将模糊的问题具体化.例如，我们要设计什么？设计结果服务对象是谁？最后，要确定参数，量化设计要求、评价指标以及限制因素.

1.2.2 头脑风暴

大部分现实问题都没有单一的正确答案，解决方案多样，并不断被以创新的方式解决.因此这一阶段教师的任务就是挖掘学生的元认知，发散思维，引导学生走向最近发展区.建议将学生分组，让学生更有效地集思广益，进行头脑风暴，寻求尽可能多的解决方案.该阶段的重点是团队合作和大胆创新，而非对想法可行性的定量分析.

1.2.3 学科整合

大部分项目设计不止一个学科的知识点，需要学科知识融会贯通.因此，教师需要整合学科知识设计STEM课堂，教授学生解决问题所需的新知识.

1.2.4 制定方案

头脑风暴是学生在生活经验和元认知的基础上，以直觉的方式呈现出来的，是一个从具体现象到抽象思维的过程，那么在学习严谨的理论知识后，就需要对抽象思维进行可行性分析，将方案具体化.方案中应当包含：总体目标和小问题、针对问题的解决办法或设计、操作过程、可视化的图示.该阶段旨在具体化学生抽象的思维，要求严格的定量分析.

1.2.5 建立模型

这个过程，有助于学生进一步发挥各自的创造力和动手能力，将想法转变为现实，也为测试评价服务.建立的模型需要以方案为指导，有序进行，同时需要根据现实情况灵活调整.

1.2.6 测试评价

该阶段的主要任务是检测学生建立的模型是否解决了一开始的问题和需求，是否工作流畅，又是否存在不足之处.

1.2.7 交流分享

一个人的力量是有限的，一个团队亦是如此，因此，需要各组交流分享，取长补短.建议该阶段以学生答辩的方式展开，答辩前各组组内讨论，答辩期间其他组可提问质疑或收集改进灵感.内容主要围绕以下几点：各自的设计要点、模型展示、优点缺陷.

1.2.8 改进

STEM教育是整合学科知识、解决实际问题的交互式过程，这就要求学生不能止步不前，不断优化方案，以更有效地解决实际问题.工程设计法的核心阶段，要求学生取其精华，弃其糟粕，即整合测试和交流分享的结果，查找相应资料，头脑风暴，有选择地吸收其他组的优点和建议，改进方案.“改进”是内核驱动模块，穿插于各阶段之中，学生在最后以迭代改进的思想，不断完善方案.

2 活动案例

该文以“桥梁设计”这一主题为例，以工程设计法为路径框架，围绕STEM素养目标（见表1），在浙江省台州市T中（T中学为中国STEM教育协作联盟授予的“STEM教育领航学校”，以下简称“T中”）展开实践活动.

2.1 确定问题

【教师指导活动】

（1）创设情景：展示“T中”附近的各种桥梁图片、航拍视频，以及其他桥梁事故案例.

（2）给出任务目标：请同学们像工程师们一样（图1），在学校边的河流上设计一座桥梁.

（3）分解问题：我们为什么要设计桥梁？设计桥梁有哪些需求？我们需要解决哪些问题？

（4）对拱桥进行受力分析，演示其中的合成分解过程.

【学生活动】

（1）分组讨论：明确总任务，并回答上述小问题.

（2）对各种桥梁进行受力分析以及力的合成分解.

（3）量化要求：确定设计要求、评价指标、限制因素等，见表2.

2.2 头脑风暴

【教师指导活动】

（1）教师列举几个自己的想法，以激励学生跳出思维定势.例如：使用空心砖建桥以减少桥梁自重;悬浮在水面上的桥.

（2）强调该节课的目标是收集各种创意，提醒同学们不要急于否定质疑.

（3）给每个学生准备两种颜色的便利贴，最后进行投票，例如红色便利贴代表喜欢，蓝色代表不喜欢.

【学生活动】

（1）小组代表汇报研究资料收集成果.

（2）讨论、记录小组成员针对问题的各种想法，并加以整理.

（3）各小组代表上台用草图和关键词来展示想法.

（4）所有学生对各小组的想法进行投票，并在便利贴中写下自己对该模型的想法.

2.3 学科整合

【教师指导活动】

（1）选取几个学生头脑风暴中画的草图，对其受力分析.

（2）层层递进，从简单的平桥到墩桥，再到上、下拱桥，演示从物理理论知识到工程实践的发展过程.

【学生活动】

（1）对各种桥梁进行受力分析、研究各个拱桥的工作原理.

（2）查阅资料，采访从事桥梁建设的工作人员.

2.4 制定方案

【教师指导活动】

（1）给出方案案例，包含桥梁设计目的、桥梁设计图示、载重说明、所用材料等.

（2）演示CAD基本操作过程.

【學生活动】

（1）在教师指导下，根据量化参数分析多种方案的优缺点，选择一个最优方案.

（2）使用CAD或者其他技术语言将草图转化为严格的图示.

（3）参考案例框架，制定自己的桥梁建造方案.

2.5 建立模型

【教师指导活动】

（1）用木块搭建古代拱桥模型，展示其承重效果.

（2）指明建立模型的目标是为了测试设计的各项指标.

（3）提供木条、胶水、工具刀等物品.

（4）指导学生搭建过程中出现的技术难点.

（5）带领学生参观“T中”STEM中心的3D打印设备，演示其建模过程，展示一些3D打印小模型的说明书.

【学生活动】

（1）根据方案，小组分工合作，搭建桥梁实物模型.

（2）记录所用材料及其数量.

（3）讨论：针对现实搭建过程中的难点，小组讨论技术路径、寻求教师指导.

（4）改进：学习3D One电脑小程序，打出自己的模型，尝试以说明书的形式改进方案框架.

2.6 测试评价

【教师指导活动】

（1）带领学生前往“T中”物理实验室的数字化实验室，借助牛顿第三定律的拉力传感器，使学生熟悉压力传感器的应用.

（2）前往“T中”地理实验室的地震馆，测试桥梁的抗震能力.

【学生活动】

（1）使用压力传感器测试桥梁承重能力，画出力的图示，受力分析.

（2）分析桥梁结构，对比各模型的抗震能力得出三角形等稳定结构.

（3）记录测试的数据，根据量化参数，对模型进行全方位评价.

（4）改进：观测称重情况和抗震情况，对薄弱环节进行改进.例如，增加三角形结构加固.

（5）评价：使用雷达图展现各个量化参数，便于比较，如图4所示，桥梁1的承重和抗震能力突出，而桥梁2在其他方面表现较好，建造成本较低.

2.7 交流分享

【教师指导活动】

（1）要求各组展示模型、根据STEM各素养参数介绍其优点.

（2）追问学生设计方案的未来展望.

（3）答辩后组织各组学生观看其他组模型、相互交流设计过程（如图5）.

【学生活动】

（1）小组上台，各成员展示答辩自己负责的区块.

（2）聆听其他组的答辩，针对不足之处提问.

（3）改进：收集其他组的优点，改进本组存在的缺陷、提升整个设计方案.

（4）交流：交流设计过程，取长补短（如图6）.例如，在制定方案这一阶段采用矩阵的形式对各种方案快速评估，提高效率.

3 结束语

STEM项目式教学模式立足真实情景，使用工程设计法引导学生自主构建知识体系，教学效果显著.学生设计丰富多样，动手能力极强，建立的模型精细美观，完全超出教师的预设.同时，低学业水平学生在此次项目活动后表现出对物理、技术学科极大的学习兴趣和积极性;高学业水平学生也能在应用理论知识的过程中获得极大的成就感，表现出超高的动手能力和解决问题的能力;参与的教师既加深了对STEM理论的理解，也对STEM项目的实践过程更加熟悉.

参考文献：

[1]肖瑗，叶兆宁.科学课程中设计STEM活动的有效方法：从工程和技术的角度审视科学探究活动[J].中国科技教育，2014（09）：16～19.

[2]赵宸.中小学STEM课程设计模型建构及案例设计[J].中国教育技术装备，2018，444（18）：70-74.

[3]王巍. 国际项目式STEM教育的研究现状与启示[J]. 现代远距离教育， 2019（04）：90-96.

[4]张海银，林建芬，朱立伟.科学探究过程、工程设计过程和STEM过程的比较分析[J].教育信息技术， 2019（06）：54-57.

（收稿日期：2019-12-04）