以工程设计为导向的项目式STEM学习探索与实践

孙越 史艺

《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》指出：“积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学，注重加强项目设计、课题研究等跨学科综合性教学。”由此可见，传统的教学模式已经不能满足创新型人才培养需求，需要引入以STEM教育为代表的以学生为中心、构建问题解决或任务驱动的跨学科整合学习的教学模式。

● 基于项目的STEM学习

STEM教育不同于传统的分学科教学，它是一种跨学科、综合性的教育，以提升学生STEM综合素养为核心。STEM教育的实施方式很多，而项目式学习被认为是目前最有效的一种实施途径，即利用项目来开展STEM学习。

项目式学习（Project-Based Learning，PBL）被认为是一种教与学的模式，关注的是学科的核心概念和原理，要求学生从事的是问题解决、基于现实世界的探究活动以及其他的一些有意义的工作，要求学生主动学习并通过制作最终作品的形式来自主地完成知识意义的建构。所以，项目式学习的理论基础同样也是建构主义理论。

基于项目的STEM学习是围绕真实的社会问题、工程问题组织，以实践性的项目完成为核心，偏向于知识的综合运用，适合学生在掌握了一定的分科知识之后进行学习，强调学生在项目中，通过查找搜寻资料、小组交流合作，综合运用多学科知识解决问题，达成知识和能力的主动建构，提升STEM素养。教师的作用则是提供脚手架帮助学生将知识进行重构，生成有意义的综合知识体系。

● 以工程设计为导向的项目式STEM学习

为了使STEM教育中的科学、技术、工程和数学四个领域实现更好的融合，通常将工程作为STEM课程的框架，作为连通科学、数学和技术学科知识的“桥梁”，美国《K-12工程教育》的研究报告中明确将工程确定为“综合STEM教育的催化剂”，并指出“STEM教育中的工程学是解决当前STEM教育缺乏整合的方式”;数学和科学作为STEM课程的基础学科，既有知识的学习，也有知识的综合运用;技术体现在工程之中。也就是说，在具体的工程设计过程中，要让学生借助科学、数学和技术工具，设计和改进方案，完成工程作品，从而激发学生对科学和技术的兴趣，发展综合能力，更好地理解数学、科学和技术。

工程设计过程可以归纳为以下七个步骤，这些步骤可以是线性地进行，也可以不断迭代，直到得出最终的方案。

①任务界定。学生能够正确地定义问题，清晰而准确地提炼出核心的有针对性的问题，所有成员能够对项目的目标和范围达成共识，此外还需要分析项目的制约因素和标准。

②调查研究。对相关主题进行调查研究是进行工程设计前最有效的途径，为后续形成设计观点、批判性分析、头脑风暴提供了基础。学生对相关主题进行调查，可以调研前人在某领域已经完成了什么，以免重复劳动，还可以初步了解该项目所涉及的学科领域。

③头脑风暴。头脑风暴是在“思考—合作—分享”中进行的，学生在这个环节开始真正进行问题的解决，创造性是这个环节的核心。学生列出可能解决问题的所有方案，也包括一切风险和不利因素，这些想法不是凭空想象出来的，而是在调查研究、分析所收集资料的基础上产生的。

④制订计划。工程设计并非单一的正确答案，而是在几个可能的答案中识别出最好的解决途径。学生在项目制约因素和标准的背景下，分析多种方案的优劣，以便获得切实可行的最优方案，并制订项目计划完成解决方案。

⑤具体实施。学生对项目进行拆解，不同学生承担不同的分工，并利用数学、科学、技术的知识，根据最优方案，构建出最为合理的模型或解决方案，并制作出产品的形式。

⑥测试改进。解决方案同样要进行评估和测试，包括预测、测试条件、观察和结果，基于测试的结果，学生会优化他们的方案，并对自己的方案的长处和缺陷进行批判性思考，可能需要重新回到头脑风暴环节，建立新的模型再次测试和优化，保证产品的社会有效性。

⑦分享反思。各组学生在展示过程中，着重表达出想法、设计的蓝图、详细的尺寸、测试结果，同时也以技术性的概念和术语来支撑自己的解释。通过对过程和结果的反思，可以帮助学生创作出更好的设计方案。

● 案例分析——伞的设计

“伞的设计”是一节以工程设计为导向的STEM课例，设计过程中学生会经历“任务界定、调查研究、头脑风暴、制订计划、具体实施、测试改进、分享反思”的过程，体会工程在STEM中所起的“连通”科学、技術、数学的作用，同时利用已有学科知识，开发解决方案，测试、评估、修改完善，使方案在满足制约因素和限制条件下达到最优。

本课例除了涉及STEM中的科学、技术、工程和数学之外，还加入了人文艺术（Art）的领域，所以更确切地说，这是一节以工程设计为导向的STEAM课例。

1.项目主题：伞的设计

2.教学目标

工程设计：通过真实情境的工程设计问题，理解工程设计的重要性及一般流程。

科学探究：构建模型，通过控制变量方式进行实验、收集数据，总结归纳科学规律。

数学思维：提升数学建模、数据分析处理和数学运算素养。

技术素养：能够利用计算机进行简易工程的局部建模和仿真。

人文艺术：体会中国古代建筑之美与中国人造字的智慧。

3.项目过程

（1）创设情境

①教师活动：提问——如果让你设计一把伞，你会考虑哪些因素呢？

②学生活动：思考、讨论、回答。

（2）任务拆解

①教师活动：提问——结合大家提出的因素，我们如何来逐项分析呢？

②学生活动：查阅资料、头脑风暴。

（3）引导探究

①教师活动：引导学生分析三种简单模型的性能（如图1）。

实用性分析：这几种伞顶都能实现防雨防晒功能吗？

稳定性分析：这几种伞顶哪种更稳定？

抗风性分析：如何分析伞的抗风能力？（利用3D软件和风阻测试软件进行分析）

排水性分析：如果雨水从三种伞顶顶端滑下，哪一种轨道下滑最快呢？

美观性分析：你觉得什么样的伞顶比较美观？说出你的理由。

②学生活动：建立模型（控制变量：大小、高低均一样，只是形状有别）。

稳定性分析：结合物理学科（重心位置与稳定性的关系如图2所示）。

抗风性分析：利用Autodesk 123D软件建立不同伞顶的模型;利用Autodesk Flow Design对伞顶进行风阻测试;学生根据测试结果对伞的抗风能力进行对比分析。

排水性分析：查阅资料，了解最速降线的特点及其参数方程的推导（如图3）。

美观性分析：与中国古代建筑联系（凹形伞顶有利于排水）;与中国文字“伞”联系（中国人造字体现智慧性）;伞面的图案设计体现美观性。

（4）测试改进

①教师活动：请各组学生根据前述对三种简单伞顶模型的分析方法，对自己小组的设计方案进行测试和完善，并制作出成品。

②学生活动：实施、制作、测试、改进。

（5）展示交流

①教师活动：请各组学生展示作品，介绍设计理由进行答辩。

②学生活动：各组展示汇报。

（6）总结评价

①教师活动：过程性评价与结果性评价相结合。

②学生活动：各组间进行提问与互评。

（7）拓展提高

①教师活动：最速降线形伞顶有很多的优点，有没有不足？如何将这种伞设计成携带方便的可折叠的伞？

②学生活动：课下查阅资料并思考。

4.项目资源

该项目资源包括计算机（安装软件3D建模软件Autodesk 123D Design和风阻测试软件Autodesk Flow Design）、3D打印机、水彩颜料、实验设计报告等教学材料。

5.项目评价方式

对项目的评价，包括针对过程的形成性评价和针对结果的总结性评价，以这种形式对整个项目的过程、资源、成果等进行整理、总结与展示，同时对师生间、生生間的互动给予更多的关注。

● 反思小结

“伞的设计”一课是一节典型的以工程设计为导向的STEM课，在课程的实施过程中，学生感受到工程迭代过程的重要性，运用调查研究和科学探究相结合的手段为设计和制作产品提供支撑，通过测试完善改进作品，最终实现各组独特的伞的设计。

与传统课程单一学科的教学相比，解决“一把伞的设计”的真实问题，不仅需要依靠一个学科的知识互动，而且需要依靠横跨STEM各学科之间的互动。在伞的创新过程中利用3D打印技术进行深入研究和分析问题，培养了学生的创新意识、创造能力，锻炼了学生的理性思维、科学探究和技术运用能力，以及交流沟通和表达能力，促进了学生多种核心素养的综合成长。