基于设计思维框架的STEM教育研究

2020-12-25何秀晶

启迪与智慧·教育版 2020年12期

何秀晶

【摘要】设计思维能让学生经历像设计师一样在不断构思、测试中最终找到问题解决方法的创新过程，这点与学生创新思维的培养无缝接轨。设计思维强调团队协作共享，注重方案迭代优化，这些则与STEM精神高度契合。基于实践研究，本文通过案例分析，探讨了在小学科学中基于设计思维框架的STEM教育价值及教学模式。

【关键词】小学科学;设计思维;STEM教育

传统的小学科学教学存在理论教育过多，难以全面提高学生综合素养的教学弊端，如何优化小学科学教学，是教师关注的问题。STEM教育作为一种注重学生实践能力和创新精神培养的热点教育，能够有效提升学生的综合素养。然而，当前的STEM教学实践中存在“实践有余、创新不足”的现象，减损了STEM教育在培养学生创新能力方面的重要价值。设计思维作为一种支持学习者创新思考和问题解决的方法论，拥有一套成熟的思维理念和工具方法，能够有效地弥补STEM课程中存在的不足。

在小学科学教学中，可以实施基于设计思维框架的STEM教育，融合设计思维的模式体系与研究应用成果，建构新的STEM课程教学模式，助力解决创新思维培养的问题，通过实践发现这种教学模式的实施确实存在着教学优势。

一、STEM教育与设计思维

1. STEM。STEM是科学、技术、工程和数学四门学科的英文首字母的缩写。打破学科和学科之间的壁垒，引导学生在项目探索中综合运用多学科知识，强调学生的学习自主性和团队合作行为，促进学生向综合性、全面性的方向发展，是这种教育的突出特点。当前，教育学者们提出，从小学阶段就应当培养学生的STEM思想，使学生能够从真实情境的项目任务需求出发，打破学科和学科之间的知识壁垒，灵活综合性地应用多学科知识，创造性地解决问题。

2.设计思维。设计思维是由斯坦福大学 D.SCHOOL提出的一种思维模式，这种思维模式可描述如图1。从图1的模型中可以看到设计思维模式包含有同理心、定义问题、构思、快速原型、测试这五个思维阶段。应用这样的思维，学生可以通过一种科学的思维模式来完成项目任务。

二、基于设计思维框架的STEM教育价值

设计思维应用过程中涉及到的跨学科、同理心、真实情境下的问题解决、创新思维的培养与STEM教育中强调的学科整合、真实世界中的问题解决、创新力的培养等理念不谋而合。由此可见，设计思维方法在STEM课程中的应用具有一定的可行性及意义价值。

在小学阶段开展基于设计思维框架的STEM教育，其目的是基于一个项目情境，让学生了解应运用设计思维来完成一个项目任务。学生在进行项目任务时，需要综合应用多学科的知识，同时教师要注重引导学生发现问题、合作交流、构想设计、创作实践、迭代优化从而最终解决问题。在完成项目任务的过程中，学生的学习自主性将能落实，学习兴趣将能提高，科学的态度将得到培养，理论知识将得到积累，实践的能力将得到提升，创新思维将得到极大激发。这种教育是一种能够全面突破传统小学教育弊端，全面提升小学生综合素养的教育模式。

三、基于设计思维框架的STEM教学模式

为了说明基于设计思维框架的STEM教学模式，现以STEM项目案例《有趣的纸桥》为例来分析。

1.案例说明。本STEM项目是由教科版小学科学六年级上册第二单元第8课《用纸造一座“桥”》拓展延伸设计的，结合课本的要求，给学生两张A4大小的纸，只能应用纸来造桥，不能使用其他的连接工具。在该次课程中，学生结合自己的生活经验发现制造桥梁可能存在的问题，能够用抽象的角度对问题进行诠释，设计和开发纸桥，学生在实验和调整中优化纸桥的设计，能够自己评估学习的成果。学生了解了紙这种材质，通过分析桥梁结构掌握了制造桥梁的基本技术，完成了应用纸这种材质来制造桥梁。学习的过程中，学生能发现桥面的宽度与承载力的关系，桥两边的坡度与桥的功能的关系，桥墩的数量与高度与承载力之间的关系。

本项目教学目标为：（1）让学生发现桥的建设存在的问题、解释桥的结构、构思桥的稳定性、实验桥的承压力、评估项目成果。（2）对学习过的科学知识和其他学科知识进行迁移，达到灵活应用知识的目的，继而通过创造来解决现实生活中的任务。（3）培养学生的工程意识，让学生在完成工程项目的过程中交流合作，集思广益，共同克服困难。

本项目的教学重点为引导学生发散思维，找到各种制造桥的方法;教学难点为引导学生发现纸这种材料的特质，能够结合纸的材料特质来设计桥的结构。

本项目需要准备如下教学材料：A4大小的纸甲、A4大小的纸乙、剪刀、橡皮（规格一致，N块）、收纳筐、铃铛、秒表、设计单。

2.教学模式。在教学的过程中，教师要引导学生应用设计思维去思考问题，并且在实施的过程中，逐渐内化这种思维，其教学模式可归纳如下：

（1）同理心分析，定义问题——提出问题。教师创设情境。出示多媒体，学生看到中国的四大名桥，产生民族自豪感。出示各种桥的图片，通过各种案例，学生发现桥的功能、基本结构，同理心对桥这种事物产生兴趣。

教师引导学生思考：能不能应用生活中常见的纸这种材质制作一座桥，让它拥有一定的承载力，比如让桥上能够平铺5块橡皮而不倒塌？在教师的引导下，同理心需求分析，学生明确定义了该次的项目任务：制造一座具有一定承载力的纸桥。

（2）头脑风暴，创想构思——设计。用纸来设计桥，设计时要考虑哪几个方面的要求？要让纸桥具备桥的功能，学生能够应用的材质只有纸，学生必须通过优化桥梁结构来克服纸材料的不足。学生以小组团队为单位调查对比各式各样的桥梁，分析桥梁各部分结构的作用。通过交流，学生意识到，桥面的宽度能够承载橡皮，桥墩的作用有二：一是营造出桥面以下的空间，让船能够从桥下走过，于是桥墩的高度必须有一定的保证。二是桥墩的数量影响着桥面的承载力，从理论上而言，桥墩的数量越多，纸桥的承载力越高，然而桥墩的数量越多，桥下可通过的船支会受到限制，于是要优化桥墩数量的设置。经过分析，学生觉得制造纸桥的要点：一是确定桥面的功能;二是优化桥墩的高度与跨度的设计。小组内头脑风暴，组员间不同的想法思维碰撞，汇聚集体的聪明才智，创想构思出最能满足设计需求的纸桥设计方案。

小组间头脑风暴，完善设计方案。各小组代表交流分享纸桥的设计图，其他小组可对该小组的设计提出建议或意见。如果觉得自己组的设计还不是很好，也可以借鉴别的小组的设计进行改进完善。

（3）快速制作，产品原型——制作。当创意构思基本落实之后，设计思维中的原型实现是指将解决方案表现出来的过程，在本STEM项目中这一步骤即是制作纸桥模型。各小组团队分工协作，依据设计图选择材料制作出纸桥模型。

（4）测试产品，迭代优化——测试优化。教师引导学生共同制定评价量表，提出如下评价方法，采用5分制评分，最低分为1分，最高分为5分：

评价设计图：要求设计图结构完整、图画清桥。

评价承重力：要求承载至少5块橡皮，桥梁不会倒塌。

评价功能：即桥墩要尽可能大，跨度尽可能大。

拓展分：6-10块，从6块起步，开始计1分，每多承载1块橡皮便能多计1分。

展示分：展示自己的成果，能否准确、明晰地说明自己的成果。

各小组团队展示产品，通过测试与评价，计算出团队总得分，评选出最佳的桥梁，并引导反思不断优化改进自己的产品。

3.教学效果。在项目开展的过程中，学生感受到了学习的乐趣，在设计和实践的过程中获得了学习的成就感，创新思维得到了发展，综合素养得到了提高。

基于设计思维框架的STEM教育教学，能充分激发学生学习的主动性，灵活地应用科学、技术、工程、数学学科的理论知识来创造性地解决问题，能有效提升学生的综合素养。

【参考文献】