基于设计思维的STEM教学模式研究

摘   要

设计思维是知识经济时代下的一种创造性地解决问题的方法论体系，其为STEM教学的有效开展提供了重要支持。从当前STEM教学实践中存在的主要问题出发，通过厘清设计思维与STEM教学之间的内在联系，借鉴典型的设计思维实施模型，以培养学生实践能力、探究能力和创新思维为根本目的，构建了一个基于设计思维的STEM教学模式，以期为推动STEM教学改革提供相应的理论模型和实践参考。

关键词

设计思维   STEM教育   教学模式

近年来，强调跨学科融合、聚焦真实问题解决的STEM教育已经成为培养适应社会发展的科技创新人才的重要方式，受到各国教育领域的广泛关注。在全方位开展STEM教育改革的大背景下，如何具体进行教学实践，探索其教学模式，是决定STEM教育能否进一步深入应用的根本性问题。2016年，美国教育部与美国教育研究协会联合发布的《STEM 2026：STEM教育中的创新愿景》报告将课堂教与学活动的有效设计列为开展STEM教育的8大重要挑战之一[1]。美国白宫和STEM教育委员会于2018年12月发布的《制定成功路线：美国STEM教育战略》报告指出，“促进跨学科知识之间的融合，积极开展STEM教育实践”[2]。我国教育部颁布的《教育信息化“十三五”规划》也明确强调，“探索信息技术在跨学科学习（STEAM教育）等新型教育模式中的应用”[3]。教育部教育装备研究与发展中心在其2017年至2019年的工作要点中，均指出STEM教育对中小学教育发展和人才培养的重要价值，要求积极创设STEM环境，开展STEM教学。因此，积极探索面向STEM教育的教学模式，切实培养学生的创新实践能力，已经成为当今教育领域的热点议题。然而，随着STEM教学实践的深入开展，一些主要问题也逐渐凸显。由于在教学中缺乏对学生思维过程的系统引导，导致他们没有形成发散性的思考方式，不能设计出多样化的问题解决方案[4]。

设计思维，即一套科学的引导学生创造性地完成思考、设计以及解决问题的系统方法和技能[5]。設计思维中强调的“以人为中心”“设计修正”“问题解决”等内容，同样也是STEM教育所遵循的重要理念。基于此，本研究将设计思维的方法作为STEM教学实施的具体路径，尝试构建一个基于设计思维的STEM教学模式，以期为推动STEM教学改革提供有价值的借鉴。

一、设计思维支持STEM教学实施的方法

设计思维，源于英文单词Design Thinking，中文也译为设计思考。1969年，国际人工智能专家Simon在其出版的《人工科学》一书中指出，人工科学与自然科学的重要差别在于前者离不开人的设计，而要将人工与自然相融合，则离不开人的思维。Simon进一步强调，学习者通过思考之后所形成的理解性学习要远好于死记硬背的学习，更容易将所学知识应用于新的情景中[6]。关于设计思维的具体内涵，没有统一的界定。目前，研究者主要从以下三种视角进行阐释：第一，方法论说。设计思维是一套创造性地解决问题的方法论体系[7]。第二，过程说。设计思维是一个分析问题、解决问题、创新思考的过程，它包括对问题的探索，以及对解决方案的构思、设计、实施与评价等内容[8]。第三，思考方式说。设计思维是设计师进行思考、设计作品、解决复杂问题的方式，它所体现的是设计的心理过程，而非设计的结果[9]。基于以上思考，本研究将设计思维界定为一种方法论。具体来说，设计思维就是一套创造性地解决问题的方法论体系。该体系包括相应的启发式规则，以及一系列的步骤、策略、方法和工具。通过实施以上具体的步骤，并为设计者（学生）提供相应的方法、工具等，可以帮助他们在“设计—行动—反思—再设计—再行动—再反思”的循环迭代过程中提出具有创造性的解决问题的方案，从而有效解决复杂的现实问题。设计思维本质上是一种面向真实问题解决、强调学生过程体验、关注技术创新的多元化思维方法。该方法对于支持STEM教学开展、发挥其实际教学效能有着重要作用。

1.以真实问题为任务驱动，建立教育和生活之间的有机联系

STEM教育强调“做中学”“学中做”的教学理念，重视教育和学生真实生活之间的联系，从实际问题出发，根据挑战需求引导学生利用多学科知识和技能解决问题、培养能力，从而实现对知识的意义建构。设计思维支持下的设计活动以解决真实的劣构性问题为驱动，通过为学生提供相应的工具、方法和步骤，引导他们开展探究、完成任务。这样，不仅可以使学生从实质上提高问题解决的能力，有助于他们对知识体系的全面把握;而且能够拉近教育和生活的有机联系，形成对真实生活的完整体验，增加学习的趣味性和挑战性，真正使学生热爱学习、热爱生活。

2.以多样化方式解决问题，培养学生的创新精神

设计思维强调设计活动本身就是一个创造性的过程，该过程充满了探究和思考，需要利用多种思维方式去探索和感悟，并创造出更多全新的形式。也就是说，学生在具体实践过程中，随着思考的不断加深，会因人而异地产生不同的、独到的观点和思路。在设计思维方法支持下的活动过程中，通过引导学生进行小组协作、头脑风暴，积极探究和动手实践，从多个角度思考问题需求，设计出不同的解决方案，创设出更多的可能性，从而制作出创造性的作品。这种多样化的思考方式有助于突破学生之前的思维定式，引导他们在不断的尝试中，逐渐提高创新意识和能力。

3.以非线性形式展开教学实践，重视对学习过程的体验

设计思维作为一种植根于创新驱动的方法论体系，为学生提供了一套切实可行的、具有创造性的实施路径和方法工具。整合设计活动的开展并不是一蹴而就的，可以根据需要重复整个过程或者回到某个环节。比如，学生根据问题和任务，展开探究调查，运用相应的知识和技能完成实践作品。之后，根据对作品功能的测试情况，识别出需要改善设计的新信息，重新进行探究调查，对作品、方案进行再次优化和完善。这种非线性的实施方式，能够有效地保证作品的质量，提升学生的动手能力，并确保了学生对过程的深入感悟。

4.以思考为学习支架，助力学生思维能力的养成

在STEM教学中，学生不仅要利用多学科知识解决问题，更要能够将所学知识转化为技能，形成自身的能力。设计思维包括一系列的策略步骤、方法工具，通过为学生提供相应的思考支架，有助于将原有隐藏在设计活动中的思维经验外显化为一系列简单、系统、容易上手的实践过程。教师引导学生根据任务需求，进行产品设计或者解决复杂问题。学生在参与实践的过程中，通过对各个环节中的现象进行感悟，形成了相应的思维方式，真正学会如何去思考，以创造出新颖的作品，解决复杂问题，锻炼能力。

二、基于设计思维的STEM教学模式构建

根据设计思维与STEM教学之间的内在联系，借鉴典型的设计思维实施模型，构建具体的教学模式。

1.典型的设计思维实施模型

设计思维作为一种培养学生探究思考的方法论体系，在具体的操作层面，学者们开发出不同的实施模型，可以有效开展相应的设计活动。具体来说，设计思维的最初模型是由Simon提出的单向线性模型，包括分析、综合和评价三个阶段[10]。Candy认为，设计工作和思维的培养，应该是一个循环往复的过程。通过对方案和作品的评估，发现需要进一步修正的地方，为设计者提出新的改进思路，从而开展更深入的设计工作，不断完善。所以，在单向模式的基础上，增加了循环模式，提出了包括探索、生成、评价三个阶段的设计思维模型，评价阶段结束后，再次回到探索阶段和生成阶段[11]。之后，在以上思路的指导下，更多的设计思维实施模型不断涌现。Hurson提出了包括移情、目标、提问、解释、原型、调配六个实施步骤[12]。Glen等人提出了包括问题发现、观察、可视化和意义的形成、构思、原型和测试六个阶段的设计思维过程[13]。

目前，使用最为广泛的是由斯坦福设计研究院开发的EDIPT模型，见图1[14]。该模型包括同理心、定义、创想、原型、 测试五个循环往复的阶段，每个阶段又包含具体的目标、实施原则、操作方法和使用工具等。阶段一，同理心，也称为换位思考，设计者站在应用者的角度思考，去感受对方的态度和想法。其核心目标在于深入了解用户的具体需求，搜集具体的信息，为接下来问题的定义和认识奠定基础。该阶段常用的方法工具有观察、倾听、访谈、问卷调查、KANO模型、搜索工具等。阶段二，定义，在搜集信息的基础上，对其进行系统的整理和加工，从而定义出具体的、可操作的问题。该阶段常用的方法工具有五问法、知识地图、书写绘画工具、思维导图工具等。阶段三，创想，该阶段是解决问题的关键。根据定义的问题，通过思考、讨论和调查，探索解决问题需要的知识，并从多个角度去提出不同的问题解决方法，制定具体方案，这可以很好地培养设计者的发散思维。通过讨论的形式，对多个方案进行比较、修正，以形成最佳方案。该阶段常用的方法工具有头脑风暴法、九宫格法、访谈、书写绘画工具、白板等。阶段四，原型，根据解决方案，制作出简单的、具有基本功能的原始产品或者是具有产品某项功能的模型。该阶段为方案的测试和修正提供了一个可以参照的原始作品雏形。该阶段常用的方法工具有程序设计、3D打印、智能机器人、卡板、制作材料等。阶段五，测试，该阶段不仅包括测试功能，还包括优化功能。具体来说，首先是测试产品和方案的有效性，即判断是否解决了相应的问题。之后，根据测试的结果，识别出需要修正的新信息，或者是产生出新的问题和想法。此时，修改内容并重新开展头脑风暴，建立新的修正模型，并进一步测试和优化。由此多轮迭代，最终形成科学、有效的作品和方案。该阶段常用的方法工具有工程测试方法、测试原型、模型检验等。需要指出，除了EDIPT模型的整体过程是一个循环模式以外，其中的五个步骤之间呈现出一个非线性关系。也就是说，使用者可以根据需要重复整个过程或者是某些特定的阶段。

2.基于设计思维的STEM教学模式

本研究根据设计思维和STEM教学之间的内在联系，以及STEM教学模式的一般构成要素，借鉴EDIPT实施模型，构建出基于设计思维的STEM教学模式（见图2）。从图2可以看出，在对学情特征分析的基础上，进行包括教学目标、教学内容、教学环境、教学活动和教学评价五个核心要素的详细设计。

（1）学情特征

学情特征的分析是教学模式构建的基础性工作，教师需要全面了解学生的年龄特点、原有知识水平、基本学习能力和学习风格等要素，把握其基本学习特征。这些有助于教师为学生准备更加合适的问题、内容和资源。

（2）教学目标

在学情分析的基础上，需要制定教学目标，也就是学生通过课程参与所要达到的具体结果。在充分考虑三维目标和21世纪核心素养的基础上，结合STEM教育的核心教学理念，基于设计思维的STEM教学目标应该包括认知、能力和情感三个方面。认知目标主要是指学生对学科核心知识的掌握和跨学科综合概念的理解，能力目标主要是指培养学生的动手实践能力、创新探究能力、问题解决能力、创新思维的形成等，情感目标主要是指要让学生养成敢于动手、勇于创新、吃苦耐劳的精神。

（3）教学内容

教学内容是整个模式的重要载体，向上承接教学目标， 向下决定教学环境的设计、教学活动的组织等。不同于传统的分科式教育，STEM教育的教学内容来源于真实生活，建立教育和生活之间的联系，给予学生完整的生活体验。通过引导学生综合利用多学科的知识与技能，解决劣构性问题。其中，问题的科学设计成为决定教学内容质量的关键。在设计具体问题时，应该注意以下几个方面：第一，问题要源于真实生活;第二，问题要有一定的趣味性，激发学生的兴趣;第三，问题要有一定的难度，可以引导学生进行探究，利用多学科知识来解决;第四，可以将大问题细分为一个个具体的小问题，各个小问题之间要有一定的梯度。

（4）教学环境

教学环境一般包括物理环境和社会心理环境两部分。物理环境进一步可以分为教学场所、教学工具和教学资源三方面。教学场所方面，STEM教学需要在具体的工作坊或者实验空间中进行。教学工具方面，包括Scratch可视化编程软件、知识地图、思维导图等软件工具，以及3D打印机、电路板、智能机器人、单片机、计算机、平板电脑、书写绘画等硬件工具。教学资源方面，包括网络教学平台、电子课件、微视频、导学案、练习题、课程教材等资源。社会心理环境主要是指为学生创设自由、平等、和谐的学习氛围，引导学生主动参与探究，并对学生進行鼓励。

（5）教学活动

教学活动作为具体实施部分，是落实教学目标和教学内容的关键。在本模式中，整个教学活动环节包括问题识别、方案制定与作品生成、综合评估三个循环往复的阶段，每个阶段都有对应的支持工具。在此基础上，教学活动进一步从教师和学生两方面展开。教师活动包括学情分析、描述情境、确定问题、细化问题、组织实践、学习引导和评价反思七个方面。其中，学情分析、描述情境与确定问题对应整体教学环节的问题识别阶段。问题细化、组织实践与学习引导对应整体教学环节的方案制定与作品生成阶段。评价反思对应整体教学环节的“综合评估”阶段。学生活动包括调查与识别、创想与修正、评价与深化三个方面。这三个方面分别对应整体教学环节的问题识别、方案制定与作品生成、综合评估三个阶段。

①教师层面

学生的科学探究离不开教师的引导和支持。具体来说，第一步，学情分析。教师要把握学生的基本情况，包括学习兴趣、年龄特点、基本能力，以及之前所学习的内容。第二步，描述情境。教师创设情境，引导学生回忆之前所学知识。之后，让学生在情境中思考，并进行调查探究、搜集资料和筛选信息。第三步，确定问题。通过对资料信息的分析，教师引导学生寻找实际生活中的任务需求。在此基础上，确定需要解决的具体问题。第四步，细化问题。进一步引导学生对问题进行思考，细致定义问题需求，即把大问题转化为一个个可操作的小问题。第五步，组织实践。在明确问题的基础上，教师指导学生以小组为单位，通过调查探究、深入思考、动手实践设计出问题解决方案，制作具体的作品或者模型。根据对作品功能的测试结果，进行不断优化和完善。第六步，学习引导。在教学过程中，教师需要为学生提供适当的学习支持服务，以帮助学生提出创造性方案，设计出相应的作品。第七步，评价反思。良好的评价体系有助于提高教学质量。教师要对学生的表现进行评价，还要引导学生对他人的作品和表现进行评价，激发学生之间的讨论，进一步完善作品。最后，教师还需要进行反思，思考在教学过程中取得的成绩与存在的不足，以便下次改进。

②学生层面

首先，调查与识别阶段。该阶段是整个学生活动框架的基础，主要任务是确定实际需求和问题。第一步，调查探究。学生根据教师描述的情景，以小组为单位，开展多方面的实践调查，获取相应的信息和资料。第二步，整理信息。在调查的基础上，对收集到的信息进行系统整理和归类。第三步，识别需求。对整理的信息进行详细分析，形成相应的真实任务，识别具体需求。第四步，定义问题。在对需求理解的基础上，确定待解决的问题。在学生定义问题的过程中，会因人而异地生成新的思考和疑惑，需要重新开展调查，进一步探究。

其次，创想与修正阶段。该阶段是整个学生活动框架的主体，主要任务是设计方案，制作出模型或者作品，并对方案和作品不断修正。第一步，问题聚焦。在确定问题的基础上，学生以小组为单位，通过进一步思考，细化问题需求进行聚焦，把大问题转化为具体的、可以解决的小问题。第二步，思考问题。学生思考问题需求，把握其要点，以小组为单位通过调查实践、头脑风暴、讨论互动、探索解决问题所需要的多学科知识和方法。第三步，创想方案。学生根据问题和讨论结果，利用获得的知识和技能初步设计出多样化的问题解决方案。第四步，制作作品。学生进行小组内部讨论，通过思维碰撞筛选出相应的方案。之后，学生根据方案，利用STEM跨学科知识，以及相应的工具资源，完成初步的作品。第五步，功能测试。将制作好的作品或者模型进行应用，测试其功能，并实时记录相应的数据，包括测试时间、使用工具、测试内容、功能模块、测试结果、实验现象、存在问题等。第六步，修正优化。根据测试结果，发现需要进一步修正设计的新信息，此时，再次回到第一步（问题聚焦），生成新的想法，开展新一轮的设计和探究，继续完善方案、优化作品，并重新测试作品功能。由此进行多次循环，直到达到标准。

最后，评价与深化阶段。该阶段是整个学生活动框架的保障，主要任务是对学生的综合表现进行评价，通过开展反思，加以深化改进。第一步，作品讨论。学生将小组的作品向老师、同学展示，全班开展讨论，进行头脑风暴，针对作品的基本情况、具体功能和测试情况展开交流。第二步，作品评价。评价包括教师评价、学生之间的同伴评价和自我评价三种形式，评价内容主要针对学生的过程性表现，以及结果性表现（设计的方案，完成的作品等）。第三步，作品完善。综合教师评价与学生评价结果，进一步深化完整方案和作品，并修正相关结论。第四步，深化理解。学生进行反思，明确取得的成绩和存在的不足，产生新的认识。进一步深化理解，开展新一轮设计工作，不断对作品进行完善，并开发出更多的功能。

需要注意的是，除了调查与识别、创想与修正、评价与深化三个阶段各自是一个循环外，在实际教学过程中，可以根据任务需要，三个阶段之间可以任意跳转、互相融合、彼此补充，共同助力学生创新思维的培养。

（6）教学评价

教学评价可以从评价内容、评价方式和评价主体三方面考虑。第一，评价内容。根据本研究的教学目标（包括认知、能力和情感三个部分），将评价内容分为智力因素（针对认知、能力）和非智力因素（针对情感）。智力因素主要包括学生对学科核心知识点、跨学科知识的掌握，以及学生实践能力、创新能力等方面的养成情况。非智力因素主要是指学生的学习态度、学习意志力等方面的体现情况。第二，评价方式。采用过程性评价和结果性评价相结合的方式。第三，评价主体。包括教师评价、学生互评和学生自评三种形式。综合以上三方面，对于智力因素，过程性评价包括学习行为记录、大数据分析、课堂实录等方面;结果性评价包括学生设计的方案、完成的作品或者模型、问卷调查、访谈等方面。对于非智力因素，过程性评价包括视频观察、课堂观察等方面;结果性评价包括问卷调查、访谈等方面。上面每一个环节的内容，均包括教师评价、学生互评和学生自评三种形式。这样能够更加客观、全面地对学生进行評价。

目前，如何有效设计STEM教学模式，促进跨学科教育改革，已经成为教育领域关注的重点话题。本研究以培养学生的探究能力、实践能力、创新思维为核心目标，将设计思维的方法作为开展STEM教学的具体路径，构建出基于设计思维STEM教学模式。通过对该模式的分析与描述，以期为推动STEM教学改革，将其理念真正落地提供相应的理论模型与实践参考。

参考文献

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[13] Glen R，Suciu C，Baughn C C，et al.Teaching design thinking in business schools[J].The International Journal of Management Education，2015，13（02）：182-192.

[作者：秦瑾若（1990-），男，陕西西安人，陕西科技大学教育学院，讲师，博士。]

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