融合科学探究和逆向工程教学的STEM课程探索

张清泉

【摘要】以学习过程和结果为导向，可以将STEM教育划分为科学探究模式和工程制作模式。而逆向工程是以先进的样件或产品为模型，来分析、复原、优化和再创，对中小学老师来说相对比较陌生。本文从笔者的实际教学情况出发，探讨一种融合科学探究与逆向工程教学的STEM教育模式。

【关键词】STEM教育;科学探究;逆向工程;跨学科学习

STEM教育的本质就是跨学科学习，强调打破学科界限，运用科学、技术、工程、数学等多门学科知识解决真实生活情境中的问题，培养学生在做事中形成的做过事、想做事、能做事的综合素养。科学探究和工程制作是STEM教育的主要组成部分。

一、概念界定

科学探究过程一般为从生活中的科学问题出发，制订科学探究方案，开展科学探究实践并收集数据，利用数据统计相关软件分析数据，使学生在习得跨学科知识、科学的思维过程与方法的同时，提高学生的科学探究能力。

逆向工程，又称反向工程，是以造物为目的，以先进产品的实物、样件、软件等作为研究对象，运用现代设计理论、方法、测量技术，对已有产品进行建模、仿真，最终实现优化既有产品和再创造的过程。

在STEM项目中，我们中学生创作的很多作品都是围绕已有的产品或者案例，来分析探讨其实现的功能和结构搭建的过程，再去分析各个功能由什么硬件和软件去实现，分析工程结构上的搭建。在这种基础上，再去原型再造或升级再创。我们只有先去做过一些小作品或者拆解一些作品，逐步了解和掌握各种开源软硬件工具的知识和使用技巧，遇到更加前缘的产品或者案例，他才能去分析，去拆解，才能去复制产品，或用习得的这个产品的功能或技巧来改善和优化已有的作品。

二、融合科学探究与逆向工程教学的探索实践

我们的现在的科创类STEM课程不能只是为了造物而去造物，我们实际教学中的项目往往既有科学探究，又有工程造物。以下是笔者以《设计制作室内空气环境检测仪》为课例探讨融合科学探究和逆向工程教学的一种模式，如图所示。本项目首先以学生通过调查研究，分析影响身边环境室内空气质量的因素和这些因素如何影响人们的健康。通过已有产品的使用和分析，接着以制作完成一种室内环境检测仪作为输出成果，让学生在设计、探究、制作的过程中，学会涉及检测仪制作的各类传感器的原理与运用，最后测试各种环境的空气质量，培养学生爱护环境、可持续发展的思想观念。

科学探究与逆向工程教学过程

1.提出问题，形成假设

项目学习的关键是基于真实的情境，有驱动性的问题。老师可以引导学生需通过文献阅读、视频观看、走访调查、头脑风暴等形式对空气质量、环境变化等方面有一个更加深入的了解，从而对“设计制作室内环境检测仪”主题的学习产生浓厚的学习兴趣。如很现实的驱动问题，我们宿舍或者教室的空气质量好坏怎么测定？绿植真的有改善室内空气质量的功能吗？哪些物质是导致室内空气质量变差的主要因素？市面上有哪些检测空气环境的产品？空气有害物质如何影响人体健康的？这里会涉及到一些列学科的知识和内容，如物理、生物、地理等。

2.拟定计划和设计实验

我们要引导学生分组分工拟定计划，设计相关实验，如对不同教室有无绿植的环境检测值的对比实验、通风环境和非通风环境的数值对比。

3.产品的使用与功能分析

我们学生的作品是以前学生做的能检测温湿度和气体浓度的作品，但功能单一，对一氧化碳、甲烷和液化石油气可以很敏感。这个作品已经不能满足学生的需求，市面上很多环境检测的仪器都能检测出甲醛、TVOC、CO2、PM2.5、温湿度、气体浓度、气压等值的传感器。我们学生买了几个不同型号的简易产品，就可以开始实验和产品功能的分析。

4.进行实验与数据分析

可以在学校选择两间教室进行测试，一间教室置有各种绿色植物，一间无任何绿色植物，或其他可以对比的场所如一个在工业区房间和一个在深山森林环境的房间对比，进行多次的固定时间检测的数值，进行数据记录及分析对比。在此基础上，我们可以对数据进行分析，得出一些结论。但我们更希望学生要了解这些数值是靠什么测出的。

5.作品分解与复原

对于我们学生创作的作品可以分解和复原，但对现有商品比较难，根据已有商品，学生可以分析得出他有什么功能，对应这种功能是靠什么得以实现的。如我们通过前期的调研，分析影响空气质量最关键的是总挥发性有机物（TVOC），它是靠什么传感器实现测试的，我们的甲醛值是靠什么传感器测得的，我们的PM2.5的均值是靠什么测定。我们学生就可以列出表格来对应在相关开源硬件商品中找出来。

6.產品复制或升级改造

我们根据产品的功能分解，是可以做出相关功能的产品来，甚至还可以升级改造。这个部分是我们逆向工程教学的关键，逆向工程不只是单纯的仿制，再设计与优化也是重要一环，以便让学生在“认识原型→再现原型→超越原型”的过程中深化学习。我们不仅仅是希望再造和优化这个检测空气的仪器，我们更希望学生能持续地去思考，去探究，去创新应用。

7.数据据对比和得出结论

我们让学生创造出来的新的作品，也要进行实验检测和数据分析。对比一下我们商品测得的值之间的误差，来检验我们传感器的功能实现是否能接近已有商品，如果数值太大，那么要对产品的复制或升级方案重新调整，重新再次制作。

8.分享展示、评价与反思

学生分组完成科学探究和造物后，有成果的有效展示，学生作品展示结束后，学生需要进行自评、小组评价和教师评价。自评和小组评价使用教师提供的项目学习报告进行，教师提前制定好相应的评价量规。量规既是学生学习的目标，也是评价的标准。我们评价和反思既要对科学探究进行评价，比如我们测出来的究竟哪些因素是影响空气质量优劣的，分别测得的值的区间值多少说明空气质量好等，以获得多元的知识为目标。同时，还要对我们逆向工程的造物过程进行评价。

我们很多科创类的STEM课程都过于强调造物，讲述一个个传感器的使用方法和技巧，甚至按照一个个图形化编程模块的使用方法来讲述，不断累加而形成课程。这忽略了学生跨学科能力和创新能力的培养。这种融合科学探究和逆向工程教学的项目式学习可以给STEM课程提供很好的参考。你看到这个图例所示是顺序执行，其实我们是有回路的，有迭代，有螺旋上升的方式，目的是让学生能持续的去探究和思考，发现隐藏在问题背后的知识技能，一步步去完善自己的想法，去做出自己的作品，才能去解决好实际的问题，从而培育他们的创新思维和动手实践能力。

参考文献：

[1] 蔡慧英，顾小清. 设计学习技术支持STEM课堂教学的案例分析研究 [J].电化教育研究，2016（3）：93-100.

[2] 钟柏昌.创客教育的内涵式发展：微创新与跨学科是怎样“炼”成的 [N].中国教育报，2018.