通过工程设计让学生理解STEAM教育

◇张建颖（北京市东城区黑芝麻胡同小学）

一、工程设计的概念

如果科学是了解大自然，工程就是改造大自然。准确点儿说，工程是指按照预设的目的和需要，应用相关科学知识和科技设计和制定方案，以解决社会和日常生活中的问题。工程设计的目的是透过逻辑推演的方式，制定出有效的程序、产品装置或系统。典型的工程设计流程包括界定问题、确认需要和限制、进行研究构想、设计、制作和测试模型、分析和评价，以及根据评价结果将设计加以改良。这个设计过程可以用以下的流程图表示：

由于任何设计方案都要经过多次改良才会被选定为最终方案，所以工程设计是一个不断迭代的过程。但是，以上所描述的只是一般的工程设计流程，在实际情况下，个别步骤的先后顺序以及对学科知识、工艺技术和数学运算的要求，需针对问题的性质及实际设计的难易程度而定。上图所显示的流程只能为初学者提供基础的指导。

二、科学在工程设计上的作用

工程并非一定需要应用科学知识，在科学尚未发展的年代，人类已创造了不少伟大的工程建设及科技发明。推行STEAM 教育更需弄清工程设计是如何借助科学和技术提供设计的理念和原理来提高效能的，有了这个基础，可对应工程设计的实际需要引导学生学习科学。科学在工程设计上的应用可分为两个层次。一是科学概念的应用；二是科学探究技能及推理的运用。很多工程上的问题，都需应用科学概念来解决。以探寻汽车“外形与空气阻力”的秘密为例，小学生要用适宜的实例理解流体力学的科学概念，同时教师也要尝试带领学生“三线并举”。在一系列的驱动问题中，师生共同经历制作对比不同车体外形与空气阻力成因的过程，根据理论或经验提出假设或设计理念、辨别变因、制定测试、分析数据、运用数学、建构模型以及逻辑论证等。进而探究流线型外形可以减小汽车在空气中运动时的阻力的原理，掌握设计对比不同外形的模型的技术，发现科学知识与科学推理之间的关系。设计前，学生未必已经掌握相关的科学知识，这就需要在设计和测试过程中边学边用，因此STEAM 教育既是应用知识的过程，也是学习新知识的途径。这也就不奇怪为什么在STEAM 课堂里，知识的应用与学习常常处于交替和互动的联通状态。

三、通过工程设计提高学生探究能力

通过工程设计过程，可以帮助学生提高科学探究和推理能力。但要实现这个目标，教师先要辨析工程设计过程中的每个阶段所涉及的科学元素，在教学设计上有系统地提供指引或脚手架，帮助学生逐步发展相关知识和推理能力。为帮助STEAM教师进行这方面的规划，本文参考了Baker and Piburn对科学推理的分析，归纳出在工程设计的过程中，各主要阶段对科学知识和科学推理的要求，结果如下：

工程设计阶段/步骤科学知识科学探究技能和推理探究和推理结果在工程设计上的应用界定问题（确认要求和限制）研究构想设计提出假设·流线型减小空气阻力·非流线型减小空气阻力选择处理方法（课堂进行时根据教学目标材料而定）先测试流线型外观与空气阻力的关系测试模型了解外形与空气阻力的关系·框架结构的原理·流线型与空气阻力·非流线型与空气阻力流线型外观在空气中运动阻力减小·测试仪器和测试方法·框架结构的稳定性解决设计、制作、测试过程中遇到的问题公平测试·找出三种不同外形受空气阻力大小的影响测试过程显示要得到最佳效果及量度更为准确·三种外形是同一材料制作·三种车外形都在同一环境下测试分析及评估测试结果流体力学概念（应用数学）·针对问题的成因，改良原来的设计。反思问题是否出于错误运用科学理论或者知识。如果有需要，要重新检测原来的科学原理或者设计理念是否奏效·根据评估结果，进一步分析方案的效能改良更深入的理论：材料的轻重会影响空气阻力的大小数据分析，建构应用数学模型·对测试结果进行分析评定，流线型外观受到的空气阻力最小利用塑料（3D）或者金属替代陶泥，以减少重量对空气阻力的影响·根据测试结果，选择材质轻的流线型外观设计车体，并将其纳入新的设计方案之中

补充主题活动产生背景和教学过程进行解释：做—比—说—迭代。

（一）源于学生的需求

湘教版科学课程《大自然的启示》让参与Greenpower能源车社团的成员发现了车外观的形状与车速会有“关系”：为什么呈梯形的车架不是椭圆形或者其他的形状？为什么需要给车架制作曲线的外形？梳理问题有技术层面的，如：什么外形的车体跑起来更快，车体支架的拼搭与车外观的关系；有科学原理层面的，如：框架式结构的车体更稳固，流线型的外形可以减小它在空气中运动时的阻力。比较这两大类问题，就是在权衡科学知识与科学推理关系的问题。

教学中由车轮引出汽车并添画汽车的外形，然后出示几种外形不同的汽车图片，让学生做“汽车”(模型，突出外形轮廓)。从“汽车”比赛的话题中引出速度，让学生分组预测本组做的“汽车”中哪辆速度最快(填写在卡片上)。学生在预测时就进行了推理和解释，并运用科学知识建立车体运动时外形与空气阻力间的关系。在自行探究环节，学生分工合作，积极参与研究，做好实验记录并汇报交流，归纳出“流线型的外形可以减小它在空气中运动时的阻力”；在后期拓展中，研究水中运动的物体的流线型外形与它的运动有什么关系。这既是运用所学知识进行运动类产品的外形设计，也是科学与工程的联动。

（二）源于核心素养的培养需求

核心素养是指学生应具备的适应终身发展和社会发展所需要的必备品格与关键能力，科学学科的核心素养是学生在接受科学教育过程中逐步形成的重要品格和关键能力，两者在方向和性质上是统一的。科学学科核心素养中提到的“科学思维与创新”，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质，它是科学学科核心素养的核心，在科学的一般思维基础上，强调创造性思维。通过“探究制作车体外观车型”“探究比较哪种外观的车体在空气中的运行效果好”两个系列化探究活动，最终完成揭秘汽车“流线型外形可以减小在空气中运动时的阻力”。在整个探究过程中，注重学生科学思维与创新、科学观念与应用的培养。

新课标指出，设计是工程和技术的核心过程。通过设计过程，一个人能学会如何辨别问题或需要，如何思考各种选择及约束条件，如何做计划、建模型、用迭代方法解决问题，如何提高高阶思维技能和实实在在的可见技能。在技术与工程领域，重点是让学生关注自然界与人工世界之间的相互联系，愿意通过对工具、材料和技能的改进更好地解决生活中的实际问题；知道如何明确问题，分析情况，搜集相关信息，形成切实可行的创意或方案，并将其转化为实物或对已有物品进行改进与优化。

小学阶段进行的科学实践活动大多简单易行，经历这些活动，能让小学生在已有认知和技术水平的基础上，获得使用简单工具解决生活中的问题以及制作产品的经历和体验。在解决问题和制作产品的过程中，创造性地运用所学的各方面知识，在设计、制作、打磨、修改、再完善等一系列程序中，锻炼学生动手动脑的能力。以上讨论，证明了小学科学课程中的工程与科学以至数学在STEAM 教育中的紧密关系。由此可见，一个有效的STEAM 教学设计应能提供丰富的工程设计经验，让学生理解科学、科技、工程与数学之间的关系，并了解怎样应用不同学科的知识，再配合科学探究技能和科学推理解决生活上的问题。根据这些理念而设计的教学活动，能更加贴近真实世界的情境，会令学习变得更有意义，又能提高学生的学习积极性。