基于工程思维培养的STEM校本课程建构——以“设计环保清洁剂”为例

福建省厦门市思明区教育督导评估事务中心 洪 盈

一、课程背景与简介

教育家、哲学家赫斯特说：“教育的中心目的是向学生传授主要的思维形式。”2018年“中国STEM教育2029行动计划”发布，STEM教育在我国进入蓬勃发展阶段。在当今这个大众创新的时代，工程思维不再局限在所谓的理工科领域，而是被视为创新必备的思维能力。面对STEM教育的思维力及课程改革的挑战力，基于STEM教育理念校本课程的开发与实施是应对这种挑战的一种较为可取的方式。STEM指科学、技术、工程、数学，近年在STEM中又加入了艺术（Art），之后再加入阅读（Reading），提升为STREAM，即S（Science）科学，T（Technology）技术，R（Reading）阅读，E（Engineering）工程，A（Art）艺术，M（Mathematics）数学，而在人工智能飞速发展的同时，我们是否也可以赋予A（AI）人工智能的寓意，使之变得更加全面。笔者在认真研究和学习中对STREAM有更深层次的理解，即“S”（Smart）智慧，“T”（Thinking）思维，“R”（Reason）追问原因，“E”（Experience）体 验，“A”（Assessment）评 价，“M”（Multimode）多模态教学。意即基于项目式学习智慧教学，促进学生运用跨学科知识和技能解决实际问题，并在完成目标任务的过程中学会思考、追问、评价，在探究、体验中提升分析问题、解决问题的能力，形成多模态教学。

“工程思维”就是人们在进行工程活动和工程研究过程中所形成的独特的思维方式，有人把它定义为“专业层次的策划型实体思维”。工程思维是STEM教育理念的核心，STEM教育是工程思维的有效载体。基于工程思维培养的校本课程建设应融合STEM教育理念，培养学生在真实生活情境中学会提出问题，在产品设计中懂得分析问题，在探究实践中能够解决问题，在成果推广中实现价值认可。

二、课程开发与实施

“设计环保清洁剂”STEM校本课程的开发与实施即着力于学生工程思维的培养，体现了跨学科融合的STEM教育理念。学校通过组织团队、理论培训、学习交流、定期研讨、实践体验等活动促进校本课程的开发，以“设计环保清洁剂”为研究主线，经过确定课程目标、设计课程内容、制订课程方案、拟定课程评价等措施推动校本课程的实施，在实施过程中推进课程纲要的制定、校本教材的编撰、教学资源包的完善以及教学实践的研讨，逐步建构基于工程思维培养的STEM校本课程。本课程由真实的水污染，以及水污染对人类和生态系统的影响为情境引入，让学生意识到使用环保清洁剂有助于环境水资源的保护，从而激发学生了解、制作环保清洁剂的兴趣，开展基于项目的解决任务式学习。本课程共分12课时，内容涵盖语文、综合实践活动、数学、科学、人工智能、美术、英语、道德与法治等学科。学科跨度大，内容丰富，领域涉及面广，能较好地帮助学生工程思维的培养。

（一）创设情境，提出问题，培植工程决策思维

工程思维活动的基础是工程决策。工程决策思维是指人们在工程决策行为中的信息加工活动，包括提出问题、形成方案、检验与评价方案等活动中的思维方法与过程。教师应根据学生的特点及活动要达到的目的创设真实情境，以此激发学生的情感共鸣，学生在真实情境中对活动的目标、意义、环境、分工、实施等确认，以更好地提升工程决策思维。例如，“设计环保清洁剂”课程的第一课时“认识清洁剂”，课程开发组运用微视频创设真实情境：全球每年有成千上万的泳滩因为受到污染而被关闭。强降雨造成垃圾、化学物等各种污染物被冲入水中，接触污染物可能导致患病或受到伤害……教师还利用了生活中洗手、洗澡、洗衣服和打扫卫生等图片场景提出问题：在清洁的过程中，人们多数情况下会用到清洁剂，而这些清洁剂大多数是化学合成的，它们对身体和环境都有什么影响呢？生活中遇到的真实问题极大地激发了学生探究的兴趣，引导学生认识清洁剂。教师通过让学生调查了解、小组讨论、学习交流等多角度思考清洁剂的功效和危害，从而提出任务目标：设计一款环保清洁剂并能推广使用。学生分组制订方案，反复推敲方案的可行性及需要学习的相关知识。在这个过程中，学生的工程决策思维得到有效培植。

（二）设计产品，分析问题，激发工程设计思维

工程设计是工程思维活动的灵魂。工程设计思维是指根据工程决策阶段制订的方案进行细化，分析活动中可能出现的问题，设计解决该问题的措施，并预测可能发生的阻碍。这种思维面临的主要契机是潜在可能性与现实可行性的转化。工程设计思维简单说就是解决问题的思考过程。课程开发组在确定了“设计环保清洁剂”研究任务和研究方案之后，开启工程设计。为了解决可能发生的问题，课程设计了“认识容积单位”“有趣的数学比”两个课时，帮助学生了解容积单位和比的概念等数学知识，为设计清洁剂扫除“变量控制”障碍。而《藏在水中的小秘密》一课则帮助学生研究水质、了解溶解性总固体（TDS）含量，为环保清洁剂的制作提供了科学依据。考虑到工程设计的可行性，教师引导学生通过一次次的实验、对比、再实验，帮助学生寻找解决问题的最优策略，形成解决问题的能力。在工程设计运思过程中，学生发现可溶物不同，导致的清洁效果也不一样：可溶物含量低的水制作出的清洁剂的清洁效果比较好。在实验过程中，学生的知识不仅得到拓展，实验能力得到提升，更重要的是，对数学的严谨、对科学的探究、对工程设计思维的发展均产生了更深的影响。

（三）探究实践，解决问题，发展工程实施思维

工程实施需要学生按照设计好的解决方案实施、对实施结果进行评估总结、完善设计方案等步骤进行循环操作与思考；教师需要根据学生的进展情况，灵活把握活动过程。课程开发组设计了“工程思维自我学习反思评价”“工程思维学习任务完成能力评价”等评价表，在每一课时均让学生进行自我反思，即从已学懂的知识、还未学懂的知识、还想继续关注的知识以及仍然存在疑问的知识等方面帮助学生对每一次的探究实践进行评估总结，以便进行方案的调整和再实践。例如，第五课时《设计环保清洁剂》教学重点为会做洗涤用品去污实验，了解洗涤剂的不同用量带来的不同结果，学会控制变量，了解环保的价值意义。基于学生在工程设计阶段已初步构建制作环保清洁剂的知识框架，对设计方案也进行了可行性分析和研究的基础上进行实践验证，通过自我学习反思评估，学生发现要解决的是水的选择，以及水、小苏打、醋等环保原材料的配比是否能够达到最佳洗涤效果，其pH值是否达标等问题，进而在不断实验中获取最优数据。学生在经历了多种设计解决方案、对实施结果评估、完善设计方案的探究过程后，实现迭代性思维，发展工程实施思维。而对课程的开发和设计最终是否完成学生工程思维培养，学习任务完成能力评价表，较全面地帮助工程实施效果检验。

（四）成果推广，实现价值，促进工程消费思维

当某项工程竣工时，它的价值还只是潜在的，只具有可能性意义上的价值。如果建成的工程不能进入消费阶段，那么这项工程的价值就是没有实现的价值。工程成果的消费过程也是工程消费交往共同体解读和重构工程成果的过程。经过师生的共同努力，制作出了环保清洁剂、环保清洁皂以及自动感应清洁剂装置，那么如何将产品进行宣传和推广，实现其消费价值？课程开发组还设计了“动手设计包装”、The Environmental Cleaner、“策划和推广”等课时，即进行产品包装设计达到美的视觉效果。厦门是一个包容性很强的国际化城市，对外交流和宣传离不开英语，设计用英语推介产品成果，将更好地培养学生国际视野、跨文化交流意识。“策划与推广”则基于设计出来的产品能够让更多的人了解和使用，得到消费者的认可，具有可持续性和价值性。这就需要培养学生的工程消费思维，学生需要调查了解大众的消费观、市场竞争压力、大众检验效能进行常识性重构和大众日常语言重构等，这个过程既是对成果的推广，实现其价值的过程，也是对产品再修正、再研发的过程，更是促进学生工程消费思维的发展。

三、课程成效与反思

基于工程思维培养开发的STEM校本课程投入实施后，目前已初见成效。一是学校层面。学校STEM校本课程体系初见模型，并且编写了《环保清洁剂我设计》校本教材，设计整理了配套的教学资源包。承担的福建省教育科学“十三五”规划课题“综合课程视域下小学生工程思维培养的课程建设研究”顺利完成中期汇报。学校荣获国家级信息化教学思明实验区领航校称号，面向市区级领导、兄弟学校开展国家级信息化教学思明实验区STEM项目研讨活动，获得与会领导、专家与同行的好评。二是教师层面。教师的理论视野变宽了，思维素养有质的突破，研究能力更强了，公开课、讲座、论文、子课题等纷纷出成绩：三位教师的子课题获区立项，五位教师的相关论文在区内获奖，三位教师在市级开课、讲座，等等。三是学生层面。参与STEM课程的学生在各方面都得到了提升。课堂上，学生的思维活跃了，他们不再是听众，而是积极思考、敢于质疑、懂得辩证解决问题、具有较强工程思维力的学习探究者。课后，他们积极参加创客、动漫、编程、人工智能等社团活动及比赛，频频获奖。

当然，课程建设还处于不断探索与实践阶段，课程体系的整体建构还不够全面，还面临诸多问题：如何延展STEM主题课程，覆盖各个年级，进行普惠化实施；如何进一步培养学生的工程思维，培养适应未来领域的创新型人才等。未来，我们还要对课程体系进行完善，围绕主题课程继续开发其他年级的STEM校本课程，使之形成系列化，如以环保为主题，贯穿1～6年级，开发“环保太阳能小灯”“环保无动力小车”“环保污水过滤器”“环保空气净化器”“环保清洁剂”“环保垃圾桶”等。我们将深入研究，制订符合学生发展理念、适合学科融合、体现学校特色的方案和体系，形成可持续发展的教学模式，探索出适合校情的课程体系。