楊彩香 林穎紅 黃苗苗 潘霞

摘要：隨著時代發(fā)展要求，STEM已成為全球教育創(chuàng)新的發(fā)展熱潮，我國在STEM教育方面也得到快速發(fā)展，涌現(xiàn)大量理論研究與實踐研究，其中綜合了全國16個中小學STEM典型實踐案例的《STEM教育這樣做》一書于2019年油然而生。為了探索STEM教學實踐情況，發(fā)現(xiàn)實際問題，文章參考契合STEM理念的斯坦福大學設計思維模型，分析書中“運動場上的關懷”STEM課程實施流程，并總結出優(yōu)勢與不足，試圖為目前基于設計思維的STEM課程設計提出希冀。

關鍵詞：STEM;設計思維;課程;案例分析

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）30-0104-03

1 引言

美國的STEM教育起源于STS，是跨學科融合的教育，包括科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）數(shù)學（Mathematics）。主要培養(yǎng)學習者的STEM素養(yǎng)，發(fā)展學生具備溝通協(xié)作能力、批判性思維、問題解決能力、創(chuàng)新能力等21世紀技能[1]。當前，STEM教育已成為世界各國推進課程教學改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要戰(zhàn)略[2]，我國也不例外，目前在實踐研究方面，許多中小學校正大力推進STEM教育，探索STEM教育模式，設計STEM創(chuàng)新課程等促進學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并取得一定的成效;在理論研究方面，出現(xiàn)了大量STEM主題的文獻和書籍。其中由王素、李正福主編的《STEM教育這樣做》一書就是2019年熱潮的成果呈現(xiàn)，它是中國教育科學研究院STEM教育研究中心傾力打造、由教育科學出版社出版的首部STEM教育圖書，該書探索了18個STEM教育關鍵問題，精選了16個中小學STEM實踐案例，被譽為STEM課程的“中國表達”。說明可以透過該書的課程案例，了解我國的STEM教學情況。文章通過研究發(fā)現(xiàn)，該書STEM課程的實際開展與培養(yǎng)理念相差較大，許多課程雖然有相對成熟的模式套用，卻出現(xiàn)各模式混用的現(xiàn)象，不能與創(chuàng)新培養(yǎng)目標很好的關聯(lián)。因此設計思維（Design Thinking）作為一種創(chuàng)新理念以及模式，開始吸引廣大教育者的眼球，《STEM教育這樣做》中的杭州市保俶塔實驗學校開展的STEM課程也融合了設計思維的模式，文章結合該校的STEM課程案例進行分析，致力探索出基于設計思維的STEM課程在設計到實施過程中的實際情況。

2 “運動場上的關懷”STEM課程介紹

文章研究分析的“運動場上的關懷”STEM案例來自杭州市保俶塔實驗學校開設的“關懷與創(chuàng)造”STEM項目課程，它是《STEM教育這樣做》一書中的經(jīng)典實踐課程之一。

2.1 課程設計理念

設計思維是“運動場上的關懷”STEM課程的理念，它強調解決問題要從人的需求出發(fā)，多角度地尋求創(chuàng)新解決方案，學生通過創(chuàng)造性思考和運用各種工具制作原型，最終獲得作品。目前，使用最廣泛的是斯坦福大學提出的EDIPT模型，包括同理心（Empathize）、定義（Define）、構想（Ideate）、原型化（Prototype）、測試（Test）五個階段[3]，如圖1所示。

圖1展示出設計思維模型的整個設計流程，同理心是指能夠站在他人的角度考慮問題，了解需求，即“產(chǎn)品需求分析”，然后根據(jù)問題需求定義，即“確定要解決的問題”，再者是構想創(chuàng)意點，即“設計創(chuàng)意方案”，并根據(jù)方案進行原型實現(xiàn)，即“制作產(chǎn)品模型”，最后開展用戶產(chǎn)品體驗，依據(jù)反饋內容修正完善，達到問題解決。

2.2 “運動場上的關懷”STEM課程介紹

“關懷與創(chuàng)造”STEM項目課程分為短、中、長三種類型，短期項目積淀項目制作中有關Micro：bit開源硬件、激光切割、三維設計等基礎知識，中長期項目旨在通過基于設計思維的動手實踐、互動式的學習活動，培養(yǎng)學生掌握STEM領域的深層知識，提高STEM職業(yè)的興趣和人文關懷。在長期項目“運動場上的關懷”課程主要授課年級：七年級;學習時長：10周，每周1個長課時，該課程實踐中，教師把設計思維融入課堂，學生將經(jīng)歷完整自主的項目，通過聚焦運動會場，其次從“關懷”“同理心”的角度提出問題，然后梳理有價值的問題形成研究的子項目，并立項解決，整體設計如表1[4]所示。

3 基于設計思維STEM課程分析

文章選取斯坦福大學的設計思維模型——EDIPT模型作為指導，從模型的五個維度分析“運動場上的關懷”STEM項目課程，包括課程學習活動的具體內容，實施流程、涉及的工具方法等方面，每一環(huán)節(jié)的內容和對應的分析如下：

1）聚焦情境，角色體驗

本環(huán)節(jié)對應設計思維中同理心需求階段，分析依據(jù)是學生能夠通過觀察和訪談建立起同理心，換位思考，感受需求。在“運動場上的關懷”STEM課程第一環(huán)節(jié)，教師引導學生聚焦真實問題情境，并介紹任務：如何讓運動場更優(yōu)化。接著播放本校運動會跑步比賽視頻，包含參賽人員、工作人員、觀眾等的記錄及訪談畫面，要求學生在觀看時要仔細觀察。播放結束后，學生需回答“你對運動場上各角色的了解？關于各角色處境，你會怎么解決？”等問題，小組內部進而討論與交流，最后在大白紙上繪制同理心地圖。

該環(huán)節(jié)中教師利用視頻實錄提供了符合學生經(jīng)驗的情景，激發(fā)學生學習興趣。其次，學生對設定的情境進行“移情體驗，問題識別”，這符合設計思維中強調“以人為中心”的核心理念。但該階段方法使用比較單一，教師應借助創(chuàng)新工具進行融合使用。

2）匯聚問題，梳理定義

該環(huán)節(jié)符合設計思維的定義問題環(huán)節(jié)，分析的依據(jù)是設計思維提倡的學生要從目標用戶的角度剖析問題產(chǎn)生的原因，匯聚思維，定義問題。在“運動場上的關懷”STEM項目中，學生根據(jù)聚焦情境，角色體驗環(huán)節(jié)得到的同理心地圖來定義需求點，并陳述了小組需要解決的問題。項目中教師傳授如何梳理訪談數(shù)據(jù)，用不同的語句來描述用戶需求，然后組織小組討論，得到2～3個觀點陳述，認真思考清晰，最終確定需要解決的項目問題，并在班上陳述分享。如在模塊2中，站在裁判的角度，學生提出“短跑比賽中，選手成績非常接近，很容易產(chǎn)生誤判;若選手對終點有異議，需要借助視頻等證據(jù)”，學生思考后分析了原因，最后討論得出裁判需要解決“準確測量壘球的落地點”的問題，這個過程充分展現(xiàn)了設計思維強調對用戶的理解，才能真正獲取用戶真實需求的理念。

3）檢索、整理資源，構思方案

在“運動場上的關懷”STEM課程中，教師在課前介紹頭腦風暴的規(guī)則和技巧，并發(fā)放“解決方案”頭腦風暴記錄單，激發(fā)了學生的發(fā)散思維，學生爆發(fā)出的構思進行詳細記錄。如模塊4中，針對如何讓實時觀看比賽狀況的問題，學生站在群眾角度提出各創(chuàng)新構思，如組員A提出利用無人機拍攝，并將數(shù)據(jù)投放于操場大屏幕、組員B認為可以突破傳統(tǒng)，制作實時app進行直播、組員C提倡公眾號推送實時視頻等;接下來小組分析篩選、合并創(chuàng)意想法，思維從分散逐步收斂，最終形成匯合群體智慧的作品設計方案。

通過分析發(fā)現(xiàn)，學生在方案構思環(huán)節(jié)出現(xiàn)遲疑現(xiàn)象，不能很快融入頭腦風暴的氛圍中來，這可能是該STEM課程教師沒有組織學生進行頭腦風暴預熱活動（熱身），或沒有應用適合且較全面的構思工具。這說明了設計思維對STEM課程的指導運用還不夠熟練，建議教育者多運用設計思維系統(tǒng)工具進行方案構思。

4）模型制作，不斷完善

模型制作環(huán)節(jié)，符合設計思維的第四步——原型化。教師提供制作材料后，學生將設計方案自主構建成模型，如模塊1設計終點計時系統(tǒng)前，教師為學生提供傳感器、控制器、電池、發(fā)射器、報警燈、天線等其他供系統(tǒng)安裝所需的材料。實操環(huán)節(jié)中，教師的角色主要是引導者，引導學生順利完成制作，出現(xiàn)錯誤時，啟發(fā)學生如何改進、貼近用戶需求，這是設計思維重視的不斷建模、調試和改進過程，最后形成最佳原型。但由于“運動場上的關懷”STEM項目課程的難度較大，如模塊7的自動檢錄系統(tǒng)制作，學生由于對數(shù)據(jù)的不了解，教師很容易直接動手幫助制作，卻沒有啟發(fā)學生，這也是STEM課程中的一大難題。該環(huán)節(jié)基本上達到設計思維的模式要求，但出現(xiàn)大量的啟發(fā)不到位的問題，說明設計思維與STEM教育融合方面還有待加強，教師對設計思維工具的運用需更加深入。

5）展示評價，迭代改進

該環(huán)節(jié)主要為學生提供基本的展示平臺，學生分小組展示“運動場上的關懷”的STEM子項目成果，由于項目是基于本校真實的情況開展的，因此展示平臺為真實的運動場，學生對模型進行現(xiàn)實測試，如模塊1的計時系統(tǒng)是否成功達到預期的計時效果、實時App是否能夠實時直播等，體現(xiàn)了設計思維最后環(huán)節(jié)——測試，它通過測試的結果不斷地改進原型。另外小組代表要簡要展示運用的技術和原理等，然后通過CCTSS課程評價單得到反饋后，重新思考設計方案是否滿足了用戶的需求，解決了用戶的問題。其中，評價包括自評、組評、師評?！斑\動場上的關懷”STEM課程項目雖然落實了多元化的評價，但沒有注重反饋后對作品的優(yōu)化迭代，如模塊2中，當其他組學生提出紅外線模擬器展示出現(xiàn)外部干擾問題時，沒有得到往后的優(yōu)化解決。

4 “運動場上的關懷”STEM課程的優(yōu)勢與不足

文章通過基于EDIPT模型對“運動場上的關懷”STEM課程的分析，梳理總結出該課程在核心理念、課程內容、活動設計與開展等方面特點優(yōu)勢及其不足之處。

4.1 優(yōu)勢

1）培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)

思維是一種創(chuàng)新的、以人為中心的方法來定義和解決復雜問題的動態(tài)過程，它可以在現(xiàn)實環(huán)境中完善STEM學習。“運動場上的關懷”STEM課程的每個環(huán)節(jié)都在培養(yǎng)學生相應的思維及技能，如聚焦情境鍛煉共情能力;生成式的頭腦風暴提高學生創(chuàng)新思維;協(xié)作互動性學習培養(yǎng)合作能力;制作原型增強動手實踐能力等。每個設計挑戰(zhàn)都要求學生嚴格按照設計思維的“同理心—定義—構思—原型化—測試”五個環(huán)節(jié)來完成，培養(yǎng)了學生的STEM素養(yǎng)。

2）以真實情境問題為載體實現(xiàn)跨學科知識整合

杜威認為教育不能脫離現(xiàn)實環(huán)境，不能孤立地、抽象地訓練學習者的思維力[5]。“運動場上的關懷”STEM項目課程以現(xiàn)實世界的真實問題為載體，把學生置于復雜、有意義的問題情境中，將STEM學科知識融入具體的實踐活動中，通過開展一系列實踐活動，驅動學生將科學、技術、工程和數(shù)學等多學科知識和技能進行整合應用。如模塊7的“自動檢錄系統(tǒng)”，學生要掌握如何將 STEM概念和設計思維過程直接應用到學校真實運動會當中。

3）提供豐富的學習支架與工具促進有效學習發(fā)生

“運動場上的關懷”STEM項目課程注重運用創(chuàng)新工具方法促進復雜學習過程中有效學習的發(fā)生。每個內容模塊中，教師結合課程需要提供相應的學習支持工具作為支架促進學生完成設計挑戰(zhàn)如同理心地圖、項目記錄表、解決問題“頭腦風暴”記錄單[4]，如圖2所示。

4.2 不足與建議

“運動場上的關懷”STEM項目課程總體結構契合設計思維的每一環(huán)節(jié)，但在具體的實踐中，每個環(huán)節(jié)的任務和工具都沒有很確切的區(qū)分，模糊性比較大，在項目開展過程中，未能很好地在設計思維指導下實施。另外設計思維作為支持創(chuàng)新學習及問題解決的方法，提供了在設計過程中所需的策略、方法及工具。但該STEM課程的實施中，沒有系統(tǒng)地采用，所以整個設計、制作、創(chuàng)新并沒有得到更突出的展現(xiàn)。因此可以適當運用不同的工具，如同理心環(huán)節(jié)常用的工具有：同理心地圖、情景故事法、深度訪談、KANO模式等;定義階段常用的工具有：POV、KJ法等;構思階段常用的工具有SCAMPER、迪士尼創(chuàng)意法、九宮格法、四象限分析圖、“如何不……”提問法等;原型階段常用工具有草圖繪制、Dem設計、測試階段主要是需要展示工具、學習評價工具。

5 總結

設計思維作為支持創(chuàng)新學習及問題解決的有效模式，與STEM課程強調創(chuàng)造性生成、跨學科融合的理念是非常契合的，借助設計思維框架進行STEM課程設計，有助于推動STEM課程的研究，促進有效地培養(yǎng)學生關于21世紀的核心素養(yǎng)。文章通過“運動上的關懷”的STEM課程案例分析，了解到基于設計思維的STEM課程的實施情況，發(fā)現(xiàn)存在的問題，并探索中小學校如何將設計思維真正有效地運用于STEM課程，實現(xiàn)創(chuàng)新培養(yǎng)，需關注以下幾個方面：一是嚴格按照設計思維五個環(huán)節(jié)進行課程設計;二是要以真實情境問題為載體促進跨學科知識整合;三是要提供豐富的學習支架與工具促進有效學習發(fā)生，這也是文章將要面對的重要研究方向。

參考文獻：

[1] 陳鵬，田陽，黃榮懷.基于設計思維的STEM教育創(chuàng)新課程研究及啟示——以斯坦福大學d.loft STEM課程為例[J].中國電化教育，2019（8）：82-90.

[2] 陳鵬，田陽，等. 北極星計劃：以 STEM 教育為核心的全球創(chuàng)新人才培養(yǎng)——《制定成功路線：美國 STEM 教育戰(zhàn)略》（2019-2023）解析[J]遠程教育雜志，2019（2）：3-14.

[3] Design Council UK. Design methods for developing services [EB/OL]. [2018-10-02].https// connect.innovateuk.org.

[4] 王素，李正福.STEM教育這樣做[M].北京：教育科學出版社，2019.124-135

[5] 約翰·杜威.民主主義與教育[M].北京：人民教育出版社，2001.

【通聯(lián)編輯：王力】