在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融合STEM設(shè)計(jì)思維

吳逢高

科學(xué)課以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體，通過探究活動(dòng)的經(jīng)歷與體驗(yàn)，可以對(duì)學(xué)生思維上的分析維度和象征維度進(jìn)行有效培養(yǎng)，但這種培養(yǎng)不是對(duì)全腦思維的開發(fā)，具有一定的局限性。STEM教育中的工程設(shè)計(jì)過程正好能彌補(bǔ)科學(xué)探究活動(dòng)在思維訓(xùn)練上的維度缺失，將工程設(shè)計(jì)活動(dòng)中有關(guān)思維參與的部分進(jìn)行提煉，可以得到其核心內(nèi)容——設(shè)計(jì)思維。本文就實(shí)驗(yàn)教學(xué)與STEM教育理念中的設(shè)計(jì)思維融合創(chuàng)新展開研究與論述。

設(shè)計(jì)思維的內(nèi)涵與定義

設(shè)計(jì)思維，是思維方法體系的投射與應(yīng)用，它通過提供切實(shí)的思維支架及方法支持，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者從定義問題開始，充分發(fā)揮現(xiàn)有材料、科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，逐步掌握創(chuàng)意構(gòu)思、原型迭代、測(cè)試等一系列創(chuàng)新方法技能，最終實(shí)現(xiàn)問題的創(chuàng)新解決或產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.設(shè)計(jì)思維應(yīng)用在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的內(nèi)涵與定義

設(shè)計(jì)思維應(yīng)用在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可理解為：面對(duì)需要論證或探索的自然現(xiàn)象和科學(xué)規(guī)律，通過系統(tǒng)的觀察和分析，將已有的信息有效地聯(lián)系起來(lái)，并結(jié)合實(shí)際情況找出富有創(chuàng)意的有效實(shí)證手段或創(chuàng)造性的解決辦法。學(xué)生經(jīng)歷有效的設(shè)計(jì)過程，其設(shè)計(jì)思維能得到發(fā)展，能彌補(bǔ)單一的科學(xué)探究在思維培養(yǎng)上的盲點(diǎn)。設(shè)計(jì)的過程是對(duì)已存在的真實(shí)現(xiàn)象和自然規(guī)律加以綜合解決的過程，以“真實(shí)、綜合”為主要元素，正好彌補(bǔ)科學(xué)（以“分析、象征”為主要元素）的元素不足。

2.設(shè)計(jì)思維對(duì)小學(xué)生全腦思維發(fā)展的重要作用

科學(xué)倡導(dǎo)的是意義性的研究，其思維方式是從具體的自然現(xiàn)象中通過分析抽象出概念以及科學(xué)規(guī)律，屬傳統(tǒng)思維方式。而STEM教育中的設(shè)計(jì)思維則是實(shí)用性的研究，基于真實(shí)情境解決復(fù)雜問題。從右表中我們可以看出傳統(tǒng)思維與設(shè)計(jì)思維的不同。

基于設(shè)計(jì)思維確定實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

科學(xué)探究培養(yǎng)的是線型思維，項(xiàng)目設(shè)計(jì)訓(xùn)練的是發(fā)散思維。如果說科學(xué)探究是獲取知識(shí)的過程，那么設(shè)計(jì)思維就是知識(shí)應(yīng)用的基礎(chǔ)。結(jié)合《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）中的目標(biāo)設(shè)定的有關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)思維的目標(biāo)定位應(yīng)從以下四個(gè)維度進(jìn)行考量，即“科學(xué)知識(shí)目標(biāo)，科學(xué)探究目標(biāo)，科學(xué)態(tài)度目標(biāo)，科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)”，在目標(biāo)制訂中還需要參考優(yōu)秀設(shè)計(jì)者應(yīng)該具備的同理心、原型迭代、團(tuán)隊(duì)合作、可視化能力、系統(tǒng)觀、運(yùn)用語(yǔ)言工具、創(chuàng)造力自信、樂觀等品質(zhì)?；谠O(shè)計(jì)思維確定小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的定位框架如圖1所示。

1.通過基于STEM理念的設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生多元化的探究能力

美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中定義探究是多層面的活動(dòng)，包括：觀察;提出問題;通過瀏覽書籍和其他信息資源發(fā)現(xiàn)什么是已知的結(jié)論，制訂調(diào)查研究計(jì)劃;根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)對(duì)已有的結(jié)論做出評(píng)價(jià);用工具收集、分析、解釋數(shù)據(jù);提出解答，解釋和預(yù)測(cè);交流結(jié)果。探究要求確定假設(shè)，進(jìn)行批判的、邏輯的思考，并且考慮其他可以替代的解釋。從其探究一詞的用法可以看出，STEM教育也是探究式學(xué)習(xí)的一種策略，探究既是學(xué)習(xí)的過程又是學(xué)習(xí)的目的，它的指向就是通過探究活動(dòng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行多元化探究能力的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)思維作為STEM教育中重要的工程導(dǎo)向環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生探究多元化的發(fā)展有著極其重要的作用。

2.通過基于STEM理念的設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)，豐富科學(xué)態(tài)度標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)科學(xué)態(tài)度的目標(biāo)從四個(gè)維度進(jìn)行了描述：探究興趣、實(shí)事求是、追求創(chuàng)新、合作分享。以設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)為載體，在對(duì)科學(xué)態(tài)度的描述中可以引入STEM教育與設(shè)計(jì)思維的理念，增加“遵循法律與道德規(guī)范”“系統(tǒng)觀”“創(chuàng)造力自信”和“樂觀”等維度。

3.通過基于STEM理念設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)，使“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境”目標(biāo)的設(shè)定更顯“人文”

STEM教育理念與設(shè)計(jì)思維中“同理心”的引入，更加凸顯“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境”目標(biāo)中的“以人為本”。除了讓學(xué)生了解、認(rèn)識(shí)科學(xué)技術(shù)與日常生活的聯(lián)系，與社會(huì)發(fā)展的聯(lián)系以及人類與自然和諧相處的關(guān)系外，新增了要求學(xué)生多角度、詳細(xì)地觀察世界，了解社會(huì)發(fā)展過程中遇到的難題，理解人類對(duì)科學(xué)與新技術(shù)的不斷需求等。

4.通過基于STEM理念設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生新知識(shí)的生成和創(chuàng)新

科學(xué)是認(rèn)識(shí)世界、解釋自然界的客觀規(guī)律，主要解決自然現(xiàn)象“是什么”“為什么”的問題;STEM教育中的工程與技術(shù)是被人們用來(lái)改造世界，滿足社會(huì)需求，回答在社會(huì)實(shí)踐中“做什么”“怎么做”的問題。設(shè)計(jì)思維則是為“怎么做”提前做好方案規(guī)劃與重要論證的過程。STEM教育理念與小學(xué)科學(xué)學(xué)科的有機(jī)融合，促使設(shè)計(jì)思維植入小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這種多元智能培養(yǎng)的融合創(chuàng)新，極大地豐富了小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵，在促進(jìn)他們的設(shè)計(jì)思維發(fā)展的同時(shí)，對(duì)促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展也有著非常重要的意義。

基于設(shè)計(jì)思維的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇與實(shí)施策略

1.基于設(shè)計(jì)思維的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維的實(shí)驗(yàn)，要以現(xiàn)有的科學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為基礎(chǔ)，并在實(shí)施中融入基于STEM教育理念的設(shè)計(jì)思維元素。通過更加“人文”的設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)過程，發(fā)展學(xué)生多元化的探究能力、豐富學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新、創(chuàng)造能力的發(fā)展。

基于設(shè)計(jì)思維的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)框架如圖2所示，具體闡述如下：

（1）教學(xué)設(shè)計(jì)必須遵循一定的原則——以課程標(biāo)準(zhǔn)為指南，對(duì)接核心素養(yǎng)，突出“學(xué)科育人”的重要性，在遵循設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上引入“思想實(shí)驗(yàn)”概念，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維進(jìn)行培養(yǎng)。

（2）以教材現(xiàn)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容，構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，注重設(shè)計(jì)思維的發(fā)展。培養(yǎng)小學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，要本著“以教材為本”的思想，在不加重學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)的前提下，對(duì)教材現(xiàn)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)施方案的重構(gòu)，達(dá)到多維產(chǎn)出的目標(biāo)。

（3）在對(duì)現(xiàn)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案重構(gòu)前，教師要對(duì)取得的效益進(jìn)行有預(yù)期的研判，不能只是實(shí)驗(yàn)操作形式的改變而思維發(fā)展收益不足。

2.基于設(shè)計(jì)思維的探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容選擇

小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)從操作方法上可分為兩種：一種是實(shí)驗(yàn)操作技能訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)，以規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作為主，其探究?jī)r(jià)值與思維訓(xùn)練價(jià)值不是太大，可以不列入需要融合STEM理念與設(shè)計(jì)思維的序列，如用顯微鏡觀察細(xì)胞、托盤天平的使用、酒精燈的使用等。另一種是科學(xué)探索實(shí)驗(yàn)，它是訓(xùn)練設(shè)計(jì)思維的重點(diǎn)，如杠桿、浮力、日食與月食等內(nèi)容。

3.基于設(shè)計(jì)思維的探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)重構(gòu)策略

（1）把按圖索驥的簡(jiǎn)單驗(yàn)證，重構(gòu)為自主設(shè)計(jì)。通過“思想實(shí)驗(yàn)”培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新構(gòu)思，促進(jìn)他們?cè)O(shè)計(jì)思維的發(fā)展。

自主設(shè)計(jì)是學(xué)生在自主實(shí)驗(yàn)過程中提出問題到實(shí)驗(yàn)之間最為關(guān)鍵的一步。實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)直接影響到整個(gè)探究活動(dòng)的成功與否。在自主設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生通過“思想實(shí)驗(yàn)”能夠體驗(yàn)探索科學(xué)的方法，構(gòu)建科學(xué)的思維。學(xué)生對(duì)所要研究的問題做出猜測(cè)，然后根據(jù)自己的猜測(cè)結(jié)合現(xiàn)有材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并實(shí)施，以證明自己猜測(cè)的正確與否。如五年級(jí)上冊(cè)《土壤里面有什么》一課中，學(xué)生先對(duì)自己熟悉的土壤里的組成成分進(jìn)行猜測(cè)，有空氣、水、小石頭、砂、灰（學(xué)生此時(shí)還無(wú)黏土概念）、營(yíng)養(yǎng)（學(xué)生此時(shí)還沒有腐殖質(zhì)概念）等。猜測(cè)完畢后，教師指出設(shè)計(jì)要求，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明自己猜測(cè)的正確性?！坝檬置菨竦目勺C明有水”“把土壤扔進(jìn)水里有氣泡冒出證明有空氣”，這些設(shè)計(jì)很快就出來(lái)了。但證明是否有營(yíng)養(yǎng)時(shí)遇到了短暫的冷場(chǎng)，教師適時(shí)安排分組討論，指導(dǎo)學(xué)生把問題與已有知識(shí)聯(lián)系起來(lái)。討論中，學(xué)生迅速完成了分析與推理，他們認(rèn)為：可以用火燒的辦法來(lái)證明土壤中有營(yíng)養(yǎng)，理由是四年級(jí)學(xué)過檢驗(yàn)蛋白質(zhì)就是用火燒，含有蛋白質(zhì)的食物被灼燒后會(huì)有刺鼻的臭味，土壤里的營(yíng)養(yǎng)是動(dòng)植物腐爛后變成的;植物我們不知道，但動(dòng)物的肌肉、內(nèi)臟的主要成分就是蛋白質(zhì)，雖然腐爛了，但我們猜測(cè)蛋白質(zhì)以另一種方式存在而已，用火燒可以檢測(cè)土壤中的營(yíng)養(yǎng)?！八枷雽?shí)驗(yàn)”完成后，學(xué)生用準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在STEM理念與設(shè)計(jì)思維的建構(gòu)過程中，學(xué)生這些富有邏輯的聯(lián)系、分析與推論，真正做到了核心概念的活學(xué)活用。

（2）根據(jù)學(xué)生的具體學(xué)情與年齡特點(diǎn)，對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)次序進(jìn)行重構(gòu)，搭建好設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)平臺(tái)。

教材具有普適性，而各地各校有各自的具體情況，這要求教師根據(jù)實(shí)際學(xué)情與學(xué)生年齡特點(diǎn)對(duì)教學(xué)次序進(jìn)行重構(gòu)。如《空氣占據(jù)空間嗎》一課中，教材設(shè)計(jì)由《烏鴉喝水》的故事引入，再讓學(xué)生自主探究：在瓶子里裝一些水，用幾根吸管和一塊橡皮泥，在不傾斜瓶子的情況下，能不能利用空氣把水從瓶子中擠出來(lái)？探究得出結(jié)果后再做一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：把一團(tuán)紙巾放在一個(gè)杯子的底部，然后把杯子豎直倒扣入水中，紙巾會(huì)被水浸濕嗎？為什么？整個(gè)流程的設(shè)計(jì)為“引入—探究—驗(yàn)證”。

在STEM教育理念下這里增加了實(shí)踐環(huán)節(jié)，教學(xué)策略做如下調(diào)整：由《烏鴉喝水》引入，在故事中強(qiáng)化學(xué)生對(duì)三個(gè)關(guān)鍵詞“空間”“有限”和“占據(jù)”的理解。概念確立后，學(xué)生在教師引導(dǎo)下把原來(lái)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)改為探究實(shí)驗(yàn)，并完成紙巾不濕實(shí)驗(yàn)的探究。探究流程為“猜測(cè)—尋找證據(jù)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—用繪本的方式完成思維外顯”。然后再對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行延伸——如果杯子底有個(gè)孔又會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？最后讓學(xué)生再經(jīng)歷一次猜測(cè)、找證據(jù)支持自己的猜測(cè)、驗(yàn)證、用繪本的方式完成思維外顯，從而內(nèi)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。這樣的過程為學(xué)生積累了更多的知識(shí)與成功經(jīng)驗(yàn)，為解決后面的實(shí)踐問題打下了基礎(chǔ)。通過探究獲取知識(shí)，知識(shí)內(nèi)化完成后再提出用空氣擠水實(shí)驗(yàn)的設(shè)想，進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)。教師要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作方式，通過討論與設(shè)計(jì)，在最短的時(shí)間內(nèi)完成用空氣把水?dāng)D出來(lái)這一任務(wù)。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生對(duì)這個(gè)具有一定難度的實(shí)踐活動(dòng)的完成率在85%以上。

（3）針對(duì)教材中實(shí)驗(yàn)的漏洞或問題進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，通過原型迭代與不斷測(cè)試為學(xué)生提供經(jīng)歷“設(shè)計(jì)思維”的迭代過程的機(jī)會(huì)。

二次設(shè)計(jì)可視為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中的工程迭代過程。通過教材提供的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了知識(shí)的正確性后，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下對(duì)教材上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)疑，如實(shí)驗(yàn)操作過于煩瑣、實(shí)驗(yàn)效果不太明顯、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過于抽象等。針對(duì)這些問題對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)重構(gòu)后達(dá)到最優(yōu)。如證明“光沿直線傳播”時(shí)，教材上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：電筒光只能穿過在同一條直線上的三個(gè)小孔，并將光投影到小孔后的屏上;當(dāng)三個(gè)小孔不在一條直線上時(shí)，光則不能投影到屏上。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生不能真實(shí)地看到電筒光在空氣中呈直線傳播，只能通過三個(gè)小孔是否在一條直線進(jìn)行推測(cè)，不易理解。

在教師引導(dǎo)下，學(xué)生結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：將一把粉筆灰撒向電筒光，光穿過粉塵時(shí)，直線傳播的路線就直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。創(chuàng)新思維被激發(fā)后，常會(huì)有更精彩的生成：當(dāng)看到粉筆灰下的光柱后，有學(xué)生進(jìn)行了更深入的思考——粉筆灰是小顆粒，當(dāng)光穿過時(shí)還能看到這些粉塵。如果讓光穿過微粒，會(huì)不會(huì)只看到光而看不到微粒。很快學(xué)生把自己的想法付諸實(shí)踐，當(dāng)看到電筒光直直地穿過被稀釋過的墨水后，教室里響起一片掌聲。很快又有同學(xué)提出“那煙霧是不是由更細(xì)小的微粒組成的”。

（4）獨(dú)立思考與小組合作，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

大多數(shù)學(xué)生在遇到困難時(shí)都愿意與同伴一起合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)，這是合作能力培養(yǎng)的過程，也是他們?cè)谟龅綄W(xué)習(xí)障礙時(shí)喜歡的一個(gè)解決問題的方法。教師在教學(xué)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況將學(xué)生獨(dú)立思考與合作學(xué)習(xí)結(jié)合起來(lái)，并在此過程中兼顧到學(xué)習(xí)共同體的建設(shè)。

（5）多元化的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指向多維度的效益產(chǎn)出。

評(píng)價(jià)應(yīng)采取多元化的評(píng)價(jià)體系，在評(píng)價(jià)內(nèi)容上不僅要關(guān)注學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用，更要關(guān)注學(xué)生設(shè)計(jì)思維與創(chuàng)新能力的提升;在評(píng)價(jià)方式上，采用學(xué)生自評(píng)、學(xué)生互評(píng)、教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式進(jìn)行;在評(píng)價(jià)目標(biāo)的確定上，與小學(xué)科學(xué)課程四維目標(biāo)對(duì)接指向多維度的效益。

（本文系“中國(guó)STEM教育2029創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”立項(xiàng)課題“STEM理念與小學(xué)科學(xué)教材<教科版>深度融合實(shí)踐研究”的研究成果之一，項(xiàng)目編號(hào)：2018STEM139）

四川省威州民族師范學(xué)校附屬小學(xué)

（623000）

東華大學(xué)（201620）

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