基于設(shè)計思維的STEM課程案例分析

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(xué)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(xué)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(xué)設(shè)計思維模型，分析書中“運動場上的關(guān)懷”STEM課程實施流程，并總結(jié)出優(yōu)勢與不足，試圖為目前基于設(shè)計思維的STEM課程設(shè)計提出希冀。

關(guān)鍵詞：STEM;設(shè)計思維;課程;案例分析

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)科融合的教育，包括科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）數(shù)學(xué)（Mathematics）。主要培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)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(jì)技能[1]。當(dāng)前，STEM教育已成為世界各國推進(jìn)課程教學(xué)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(xué)校正大力推進(jìn)STEM教育，探索STEM教育模式，設(shè)計STEM創(chuàng)新課程等促進(jìn)學(xué)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(xiàn)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(xué)研究院STEM教育研究中心傾力打造、由教育科學(xué)出版社出版的首部STEM教育圖書，該書探索了18個STEM教育關(guān)鍵問題，精選了16個中小學(xué)STEM實踐案例，被譽為STEM課程的“中國表達(dá)”。說明可以透過該書的課程案例，了解我國的STEM教學(xué)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(biāo)很好的關(guān)聯(lián)。因此設(shè)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(xué)校開展的STEM課程也融合了設(shè)計思維的模式，文章結(jié)合該校的STEM課程案例進(jìn)行分析，致力探索出基于設(shè)計思維的STEM課程在設(shè)計到實施過程中的實際情況。

2 “運動場上的關(guān)懷”STEM課程介紹

文章研究分析的“運動場上的關(guān)懷”STEM案例來自杭州市保俶塔實驗學(xué)校開設(shè)的“關(guān)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(shè)計理念

設(shè)計思維是“運動場上的關(guān)懷”STEM課程的理念，它強調(diào)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(xué)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(xué)提出的EDIPT模型，包括同理心（Empathize）、定義（Define）、構(gòu)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(shè)計思維模型的整個設(shè)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(gòu)想創(chuàng)意點，即“設(shè)計創(chuàng)意方案”，并根據(jù)方案進(jìn)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(nèi)容修正完善，達(dá)到問題解決。

2.2 “運動場上的關(guān)懷”STEM課程介紹

“關(guān)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(guān)Micro：bit開源硬件、激光切割、三維設(shè)計等基礎(chǔ)知識，中長期項目旨在通過基于設(shè)計思維的動手實踐、互動式的學(xué)習(xí)活動，培養(yǎng)學(xué)生掌握STEM領(lǐng)域的深層知識，提高STEM職業(yè)的興趣和人文關(guān)懷。在長期項目“運動場上的關(guān)懷”課程主要授課年級：七年級;學(xué)習(xí)時長：10周，每周1個長課時，該課程實踐中，教師把設(shè)計思維融入課堂，學(xué)生將經(jīng)歷完整自主的項目，通過聚焦運動會場，其次從“關(guān)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(shè)計如表1[4]所示。

3 基于設(shè)計思維STEM課程分析

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

1）聚焦情境，角色體驗

本環(huán)節(jié)對應(yīng)設(shè)計思維中同理心需求階段，分析依據(jù)是學(xué)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(guān)懷”STEM課程第一環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生聚焦真實問題情境，并介紹任務(wù)：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(xué)生在觀看時要仔細(xì)觀察。播放結(jié)束后，學(xué)生需回答“你對運動場上各角色的了解？關(guān)于各角色處境，你會怎么解決？”等問題，小組內(nèi)部進(jìn)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(xué)生經(jīng)驗的情景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。其次，學(xué)生對設(shè)定的情境進(jìn)行“移情體驗，問題識別”，這符合設(shè)計思維中強調(diào)“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(yīng)借助創(chuàng)新工具進(jìn)行融合使用。

2）匯聚問題，梳理定義

該環(huán)節(jié)符合設(shè)計思維的定義問題環(huán)節(jié)，分析的依據(jù)是設(shè)計思維提倡的學(xué)生要從目標(biāo)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(guān)懷”STEM項目中，學(xué)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(rèn)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(xué)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(xué)生思考后分析了原因，最后討論得出裁判需要解決“準(zhǔn)確測量壘球的落地點”的問題，這個過程充分展現(xiàn)了設(shè)計思維強調(diào)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(gòu)思方案

在“運動場上的關(guān)懷”STEM課程中，教師在課前介紹頭腦風(fēng)暴的規(guī)則和技巧，并發(fā)放“解決方案”頭腦風(fēng)暴記錄單，激發(fā)了學(xué)生的發(fā)散思維，學(xué)生爆發(fā)出的構(gòu)思進(jìn)行詳細(xì)記錄。如模塊4中，針對如何讓實時觀看比賽狀況的問題，學(xué)生站在群眾角度提出各創(chuàng)新構(gòu)思，如組員A提出利用無人機(jī)拍攝，并將數(shù)據(jù)投放于操場大屏幕、組員B認(rèn)為可以突破傳統(tǒng)，制作實時app進(jìn)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(shè)計方案。

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

4）模型制作，不斷完善

模型制作環(huán)節(jié)，符合設(shè)計思維的第四步——原型化。教師提供制作材料后，學(xué)生將設(shè)計方案自主構(gòu)建成模型，如模塊1設(shè)計終點計時系統(tǒng)前，教師為學(xué)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(dǎo)者，引導(dǎo)學(xué)生順利完成制作，出現(xiàn)錯誤時，啟發(fā)學(xué)生如何改進(jìn)、貼近用戶需求，這是設(shè)計思維重視的不斷建模、調(diào)試和改進(jìn)過程，最后形成最佳原型。但由于“運動場上的關(guān)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(xué)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(xué)生，這也是STEM課程中的一大難題。該環(huán)節(jié)基本上達(dá)到設(shè)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(shè)計思維與STEM教育融合方面還有待加強，教師對設(shè)計思維工具的運用需更加深入。

5）展示評價，迭代改進(jìn)

該環(huán)節(jié)主要為學(xué)生提供基本的展示平臺，學(xué)生分小組展示“運動場上的關(guān)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(xué)生對模型進(jìn)行現(xiàn)實測試，如模塊1的計時系統(tǒng)是否成功達(dá)到預(yù)期的計時效果、實時App是否能夠?qū)崟r直播等，體現(xiàn)了設(shè)計思維最后環(huán)節(jié)——測試，它通過測試的結(jié)果不斷地改進(jìn)原型。另外小組代表要簡要展示運用的技術(shù)和原理等，然后通過CCTSS課程評價單得到反饋后，重新思考設(shè)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。“運動場上的關(guān)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(dāng)其他組學(xué)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(guān)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(guān)懷”STEM課程的分析，梳理總結(jié)出該課程在核心理念、課程內(nèi)容、活動設(shè)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(xué)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(fù)雜問題的動態(tài)過程，它可以在現(xiàn)實環(huán)境中完善STEM學(xué)習(xí)?！斑\動場上的關(guān)懷”STEM課程的每個環(huán)節(jié)都在培養(yǎng)學(xué)生相應(yīng)的思維及技能，如聚焦情境鍛煉共情能力;生成式的頭腦風(fēng)暴提高學(xué)生創(chuàng)新思維;協(xié)作互動性學(xué)習(xí)培養(yǎng)合作能力;制作原型增強動手實踐能力等。每個設(shè)計挑戰(zhàn)都要求學(xué)生嚴(yán)格按照設(shè)計思維的“同理心—定義—構(gòu)思—原型化—測試”五個環(huán)節(jié)來完成，培養(yǎng)了學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

2）以真實情境問題為載體實現(xiàn)跨學(xué)科知識整合

杜威認(rèn)為教育不能脫離現(xiàn)實環(huán)境，不能孤立地、抽象地訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的思維力[5]?！斑\動場上的關(guān)懷”STEM項目課程以現(xiàn)實世界的真實問題為載體，把學(xué)生置于復(fù)雜、有意義的問題情境中，將STEM學(xué)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(qū)動學(xué)生將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識和技能進(jìn)行整合應(yīng)用。如模塊7的“自動檢錄系統(tǒng)”，學(xué)生要掌握如何將 STEM概念和設(shè)計思維過程直接應(yīng)用到學(xué)校真實運動會當(dāng)中。

3）提供豐富的學(xué)習(xí)支架與工具促進(jìn)有效學(xué)習(xí)發(fā)生

“運動場上的關(guān)懷”STEM項目課程注重運用創(chuàng)新工具方法促進(jìn)復(fù)雜學(xué)習(xí)過程中有效學(xué)習(xí)的發(fā)生。每個內(nèi)容模塊中，教師結(jié)合課程需要提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)支持工具作為支架促進(jìn)學(xué)生完成設(shè)計挑戰(zhàn)如同理心地圖、項目記錄表、解決問題“頭腦風(fēng)暴”記錄單[4]，如圖2所示。

4.2 不足與建議

“運動場上的關(guān)懷”STEM項目課程總體結(jié)構(gòu)契合設(shè)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(wù)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(shè)計思維指導(dǎo)下實施。另外設(shè)計思維作為支持創(chuàng)新學(xué)習(xí)及問題解決的方法，提供了在設(shè)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(shè)計、制作、創(chuàng)新并沒有得到更突出的展現(xiàn)。因此可以適當(dāng)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(gòu)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(shè)計、測試階段主要是需要展示工具、學(xué)習(xí)評價工具。

5 總結(jié)

設(shè)計思維作為支持創(chuàng)新學(xué)習(xí)及問題解決的有效模式，與STEM課程強調(diào)創(chuàng)造性生成、跨學(xué)科融合的理念是非常契合的，借助設(shè)計思維框架進(jìn)行STEM課程設(shè)計，有助于推動STEM課程的研究，促進(jìn)有效地培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于21世紀(jì)的核心素養(yǎng)。文章通過“運動上的關(guān)懷”的STEM課程案例分析，了解到基于設(shè)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(xué)校如何將設(shè)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(guān)注以下幾個方面：一是嚴(yán)格按照設(shè)計思維五個環(huán)節(jié)進(jìn)行課程設(shè)計;二是要以真實情境問題為載體促進(jìn)跨學(xué)科知識整合;三是要提供豐富的學(xué)習(xí)支架與工具促進(jìn)有效學(xué)習(xí)發(fā)生，這也是文章將要面對的重要研究方向。

參考文獻(xiàn)：

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[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(yuǎn)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(xué)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】