基于CDIO模式的STEM活動(dòng)

駱紫琪 楊翠云

【摘 要】本文論述將工程教育改革的CDIO模式應(yīng)用到培養(yǎng)具有STEM教育理念的小學(xué)科學(xué)教師的教師教育課程改革中，以開展制作創(chuàng)意電子樂(lè)器的STEM活動(dòng)為例，從“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行”四個(gè)環(huán)節(jié)分析基于CDIO模式的STEM活動(dòng)實(shí)施，提出STEM活動(dòng)的主題內(nèi)容應(yīng)該選擇工程設(shè)計(jì)開放性大的工程實(shí)踐活動(dòng)、組織STEM活動(dòng)的過(guò)程中應(yīng)該圍繞工程教育的核心概念來(lái)展開、要運(yùn)用注重評(píng)價(jià)過(guò)程的形成性評(píng)價(jià)等教學(xué)建議。

【關(guān)鍵詞】CDIO模式 STEM活動(dòng) 創(chuàng)意電子樂(lè)器 工程教育 形成性評(píng)價(jià)

STEM教育是一種融科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科于一體的綜合教育。它旨在打破科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域邊界，培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)復(fù)雜情境下的問(wèn)題解決能力。作為國(guó)際工程教育改革的CDIO模式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高職院校各類專業(yè)教學(xué)及課程改革。筆者試將工程教育改革的CDIO模式應(yīng)用于培養(yǎng)具有STEM教育理念的小學(xué)科學(xué)教師的教師教育課程改革中，以制作創(chuàng)意電子樂(lè)器為例進(jìn)行探索，為采用CDIO模式組織STEM活動(dòng)的教育模式提供參考。

一、STEM教育與CDIO模式

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)勞動(dòng)力的需求中有超過(guò)75%的職業(yè)崗位與STEM素養(yǎng)相關(guān)，因此，《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)法》把具有STEM素養(yǎng)的跨學(xué)科人才作為美國(guó)全球競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵指標(biāo)。2013年，美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standard，NGSS）正式頒布，其中科學(xué)與工程實(shí)踐的提出是美國(guó)此次基礎(chǔ)教育科學(xué)課程改革的新舉措?？紤]到凸顯工程實(shí)踐的STEM教育已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際科學(xué)教育主流思想，除美國(guó)外，德國(guó)、英國(guó)、芬蘭、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家在新修訂的科學(xué)教育文件中紛紛增加和凸顯此類內(nèi)容。我國(guó)在國(guó)策層面也有所行動(dòng)，頒布了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》《中國(guó)STEM教育白皮書》《中國(guó)STEM教育2029創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》等，為我國(guó)STEM教育發(fā)展進(jìn)行了總體部署。在我國(guó)，中小學(xué)各學(xué)段都開設(shè)了數(shù)學(xué)學(xué)科。在小學(xué)階段開設(shè)了“小學(xué)科學(xué)”的綜合學(xué)科，而在初中、高中，科學(xué)是以物理、化學(xué)、生物、地理等具體學(xué)科來(lái)獨(dú)立教學(xué)。而“T”表示滿足人類需要的技術(shù)和“E”代表生產(chǎn)活動(dòng)創(chuàng)新過(guò)程的工程，則只有在小學(xué)和初中的“綜合實(shí)踐”課程和高中的“通用技術(shù)”課程中會(huì)有所涉及，但是這些課程在部分學(xué)校形同虛設(shè)。整體而言，我國(guó)中小學(xué)長(zhǎng)期缺乏對(duì)工程教育、技術(shù)教育的重視，而科學(xué)與數(shù)學(xué)又都是獨(dú)立教學(xué)，所以我國(guó)的STEM教育還處于起步階段。

為更好地理解STEM教育變革趨勢(shì)對(duì)未來(lái)教學(xué)的影響，需要更多關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)這四門學(xué)科的融合教育。事實(shí)上，在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)之間存在著相輔相成的關(guān)系。科學(xué)探究依賴于工程的產(chǎn)物，而工程又要依靠科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，用數(shù)學(xué)來(lái)描述數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、建構(gòu)模型和使用技術(shù)工具。因此，為了讓學(xué)生獲得更綜合的知識(shí)、創(chuàng)新的思維和在復(fù)雜情境中發(fā)展解決問(wèn)題的能力，STEM教育應(yīng)該以基于真實(shí)情境的問(wèn)題導(dǎo)向型學(xué)習(xí)或工程設(shè)計(jì)的STEM活動(dòng)引出綜合教學(xué)模式。

CDIO是一個(gè)國(guó)際性、廣泛、較全面和系統(tǒng)的工程教育改革模式。與其他工程教育改革模式不同，CDIO工程教育模式是以《CDIO能力大綱》《CDIO標(biāo)準(zhǔn)》這兩個(gè)重要的指導(dǎo)性文件作為實(shí)施與推廣保證的。2005年開始，汕頭大學(xué)引入CDIO理論國(guó)內(nèi)工程教育改革后，國(guó)內(nèi)多所高校結(jié)合國(guó)內(nèi)教育實(shí)際，以CDIO模式指導(dǎo)工程教育領(lǐng)域的教育改革。由于CDIO模式工程教育改革經(jīng)過(guò)富有成效的探討和實(shí)踐，取得了突出的成果，也逐漸被應(yīng)用到強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)的STEM教學(xué)活動(dòng)中。

筆者把工程教育改革的CDIO模式應(yīng)用于培養(yǎng)具有STEM教育理念尤其是具有工程教育能力的小學(xué)科學(xué)教師的教師教育課程改革中，以項(xiàng)目式的STEM活動(dòng)為載體，按照構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和操作（Operate）四步驟的CDIO的教學(xué)模式設(shè)計(jì)、組織STEM活動(dòng)，教學(xué)效果得到學(xué)生與用人單位的肯定。本文以制作創(chuàng)意電子樂(lè)器的STEM活動(dòng)為例，為采用CDIO模式組織STEM活動(dòng)的教育模式提供一種參考。

二、基于CDIO模式的制作創(chuàng)意電子樂(lè)器STEM活動(dòng)

基于CDIO教學(xué)模式的真實(shí)情境下強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)的STEM活動(dòng)主要有以下四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，本文以制作創(chuàng)意電子樂(lè)器為例進(jìn)行說(shuō)明。

（一）構(gòu)思

在構(gòu)思的環(huán)節(jié)，應(yīng)該側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。教師創(chuàng)設(shè)情境，下達(dá)任務(wù)—— 用所學(xué)的Arduino技術(shù)制作一個(gè)電子樂(lè)器。同時(shí)，教師明確活動(dòng)的評(píng)價(jià)方式是舉辦一場(chǎng)基于Arduino的自制創(chuàng)意電子樂(lè)器音樂(lè)會(huì)。每個(gè)小組上臺(tái)演奏時(shí)間控制在2分鐘以內(nèi)，表演人數(shù)、形式不限。演奏前要介紹作品的制作（作品特點(diǎn)、制作過(guò)程、解決的問(wèn)題、小組分工等），時(shí)間3分鐘。在下達(dá)任務(wù)的同時(shí)明確評(píng)價(jià)方式的好處是可以促進(jìn)學(xué)生去構(gòu)思如何有效完成項(xiàng)目。

在構(gòu)思階段，首先學(xué)生需要設(shè)立系統(tǒng)目標(biāo)和要求，即明確問(wèn)題：“我想創(chuàng)造一個(gè)什么樣的電子樂(lè)器？新的電子樂(lè)器可以解決現(xiàn)有的電子樂(lè)器存在的什么問(wèn)題？”讓學(xué)生發(fā)散思維，選擇自己喜歡的觸發(fā)方式感知環(huán)境，如觸摸、按鍵，還是光感或者聲感，根據(jù)不同的觸發(fā)方式選擇相應(yīng)的傳感器。經(jīng)過(guò)小組集體討論決定制作鋼琴、吉他、鼓等任意形式的電子樂(lè)器。其次學(xué)生需要定義產(chǎn)品的概念、功能，如我們創(chuàng)造的電子鋼琴是三角鋼琴還是立式鋼琴？電子鋼琴的音域是多少（音域?qū)挾戎苯記Q定鍵盤系統(tǒng)中琴鍵的個(gè)數(shù)及其音調(diào)）？

在學(xué)生經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的建模后，教師還需要引導(dǎo)學(xué)生分析完成任務(wù)所需要的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，尤其是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)的分析，確保目標(biāo)可能達(dá)成。

（二）設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段，約束條件是創(chuàng)建設(shè)計(jì)解決方案時(shí)必須考慮的限制，而可獲得的材料和學(xué)生可用于工作的時(shí)間是STEM活動(dòng)中最需要考慮的限制條件。在制作創(chuàng)意電子樂(lè)器中，學(xué)生需要考慮Arduino硬件是選擇Arduino Uno主板還是Arduino Nano主板或者其他型號(hào)的主板。除此之外，學(xué)生還要確定使用相應(yīng)的編程軟件，如簡(jiǎn)單易懂的圖形化編程軟件Mixly還是ArduBlock。通過(guò)分析金錢成本與時(shí)間成本決定搭建外觀形狀選擇的材料和工具。教師經(jīng)常使用權(quán)衡矩陣等系統(tǒng)方法確定哪些方案最有前景。學(xué)生不僅需要思考選擇材料的粘接、裁剪、價(jià)格、耐久性等廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，而且能根據(jù)自己的權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料排出優(yōu)先順序。例如，根據(jù)表2中的創(chuàng)意電子樂(lè)器外觀材料分析表，如果開展STEM活動(dòng)的對(duì)象是1～2年級(jí)的學(xué)生，教師優(yōu)先選擇卡紙，而如果參與STEM活動(dòng)的主體換成高職高專的師范生，教師則優(yōu)先選擇雪弗板。

另外，在設(shè)計(jì)階段最具挑戰(zhàn)性的是阻止學(xué)生立即實(shí)施第一方案以及讓他們?cè)谛袆?dòng)前進(jìn)行全面的思考。為了讓設(shè)計(jì)的可能方案更加科學(xué)，可以讓學(xué)生通過(guò)草圖、圖紙或模型來(lái)描述設(shè)計(jì)思路，因?yàn)榕c同伴交流關(guān)于方案的想法是設(shè)計(jì)過(guò)程的重要組成部分，并且分享想法有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

（三）實(shí)施

實(shí)施過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境下解決問(wèn)題能力的關(guān)鍵，也是體現(xiàn)STEM學(xué)科之間綜合、聯(lián)結(jié)應(yīng)用的重點(diǎn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室或教室進(jìn)行工程實(shí)踐的主要內(nèi)容包括硬件設(shè)備搭建、軟件系統(tǒng)調(diào)試、程序優(yōu)化、外觀美化等。在制作創(chuàng)意電子樂(lè)器的STEM活動(dòng)中，首先，學(xué)生利用所學(xué)的Arduino技術(shù)，按照設(shè)計(jì)好的電路選擇UNO板、數(shù)據(jù)線、面包板、電阻、LED、按鍵、各種傳感器等元器件，完成硬件設(shè)備搭建。其次，學(xué)生利用Mixly編程軟件編輯出“依序按下不同的琴鍵能夠發(fā)出不同的音階”的程序。為了讓電子樂(lè)器的舞臺(tái)演奏效果更佳，學(xué)生不僅需要反復(fù)調(diào)試，修改程序，改變按下琴鍵發(fā)出音階的音調(diào)頻率（應(yīng)用技術(shù)、科學(xué)知識(shí)），而且需要多次測(cè)試不同型號(hào)蜂鳴器的發(fā)聲效果（應(yīng)用技術(shù)知識(shí)）。最后，為了使電子樂(lè)器便于移動(dòng)和攜帶，學(xué)生還需要解決外觀設(shè)計(jì)、材料粘接等工程問(wèn)題（應(yīng)用數(shù)學(xué)、工程知識(shí)）。

在實(shí)施環(huán)節(jié)，教師需要深入合作學(xué)習(xí)小組去了解活動(dòng)開展得是否順利，有沒有困難與問(wèn)題。對(duì)學(xué)生出現(xiàn)的共性問(wèn)題，教師應(yīng)該暫停全班同學(xué)的工程實(shí)踐活動(dòng)，及時(shí)介入點(diǎn)撥以保證有序高效地開展STEM活動(dòng)。而對(duì)個(gè)別小組出現(xiàn)的問(wèn)題，教師則在組內(nèi)進(jìn)行干預(yù)即可。另外，教師還需要關(guān)注工程實(shí)踐所需的材料、工具，小組分工，學(xué)生完成項(xiàng)目報(bào)告的督促等。

（四）運(yùn)行

運(yùn)行階段的目的是優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在這個(gè)階段通過(guò)反復(fù)檢驗(yàn)最佳可行方案以及基于檢驗(yàn)結(jié)果不斷修正的過(guò)程，能帶來(lái)更好的改進(jìn)，并最終生成最佳方案。為了促進(jìn)學(xué)生不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，一般的STEM活動(dòng)都會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)游戲競(jìng)技以測(cè)試作品。學(xué)生在優(yōu)勝劣汰的游戲中不僅能發(fā)現(xiàn)自己產(chǎn)品存在的問(wèn)題，而且通過(guò)學(xué)習(xí)優(yōu)秀作品可以改進(jìn)自己的作品。

在制作創(chuàng)意電子樂(lè)器的STEM活動(dòng)中，教師采用演奏會(huì)的方式測(cè)試各個(gè)小組制作的電子創(chuàng)意樂(lè)器性能的優(yōu)劣。在各小組用自己制作的電子樂(lè)器上臺(tái)演奏一首樂(lè)曲時(shí)，教師需要引導(dǎo)學(xué)生觀察、識(shí)別各個(gè)小組電子樂(lè)器作品在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能、樂(lè)曲與產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的音階的吻合度、作品外觀設(shè)計(jì)等方面的最佳表現(xiàn)特征。學(xué)生通過(guò)比較分析不同作品的最佳表現(xiàn)特征，可以為優(yōu)化自己的作品提供有用的信息，甚至可以借鑒其他小組的最佳特征，將其整合到自己的新設(shè)計(jì)中，最終生成最佳方案。教師還可以鼓勵(lì)學(xué)生分享在實(shí)施過(guò)程遇到的問(wèn)題及解決的方案、小組合作分工等信息，以通過(guò)小組交流討論提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

三、基于CDIO模式開展STEM活動(dòng)的教學(xué)建議

經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為把CDIO模式應(yīng)用于工程教育落后的小學(xué)STEM教師教育課程改革，開展STEM活動(dòng)，要注意以下三方面的問(wèn)題。

第一，STEM活動(dòng)的主題內(nèi)容應(yīng)該選擇工程設(shè)計(jì)開放性大的工程實(shí)踐活動(dòng)。STEM活動(dòng)的主題內(nèi)容直接影響學(xué)生的參與興趣和活動(dòng)效果。因此，教師不應(yīng)該把按照引導(dǎo)式工作單進(jìn)行的簡(jiǎn)單的“動(dòng)手做”的科學(xué)制作活動(dòng)作為STEM活動(dòng)，如資源、材料限定的機(jī)器人搭建、科學(xué)小制作等。在這些引導(dǎo)式活動(dòng)中，除了操作，學(xué)生沒有自主權(quán)，因?yàn)樗麄兌及醇榷ǖ牟襟E進(jìn)行，得到相同的作品。教師應(yīng)該選擇學(xué)生自主選擇性強(qiáng)、工程設(shè)計(jì)開放性大的側(cè)重工程實(shí)踐的STEM活動(dòng)，如拋石機(jī)比準(zhǔn)、風(fēng)動(dòng)力小車比快、水火箭比高等挑戰(zhàn)性強(qiáng)的趣味活動(dòng)。在這些活動(dòng)中，學(xué)生可以自行選擇材料，每一名學(xué)生都可以用自己的方式進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，最終活動(dòng)可以呈現(xiàn)出豐富多彩的作品。

第二，組織STEM活動(dòng)的過(guò)程中應(yīng)該圍繞工程教育的核心概念展開。國(guó)內(nèi)外的研究表明，幫助學(xué)生圍繞學(xué)科核心概念建構(gòu)和組織頭腦中的知識(shí)有助于學(xué)生深入理解知識(shí)、遷移應(yīng)用，并為未來(lái)學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。因此，教師利用CDIO模式開展STEM活動(dòng)時(shí)應(yīng)該把工程教育中的定義和界定工程問(wèn)題、形成可能的方案、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等核心概念作為STEM活動(dòng)設(shè)計(jì)和開展的焦點(diǎn)。

第三，要運(yùn)用注重評(píng)價(jià)過(guò)程的形成性評(píng)價(jià)。在STEM活動(dòng)中，教師應(yīng)該從學(xué)生學(xué)習(xí)興趣程度被激發(fā)的程度，投入工程實(shí)踐活動(dòng)的積極性表現(xiàn)，使用加工、制作工具的規(guī)范程度，以及項(xiàng)目活動(dòng)結(jié)果的表達(dá)和展示水平等方面評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)的質(zhì)量。教師需要根據(jù)這些判據(jù)，設(shè)計(jì)和確定相應(yīng)的觀察、記錄、分析的手段和工具，并且能夠準(zhǔn)確熟練地使用這些手段和工具，開展相應(yīng)的管理和評(píng)價(jià)。

綜上所述，采用CDIO 教育理念開展STEM活動(dòng)的方式改革小學(xué)科學(xué)教師的教師教育課程效果明顯。在CDIO的教育模式的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行四個(gè)環(huán)節(jié)中，圍繞工程教育的定義和界定工程問(wèn)題、形成可能的方案、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案這三個(gè)核心概念建構(gòu)工程學(xué)科知識(shí)框架，使學(xué)生更深刻地認(rèn)識(shí)到工程與數(shù)學(xué)、技術(shù)、科學(xué)學(xué)科知識(shí)的相互融合。因此，基于CDIO模式開展STEM活動(dòng)，有利于培養(yǎng)師范生的工程思維、創(chuàng)新能力，尤其是解決真實(shí)情境下綜合實(shí)際問(wèn)題的能力，發(fā)展學(xué)生STEM素養(yǎng)，符合我國(guó)當(dāng)前高等教師教育改革的目標(biāo)和對(duì)教師培養(yǎng)的新要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐娟玲.基于CDIO的國(guó)內(nèi)高職院校教學(xué)改革研究綜述[J].高等財(cái)經(jīng)教育研究，2019（3）.

[2]祝智庭，雷云鶴.STEM教育的國(guó)策分析與實(shí)踐模式[J].電化教育研究，2018（1）.

[3]周榕，李世瑾.循證實(shí)踐：STEM教育實(shí)踐形態(tài)的理性蛻變[J].電化教育研究，2019（7）.

[4]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì).義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)解讀[M].北京：高等教育出版社，2017.

[5]顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國(guó)（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）.

[6]曹海平，管圖華.基于CDIO 理念的電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（1）.

[7]美國(guó)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)制定委員會(huì).新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)[M].葉兆寧，楊云魁，周建中，譯.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2020.

注：廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目“基于CDIO模式的電子信息類專業(yè)電子技術(shù)課程改革研究與實(shí)踐”（2013JGB308）;桂林師范高等?？茖W(xué)校第一批“課程思政”教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JG201907）

【作者簡(jiǎn)介】駱紫琪（1988— ），女，廣西北流人，桂林師范高等?？茖W(xué)校講師，研究方向?yàn)樾W(xué)科學(xué)教育;楊翠云（1972— ），女，通訊作者，廣西桂林人，桂林師范高等專科學(xué)校物理與工程技術(shù)系副教授，研究生，研究方向?yàn)槲锢斫虒W(xué)和非線性物理。

（責(zé)編 黎 原）