STEM課程對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)

◇武 婷（吉林：長春東師中信實(shí)驗(yàn)學(xué)校）

一、STEM課程與小學(xué)科學(xué)課程

（一）國內(nèi)關(guān)于STEM 課程的研究

國內(nèi)關(guān)于STEM 課程的研究，最早可以追溯到2008年陳超發(fā)表在《中國高教研究》上的《美國的世界一流大學(xué)戰(zhàn)略與啟示》。雖然文章中沒有對STEM 教育進(jìn)行深入剖析，但開啟了我國對STEM 教育的理論研究。

近些年STEM 教育的快速發(fā)展，引起了全社會的廣泛關(guān)注。隨著對STEM 教育的不斷研究與實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，它并不是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡單相加，而是強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識和思維解決實(shí)際問題。

（二）我國的義務(wù)教育科學(xué)課程

2022 版的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：科學(xué)課程要培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)，主要指學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)課程的過程中，逐步形成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，是科學(xué)課程育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，主要包括科學(xué)概念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任等方面。

與舊版課標(biāo)相比，2022 版課標(biāo)最明顯的變化是，取消了生命科學(xué)、技術(shù)與工程、地球與宇宙、物質(zhì)科學(xué)四個(gè)知識領(lǐng)域的界限，更加強(qiáng)調(diào)多領(lǐng)域綜合能力的培養(yǎng)。原有的四個(gè)領(lǐng)域不再孤立存在，而是打通了它們之間的界限并各有側(cè)重。

關(guān)于核心概念也有了相應(yīng)的變化，跨學(xué)科概念的理解成為本次課程改革的難點(diǎn)，但也給了一線教師對原有課程進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)會，我們可以將已有的STEM 教育的很多理念和做法與之結(jié)合。

（三）小學(xué)科學(xué)課程與STEM 課程

新版課標(biāo)不但給教師課程設(shè)計(jì)指出了新的方向，也給出了很多具有實(shí)操性的建議和指導(dǎo)。

我國對于STEM 課程的校本化研究已經(jīng)起步，但主要研究集中在高校，基礎(chǔ)教育階段的研究和實(shí)施還不夠成熟，相關(guān)研究大多是立足于國外研究成果的理論研究，基于STEM 教育理念的能力培養(yǎng)、課程活動模式設(shè)計(jì)的研究并不充分。

目前與新課標(biāo)配套的教科版小學(xué)科學(xué)教材，幾乎每個(gè)年級都會出現(xiàn)至少一個(gè)項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)任務(wù)。如下表：

一年級二年級三年級四年級上冊做一個(gè)測量紙帶做一頂帽子我們來做“熱氣球”制作我的小樂器設(shè)計(jì)制作小車五年級制作一個(gè)潛望鏡制作鐘擺制訂健康生活計(jì)劃六年級我們的地球模型調(diào)查家中使用的能量下冊給動物建個(gè)“家”做一個(gè)指南針我們的“過山車”模擬安裝照明電器制作巖石和礦物標(biāo)本設(shè)計(jì)和制作生態(tài)瓶制作與測試我們的小船分析一個(gè)實(shí)際的環(huán)境問題做一個(gè)保溫杯建造塔臺制作校園生物分布圖

在以往的STEM 課程中，我們往往是對國外已有的成功課例進(jìn)行復(fù)刻，或進(jìn)行加工完善，授課群體主要是社團(tuán)或校外機(jī)構(gòu)，而在學(xué)校內(nèi)常規(guī)課堂教學(xué)的實(shí)踐少之又少?，F(xiàn)在我們可以以這樣的課程（表1）為藍(lán)本，基于新課程標(biāo)準(zhǔn)和STEM 教育的理論指導(dǎo)，更好地進(jìn)行STEM 課程校本化研究和實(shí)施，立足學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

二、STEM課程與工程思維

（一）知識與思維

在以往的課程設(shè)計(jì)過程中，我們會對學(xué)生知識、能力或思維的某一方面著重培養(yǎng)。經(jīng)過多年的實(shí)踐教學(xué)和理論研究，我發(fā)現(xiàn)，知識、能力和思維三者之間是緊密連接、相互促進(jìn)的。不斷積累知識和不斷經(jīng)歷獲得知識的過程都能夠幫助學(xué)生形成相應(yīng)的思維方式，而一定的思維方式又能夠幫助學(xué)生在之后類似的學(xué)習(xí)中更好地獲得新的知識，讓學(xué)生獲得知識的過程更加有序、有效。在這樣反復(fù)的過程中，學(xué)生獲得新知和探索世界的能力會不斷增強(qiáng)，主動性和自信心也會不斷建立。在三者之中，思維方式的形成是至關(guān)重要的，也是由具象到抽象的過程，雖然看起來不容易把控，但思維卻是可以通過訓(xùn)練培養(yǎng)的。

借助STEM 課程的開展，我們可以對學(xué)生的思維進(jìn)行訓(xùn)練，從思維層面上幫助學(xué)生構(gòu)建在未來學(xué)習(xí)生活中解決實(shí)際問題的思維方式，并在不斷地應(yīng)用過程中，將其內(nèi)化。那么我們要培養(yǎng)學(xué)生怎樣的思維方式呢？

（二）工程思維

思維的方式有很多，通過上表我們可以看出，在小學(xué)階段的學(xué)習(xí)中，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)容以工程技術(shù)為主，那么工程思維的培養(yǎng)就顯得尤為重要且實(shí)用。

思維是主體在進(jìn)行思維活動時(shí)所采取的模式或樣式。工程思維就是工程從業(yè)者進(jìn)行工程實(shí)踐時(shí)的主導(dǎo)性思維方式。工程是將一個(gè)原本不存在的事物從零開始，逐步構(gòu)建，是一項(xiàng)具有主動性和創(chuàng)造性的活動。

著名的工程科學(xué)家、教育家西奧多·馮·卡門說：“科學(xué)家發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在的世界；工程師創(chuàng)造一個(gè)過去從來沒有存在過的世界?！?/p>

但在現(xiàn)實(shí)活動中，我們在完成工程類項(xiàng)目時(shí)，往往處于“日用而不知”的“不自覺”狀態(tài)。

最原始的工程思維其實(shí)就是在一次次實(shí)踐中試錯，對以往的錯誤不斷改進(jìn)，直至工程實(shí)踐得到完成。這一行為可能出現(xiàn)在每一個(gè)人的身上，而且工程實(shí)施者的年齡越小可能出現(xiàn)的概率越大、次數(shù)越多。隨著年齡和經(jīng)驗(yàn)的增長，我們可能會從之前的試錯或成功案例中總結(jié)出有效的“實(shí)踐流程”，也就是工程思維的模式。同樣，學(xué)生在工程類的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程中，如果具備了一定的工程思維，會讓他們在學(xué)習(xí)的過程中更加得心應(yīng)手。

三、STEM課程對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)

基于對以往成功案例的學(xué)習(xí)與研究，我們將小學(xué)生工程思維培養(yǎng)活動劃分為工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、工程測試、工程成果展示和應(yīng)用四個(gè)階段，并在本校多個(gè)年級進(jìn)行了6 個(gè)內(nèi)容的課程開發(fā)，下面以三年級的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)《觀測風(fēng)》為例，該課程每輪為三課時(shí)。

（一）工程設(shè)計(jì)階段

本階段是整個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的第一課時(shí)。在該階段，我通過“5W”分析，幫助學(xué)生像工程師一樣思考問題。

研究的工程主題是什么（What）——制作一個(gè)能夠正確測量風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)。

思考為什么要研究這個(gè)問題（Why）——測量學(xué)校秋季風(fēng)向。

考慮實(shí)施工程的環(huán)境如何（How）——明確教師將要提供的基礎(chǔ)材料和工具，清楚工程實(shí)施的場地。

如何分配工程角色（Who）——整個(gè)工程的實(shí)施過程需要小組合作完成，每個(gè)人的分工對于工程完成的質(zhì)量有很大影響。在此環(huán)節(jié)中，如果學(xué)生年齡較小，教師可以進(jìn)行合理干預(yù)。

預(yù)想如何實(shí)現(xiàn)工程（How）——提前思考在工程活動中可能會遇見的問題與挑戰(zhàn)，以便在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)解決或者直接避免。

在《觀測風(fēng)》的工程設(shè)計(jì)階段，我們在完成“5W”的過程中，主要把注意力放在解決“分配工程角色”和“預(yù)想如何實(shí)現(xiàn)工程”上。

小組合作學(xué)習(xí)的培養(yǎng)是一個(gè)長期的過程。因?yàn)樵谝酝慕虒W(xué)中，我們一直采取小組合作學(xué)習(xí)的方式，所以在本次活動中，我大膽嘗試了自由分組。要求每組最多四人，學(xué)生自由、自愿組成工程合作小組。小組選定后，要為自己的小組取名，選出工程組長，根據(jù)自己的特長和意愿明確分工，最后每個(gè)組員要在教師發(fā)的工牌上寫明組名、工程角色、姓名等信息。

“預(yù)想如何實(shí)現(xiàn)工程”其實(shí)就是以往STEM課程中的“頭腦風(fēng)暴”，教師提出可能會遇到的問題或困難，學(xué)生通過討論或探究活動等進(jìn)行解決。在本次課程中，學(xué)生將要遇到的主要困難有以下幾個(gè)。

如何讓風(fēng)向標(biāo)自由轉(zhuǎn)動？（摩擦力的相關(guān)知識）

如何讓風(fēng)向標(biāo)指出正確的風(fēng)向？（風(fēng)向標(biāo)整體設(shè)計(jì)是否合理）

如何讓風(fēng)向標(biāo)更耐用？（選材問題）

在哪里安放風(fēng)向標(biāo)更合適？（工程環(huán)境的考慮、外界影響因素如何排除）

完成“5W”后，學(xué)生根據(jù)小組意見設(shè)計(jì)并繪制設(shè)計(jì)圖，并標(biāo)明各部分選用的材料名稱及尺寸。因?yàn)槿昙壍膶W(xué)生沒有學(xué)過比例尺這部分?jǐn)?shù)學(xué)知識，所以在設(shè)計(jì)圖上我們要求學(xué)生進(jìn)行1:1 繪圖，并在圖中標(biāo)明哪些屬于教師提供的基礎(chǔ)材料，哪些屬于自己要準(zhǔn)備的拓展材料。

（二）工程實(shí)施階段與工程測試階段

在第二課時(shí)，學(xué)生將連續(xù)完成工程實(shí)施和工程測試兩個(gè)階段。當(dāng)然，我們也會在不同的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，根據(jù)內(nèi)容的難易程度對這兩個(gè)階段的課時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

在工程的實(shí)施階段，學(xué)生需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖領(lǐng)取所需的基礎(chǔ)材料，并結(jié)合自己準(zhǔn)備的拓展材料，按照設(shè)計(jì)圖完成風(fēng)向標(biāo)的制作。因?yàn)樵诠こ淘O(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的設(shè)計(jì)圖是1:1 完成，所以在工程實(shí)施階段各個(gè)工程小組完成得較為順利。這樣的設(shè)計(jì)圖能夠有效幫助低學(xué)段的學(xué)生完成工程的實(shí)施。

完成工程實(shí)施的小組可以到測試區(qū)對風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行測試。測試區(qū)內(nèi)設(shè)有一臺電風(fēng)扇，受測者需要手持風(fēng)向標(biāo)站在距風(fēng)扇1 米處，測試人員將從風(fēng)向標(biāo)的轉(zhuǎn)動靈活度、指向是否正確等方面進(jìn)行測評。測試后的工程小組可以根據(jù)測試結(jié)果，對風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行合理優(yōu)化或做最后的美化等。

（三）工程成果展示和應(yīng)用階段

在第三課時(shí)中，學(xué)生將迎來最后的階段——工程成果展示與應(yīng)用。每個(gè)小組對最終的風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行展示，并利用自制風(fēng)向標(biāo)在選取的校園內(nèi)某一地點(diǎn)測量當(dāng)天風(fēng)向。

每個(gè)工程小組要設(shè)計(jì)并制作一塊簡單的工程展示海報(bào)，上面要附有工程設(shè)計(jì)圖、工程成員、工程亮點(diǎn)、風(fēng)向測量地點(diǎn)及結(jié)果。

最后在班級內(nèi)全員投票，進(jìn)入工程評選環(huán)節(jié)。設(shè)立相應(yīng)獎項(xiàng)，獎項(xiàng)的設(shè)立要與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容相關(guān)，能夠激勵學(xué)生的創(chuàng)造性，讓學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)充滿期待和向往。

工程思維的培養(yǎng)是一個(gè)漫長的過程。值得注意的是，我們要幫助學(xué)生培養(yǎng)的是良好的思維方式，絕不是呆板的思維定式。