STEM課程中的工程設(shè)計

李駿揚 姜玲 趙筠

摘要：目前，“工程任務(wù)”仍是目前STEM課程的主要表現(xiàn)形式，而“設(shè)計”是工程任務(wù)中不可缺失的環(huán)節(jié)。從分析實際的工程設(shè)計出發(fā)，發(fā)掘工程設(shè)計“有效”的具體表現(xiàn)：以需求為目標(biāo)，以科學(xué)為核心，以創(chuàng)新為突破，以穩(wěn)定為基石，以規(guī)范為準(zhǔn)繩。提出提升STEM課程中工程設(shè)計有效性的方法：積累經(jīng)驗，從無設(shè)計到有設(shè)計;科學(xué)探究，從自由設(shè)計到科學(xué)設(shè)計;難點突破：從小設(shè)計到大設(shè)計;構(gòu)思全局：從大設(shè)計到小設(shè)計;尊重數(shù)據(jù)：從粗糙設(shè)計到精確設(shè)計;迭代反思：從無視設(shè)計到敬畏設(shè)計。

關(guān)鍵詞：STEM;工程設(shè)計;有效工程

由于學(xué)科融合的需要、教學(xué)實施的便捷以及學(xué)習(xí)成效的可展示性等原因，“工程任務(wù)”仍是目前STEM課程的主要表現(xiàn)形式，而“設(shè)計”是工程任務(wù)中不可缺失的環(huán)節(jié)。很多研究者關(guān)注STEM課程中的工程設(shè)計，但工程設(shè)計如何更有效，鮮有文獻著重研究。對此，本文從分析實際的工程設(shè)計出發(fā)，發(fā)掘其有效的具體表現(xiàn)，提出提升STEM課程中工程設(shè)計有效性的方法，并通過一個案例說明具體的實施路徑。

一、實際的工程設(shè)計是什么

（一）工程師交流的語言

一個真實的工程項目，無論其物化的外表是多么具有藝術(shù)性，其制造的過程一定是精確且邏輯縝密的。隨著現(xiàn)代化科學(xué)與工程的快速發(fā)展，人類的語言在描述復(fù)雜且嚴(yán)密的工程設(shè)計時已經(jīng)越來越捉襟見肘。圖樣表達已逐步成為工程界通用的語言。不同學(xué)科也發(fā)展出了其特有的圖樣表達形式，如機械設(shè)計圖、建筑設(shè)計圖、電路設(shè)計圖、算法流程圖、軟件架構(gòu)圖等。另外，數(shù)學(xué)建模亦是對各類科學(xué)與工程問題描述的通用語言。

（二）信息化、智能化制造的前置條件

隨著信息化與智能化向制造業(yè)的延伸，智能制造設(shè)備越來越普遍。這類加工設(shè)備的共同特點是可以直接讀入圖紙并自動規(guī)劃加工過程。這里，可讀入的圖紙一定是設(shè)計者在計算機中設(shè)計的圖紙。這使得在計算機中進行工程設(shè)計成為物化加工不可缺少的前置條件。

（三）為了防止犯錯

在真實的工程制造中，任何失誤都是有代價的。雖然一些工程項目在研發(fā)階段總會有一些反復(fù)的過程，但是這些“反復(fù)”發(fā)生得越少越好、越早越好。很多項目很可能根本無法承受“再來一次”。

工程項目一般會經(jīng)過立項調(diào)查、需求分析、系統(tǒng)（工程）設(shè)計、方案論證、系統(tǒng)實施、效果測試、評估總結(jié)等環(huán)節(jié)，而任何環(huán)節(jié)的實施都會付出時間與金錢的成本，所以工程設(shè)計的重要職責(zé)就是盡可能將所有可能的問題扼殺在萌芽狀態(tài)。

目前，在計算機的輔助下，設(shè)計已經(jīng)越來越能夠逼真地展現(xiàn)出制造之前、模擬制造之后的效果。如，很多三維機械設(shè)計軟件可以模擬幾乎每一個部件和運動的情況，并預(yù)見設(shè)計中的沖突和問題;電路設(shè)計軟件，也不僅僅可以模擬電路板的三維外觀，還能虛擬仿真電路的運行，使設(shè)計人員在電路板印制之前就可以預(yù)知電路設(shè)計中的缺陷。

在真實、實際的工程設(shè)計中，往往是用有限的設(shè)計成本，來置換一般來說不可控制的無效溝通成本，并降低失敗可能帶來的成本增長，從而降低整體的預(yù)期成本。

二、“有效”工程設(shè)計的具體表現(xiàn)

（一）以需求為目標(biāo)：設(shè)計是需要妥協(xié)的

在設(shè)計之前，需明晰設(shè)計的目標(biāo)，這些目標(biāo)往往以文本描述或數(shù)字指標(biāo)的形式書寫下來。而真實的工程設(shè)計目標(biāo)往往也不是單一的，而是多目標(biāo)綜合的，這些目標(biāo)還會相互制約，讓設(shè)計人員可能“顧此失彼”。

明確目標(biāo)的設(shè)計，以目標(biāo)為導(dǎo)向，系統(tǒng)中的部件與過程都為整體系統(tǒng)多目標(biāo)的最優(yōu)化而服務(wù)。設(shè)計人員需要在其中不停地權(quán)衡，相互妥協(xié)。在真實的設(shè)計中，沒有所謂正確的答案，只有更優(yōu)的方案。由于用戶群體的不同，所側(cè)重的方向不同，從而產(chǎn)生多種不同的工程解決方案。

（二）以科學(xué)為核心：設(shè)計是需要理論支持的

設(shè)計得以成功指導(dǎo)制造的關(guān)鍵是能夠判斷“所有的設(shè)計”對未來的影響，并理解其中的機理，否則設(shè)計就會變成是盲目的、碰運氣的。

科學(xué)與規(guī)律在設(shè)計的背后發(fā)揮著巨大的作用，在通過仿真等手段發(fā)現(xiàn)設(shè)計的問題之后，定位問題的證據(jù)，找到解決的途徑，理解問題的本質(zhì)就顯得尤為重要。

（三）以創(chuàng)新為突破：設(shè)計是需要求新求變的

創(chuàng)新是設(shè)計的靈魂，是工程設(shè)計不斷前行的動力。面對設(shè)計中的挑戰(zhàn)，需要設(shè)計人員大膽地創(chuàng)新，以突破現(xiàn)有方案的拘囿。設(shè)計的求新求變不僅僅是功能與藝術(shù)外觀上的創(chuàng)新，更是整體技術(shù)方案與解決路徑的創(chuàng)新。

（四）以穩(wěn)定為基石：設(shè)計是有一定保守性的

創(chuàng)新不是毫無根據(jù)地發(fā)散，而要以保證成品的穩(wěn)定性與可靠性為前提。因此，好的設(shè)計也是創(chuàng)新與保守的平衡。特斯拉電動汽車采用了大量的創(chuàng)新設(shè)計，電池采用的卻是通常在筆記本電腦上使用的電池電芯組合，就是一例。

（五）以規(guī)范為準(zhǔn)繩：設(shè)計是限定規(guī)則下的自由

設(shè)計中的規(guī)范往往是在很多次的錯誤中總結(jié)得到的方法和準(zhǔn)則，目的是為了規(guī)避已知的風(fēng)險，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性。違背設(shè)計規(guī)范，一般情況下會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果?？梢哉f，設(shè)計是限定規(guī)則下的自由。

三、讓STEM課程中的工程設(shè)計更“有效”

有效是工程思維的重要組成部分。提升STEM課程中任務(wù)設(shè)計有效性，是為了讓學(xué)生真正地感受設(shè)計，而不是經(jīng)歷形式化的“為設(shè)計而設(shè)計”。這有助于學(xué)生在項目中理解設(shè)計，明確工程目標(biāo)，加強團隊溝通，推進智能化制造，以及減少錯誤、降低成本。

（一）積累經(jīng)驗：從無設(shè)計到有設(shè)計

設(shè)計是在實體尚未制造之時，就已經(jīng)開始構(gòu)想系統(tǒng)的全部，并能夠預(yù)判怎樣做會得到怎樣結(jié)果。因此，設(shè)計是需要經(jīng)驗的，這種經(jīng)驗有助于幫助設(shè)計師進行預(yù)判，規(guī)避風(fēng)險。

有經(jīng)驗的設(shè)計是建立在多次相似工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上的。然而，學(xué)生往往是缺乏設(shè)計經(jīng)驗的，這就是學(xué)生的設(shè)計往往無法指導(dǎo)工程實施的一個重要原因。

因此，在學(xué)生缺乏工程經(jīng)驗的時候，允許他們進行“無設(shè)計的制造”，摸透器材的特性，了解這樣做會導(dǎo)致的結(jié)果。在此過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)可能需要深入研究某些問題，這便是設(shè)計的開始。

（二）科學(xué)探究：從自由設(shè)計到科學(xué)設(shè)計

工程問題的背后總有著科學(xué)的影子，科學(xué)描述的是事物發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。但這種規(guī)律對現(xiàn)象的解釋是相對刻板的，有些看似相同的表象背后卻有著不同的成因，而有時看似截然不同的表象之后卻有著相同的機理。

引領(lǐng)學(xué)生抽絲剝繭，找到表象背后的問題，用正確的科學(xué)規(guī)律推演事物的變化是保障工程設(shè)計有效的首要工作。在設(shè)計之前，可以針對幾個核心問題，引導(dǎo)學(xué)生展開科學(xué)探究，在對比實驗中分析數(shù)據(jù)，討論得到結(jié)論，并由此指導(dǎo)工程實踐。

（三）難點突破：從小設(shè)計到大設(shè)計

很多教師會發(fā)現(xiàn)，學(xué)生一開始并不會像真正的工程師那樣全局地、完整地思考問題，而傾向于解決小問題。這既是傳統(tǒng)教育面向解題的思維慣性，也是面對工程中不確定因素的正常心理防備。因此，在一個系統(tǒng)具有較多的不確定因素時，可以尊重學(xué)生的思維方式，先解決其中的核心技術(shù)問題，再逐步構(gòu)建整體的系統(tǒng)。這種從“?。P(guān)鍵且具象）”到“大（全局且抽象）”的設(shè)計模式，并不是STEM教育所特有的，很多具有較多未知因素的設(shè)計，都可以遵循從核心問題開始突破的路徑。

教學(xué)過程中，教師和學(xué)生可以在科學(xué)探究的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的局部進行“小設(shè)計”和測試。這既能鞏固科學(xué)探究的成果，又能夠讓學(xué)生對每一個局部“放心”，并逐步引入全局的設(shè)計。

（四）構(gòu)思全局：從大設(shè)計到小設(shè)計

構(gòu)思全局，是為了從整體的角度，權(quán)衡系統(tǒng)的綜合目標(biāo)并將其拆解，使大問題變成小問題，各個擊破。這里的小問題，既包括上述的核心問題，也包括一些必要的非核心問題。學(xué)會分析和拆解系統(tǒng)，是學(xué)生突破面對問題無所適從的關(guān)鍵因素。

在教學(xué)過程中，先全局構(gòu)思，還是先設(shè)計核心問題，沒有確定的要求，關(guān)鍵在于如何能夠讓學(xué)生更好地理解并開展設(shè)計工作。一般情況下，系統(tǒng)的設(shè)計，往往是自上而下和自下而上兩方面思考的融合。無法逾越的難點常常會重塑整體的設(shè)計，整體設(shè)計改變也會影響每個局部設(shè)計的細(xì)節(jié)。

（五）尊重數(shù)據(jù)：從粗糙設(shè)計到精確設(shè)計

在設(shè)計的過程中，數(shù)據(jù)和精確的設(shè)計是至關(guān)重要的。精確的設(shè)計既需要數(shù)學(xué)知識的支撐，也需要數(shù)學(xué)統(tǒng)計的幫助。中小學(xué)階段教學(xué)中，設(shè)計之前需要一些必要的測試，測試數(shù)據(jù)可以更快速地說明問題。還可以借助圖表的形式展現(xiàn)出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并揭開數(shù)字背后的規(guī)律。學(xué)生可以小組形式，將測試的結(jié)果寫成報告。這些數(shù)據(jù)還是他們后面開展工程設(shè)計的重要依據(jù)。

（六）迭代反思：從無視設(shè)計到敬畏設(shè)計

在各項路徑鋪設(shè)之后，教師可以將所有前置性學(xué)習(xí)報告分享給所有的學(xué)生，并引導(dǎo)他們把前置性學(xué)習(xí)的內(nèi)容融入設(shè)計，在設(shè)計中考慮測試的結(jié)果，權(quán)衡各個因素，有機融入各種技術(shù)，使設(shè)計變得有理有據(jù)。

四、STEM課程中的“有效”工程設(shè)計：以“下落的雞蛋”為例

（一）規(guī)劃“課程地圖”

任務(wù)：用有限的常規(guī)A4紙保護下落的雞蛋（紙張的數(shù)量和下落高度可以由教師自行設(shè)計）。

這一STEM課程由圖1所示的環(huán)節(jié)組成。

（二）開展前置性研究

設(shè)計并不是空穴來風(fēng)的暢想，而是基于設(shè)計者已有的經(jīng)驗，科學(xué)地對系統(tǒng)做出構(gòu)想，即設(shè)計得有依據(jù)、有前提、有邏輯。因此，為了讓學(xué)生做好工程設(shè)計，必須建立前置性學(xué)習(xí)，為真正的“有效”工程設(shè)計鋪磚引路。

1.碰撞的科學(xué)。

通過資料收集，了解碰撞的瞬間發(fā)生了什么，以及人類在交通工程（汽車、飛機、火車等）中是如何盡可能降低碰撞對乘員的傷害的，探討吸能和生存空間的辯證關(guān)系。

2.雞蛋脆弱嗎？

對薄殼結(jié)構(gòu)展開研究，使用壓力測試儀對有無保護情況下雞蛋的承壓能力進行測試，并引申出相似的結(jié)構(gòu)：一維拱結(jié)構(gòu)，如拱橋;二維拱結(jié)構(gòu)，如穹頂、蛋殼、顱骨等。研討這些結(jié)構(gòu)在碰撞中保護的有效性，并類比雞蛋托架、安全氣囊、安全帽的作用。

3.紙張“大力士”。

對工程任務(wù)中除黏合劑之外唯一可用的材料展開研究：不同的紙張結(jié)構(gòu)能承載多少壓力？如何用紙張結(jié)構(gòu)建立緩沖保護？如何用紙張結(jié)構(gòu)制作吸能結(jié)構(gòu)？如何用紙張結(jié)構(gòu)構(gòu)建安全的生存空間？

（三）嘗試工程設(shè)計

在以上綜合探究的基礎(chǔ)上，嘗試對紙張結(jié)構(gòu)進行工程設(shè)計。

教師需要引導(dǎo)學(xué)生開展有依據(jù)、有思考的設(shè)計，認(rèn)識到這是一個工程設(shè)計系統(tǒng)。學(xué)生需要以之前的綜合探究為依據(jù)，綜合考慮防撞的力學(xué)、保護裝置的結(jié)構(gòu)、材料的數(shù)量、制作的可行性等一系列問題。具體到這一設(shè)計本身，可以引導(dǎo)學(xué)生思考：如何減少下落過程中對雞蛋的撞擊？撞擊的力量來自何處？保護雞蛋的紙張結(jié)構(gòu)如何設(shè)計？（如：設(shè)計成正方體、三棱錐……把雞蛋包裹在里面;設(shè)計成帶有空心結(jié)構(gòu)的保護盒;設(shè)計成紙卷棒組成的保護支架;等等）這個結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是什么？可能存在什么問題？紙張在保護雞蛋時，是起到緩沖作用，還是用作堅硬的外殼？紙張需要多少張？張數(shù)太多會有什么問題？張數(shù)太少會有什么問題？我們的設(shè)計是否能夠在課堂上制作出來？怎么制作？……根據(jù)思考和討論，學(xué)生繪制設(shè)計示意圖，撰寫可行性的制作步驟等。

（四）進行測試與反思

測試與反思是一個迭代的過程，也是優(yōu)化設(shè)計方案的必經(jīng)之路。從測試獲得的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象中，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)前一稿設(shè)計存在的問題，并反思這些問題背后的原因，找出影響因素;再綜合考量這些因素，優(yōu)化設(shè)計方案，完成新方案。測試與反思，不是一個獨立的環(huán)節(jié)，在工程設(shè)計、工程制作、測試等全過程中，學(xué)生都需要反思。通過每時每刻的及時反思，尋找到設(shè)計中的問題和漏洞。測試與反思為新一稿的設(shè)計提供新的設(shè)計依據(jù)，新的設(shè)計又需要再次通過測試與反思來驗證和優(yōu)化。

基于科學(xué)、技術(shù)、工程，并以測試數(shù)據(jù)為依據(jù)的工程設(shè)計，是真正能夠聚焦問題、突破桎梏并更快找到解決方案的“有效”工程設(shè)計。這也是工程思維的重要組成部分，能避免工程設(shè)計中的形式主義，引領(lǐng)學(xué)生在工程設(shè)計的過程中追根溯源，有理有據(jù)地得出方案，培養(yǎng)真正的設(shè)計思維模式。

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