◇蘇巧玲（福建：泉州市豐澤區(qū)第二實(shí)驗(yàn)小學(xué)）

STEM 教育不僅能夠鞏固學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)，還可以提高學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科思維解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。發(fā)展STEM 教育已成為世界各國(guó)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要手段之一。

一、滲入工程設(shè)計(jì)思維的STEM課程分析

“且聽(tīng)簫音——自制創(chuàng)意小樂(lè)器”課程是面向四年級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)的。課程由一個(gè)課前活動(dòng)和“設(shè)計(jì)排簫”“制作排簫”“展示、測(cè)試排簫”等三課時(shí)構(gòu)成，課程的總用時(shí)為2～3 小時(shí)。但授課教師可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況、學(xué)生能力水平安排具體的教學(xué)課時(shí)。

二、滲入工程設(shè)計(jì)思維的STEM 課程教學(xué)實(shí)踐

（一）工程設(shè)計(jì)思維的內(nèi)涵界定

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》指出，工程教育要以設(shè)計(jì)為核心，首先是定義和界定工程問(wèn)題，明確需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)和受到的限制條件，形成多種解決方案，基于證據(jù)進(jìn)行優(yōu)化并確定方案。

因此，工程的設(shè)計(jì)思維是指學(xué)生圍繞一個(gè)具體的項(xiàng)目開(kāi)展學(xué)習(xí)，以科學(xué)的知識(shí)與技能為載體，在形成設(shè)計(jì)方案或模型的迭代過(guò)程中綜合運(yùn)用科學(xué)探究、模型建構(gòu)、證據(jù)推理、質(zhì)疑批判、評(píng)價(jià)反思等思維方式解決實(shí)際問(wèn)題的一種高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)。

（二）滲入工程設(shè)計(jì)思維的教學(xué)模式

基于工程設(shè)計(jì)思維的特點(diǎn)，本課程采用了如下的教學(xué)模式。

首先要在研究的基礎(chǔ)上明確問(wèn)題或需求，設(shè)計(jì)多種可能的解決方案，通過(guò)分享、交流、基于證據(jù)進(jìn)行優(yōu)化并確定方案；選擇合適的工具和材料，實(shí)施方案設(shè)計(jì)，制作初步的產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ汀＝?jīng)過(guò)對(duì)結(jié)果的評(píng)估，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)。這是一個(gè)循序漸進(jìn)又循環(huán)反復(fù)的過(guò)程。

（三）滲入工程設(shè)計(jì)思維的教學(xué)流程

本節(jié)課以“設(shè)計(jì)一把能發(fā)出1234567 的排簫”為課程項(xiàng)目的核心任務(wù)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)的真實(shí)的情境，基于已知科學(xué)原理和知識(shí)，圍繞著這一項(xiàng)目開(kāi)展基于設(shè)計(jì)的觀察活動(dòng)，通過(guò)定義和界定問(wèn)題，明確標(biāo)準(zhǔn)，形成多種可能的解決方案模型，并根據(jù)存在的問(wèn)題進(jìn)行方案的迭代。從而養(yǎng)成工程思維的習(xí)慣，提升工程設(shè)計(jì)的能力。

1.激發(fā)學(xué)生參與工程學(xué)習(xí)的興趣

基于工程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目任務(wù)，一定是來(lái)源于真實(shí)的生活，是一種以解決真實(shí)發(fā)生的問(wèn)題為情境而展開(kāi)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。本節(jié)課以觀看排簫演奏為情境引入，激發(fā)學(xué)生參與工程學(xué)習(xí)的興趣。

2.觀察簡(jiǎn)易排簫模型

讓學(xué)生觀察簡(jiǎn)易的排簫模型，了解排簫的結(jié)構(gòu)及發(fā)聲原理。激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)思維的發(fā)生。這一環(huán)節(jié)，從探究的角度看，適當(dāng)?shù)墓ぞ呋驅(qū)嵨锬Ｐ陀兄诳茖W(xué)探究。用工程的方法和流程設(shè)計(jì)制造出的作品或?qū)嵨锬Ｐ?，一方面在設(shè)計(jì)制作中需要應(yīng)用科學(xué)原理；另一方面可以幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)原理，使科學(xué)、技術(shù)、工程成為一個(gè)密切相關(guān)的整體。

3.頭腦風(fēng)暴

在探究的基礎(chǔ)上，教師提出此次工程挑戰(zhàn)的任務(wù)，即“做一把能發(fā)出1234567（CDEFGAB）的排簫”。在項(xiàng)目任務(wù)提出的時(shí)候，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，討論設(shè)計(jì)一把排簫需要考慮哪些因素，討論蘊(yùn)含以下問(wèn)題:“你們將設(shè)計(jì)出怎樣的模型？它會(huì)有怎樣的功能？”“在設(shè)計(jì)之中你們將會(huì)運(yùn)用哪些科學(xué)概念？”用問(wèn)題撬動(dòng)學(xué)生思維的發(fā)生。在討論中，學(xué)生思維不斷發(fā)散，能基于前面探究環(huán)節(jié)學(xué)到的知識(shí)去分析設(shè)計(jì)，發(fā)展思維的深刻性、靈活性和全面性。

4.出示評(píng)價(jià)量表

頭腦風(fēng)暴后，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的需求會(huì)越來(lái)越明確，也知道了模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有哪些。緊接著教師出示整個(gè)項(xiàng)目評(píng)價(jià)量表，將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)前置，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)和制作之前確定目標(biāo)，明確衡量的標(biāo)準(zhǔn)，參照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自我監(jiān)控和自我評(píng)價(jià)。

5.設(shè)計(jì)方案

在這一步驟中，學(xué)生需要運(yùn)用搜集及觀察到的信息，設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決方案。設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為以下四個(gè)環(huán)節(jié)：觀察材料，基于材料的選擇討論解決問(wèn)題的方案；對(duì)提出的解決方案進(jìn)行建模（畫(huà)設(shè)計(jì)圖）；匯報(bào)模型設(shè)計(jì)圖；優(yōu)化模型設(shè)計(jì)圖。

工程設(shè)計(jì)思維取決于解決問(wèn)題的思維方式，需要探究思維、批判性思維、創(chuàng)造性思維的協(xié)同作用，發(fā)揮效能。為了使工程設(shè)計(jì)思維更加高效，本節(jié)課在觀察、選擇材料時(shí)，教師就可以有意識(shí)地將材料分為兩部分，一部分是制作音管的材料，一部分是組合音管的材料，再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理的分工與觀察，對(duì)材料的觀察，教師可以適時(shí)地給予一些方法的指導(dǎo)，也可通過(guò)資料閱讀卡，讓學(xué)生自行閱讀，合議選擇哪些材料，并繪制解決方案的模型設(shè)計(jì)圖。

完成模型設(shè)計(jì)圖后，各小組需要在全班同學(xué)面前展示自己的想法和設(shè)計(jì)方案，討論方案的優(yōu)缺點(diǎn)。在綜合各小組同學(xué)的建議基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這是學(xué)生思維顯性化的體現(xiàn)，也是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的重要時(shí)機(jī)。

我們來(lái)看這一組學(xué)生優(yōu)化之前和優(yōu)化之后的設(shè)計(jì)圖。在小組匯報(bào)時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生有著自己獨(dú)特的想法，從他們給自己的小組取名“粼波彎月”就可以感覺(jué)到了。同時(shí)，我們也能意識(shí)到這組學(xué)生對(duì)“空氣柱越長(zhǎng)，發(fā)出的聲音越低，空氣柱越短，發(fā)出的聲音越高”這一聲音的性質(zhì)，掌握得并不全面。他們認(rèn)為管越長(zhǎng)，聲音越低，因此設(shè)計(jì)時(shí)他們忽略了管內(nèi)必須塞住泡沫塞，吹出的空氣才能在管內(nèi)振動(dòng)，但他們很善于聽(tīng)取其他小組的意見(jiàn)，當(dāng)有學(xué)生質(zhì)疑他們的設(shè)計(jì)時(shí)，他們能及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的不足并進(jìn)行改進(jìn)，從他們優(yōu)化后的設(shè)計(jì)圖，我們就可以看出來(lái)了。

這是工程設(shè)計(jì)思維進(jìn)階性體現(xiàn)，學(xué)生在調(diào)用工程設(shè)計(jì)思維解決問(wèn)題時(shí)，需要有一個(gè)由淺入深的過(guò)程。從思維的深度上看，體現(xiàn)在能透過(guò)現(xiàn)象把握規(guī)律本質(zhì)的思維進(jìn)階，能從具體的材料到繪制抽象的實(shí)物模型。同時(shí)，學(xué)生還需綜合各方面影響工程設(shè)計(jì)的因素，做到統(tǒng)籌考慮和逐步迭代，從而得出優(yōu)化方案，使其思維螺旋式上升。

這也是學(xué)生在本學(xué)科核心概念“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的建構(gòu)”的同時(shí)，形成和理解“結(jié)構(gòu)與功能”這個(gè)跨學(xué)科概念的體現(xiàn)。在技術(shù)與工程中，為了實(shí)現(xiàn)特定的功能，學(xué)生需要設(shè)計(jì)并制作有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的裝置。若結(jié)構(gòu)存在缺陷，則不能充分實(shí)現(xiàn)設(shè)想的功能，從而使學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)與功能”這一跨學(xué)科概念有更深入的理解。

三、制作實(shí)物模型

學(xué)生在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上建造實(shí)物模型，實(shí)物模型用于檢測(cè)所提出的解決方案是否可行。因此學(xué)生能夠?qū)?shí)物模型進(jìn)行相應(yīng)的操作和測(cè)試。

制作實(shí)物模型，是要把設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的方案分步驟完成，制作排簫實(shí)物模型由制作音管和組合音管兩大活動(dòng)構(gòu)成。教師可以先讓學(xué)生說(shuō)說(shuō)制作過(guò)程中可能會(huì)碰到哪些問(wèn)題。根據(jù)學(xué)生的問(wèn)題，教師可以采取不同的教學(xué)方式各個(gè)突破，例如，在制作音管中，學(xué)生對(duì)音準(zhǔn)這一項(xiàng)怎樣落實(shí)，存在著較大的困惑。因?yàn)楹芏鄬W(xué)生沒(méi)有絕對(duì)音準(zhǔn)，僅靠聽(tīng)力辨識(shí)不出音管吹出來(lái)的音準(zhǔn)。因此，我們可以引導(dǎo)學(xué)生去思考，借助智能化的調(diào)音軟件去調(diào)音。并通過(guò)微課及模型演示的方法，讓學(xué)生了解調(diào)音技巧，突破怎么校對(duì)音準(zhǔn)這一教學(xué)難點(diǎn)。

后續(xù)的組合音管的技巧，因?yàn)槊總€(gè)人選擇的材料是不一樣的，因此我們采用的是從網(wǎng)上下載或自制一些微課教學(xué)視頻，讓學(xué)生了解一些工具或材料的使用方式、方法，如橡皮筋捆綁的方式是怎么樣的、怎樣進(jìn)行框架固定等等，將之整理出來(lái)，放在IPAD 的工具資源庫(kù)里面，學(xué)生可以通過(guò)自學(xué)，獲取相關(guān)的技能，制作出排簫的實(shí)物模型。這也是在課程資源開(kāi)發(fā)與利用時(shí)，教師要善于選擇和組合各種適宜自身教學(xué)實(shí)際的課程資源，重視課程資源的整合與利用、信息技術(shù)與科學(xué)教學(xué)的深度融合，力爭(zhēng)給學(xué)生操作、體驗(yàn)、探究、實(shí)踐等提供支持。

四、測(cè)試與評(píng)估

各組在完成制作后，需要進(jìn)行2～3 分鐘的作品初步匯報(bào)，從而感受工程項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程的成就感。緊接著學(xué)生必須根據(jù)項(xiàng)目評(píng)價(jià)量表，對(duì)實(shí)物模型的可行性和性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。在此過(guò)程中，學(xué)生需要觀察音管吹口是否平整、豎直方向放3 個(gè)鉤碼、用2N 的力拉排簫模型時(shí)，排簫的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化。以及選擇測(cè)試員，運(yùn)用調(diào)音軟件對(duì)各組排簫音準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，量化評(píng)分。

此過(guò)程能檢驗(yàn)學(xué)生工程項(xiàng)目實(shí)施的效果，也能鞭策學(xué)生對(duì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)進(jìn)行反思，從而找到對(duì)排簫設(shè)計(jì)與制作的優(yōu)化方案，對(duì)作品進(jìn)行再次優(yōu)化。

總結(jié)拓展，主要是留給學(xué)生更多的思考：今天我們制作的排簫能演奏一首《小星星》，如果我們想演奏其他更復(fù)雜的歌曲呢？我們又需要什么材料，怎樣設(shè)計(jì)、制作呢？讓學(xué)生把工程項(xiàng)目學(xué)習(xí)延續(xù)到課后，不斷突破自我。

評(píng)估內(nèi)容包括學(xué)生的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)（課堂參與度、分工協(xié)作能力、展示交流能力）以及測(cè)試和評(píng)價(jià)學(xué)生設(shè)計(jì)的模型。

關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià)。要通過(guò)觀察學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的表現(xiàn)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況、評(píng)價(jià)教學(xué)的成效，以此為依據(jù)調(diào)整教學(xué)目標(biāo)內(nèi)容和方法，提高教學(xué)活動(dòng)的有效性。例如，可以根據(jù)學(xué)生在解答問(wèn)題、小組合作等活動(dòng)中的表現(xiàn)，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、思維投入、知識(shí)理解、能力水平，以及對(duì)任務(wù)的適應(yīng)程度，進(jìn)而基于學(xué)生的學(xué)業(yè)表現(xiàn)評(píng)價(jià)教學(xué)目標(biāo)的合理性和教學(xué)方法的有效性，并進(jìn)行必要的調(diào)整。

注重學(xué)生自評(píng)與互評(píng)。引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行反思，與他人相互評(píng)價(jià)，在評(píng)估結(jié)束后，學(xué)生需要重新設(shè)計(jì)模型，或?qū)δＰ瓦M(jìn)行優(yōu)化。

五、聽(tīng)取反饋

設(shè)置這一步驟是為了讓學(xué)生聽(tīng)取反饋意見(jiàn)，從而改進(jìn)其設(shè)計(jì)方案。反饋意見(jiàn)包括口頭反饋和書(shū)面反饋。在工程設(shè)計(jì)的任何階段，都需要及時(shí)給出反饋以方便學(xué)生采取相應(yīng)的行動(dòng)。

六、分享與交流

在活動(dòng)進(jìn)行中，學(xué)生需要與組內(nèi)成員或在小組之間進(jìn)行交流與分享。這一過(guò)程是要向他人說(shuō)明自己的設(shè)計(jì)是如何解決問(wèn)題的，自己的設(shè)計(jì)又是如何滿足教師提出的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的。這就需要學(xué)生的用語(yǔ)條理清楚，以讓他人能夠準(zhǔn)確地理解自己想要表達(dá)的內(nèi)容。