突破STEM教育中科学与工程的链接难题

杨元魁 叶兆宁

STEM教育将科学、技术、工程和数学等内容整合起来，形成结构化、连贯而有组织，同时又不乏开放性和创造性的课程体系。一个好的STEM活动，不仅需要富有吸引力的内容，还要体现以学生为中心的教育理念，更应着重培养学生综合解决问题的能力和创新能力。在STEM跨学科课程或主题活动的教学设计中，难点在于如何选择活动、如何将所有活动有机整合在一起。本文从科学探究与工程设计的联系与区别人手，着重分析以工程问题解决为主线的STEM教学模式，并提出链接科学与工程的相关策略。

科学探究与工程设计的联系与区别

科学在于认识世界，解释自然界的客观规律，而工程和技术则是在尊重自然规律的基础上改造世界，实现对自然界的控制和利用，解决社会发展过程中遇到的难题[1]。科学与工程都尝试使用最适合的方法和工具来完成任务，是创造性的过程，具有重复性和系统性。根据对美国《k-12年级科学教育框架》《新一代科学教育标准》和我国《小学科学课程标准》的分析，得出科学探究与工程设计在目的和任务、研究方式、成果形式、评价标准等方面的联系与区别（见表1）。

以工程问题解決为主线的STEM教学模式

项目学习（Project-Based Learning，简称PBL）是实现STEM教育跨学科特征的教学方法。良好设计的PBL本身就是跨学科的，而且其本质是合作性的[2]。STEM跨学科整合最核心、最重要的工作是项目或问题的选择和设计，如果没有良好的结构化项目设计，会导致学习困难、效率不高、挫折感强、学习收获不大等系列问题[3]。

美国康尼狄格科学中心开发和编写的STEM案例提供了一种有效的STEM课程整体思路——以工程问题解决为主线的STEM教学模式（见图1）[4]。选取工程问题作为引入和主线是该模式的主要特点，工程问题在其中的作用不仅仅是引入，更重要的是起到对整个学习过程穿针引线的作用，落实项目学习中的结构化设计。

该模式主要分为三个部分，即问题引入、背景经验学习、解决工程问题。“问题引入”是项目学习的开端，起到任务引入和初步分析与思考的作用；“背景经验学习”紧接着“问题引入”，依据解决问题和完成任务的需求，将科学探究、技能训练和研讨衔接起来，为学生解决实际问题做好认知和技能上的准备；最后，通过“解决工程问题”中的工程设计环节，让学生亲历运用知识和技能解决实际问题的过程。通过三个部分有机结合，既解决STEM教育中科学与工程链接的难题，也实现了真正意义上的跨学科学习。

链接科学与工程的教学策略分析

策略一：真实情境的引入——促发科学与工程的结合

STEM跨学科活动需要联系日常生活中的问题或任务。以工程问题解决为主线的STEM教学的第一部分就是“问题引入”，包括所需要研究的问题或需要完成的任务。这部分由两个环节组成，一是情境引入，二是提出并分析任务，这也是学生探索活动的开端。通常情况下，教师需要结合学生的日常学习与生活，通过环境创设、资料展示等方式将一个真实情境引入课堂。

情境要实现对科学与工程的结合，需要具有三个重要特性：一是真实，要让学生体会到情境本身就发生在自己的身边；二是有吸引力，能激发学生的好奇心和兴趣；三是实用，是学生有可能解决的实际问题。

实例1：火箭

这是一个面向小学生的STEM活动，其工程问题是：为即将举办的校园科技节开幕式设计和制作可发射升空的火箭。这个项目来自学生的一次讨论，学生提出这样一个问题：在科技节的开幕式上为什么总是发射现成买来的火箭，难道不能发射我们自己制作的火箭吗？正是这个真实情境的问题，引发了一个STEM的学习过程，促发了科学与工程的结合。

实例2：自动浇花装置

面向小学生的STEM活动——“自动浇花装置”，其工程问题来源于学校的实际需求。在即将放署假之际，学生开始担心教室里的植物在长达2个月的时间里没人照料，因此提出能否为这些植物设计一个自动浇花装置。这恰恰是一个非常有趣且吸引学生的工程问题，其实用性和实效性不言而喻。

策略二：引入之后的讨论、调研、再讨论——厘清科学与工程的研究思路

将学生引入已创设的情境之后，学生会出现很多问题，包括可以研究的、不能研究的或没有必要研究的。因此，聚焦具体问题或任务是此时的关键策略，这将帮助学生理解关键问题、厘清科学与工程的研究思路。提出和分析任务就成为“问题引入”的第二个环节，也是非常重要的环节。教师将引导学生根据自身已有经验对任务进行初步的讨论和分解，必要的时候还可以让学生开展最初的调查研究，使之后的学习路径逐步明晰。

实例3：电梯

“电梯”教学单元中教师创设了真实的工程问题情境：在你的家乡有一所中学已经通过增加教师和教室的数量来加强科学教育。为了容纳新的科学教师，学校增加了教学楼的科学教室。由于这所学校的建筑是旧的，没有电梯。教师从尸楼的准备室运送科学材料设备到楼上的科学教室很困难，老师很抱怨这件事。经学校研究批准安装尸部电梯，问题是教学楼内部没有空间安装电梯，而电梯又必须能到达所有楼层[5]。

经过对这个情境的讨论，学生自然而然提出一系列的疑问，如电梯有哪些类型，电梯是什么材质的，电梯是依靠什么实现上下运动的，电梯的基本结构有哪些，当电梯停在楼层中间时，是什么原理让它不会掉下去。

教师将学生提出的问题记录下来，并与学生讨论解决这个问题的方案和计划。首先，学生发现自己对电梯知之甚少，要完成任务需要先了解电梯的类型和结构；虽然学生都知道用电力驱动电梯，却不了解怎样驱动，利用何种机械进行传动以及如何进行控制；这些问题既包括科学知识，也包含技术，可以帮助学生厘清科学与工程中有哪些需要解决的问题，而且能在进入“背景经验学习”之后理解学习内容与问题或任务解决之间密切的关系。

策略三：背景经验学习——逐个突破科学与技术问题

顾名思义，“背景经验学习”主要帮助学生积累必备的经验和能力。每个背景经验活动的设计都围绕“问题引入”的需要展开，与解决问题有直接关联。通过多个背景经验活动的学习，学生将掌握更多与解决问题相关的科学知识与技能，逐一解决在“问题引入”时提出的问题，为学生后期实际解决问题奠定基础。

实例4：桥世界

“桥世界”是面向小学中高年级学生的STEM学习单元[6]，其情境引入结合缓解所在地区的交通问题展开，计划建造一座新的桥梁，跨越流经本地的河流。让学生为此制仃一个工程建议方案，其中包括桥梁设计方案和模型制作。该主题的背景经验活动包括：环球桥之旅、感受张力与压力、桥梁中的张力与压力、扑克牌桥、析架的形状、把冰棒棍粘起来、钢缆的角度、最合适的桥、虚拟土木工程师等9个活动。这些活动紧紧围绕完成桥梁设计和模型制作这尸任务，并帮助学生学习有关结构、力的科学知识以及搭建结构和连接材料的技能与方法（见图2）。图2说明每个背景经验活动与问题引入的关系。

真实问题具有一定的复杂性和多样性，涉及多个领域的认知和技能，即便是有丰富经验的成人，也需要深思熟虑地进行分析，然后再作出判断和决策。因此，在“问题引入”环节当学生开始面对一个复杂的生活问题时，往往不知道如何下手，也不知道如何思考。这时需要通过与“问题引入，紧密联系的“背景经验学习”活动帮助学生了解与该问题或任务相关的科学知识和技能，帮助学生一个个解决在“问题引入”环节提出的疑问和困惑。

可以说，“背景经验学习”活动是教师通过教学设计帮学生搭建的学习脚手架，学生通过攀爬这些脚手架积累起来的认知和经验，有助于学生再次面对真实问题时作出明智的选择。

策略四：问题和任务解决——直面科学与工程的真实现场

如果说背景经验学习中较多的是与科学探究和技术技能相关的训练活动，那么解决工程问题则让学生真正经历工程过程，直面科学与工程的真实现场。在现实生活中，为了解决实际问题，工程师通常会遵循一个多步骤、反复的工程过程（见图3）：

1.识别和定义问题；

2.设计解决方案；

3.建立模型；

4.检验模型；

5.数据分析；

6.交流结果并思考如何改进；

7.再次进行设计——建模——测试——改进交流。

实例5：小车制作

“炫酷小车制作”是面向初中学生的STEM活动[7]，课程一开始就提出该主题学习的任务是“利用身边的材料设计一辆具有动力的车，并具有运载功能”。当教学进入最后的任务解决环节时，首要任务是引导学生对这个任务再次进行思考、识别和定义问题。为了让思考更深入，教师给出了可供选择的材料清单（包括材料的名称、单价）和制作成品的评价要求（见表2）。

评价标准将重点放在学生的产品设计和制作上，就像现实工程项目必须考虑产品需求一样，面对评价表，学生开始分析哪些指标是重要的，哪些指标是次要的；他们不得不在一些限制条件下，在功能、成本、美观之间达成妥协，形成最有本组特色的设计。可见，对工程问题限制条件和评价标准的具体化，不仅使任务更加明晰，明确了学生思考的方向，同时也给出了对学生最终成果的评价内容。

明确了具体任务，接下来学生就可以进入设计与模型制作环节，这可不是一个简单的拼装过程，也不是一个简单的模拟过程，而是一个真刀真枪干实事的过程。学生需要思考模型的选材、使用哪种工具以及如何让设计成为实物，在模型制作过程中，需要对部分或整体进行多次检验和测试，收集各种数据，分析模型的性能，确保符合预期并满足相关的参数与要求。这不是一个顺序固定的过程，而是一布杯不断重复、不断修正具有迭代意义的过程。经历工程设计的过程将促使学生对工程过程的理解，他们将不会再把不成功视为失败，而是将它看成一个有价值的学习契机，并能运用其中的发现和收获建立更好的解决方案。

最后一个不能忽视的教学内容是交流与反思，这是学生语言表达能力、文字表达能力以及元认知得到提升的有效环节。教师可以让学生用各种开放的方式展示自己的作品，包括海报、PPT，微信、视频、工程建议书、产品推介会、成果鉴定会等。同时，鼓励学生之间、小组之间、班级之间开展质疑和辩论，形成相互学习的氛围。

科学探究与工程设计的实践过程能否被有目的、有系统地链接在STEM活动中，关系到学生能否真正理解工程过程、理解科学原理如何被运用到真实问题的解决中；同时也关系到整个学习过程所涵盖的内容和学习要求。因此，解决这个问题是开展STEM课程与教学设计的核心与关键。本文所分析的以工程问题解决为主线的教学模式，为解决科学与工程的链接问题提供了线索。任何一项工程都不存在唯一正确的答案，相信在STEM课程和教学中如何解决科学与工程的链接还有多种有效的解决方案，这有待于更广泛、更深入的教学实践与研究的挖掘与总结。

注释：

[1]叶兆宁.融合：实现STEM教育的有效策略.中国科技教育.2013（2）：12-15.

[2][美]罗伯特·M·卡普拉罗等编著，王雪华等翻译.基于项目的STEM學习[M].上海：上海科技教育出版社，2016.

[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式.开放教育研究.2015（8）：13-22

[4]美国康尼狄格科学中心开发和编写的STEM案例由中国青少年科技辅导员协会在中国友好和平发展基金会和美国联合技术公司支持下引进并进行本土化研究。

[5]叶兆宁，朱丽娜，杨元魁.“集成式”STEM课程如何实现各领域的集成.人民教育，2016（12）：58-63.

[6]“桥世界”sTEM主题案例由美国康涅狄格州科学中心开发，得到美国联合技术公司和Hartford公立学校的资助。在中国友好和平发展基金会和美国联合技术公司的资助下，2015-2017年期间由中国青少年科技辅导员协会主持陔案例的中文本土化项目，并在全国各地区推广使用。

[7]叶兆宁主编.炫酷小车制作.南京：江苏风凰科学技术出版社，2016.12.