在实验教学中融合STEM设计思维

吴逢高

科学课以科学实验为载体，通过探究活动的经历与体验，可以对学生思维上的分析维度和象征维度进行有效培养，但这种培养不是对全脑思维的开发，具有一定的局限性。STEM教育中的工程设计过程正好能弥补科学探究活动在思维训练上的维度缺失，将工程设计活动中有关思维参与的部分进行提炼，可以得到其核心內容——设计思维。本文就实验教学与STEM教育理念中的设计思维融合创新展开研究与论述。

设计思维的内涵与定义

设计思维，是思维方法体系的投射与应用，它通过提供切实的思维支架及方法支持，引导学习者从定义问题开始，充分发挥现有材料、科学技术的优势，逐步掌握创意构思、原型迭代、测试等一系列创新方法技能，最终实现问题的创新解决或产品的创新设计。

1.设计思维应用在科学实验教学中的内涵与定义

设计思维应用在科学实验教学中可理解为：面对需要论证或探索的自然现象和科学规律，通过系统的观察和分析，将已有的信息有效地联系起来，并结合实际情况找出富有创意的有效实证手段或创造性的解决办法。学生经历有效的设计过程，其设计思维能得到发展，能弥补单一的科学探究在思维培养上的盲点。设计的过程是对已存在的真实现象和自然规律加以综合解决的过程，以“真实、综合”为主要元素，正好弥补科学（以“分析、象征”为主要元素）的元素不足。

2.设计思维对小学生全脑思维发展的重要作用

科学倡导的是意义性的研究，其思维方式是从具体的自然现象中通过分析抽象出概念以及科学规律，属传统思维方式。而STEM教育中的设计思维则是实用性的研究，基于真实情境解决复杂问题。从右表中我们可以看出传统思维与设计思维的不同。

基于设计思维确定实验教学目标

科学探究培养的是线型思维，项目设计训练的是发散思维。如果说科学探究是获取知识的过程，那么设计思维就是知识应用的基础。结合《义务教育小学科学课程标准》（以下简称“课程标准”）中的目标设定的有关内容，设计思维的目标定位应从以下四个维度进行考量，即“科学知识目标，科学探究目标，科学态度目标，科学、技术、社会与环境目标”，在目标制订中还需要参考优秀设计者应该具备的同理心、原型迭代、团队合作、可视化能力、系统观、运用语言工具、创造力自信、乐观等品质。基于设计思维确定小学科学实验教学的定位框架如图1所示。

1.通过基于STEM理念的设计思维培养，发展学生多元化的探究能力

美国国家科学教育标准中定义探究是多层面的活动，包括：观察;提出问题;通过浏览书籍和其他信息资源发现什么是已知的结论，制订调查研究计划;根据实验证据对已有的结论做出评价;用工具收集、分析、解释数据;提出解答，解释和预测;交流结果。探究要求确定假设，进行批判的、逻辑的思考，并且考虑其他可以替代的解释。从其探究一词的用法可以看出，STEM教育也是探究式学习的一种策略，探究既是学习的过程又是学习的目的，它的指向就是通过探究活动对学生进行多元化探究能力的培养，设计思维作为STEM教育中重要的工程导向环节，对学生探究多元化的发展有着极其重要的作用。

2.通过基于STEM理念的设计思维培养，丰富科学态度标准的内涵

课程标准对科学态度的目标从四个维度进行了描述：探究兴趣、实事求是、追求创新、合作分享。以设计思维培养为载体，在对科学态度的描述中可以引入STEM教育与设计思维的理念，增加“遵循法律与道德规范”“系统观”“创造力自信”和“乐观”等维度。

3.通过基于STEM理念设计思维的培养，使“科学、技术、社会与环境”目标的设定更显“人文”

STEM教育理念与设计思维中“同理心”的引入，更加凸显“科学、技术、社会与环境”目标中的“以人为本”。除了让学生了解、认识科学技术与日常生活的联系，与社会发展的联系以及人类与自然和谐相处的关系外，新增了要求学生多角度、详细地观察世界，了解社会发展过程中遇到的难题，理解人类对科学与新技术的不断需求等。

4.通过基于STEM理念设计思维的培养，促进学生新知识的生成和创新

科学是认识世界、解释自然界的客观规律，主要解决自然现象“是什么”“为什么”的问题;STEM教育中的工程与技术是被人们用来改造世界，满足社会需求，回答在社会实践中“做什么”“怎么做”的问题。设计思维则是为“怎么做”提前做好方案规划与重要论证的过程。STEM教育理念与小学科学学科的有机融合，促使设计思维植入小学科学实验教学。这种多元智能培养的融合创新，极大地丰富了小学科学实验教学的内涵，在促进他们的设计思维发展的同时，对促进学生全面发展也有着非常重要的意义。

基于设计思维的实验内容选择与实施策略

1.基于设计思维的探究实验教学设计思路

培养学生设计思维的实验，要以现有的科学实验内容为基础，并在实施中融入基于STEM教育理念的设计思维元素。通过更加“人文”的设计思维培养过程，发展学生多元化的探究能力、丰富学生的科学态度，促进学生设计能力与创新、创造能力的发展。

基于设计思维的探究实验教学设计框架如图2所示，具体阐述如下：

（1）教学设计必须遵循一定的原则——以课程标准为指南，对接核心素养，突出“学科育人”的重要性，在遵循设计原则的基础上引入“思想实验”概念，对学生的设计思维进行培养。

（2）以教材现有科学实验为主要内容，构建新的实验教学设计，注重设计思维的发展。培养小学生的设计思维，要本着“以教材为本”的思想，在不加重学生学业负担的前提下，对教材现有科学实验内容进行实施方案的重构，达到多维产出的目标。

（3）在对现有科学实验实施方案重构前，教师要对取得的效益进行有预期的研判，不能只是实验操作形式的改变而思维发展收益不足。

2.基于设计思维的探究实验的教学内容选择

小学科学实验从操作方法上可分为两种：一种是实验操作技能训练的实验，以规范学生的实验操作为主，其探究价值与思维训练价值不是太大，可以不列入需要融合STEM理念与设计思维的序列，如用显微镜观察细胞、托盘天平的使用、酒精灯的使用等。另一种是科学探索实验，它是训练设计思维的重点，如杠杆、浮力、日食与月食等内容。

3.基于設计思维的探究实验的教学重构策略

（1）把按图索骥的简单验证，重构为自主设计。通过“思想实验”培养学生的创新构思，促进他们设计思维的发展。

自主设计是学生在自主实验过程中提出问题到实验之间最为关键的一步。实验方案的设计直接影响到整个探究活动的成功与否。在自主设计过程中，学生通过“思想实验”能够体验探索科学的方法，构建科学的思维。学生对所要研究的问题做出猜测，然后根据自己的猜测结合现有材料进行实验设计并实施，以证明自己猜测的正确与否。如五年级上册《土壤里面有什么》一课中，学生先对自己熟悉的土壤里的组成成分进行猜测，有空气、水、小石头、砂、灰（学生此时还无黏土概念）、营养（学生此时还没有腐殖质概念）等。猜测完毕后，教师指出设计要求，让学生自主设计实验证明自己猜测的正确性。“用手摸是湿的可证明有水”“把土壤扔进水里有气泡冒出证明有空气”，这些设计很快就出来了。但证明是否有营养时遇到了短暂的冷场，教师适时安排分组讨论，指导学生把问题与已有知识联系起来。讨论中，学生迅速完成了分析与推理，他们认为：可以用火烧的办法来证明土壤中有营养，理由是四年级学过检验蛋白质就是用火烧，含有蛋白质的食物被灼烧后会有刺鼻的臭味，土壤里的营养是动植物腐烂后变成的;植物我们不知道，但动物的肌肉、内脏的主要成分就是蛋白质，虽然腐烂了，但我们猜测蛋白质以另一种方式存在而已，用火烧可以检测土壤中的营养。“思想实验”完成后，学生用准备好的实验器材进行实验验证。在STEM理念与设计思维的建构过程中，学生这些富有逻辑的联系、分析与推论，真正做到了核心概念的活学活用。

（2）根据学生的具体学情与年龄特点，对教材中的实验次序进行重构，搭建好设计思维的培养平台。

教材具有普适性，而各地各校有各自的具体情况，这要求教师根据实际学情与学生年龄特点对教学次序进行重构。如《空气占据空间吗》一课中，教材设计由《乌鸦喝水》的故事引入，再让学生自主探究：在瓶子里装一些水，用几根吸管和一块橡皮泥，在不倾斜瓶子的情况下，能不能利用空气把水从瓶子中挤出来？探究得出结果后再做一个实验进行验证：把一团纸巾放在一个杯子的底部，然后把杯子竖直倒扣入水中，纸巾会被水浸湿吗？为什么？整个流程的设计为“引入—探究—验证”。

在STEM教育理念下这里增加了实践环节，教学策略做如下调整：由《乌鸦喝水》引入，在故事中强化学生对三个关键词“空间”“有限”和“占据”的理解。概念确立后，学生在教师引导下把原来的验证实验改为探究实验，并完成纸巾不湿实验的探究。探究流程为“猜测—寻找证据—实验验证—用绘本的方式完成思维外显”。然后再对这个实验进行延伸——如果杯子底有个孔又会发生什么现象？最后让学生再经历一次猜测、找证据支持自己的猜测、验证、用绘本的方式完成思维外显，从而内化学生对知识的理解。这样的过程为学生积累了更多的知识与成功经验，为解决后面的实践问题打下了基础。通过探究获取知识，知识内化完成后再提出用空气挤水实验的设想，进行项目驱动。教师要求学生以团队合作方式，通过讨论与设计，在最短的时间内完成用空气把水挤出来这一任务。在实际教学中，学生对这个具有一定难度的实践活动的完成率在85%以上。

（3）针对教材中实验的漏洞或问题进行二次设计，通过原型迭代与不断测试为学生提供经历“设计思维”的迭代过程的机会。

二次设计可视为项目式学习中的工程迭代过程。通过教材提供的实验已经证明了知识的正确性后，学生在教师的引导下对教材上的实验进行质疑，如实验操作过于烦琐、实验效果不太明显、实验现象过于抽象等。针对这些问题对实验进行新的设计，力争重构后达到最优。如证明“光沿直线传播”时，教材上的实验设计为：电筒光只能穿过在同一条直线上的三个小孔，并将光投影到小孔后的屏上;当三个小孔不在一条直线上时，光则不能投影到屏上。在这个实验中学生不能真实地看到电筒光在空气中呈直线传播，只能通过三个小孔是否在一条直线进行推测，不易理解。

在教师引导下，学生结合自己的生活经验重新设计实验：将一把粉笔灰撒向电筒光，光穿过粉尘时，直线传播的路线就直观地呈现在学生眼前。创新思维被激发后，常会有更精彩的生成：当看到粉笔灰下的光柱后，有学生进行了更深入的思考——粉笔灰是小颗粒，当光穿过时还能看到这些粉尘。如果让光穿过微粒，会不会只看到光而看不到微粒。很快学生把自己的想法付诸实践，当看到电筒光直直地穿过被稀释过的墨水后，教室里响起一片掌声。很快又有同学提出“那烟雾是不是由更细小的微粒组成的”。

（4）独立思考与小组合作，满足不同学生的学习需求。

大多数学生在遇到困难时都愿意与同伴一起合作完成学习任务，这是合作能力培养的过程，也是他们在遇到学习障碍时喜欢的一个解决问题的方法。教师在教学过程中应根据实际情况将学生独立思考与合作学习结合起来，并在此过程中兼顾到学习共同体的建设。

（5）多元化的设计评价指向多维度的效益产出。

评价应采取多元化的评价体系，在评价内容上不仅要关注学生对知识的理解与应用，更要关注学生设计思维与创新能力的提升;在评价方式上，采用学生自评、学生互评、教师评价相结合的方式进行;在评价目标的确定上，与小学科学课程四维目标对接指向多维度的效益。

（本文系“中国STEM教育2029创新行动计划”立项课题“STEM理念与小学科学教材<教科版>深度融合实践研究”的研究成果之一，项目编号：2018STEM139）

四川省威州民族师范学校附属小学

（623000）

东华大学（201620）

参考文献

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