设计型学习视域下的STEM教学模式构建

摘要：STEM教育与设计型学习在目标、内容、问题、过程、学习等多方面存在内在关联性。设计型学习视域下的STEM教学模式，以培养科学素养、工程素养、技术素养、数学素养为学习目标，以问题导向、头脑风暴、协作沟通、思维可视化为学习策略，构建包括科学探究环、工程设计环、拓展环三个循环的学习模型。

关键词：STEM教育;设计型学习;教学模式

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：1673-90942020）07B-0009-04

随着科学技术的发展，当今学校教育越来越重视创新人才的培养。正是顺应这样的要求，培养学生创新能力和实践能力的STEM教育受到世界各国的广泛关注，各国政府都在努力推进STEM教育。STEM教育起源于美国，2011年美国颁布了K-12科学教育框架，其核心内容包含科学与工程实践、跨学科概念、学科核心概念，将STEM教育引入科学课堂中。随后，世界各国相继出台有关STEM教育的政策，加入STEM教育改革的行列当中。2017年2月，我国教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》首次将技术与工程教育加入科学教育体系中，并强调跨学科的STEM教育，把STEM作为以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，将科学、技术、工程、数学有机融合为一体，有利于学生创新能力的培养[1]。

设计型学习是当前国外教育界悄然兴起的一种全新的探究性学习方式，以真实挑战为出发点，学生通过设计和探究完成挑战，掌握技能，发展高阶思维。设计型学习作为一种探究性学习方式，是STEM教育理念“落地”的重要途径。为进一步探究小学科学课堂开展STEM项目学习的教学改革研究，笔者把设计型学习与STEM教育结合起来，探索设计型学习视域下的STEM教育模式，为STEM教育实践提供新的思路。

一、设计型学习的内涵与操作模型

（一）设计型学习的内涵

设计型学习是美国教育学者纳尔逊（Nelson）提出来的概念，也称为“基于设计的学习”（learning-by-design，LBD）[2]。设计型学习将设计的技能、思维与教学过程结合起来，整个学习过程以设计为中心，不断循环迭代。学生在设计学习的过程中完成知識的建构，体验真实的操作过程，掌握技能，从而培养解决问题能力、合作能力、沟通能力，提升批判性思维、创造性思维。

对于设计型学习的内涵，目前研究者主要从方法和设计两方面进行阐述。一种观点认为，设计型学习是一种基于项目的探究学习方法[3]，学生在真实的任务环境中，通过完成特定任务，掌握相应的学科知识和技能。这种观点是把设计型学习视为基于项目学习的一种具体学习形式，学生以小组合作方式参与实践活动，在完成作品设计与制作的过程中，掌握科学概念和技能。另一种观点认为，设计型学习是一种教学模式[4]，学生在完成多学科设计任务过程中，掌握综合应用方面的相关知识和技能。本文采纳第一种观点，把设计型学习作为一种项目学习的探究学习方式，通过多次探究、设计完成真实任务，培养学生解决问题的能力和创新能力。设计型学习以“设计”为核心，体现“实践性”“整体性”“迭代性”“反思性”的特点，学生在设计过程中获得科学思维、设计思维、技术思维、数学思维等方面的提升。

（二）设计型学习的操作模型

典型的设计型学习模型主要有两种：一种是由Nelson提出的逆向思维模型;另一种是由克罗德纳（Kolodner）提出的基于设计的双循环探索模型[5]。本文主要以Kolodner提出的模型作为STEM教学模式建构的原型。

基于设计的双循环探索模型是Kolodner根据设计型学习的循环迭代性、过程整体性的特点提出来的。它体现了学生学习中涉及的科学探究和工程设计两个过程，以及两者间的紧密关系。同时，该模型也体现了学生建构知识和解决问题整个过程。基于设计的双循环探索模型主要由设计/再设计、调查/探究两个基本循环组成（如图1 ）[6]。设计/再设计循环圈是从挑战性的任务开始，进行设计与制作活动;调查/探究循环圈是为设计与制作活动提供多学科知识、信息资源，帮助解决问题。两个循环之间不是简单叠加，而是相互渗透、互相支持的密切关系。在这之中，“需要做”和“需要知道”是构成两个循环的纽带。在“需要做”的活动中，会不断遇到问题，这就要多次进入“需要知道”的循环圈里面，不断改进修正，最终完成挑战的任务。

二、设计型学习与STEM教育的关联

STEM教育是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）和数学（mathematics）四门学科的交叉融合，不过于关注学科界限，而是将核心放在要解决的问题上，强调学生参与实践，体验建构、设计、创造、合作解决问题的过程，从而获得在真实世界中应用知识解决问题的综合能力。设计型学习是一种具体的探究学习方式，通过设计循环和探究循环培养学生解决问题的综合能力，为STEM教育提供了清晰、系统、可操作的实施方式。设计型学习与5E探究模式、工程设计循环相比更能凸显STEM教育的实践性、跨学科性、设计性等特征。二者的关系如图2所示。

在培养目标方面，设计型学习与STEM教育都强调能力本位和高阶思维的培养u7在基于设计的双循环探究模型中，强调设计过程中运用多学科的知识解决遇到的问题，最终实现学生解决问题能力、创新思维的培养。这与STEM教育强调利用多学科知识的迁移运用解决实际问题是一致的。在内容方面，两者都强调了跨学科性和生成性[8]。设计型学习强调项目中的任务，并在完成任务过程中不断创新，形成新的知识和想法，并付诸设计与制作。这与体现了STEM教育内容的开放性存在内在的一致性。在问题方面，两者强调的都是情境性和真实性。设计型学习是在挑战情境中进行主动的探究，STEM教育也强调问题产生于真实的情境中，学生解决的问题是来源于他们真实生活的、实践中遇到的问题。在过程方面，两者都强调实践性和迭代性。设计型学习体现STEM教育过程中的迭代性，例如整个学习过程呈现为多次设计、改进和完善的过程;同时设计型学习也体现了STEM教育中的强调学生参与实践，在动脑、动手、动嘴自主参与学习过程中，体验解决问题的整个流程。在学习方面，设计型学习也体现了STEM教育中学生为完成挑战性任务而相互协作、相互交流，在完成任务的过程中通过设计图、作品等可见的方式评估学生学习的情况和完成任务的质量。

三、设计型学习视域下的STEM教学模式构建

设计型学习与STEM教育有众多的结合点，在STEM教育中采用设计型学习的操作模型作为STEM教学模式的基础，有利于构建小学科学课堂中开展STEM教育的应用教学模式。本文以培养学生核心素养为目标，以基于设计的双循环探究模型为参考，凸显STEM教育的设计性、迭代性、跨学科性、体验性等特点，从学习目标、学习模型、学习策略三个维度构建基于设计型学习的STEM教学模式（如图3）。

（一）学习目标

学习目标是教学模式的核心要素，STEM教育注重学生科学素养、工程素养、技术素养和数学素养的培养。通过STEM教育培养学生解决现实中复杂问题的能力和创新意识，特别是解决工程问题的能力，是STEM教育的核心。而工程的关键是设计，所以在STEM教育中，工程意识和设计能力是其中的关键。在学习过程中，学生在调查研究和工程实践中能获得多学科知识和技能、批判性思维、创新思维、沟通能力和合作能力的提升。

（二）学习模型

学习是整个STEM教学模式的主体部分。学生、教师组成学习共同体，教师是组织者、指导者、支持者，学生则充当“科学家”“设计师”“工程师”的角色，在教师的辅助下，学生执行学习任务，经过一系列的探索、设计和实践，最终解决问题，制造出产品。从图3可见，学习模型包含3个循环，分别是科学探究环、工程设计环、拓展环，其中最基础的是科学探究环和工程设计环。科学探究环帮助学生获得进行工程设计环所需要的科学知识和技能，技术和数学给科学探究和工程设计以支持，在多方的共同支持和相互作用下完成作品定型，通过评价量规检测完成任务的情况。同时这个循环又是开放的，对作品可以进行进一步创新、拓展，这样会进入新的任務，开始新的一轮探究和实践循环。如此不断地循环迭代，正是体现了工程思想。从具体的学习模型操作过程看，第一步是明确任务，STEM教育强调融人生活、从身边的现象出发，建立教育与生活之间的有机联系，通过创设真实情境，利用有挑战性的任务，激发学生的学习欲望和动机。第二步提出驱动性问题或识别问题，明确要完成的任务、需要解决的主要问题，并给出完成挑战性任务的评价标准。第三步根据任务，选择进入科学探究环或工程设计环，左边循环和右边循环是互相促进、彼此渗透，相互交替进行。如果需要先了解所要知道的，那么就进入科学探究环，掌握完成任务所需要的知识和技能。如果需要先进行设计，那么就进入工程设计环，先制定设计方案，利用已有的知识和技能进行初步的设计;然后制作和展示初步的作品，通过相互交流，提出修改意见，进行完善;接着进行测试和优化;再进行分析解释。如果还存在问题，可以继续进行科学探究或改进设计、完善作品。第四步就是作品定型，进行发布、评价。第五步，如果还有更好的创意想法，可以对作品进一步进行创新，再次进入新的一轮循环中。整个学习过程以学生为主体、以教师为主导，在每一次的循环迭代中学生获得多学科知识和技能、高阶思维能力、创新能力、问题解决能力的提升。

（三）学习策略

在整个学习过程中，以驱动性问题为导向，引导学生一步步进行探究和实践，通过头脑风暴，让学生充分暴露自己的想法和观点，鼓励学生奇思妙想。小组协作学习是学生进行STEM学习的重要形式。学生通过学习共同体互相讨论、交流和沟通，获得对知识和设计的理解，从而有效完成任务。在此过程中，沟通显得尤为重要，学生要学会聆听，尊重他人的意见，虚心接受别人的建议，对自己的学习进行反思，整合他人的观点，在小组中做出自己的贡献。教师要帮助学生搭建探究脚手架，让学生的思维可视化。可以通过多种呈现方法和多种表达方式，例如设计图纸、模型、报告等，呈现学生的思维过程。引导学生积极主动参与到解释的过程中，讲解自己的设计过程、制作过程和方法，在呈现自己思维过程的同时，培养元认知技能，实现科学世界与学习世界的互动。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[M].北京：师范大学出版社，2017：63.

[2][3][4]李美凤，孙玉杰.国外“设计型学习”研究与应用综述[Jl.现代教育技术，2015，25（7）：12，12，13.

[5][6][8]秦瑾若，傅钢善.面向STEM教育的设训型学习研究：模式构建与案例分析[J].电化教育研究，2018，39（10）：86，86，85.

[7]赵亚萍.设计型学习视域下的STEM教学对小学生科学探究能力的影响研究[D].武汉：华中师范大学，2018：17.

责任编辑：杨孝如

本文系广州市教育科学规划2017年度名师课题“基于STEM教育的小学科学项目设计与实践研究——以技术与工程领域为例”（1201741491）研究成果。

收稿日期：2020-04-19

作者简介：郑雪萍，广州市天河区教育局教研室（广东广州，510630）教研员，高级教师，广州市名教师工作室主持人，主要研究方向为初中生物教学和小学科学教学。