产品设计视角下的中小学STEM 项目教学实践探索*

◆高惠娇 程振才

0 引言

当前，STEM 领域的研究基本达成共识：STEM教育不是四门学科（S，科学；T，技术；E，工程；M，数学）的简单叠加，而是通过四门学科核心知识与能力的有机整合[1]，促使学生综合解决生产生活情境中的真实问题，从而培养学生的跨学科整合能力、创新能力和高阶思维。STEM 教育自身蕴含的学科融合属性，使其成为推动跨学科教学的有效途径[2]，而方案、模型、作品、产品等物化实践能促进学生将STEM 不同学科知识和技能整合贯通[3]。本文所讨论的产品是指能满足人们某种需求的有形物品，它来源于复杂的现实问题情境，能为整个问题解决过程提供非良构的结果呈现。

1 区域STEM教育模式

笔者所在区域内中小学校多采用两种模式开展STEM 教育。

一种（见图1）是根据国家STEM 四学科课程内容提取出大概念，依据概念原理形成项目问题和探究活动，让学生在问题解决中体验方法、呈现结果。在这种模型结构中，四学科是并列关系，各学科内容占比和并列顺序按需调节，其总体学习目标主要是促进科学和数学学科的教学，而工程和技术是教与学的辅助手段和促进学习的支架；其知识层面是通过涉及的学科核心知识构建知识网络，形成学科大概念以及小的核心概念；其思维层面是以观察、记录、描述科学现象，实验探究科学规律，培养推理、论证、质疑和创新等科学思维，以数量关系和空间形式，理解和表达现实中事物的本质、关系和规律，培养符号运算、逻辑推理、模型建构等数学思维。

图1 STEM 教育开展模式一

另一种模式（见图2）是以某种主线贯穿STEM学科内容、能力素养和思维方式。在这种模型中，STEM 四学科是串联关系，虽然串联顺序可以根据实际需求调整，但四学科的内容占比基本均衡，并且在学习活动的每一个环节，四学科缺一不可。

图2 STEM 教育开展模式二

本文所阐述的STEM 项目教学就是以产品设计为主线，促使学生综合运用科学、技术、工程和数学等相关领域知识，解决生活中的实际问题，从而培养创新能力和综合实践应用能力。

2 产品设计贯穿STEM教学的可行性分析

2.1 产品设计的性质

产品源于生活，用于提高生活品质。产品的基本要素包括用户、场景、需求、原型与模型、材料与工艺、测试与优化等。设计能把设想形成方案和产品，是一个包括构思、成形、优化、迭代的问题解决过程，是对人类生活的可能性的谋划，是一种人生智慧。产品设计需要运用问题解决、创造性思维、批判性思考和推理等多种策略，强调手脑并用，采取多种方案创新解决不良结构问题，蕴含着文化修养、社会责任、自主发展等丰富的育人价值，对学生创新精神和实践能力的培养以至对国家科技发展都起到良好的支撑作用。

产品设计的主要规 则有问题解决、功能、约束条件、权衡、创新、最优化、试验、效率、结构、控制、流程、系统。产品设计一般遵循科学性原则、安全性原则、实用性原则、经济性原则、可靠性和耐用性原则、工程心理和生理学原则等，常常使用试验、试用、测试等方面检验实际效果。

2.2 产品设计与STEM 四学科的关系

2.2.1 设计必须遵循科学原理，产品设计是把科学理论转化为实践力的桥梁 科学活动的本质是发现客观对象的真理性，产品设计前期必须依靠科学原理的指导，明确“是什么” “为什么”等问题。产品设计过程中的逻辑推理、实验验证、证据解释、应用解决问题等科学探索环节，不但能极大地促进科学知识和思维技能的发展，而且能培养严谨求真、独立合作、质疑批判、实证理性等科学素养。

2.2.2 设计是技术蕴含的应有之义，产品设计是技术改变人们生产生活方式的主要途径 技术的根本目的是解决实际问题，而设计是产生解决问题方法的主要途径；设计是技术的关键，设计推动技术不断进步和发展。产品的出发点是使生活更加舒适，其创新和革新既要求从功能、性能指标、耐用、安全、外观、适应性等多种外部关系进行设计，还要求从结构、系统、流程、控制等内部矛盾、协调、制约等相互关系来设计。产品设计过程中的规范性、完整性、严谨性、先进性、创新性，能促使学生掌握相关技术，理解技术的规范标准及技术对人类社会、自然的影响，培养学生的安全责任意识、环保意识。

2.2.3 设计是解决工程问题的基本方法，产品设计有助于发展工程素养 工程属于改造世界的实践，产品设计是制造具有使用价值的物品的一个过程，两者都高度关注实践过程和结果的形成与优化。当前，我国中小学课程中缺乏工程类知识内容及思维能力培养，不利于我国未来智能制造及工程装备的发展，因此，在实施STEM 教育时更需要引导学生从产品的创新性、产业性、经济性等视角解决生活生产中的真实问题，全面培养学生的工程素养。产品设计需要掌握工程常识与专业知识，需要具备分析解决问题和动手操作的工程能力，需要具有发现问题、正视风险的工程意识，需要有生态、安全等工程伦理，能培养学生以系统分析和比较权衡为核心的工程思维，能引导学生领悟结构、流程、系统、控制思想和方法并加以运用，能促使学生进行简单的风险评估和综合决策，能促使学生通过工艺和材料进行工程实践。

2.2.4 设计必须以数学概念及思想奠基，产品设计能以不同形式、多种思考方式来表征数学 数学素养是一种理性素养，是现代社会每一个人都应该具备的基本素养。问题需要用数学关系去描述，产品设计初期需要收集数据与评价数据设计；产品设计过程需要用动作、图形、符号等不同形式和准确理解、牢固掌握、判断推理、解决问题等多种思考方式来进行数学表征，需要用数学抽象、推理和模型来揭示产品结构与结构化，需要使用数学推演与推导的思想与方法，经历从特殊到一般的探究过程。

综上所述，产品设计在知识内容、能力方法、思维意识等诸多方面与四学科紧密相连，有关键的联结点和控制点，能作为一条重要主线贯穿STEM教育教学。

3 产品设计视角下的STEM项目教学框架分析

笔者所在区域内中小学STEM 项目教学多采用问题驱动、任务驱动、项目化学习等方式，其中项目化学习是采用最多的教学方式。项目化学习解决真实情境、真实生活、真实社会中的问题[4]，关乎用户真实而繁杂的实际需求，立足特定的条件和准确而具有挑战性的目标，需要寻求各种资源并借助各种工具，持续探索解决路径并螺旋修正优化。基于产品设计的有效STEM 项目教学有三大特征：一是能运用STEM 学科方法和迭代式设计来解决现实生活中的问题；二是能批判性地反思产品制造和运用对生活、社会与环境产生的影响；三是能将物化产品（学习成果）的效益及其含义有效地传达给受众。

3.1 教学设计

本文阐述的项目包含科学、技术、工程、数学四个要素，以产品设计为主导，运用所学知识关注现实问题，结果开放。产品设计贯穿下的项目教学，用产品作为任务的关键词，以产品设计串联四学科的专业特点、思维方式、价值观念、行为规律，其本质是通过产品设计，让不同知识体系之间建立内在关联，通过不同学科相互作用形成知识的整合，形成跨学科的化学反应。

3.1.1 设计原则 产品是STEM 教学的物化呈现，是真问题、真应用、做真事；设计是STEM 教学的活动体验[5]，是真探究、真解决、真做事。产品设计的目的不是简单地获得知识，而是通过设计让学生在情境中体验、在交互中体验、在个性中体验、在探究中体验，让学生在知识应用与重构、实践驱动与探究中发现和成长，以激发学生的问题意识、学术思维、批判精神、独立思考能力、知识综合应用和创造能力。

基于产品设计的STEM 项目教学的核心原则有：

1）学生主动设计，让产品在学生自然、自知、自主、自控、自在的设计中完成；

2）以问题解决为导向进行情境体验，让学习探究活动适切、愉悦、真实；

3）以用户为中心进行交互迭代，让学生理解和满足人们的实际需求，让产品在真实生活情境中应用并考虑最终使用者，让设计成为一个过程结果可视、不断批判评估、反复螺旋改进的探究过程。

3.1.2 教学目标 产品设计能避免STEM 教学走入“重技能培养轻知识学习，重活动形式轻科学精神，重学习结果轻学习过程”等误区。产品设计贯穿下的STEM 项目教学，以问题解决为起点，以产品物化为依托，让学生在理解、设计和制造产品的创造性过程中去理解原理、享受过程、发展思维，从而将学科内容、学科思维与现实问题结合，将思维方式、情感激发、社会责任和价值信念融合，逐步形成未来所需的价值观念、必备品格和STEM 关键能力，促使学生成为有时代理念、会技术设计、能动手制作、善创新创造的高素质人才。

3.1.3 实施步骤

1）发布真实产品需求、制定功能目标与评价量表。展示实地调查和收集的问题资料，组织学生明确产品设计的价值和技术问题，引导学生依据需求结果写明产品功能，然后绘制功能评价量表。

2）组织学生调查并收集相关设计信息。组织学生小组合作收集设备、材料、技术、资金等信息，明确设计条件及能力。

3）运用四学科相关知识、按照设计原则和流程制订设计产品方案。组织学生制订多个不同的产品设计方案，小组合作对方案进行分析、权衡和比较，选定最优方案进行具体、详细的设计。

4）进行产品实现、试验完善优化、展示交流分享。组织学生小组合作使用相关材料和工艺对产品进行制作和调试，组织学生小组间产品展示和试用，收集、分析存在的问题和解决建议，对产品进行优化修改。

教师在整个过程中需要持续追踪学生的学习过程，并及时精准为学生提供反馈，确保产品制作按设计方案进行。

3.1.4 教学评价 基于产品设计的STEM 项目教学评价，以产品的实际效果以及达到的标准、面临的限制条件和使用者的评价为基础，综合产品是否达到预期功能、设计的可行性与安全性和心理生理学及法律规范等因素，开发具体的学习评价量规，聚焦学生、教师、专家等多主体参与，坚持过程性评价与结果性评价相结合，对教师STEM 教学质量、学生STEM 素养进行综合评价。

3.1.5 注意事项 产品设计所需资源较多，教师在组织教学活动时应提供范例支架、问题支架、向导支架、工具支架、图表支架等多种支撑框架，加强支架导引，驱动学生自主探究；也可采用“半成品加工”教学法，以缩短产品制作的进度、控制产品成品的差异度。产品设计与制作周期较长，教师在实施中可设置导引课、探究课和展示课等多种课型，并合理构建不同课型的构成要素和教学功能。

3.2 学习流程

STEM课程是融合探究、设计、实践和创造的跨学科综合课程[6]，产品设计贯穿下的STEM 项目学习强调真实问题发现、综合知识应用、系统创新设计和产品物化实践。产品设计是一个动态发展的过程，每个阶段和步骤根据设计实际可能不同，在综合学生已有知识和经验的基础上，构建以下学习流程：

1）发现确定问题或研究对象，明确用户需求结果和产品功能分析；

2）界定目标和限制条件，明确是否值得解决、是否有条件解决；

3）搜集设计产品所需的信息、数据、资料及知识探究；

4）计划出多步骤的制作过程，开展“头脑风暴”，提出多种可能的产品解决方案；

5）对多种方案进行分析、比较、权衡，分析产品制作的可行性，根据自身或小组实际选定产品方案；

6）进行具体详细的产品设计，用相关技术、材料和工艺、工具制作原型或模型，制造中间过程需要多次检测、评价及改进；

7）基于技术指标和测试数据对成型产品进行功能测试、性能测试、安全测试、适用性测试，对产品测试发现的问题或新的创意进行改进和优化；

8）向同学、老师、亲朋好友、技术专家描述制作过程、展示产品，并咨询他们对产品的意见和建议（如果需要产品优化，可重新设计方案，进行产品设计的流程）；

9）根据产品行业标准或技术规范制订适当的评价表并进行评价，撰写产品说明书，进行鉴定或申请专利。

因为产品设计与学生已有的知识体系、所涉及的问题和学习中遇到的困难与挑战相关联，所以以上各步骤并不是绝对的，在具体实施中，各步骤可以重复，或者从某一步骤反馈到之前的任何步骤并不断迭代。

3.3 育人价值

产品设计贯穿的中小学STEM 项目教学是教育体系的重要组成，承载着时代和社会发展需求。学生经历产品设计的全过程，能学习、积累、重构和应用STEM 多学科基础知识内容、基本方法技能、基本思维素养和基本实践经验；能形成对现实生活问题的认知敏感性、产品设计的亲近感、经济社会的责任担当意识，以及对产品与人、社会、自然的文化感悟；能养成综合运用多学科知识解决多场景、混合式问题的思维习惯，养成实事求是、细致严谨、精益求精的劳动观念；能形成初步的理工类职业规划、职业素养和创业意识，为培养未来制造业人才奠定基础。

4 结束语

产品设计贯穿的STEM 项目教学，以指向驱动性问题解决的产品为基础，以设计整合教学活动和任务流程，从设计能解决实际问题的、有价值的产品出发，确立主题，以问题的生成、探索与解决为主线串起各个活动。它是一个基于问题进行创新产品方案构思的系列问题解决的过程，是一个运用相关的跨学科知识与方法进行问题解决的过程，是一个学生从“被动听从”转向“主动设计”的过程，是一个学生始终持有好奇心、神奇感和成就感的过程。它能改变STEM 教育领域存在的学科教育与跨学科教育未能协调发展的状况，能促进未来社会劳动力知识、能力、素养结构的升级换代，能提升我国的国际竞争力。