STEM教学中关键概念的比较与落地

[摘   要]科学探究、设计思维、计算思维、工程思维已成为STEM教学的关键词。准确理解并实践上述核心概念，是当前STEM教学中的一类重要问题。梳理概念内涵，以形成便于广泛传播、利于实践交流的共识，是解决这一问题的前提;以各概念模型与核心特征为参考，形成操作流程、教学脚手架等实践抓手，是支持这些概念在教学中准确落地的关键和核心。

[关键词]STEM教学;科学探究;设计思维;计算思维;工程思维

一、引言

当前，科学探究（Scientific Inquiry）、计算思维（Computational Thinking）、设计思维（Design Thinking）、工程思维（Engineering Thinking）已成为STEM教育的关键词。然而，当前的一些教学实践表明，上述概念存在内涵不明、理解泛化、形式主义乃至异化实践的现象，这不仅偏离了其教育初衷，而且破坏了STEM教学的发展生态。为使这些概念有效落地，需做好两方面工作：一是要对表述不尽统一的概念内涵进行梳理，以形成便于广泛传播、利于共同体实践交流的内涵共识标本，这是引领概念落地的基础;二是以各概念教学模型为参考形成实践操作流程，以易于理解、简化提炼的概念核心特征为实践指南，生成各概念在实践环节中的教学脚手架，这是确保各概念形神兼备、准确落地的实践抓手，是支持概念落地的关键和核心。

二、实践基础：确定各概念的基本内涵共识

科学探究、计算思维、设计思维、工程思维等概念，在理论层面有多种定义，其不尽统一的内涵表述，客观上为课程目标设置与教学策略选择等教学应用制造了障碍。因此，有必要对这些概念追本溯源，从多样化表述中厘清其基本内涵。

1.科学探究

科学探究是教育领域一个相对成熟的概念。科学教育领域的经典书目Teaching Secondary School Science将其定义为：“科学探究是一种系统的调查研究活动，其目的在于发现并描述物体和事物之间的关系，其特点是采用有秩序的和可重复的过程;简化调查研究对象的规模和形式;运用逻辑框架作解释和预测。探究的操作活动包括观察、提问、实验、比较、推理、概括、表达、运用和其他活动。[1]”科学探究原本是指科学家为生成、验证、发展科学知识而在科学研究过程中开展的各种探究活动，同时涉及一系列方法，其目的在于通过对人类所累积的知识进行本质的理解和反思，对后继观察有预测的解释[2]。科学探究的本质在于通过强逻辑性的系列证据完成对假设的验证。在教育领域，科学探究主要应用于科学教育。在不同情境中，科学探究可以被理解为一种教学方法、一种教学活动类型，或者一段教学过程。与科学家的科学探究相比，科学教学中的科学探究在对象、方法、结果等方面均存在差异[3]。具体而言，科学探究涉及到的具体科学方法包括：观察;确定因变量、自变量并对其进行测量、分类、记录;对实验数据进行统计分析;使用图表、表格等。

2.设计思维

设计思维起源于设计学、管理学领域[4]，最早可追溯到1969年西蒙（Simon）《人工科学》一书。后因关注与应用范围的扩大，其内涵不断丰富。整体而言，对设计思维的理解大致可以分为三种：一是方法观，认为设计思维是一套帮助人们创新的结构化方法;二是过程观，认为设计思维是一种基于分析、构想、创造、迭代等环节的解决问题的过程;三是能力观，认为设计思维是设计师与他人相区别的一种复杂而高阶的专业心理能力[5]。其中，能力观因难以鉴定其概念的内涵与结构，且缺乏评价标准，对实际教学的影响有限。目前，设计思维在STEM领域主要是以方法观和过程观结合的视角被理解和应用的，具体表现为支持创新教育实践的方法、策略、模型、框架等形式。

3.计算思维

2006年周以真教授发表了名为Computational Thinking的论文，标志着计算思维的研究与实践进入了一个新的阶段。在国内，计算思维的研究是从高等教育向基础教育拓展，从计算机科学向STEM等其他学科延伸。当前，对计算思维的研究主要有三种视角：一是计算机科学的学科视角，以编程为核心内容和培育方式，强调提高学科教育水平;二是问题解决视角，强调计算思维的功能性和综合性，能实现对复杂问题的求解;三是思维能力视角，认为计算思维是信息时代一种重要的认知思维方式[6-7]。整体上，在理解和应用计算思维方面多为上述三种视角的整合，其中问题解决视角更占主流。与此类似，代表了国内权威的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》，对计算思维的定义也突出了问题解决的综合视角，指出“计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理算法形成解决问题的方案，并迁移到与之相关的其他问题解决中的一系列思维活动。[8]”

4.工程思维

工程思维概念源起于21世纪初在高等教育领域兴起的工程哲学，该领域提出了“科学技术工程三元论”，为进一步辨析与把握工程的本质与特殊内涵，工程思维这一术语应运而生[9]。工程思维在基础教育阶段被广泛熟知是源于《普通高中通用技术课程标准（2017版）》将其作为学科核心素养之一，并对其定义进行了具体描述：“工程思维是以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维。学生能认识系统与工程的多样性和复杂性;运用系统分析的方法，针对某一具体技术领域的问题进行要素分析、整体规划，并运用模拟和简易建模等方法进行设计;能领悟结构、流程、系统、控制等基本思想和方法并加以运用;能进行简单的风险评估和综合决策。[10]”相較而言，工程教育是基础教育中的后起之秀，聚焦工程思维，深入而系统的教学实践仍不多见。整体而言，当前相关教学对工程思维的理解与应用，主要是出于凸显教学具有工程教育的特质以与其他教学形式相区分的目的，具有融合工程思维与工程素养且内涵更接近素养的特点。

三、基于共识内涵的各概念

在STEM教学中的定位比较

明晰概念内涵，确定概念性质，是教育概念得以准确落地的前提。将关联概念统一横向比较，既益于识别日常被忽视或引发疑惑的各概念具微的属性差异，有助于更准确地理解概念内涵，又能在差异化比较中，促进理解各概念最本质的核心特征。

各概念在内涵方面具有一定的开放性和丰富性。简而言之，在STEM教育中，科学探究既是实体教学环节，也是一种教学方法;设计思维是一个综合性概念，在教学中多表现为一种教学策略，属于方法论层面，旨在追求创新;计算思维融合多重视角内涵，具有综合性，是学科核心素养，属于教学的目标成分;工程思维是一种学科核心素养，其本质是一种高阶思维形式，属于教学的目标成分（见表1）。

四、实践关键：以核心特征为引领，

基于教学模型流程，生成教学脚手架

以上概念已有部分被确立为课标内容，实践落地势在必行。教师作为实践落地的主力军，更关心概念的操作流程及其规范。本文认为，操作流程与规范要求固然重要，它解决的是“如何做”的问题，是概念落地的实践之“形”，但在实践中只懂得固守其“形”，不深究其规范何以形成的深层原因，只会使实践走向机械与僵化。因此，教育概念落地时的操作流程还需思想理念引领变通。为便于专业反思和共同体交流，应将概念的思想理念简化提炼为核心特征，这是概念实践落地的“神”。如是，形神兼备，生成教师实践的教学脚手架，作为教育概念落地的实践抓手。以核心特征为引领，基于教学模型流程，生成教学脚手架，三位一体，可增强概念落地操作的科学性和生命力，这是教育概念实践落地的关键和核心。

1.科学探究的核心特征

科学探究的核心特征是基于证据的思辨、大胆质疑、严谨求证。科学探究在科学教育中不可或缺，其意义在于使科学教育摆脱原有的将科学知识與结论向学生直接灌输的非科学式教学方式，能够将科学好奇、科学质疑、主动思辨、批判创新的主体还给学生，通过实验探究的严谨求证过程最大程度地“活”学科学，批判性、主动性、建构性地理解科学思想。科学探究作为探求问题的一类方法，在科学教育中的一般过程包括以下六步。

一是提出问题，是指科学探究的出发点是一个科学问题，以问题唤醒学生的好奇心，激发其探究的兴趣;二是作出假设，即通过日常经验、观察与思考，归纳出可能对探究问题产生影响的因素，对这些因素与问题进行相关的肯定或否定的猜想（如“物体的稳定性与支撑面的大小有关”），并以命题的方式呈现;三是实验设计，即根据假设，在满足一定信度、效度、实验误差等条件下，通过控制变量，设计观察并记录实验自变量与因变量的互动变化关系的方法或途径，以最终判断假设是否成立;四是实验实施，即根据上一步的实验设计，依靠必要的材料、工具、方法等开展真实的实验实践，并在科学规范的操作中记录实验数据;五是得出结论，即对实验数据进行整理、分析，形成对假设的明确的支持与否定的判断，进而依据假设给出实验结论，如“物体的稳定性与支撑面大小有关，且支撑面越大物体的稳定性越好”;六是表达交流，即向自己的共同体清晰表达自己的实验逻辑、数据与结果，并进行建设性对话，促进对这一问题的再认识与新发现。

为支持教师对科学探究类学习活动的教学反思与改进，可以参考如表2所示的科学探究类教学的脚手架。

2.设计思维

设计思维的核心特征是以人为本、创新。设计思维倡导面对问题，要从需求的主体即用户出发，设计者要切换到用户视角，通过捕捉用户的背景信息、个人习惯、事件场景等与该问题产生与依附相关联的尽可能多的信息，获得更多高价值的问题解决线索，进而支持最终创造性地提出具有私人定制特征的解决方案，以站在用户的角度更好地达成问题解决。

设计思维已经成为研究与应用的热点之一，过程框架的模型众多。虽不同模型略有差异，但主要都包含“启发—构思—实现”三大步骤[12]。为更具指导性，在此以应用最多、影响力最大的斯坦福大学设计学院的五环节模型为例[13]，介绍设计思维的典型教学过程。

一是共情（Empathize）。设计思维的一个重要理念是“以人为中心”，为深度理解用户，需要开发者设身处地地站在用户的视角，通过观察、访谈、融入等多种方法获取用户的第一手资料，对“人”的需求进行深度、系统、个性化的分析，为后续解决问题选择突破点、方法、工具奠定实情基础。比如，自动取票机放置身份证的台面采用了倾斜设计，乘客需要始终手扶身份证以免滑落，这样就能有效避免在匆忙中遗失身份证。这一设计的成功之处在于对用户的深度共情，精准捕捉到了在拥挤的火车站场景中乘客容易在匆忙中遗失证件的特征。

二是定义（Define）。定义是指对问题的进一步描述。因为最开始接触和发掘的原始信息可能是冗杂的，需要对原始资料进行二次梳理。可以根据用户需求、现实支持条件等各方面信息综合确定设计方案应聚焦解决的子问题。简言之，这是对复杂问题进行归纳分类，并确定问题解决功能指向性的重要一步。

三是构想（Ideate）。通过采用类比、归纳、想象等方法，积极调动发散思维、聚合思维、直觉等形式，提出问题的解决方案。构想的外部方法或形式包括“头脑风暴”“九宫格”“六顶帽子”等。

四是原型（Prototype）。根据构想阶段的方案，依据具体的材料、工具，应用必要的技术与工程方法与技术，完成概念方案的物理模型实现。

五是测试（Test）。基于原始问题，将产品置于情境中进行问题解决实效检验。根据实际检测的效果与用户需求，进一步优化作品。

设计思维作为一种复杂的方法论，其有力促进与发展创新的主旨并不会在教学中自然地发生。高质量创新学习的发生，其必要条件之一是学习者与恰当教学环境的合理互动，这有赖于教师精心与专业的设计。设计思维在各教学环节有其独特的学习路径喜好或要求，因而，课程开发与教学的专业设计，应确保以匹配的教学策略与方法组织相应的学习活动。也只有在这样设计的学习环境中，学生才能在参与学习活动时，真正作为主体，建构性地体验、参与、发展设计思维的概念意义与教育价值。设计思维类学习活动的操作方法如表3所示。

3.计算思维

计算思维是信息时代人人必备的通识素养，其理念在于培育人以信息可计算的方式去解决问题，通过一个特定问题实现一类问题的自动化解决、创新问题解决的意识和能力。在现有文献中，谈及计算思维要素核心特征最多的词汇是抽象、自动化、形式化、建模、算法等[14-16]。概括而言，计算思维的核心特征是抽象。本文认为，上述其他特征仅仅是计算思维在问题解决的不同环节中“抽象”这一核心特征在处理形式上的差异化表达。例如，形式化是对现实现象以特定标识转为信息的过程，是对现实问题的抽象处理的直接结果;建模是基于形式化所得结果，进一步对所涉及信息以结构化数据的形式呈现，在此基础上抽象出信息流输入输出的完整共相模型;而算法则是基于该模型解决问题的完整过程的分解，更清晰并可验证地达成每一步的结果，进而完成完整的问题求解;而自动化则是算法实现的运行方式，通常有机器运行而非使用人力的含义。以计算机为例，计算机之所以能够处理海量信息，是因为其所处理的信息遍历了上述信息形式化、数据结构化、建立共相模型、算法实现、自动化的从原始现象到结构信息数据的抽象过程。反过来说，计算机仍有很多不能处理的信息，也正是因为计算机对上述过程尚未完全抽象遍历的结果。总而言之，抽象是计算思维的本质。

基于课标中的定义，可梳理出计算思维的一般流程共八个步骤，它们都是抽象的阶段性关键表达，可完整呈现计算思维的问题解决逻辑。

一是界定问题。包含两层含义。其一，要从自然环境、复杂情境中剥离出要解决的问题，实现从客观世界问题到可解决问题的转化;其二，要对这个可解决的问题是否适宜采用计算思维加以解决进行可行性判断。不是所有的问题都适宜以计算思维解决，计算思维更倾向于通过对特例问题的一次性建模以达到对同一类问题自动化求解的情况。如，通过对一元二次方程ax2+bx+c=0进行一次性程序建模，对任意确定的一组参数a、b、c都可以求得x的解。

二是抽象特征。基于界定的要解决的问题，首先需要甄别出涉及该问题的对象、属性等关键要素或特征，以概括的方式将原始的复杂问题简化，使人更容易理解和把握问题的本质。

三是结构数据。根据上一步关键特征或要素的性质，选择合适的数据表征方式完成原始信息的数据映射表达，最终确保各关键信息以合理的方式完整、准确地被存储和组织。

四是建立模型。根据先前的结构化数据，对所有参与问题解决的变量进行完整的因果关系或相关关系的系统描述，使所有关键特征具有明确的输入输出关系。模型的方式可以是程序、认知策略模型、函数、编码规范等。

五是算法分解。根据所建立的问题解决模型，设计一套问题解决的完整流程，该流程要细分为若干更小的步骤。而每一个步骤都需要用清晰的概念表达，而且每一步的执行结果成败可以被明确检验。这样，算法分解就是一个使问题解决的过程细化、清晰、完整化的步骤。

六是调试优化。即对先前建立的模型与具体算法进行实现，在实现过程中检验该模型或算法的功能性、稳定性，根据实验中經历的失败、问题等进行迭代优化，追求最优解的过程。

七是问题解决。根据先前的模型、算法及优化调试，得到相对满意的解决方案后，回应并解决最初界定待解决的问题。这是该问题是否被解决的一个结果呈现步骤。

八是归纳迁移。将解决该问题所形成的方案，通过归纳分析，迁移应用到同类问题，实现举一反三的效果，这也是计算思维与其他概念问题解决的最大差异。归纳迁移也使计算思维实现了从特殊到一般，再从一般到特殊的抽象进阶。

计算思维在实践中灵活性较大，为此，可用关键反思问题作为教学脚手架，以支持教师反思教学实施（见表4）。

4.工程思维

工程思维是工程领域思考方式独特性的体现，其核心特征是实践性、综合性和系统性。实践性是指工程思维必须为真实的问题解决过程服务，并最终以实体作品的形式作为成果。实践性是工程思维的灵魂，也是其本质特色。综合性包含两层含义，一是工程思维需要汇集多个学科，包括但不限于科学、技术、数学、艺术、经济等;二是工程的各环节同样需要多种工艺、技巧、方法等。系统性是指工程的所有环节应该经过理性的统一规划、设计、管理、实施，避免管理失序和实施混乱，以降低成本、提高效率。

工程思维分为两个类别：流程类和思维能力品质类。遵循便于实践的原则，本研究以流程类为例介绍工程思维的一般流程，共分为以下四大阶段。

一是工程决策。主要涉及调查探索、分析问题、确定目标等，是工程活动的首要环节。通过工程决策可为后期的方案设计等确定实情依据与方案方向。

二是工程设计。主要涉及功能筛选、结构设计、程序设计、美观设计等，其目标是针对要解决的工程问题确定工程方案，为后续工程实践进行科学、理性的规划。

三是工程实施。主要涉及器材选择、产品搭建、程序设计、美艺处理、测试与迭代优化等。作品原型与最终形式将在这一阶段产出。该阶段一般采用项目合作的方式进行，教师应特别注意学生在该阶段所表现出的工程管理意识和能力，它涉及分工合作、材料监管、程序软件与硬件搭建、项目耗时的阶段性监管、遇到困难挑战时的问题解决等一系列现实要素，直接关系项目最后的成败与质量。

四是工程评价。主要涉及作品展示、总结反思两个子维度。

为了支持教师不断优化教学实践，本文对STEM教学中工程思维的实践操作要点和反思问题进行了归纳（见表5）。此外，工程思维还具有目标成分，高中相关课程标准对工程思维进行了5个层次水平的区分，值得借鉴（见表6）。这些内容将有助于STEM教师进一步打磨出具有个人特色的教学脚手架。

五、各概念在STEM教学中的特质与作用

概念特质是不同概念独特本质的差异化内涵表达，是各概念教育思想与教育理念的重要载体。准确把握各概念内涵特质，有助于各概念在复杂多变的教学实践中因地制宜地实现各概念教学实践的准确落地，是在教学中充分发挥概念的特色与教育价值的关键（见表7）。

科学探究的特质是求真，是基于证据的思辨、大胆质疑、严谨求证。在STEM教学中，科学探究可作为其中的一个环节，让具有不同想法的学生都能有足够的主动尝试、科学试错的机会，充分探究各具特色、充满想象力与创新性的想法，以实现主动思考式的问题解决。科学探究的价值还在于发现和验证“是什么”“为什么”。因而，应鼓励学生在发现和选择后续问题解决方法的过程中，基于科学探究采用准科学式的、比较的、量化实验分析的方法，甄别不同问题解决方法的科学原理、技术与工程技艺的优劣，进而在方法选择中从基于经验的简单感性逐渐趋向基于科学原理的证据理性。

设计思维的核心特质是共情、创新。共情与创新紧密联系，以深度理解用户的方式实现创新式问题解决。在STEM教学中，共情是手段，创新是结果。用户需求可分为核心需求和个性需求，在依据功能指向选择问题解决技术路径时，核心需求起主导功能，但个性需求发挥着问题解决技术方法差异化、丰富化、个性化的作用，能使问题解决具有私人定制的专属特点，是深度共情的着力表现点，也是影响作品创新水平的重要突破口。简言之，集深度共情与创新的设计思维，重在“做什么”“怎么做”两个方面充分展现个性和创意。

计算思维的核心特质是抽象。在STEM教学中，其核心价值在于提供具有迁移功能的问题解决模型，其本质是“怎么做”“如何做”的方法选择问题。在STEM教学中，应有意识地帮助学生从单个问题解决积极反思同类问题的迁移现象，增强学生“从特殊到一般，再从一般到特殊”的抽象思维能力。

工程思维的核心特质是实践性、综合性、系统性。在STEM教学中，要注重系统筹划、工程管理、科学技术等跨学科知识整合等属性，以实践为核心，真正动手操作，而且要做成，追求特定限制条件下的最优解。

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作者简介：曹峰，陕西省西安高新第一中学初中校区教师，E-mail：cf2012bsd@126.com（陕西西安，710075）

基金项目：中央电化教育馆全国教育信息技术研究2018年度重点课题“证据导向的STEM教育模式研究”（编号：181120019-0009）;陕西省STEM教育（2020—2023）行动计划专项课题“一致性导向的STEM课程评价研究”（编号：STEM2020-125）