基于工程设计的小学STEM课程设计例析

詹梦颖　舒剑梅

STEM教育是指聚焦真实世界面临的复杂问题，开展跨学科学习，培养学生综合运用科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）、数学（Math）等学科知识，发展学生解决真实问题的综合能力。

2022年，教育部颁布了新的《义务教育小学科学课程标准》。从课程总目标来看，新版的科学课程标准更加注重以核心素养为导向的教学，关注培养学生的探究实践能力、问题解决能力和创新能力。课程内容淡化了四大领域，提炼了13个核心概念和4个跨学科概念，注重综合，要求至少开展10%的跨学科实践。而技术与工程领域是加强跨学科实践的重要保证。因此，STEM课程是应对新课程标准改革的关键抓手。

本文总结梳理了以“工程设计”为核心的STEM课程设计原则，并基于工程设计过程设计应用《设计海边塔台》STEM课程案例。文中结合工程设计过程遵循的系统步骤，介绍了案例中工程设计的具体实施过程，以及课程实践的成效与不足，希望能为基于工程设计的小学STEM课程开发与实施提供建议。

一、基于工程设计的STEM课程设计原则

1.驱动问题为劣构性

基于工程设计的STEM驱动问题，从结构特征这一维度可以分为良构性和劣构性。相比于良构问题，劣构问题没有唯一的答案，而有多种解决方案，因为它更接近于我们真实世界中存在的问题。聚焦真实情境提出的驱动问题，学习者会更愿意参与其中，更有利于培养其解决实际问题的能力。

2.以“工程设计”为核心，强调“再设计”

基于工程设计的STEM课程是指以工程设计过程为主线，与科学、技术、数学等学科融合的学习模式。在课程设计中应当体现“工程设计过程”，强调“再设计”的理念，凸显STEM课程的探索性、设计性和迭代性。

3.跨学科整合课程

基于工程设计的STEM课程一定是跨学科融合的学习模式。问题解决过程必须整合科学、技术、工程、数学等学科知识，才能够解决复杂的实际问题。例如，在本文开发的STEM课程《设计海边塔台》案例中，要求学生搭建一座60厘米高，承重、抗风、抗震性能强的瞭望塔台，学生需要用到“塔台形状与结构设计”等工程知识、“上小下大，上轻下重”等科学概念知识、测试性能技术知识以及造价成本计算等数学知识。

二、基于工程设计的STEM课程设计应用

（一）工程设计：STEM课程的核心

要想培养学生运用工程思维来解决实际问题，关键在STEM课程设计中应用“工程设计过程”。工程设计过程（Engineering Design Process，简称 EDP）是指运用工程思维解决问题时的系统方法。詹姆斯·R·摩根（James R. Morgan）等人在《用工程学思想提升项目质量》中详细介绍了工程设计过程可以分为“七个步骤” 。驱动问题的复杂性和解决方案的多样性，决定了工程设计过程是需要不断迭代的。而且，在问题解决过程中，可以跳转至其中的一个步骤重新开始，或是在几个步骤之间往复，直到找到最佳的解决方案。

（二）基于工程设计过程的案例分析：设计海边塔台

本文基于工程设计过程开发了小学STEM课程《设计海边塔台》。课程以“为深圳西湾红树林公园设计一座用于眺望滩涂的塔台”为情境依托，要求塔台安全稳定，能通过各项性能测试。

第一步，识别问题和制约因素，即准确地描述要解决的工程任务和识别任务中所有的制约因素和标准。在《聚焦任务，明确标准》活动中，学生要明确工程任务是搭建一座海边塔台模型。项目的限制因素包括时间、造价成本，标准是要求达到一定的高度，并且安全穩定，能通过各项性能测试。

第二步，调查研究，即为解决工程问题收集相关的信息，做必要的准备。一方面提高效率，另一方面使负面影响最小化。因此在《聚焦任务，明确标准》活动中，学生实地考察红树林公园的生态环境、地理条件，以及塔台的最佳选址并说明原因。了解别人在造塔方面已经做过的工作，吸取经验，为问题的解决提供更多可能性策略。

第三步，形成概念。要想有效地解决问题，经常需要在多种观点或方案里进行选择或优化，工程师会采用头脑风暴法，开拓思维，尽可能把所有想到的观点全部记录下来。在《设计塔台，参与竞标》活动中，有的小组依据塔台模型评价量规，利用前面收集到的信息进行头脑风暴式讨论，绘制模型设计图；而有的小组是每个成员各绘制一份设计图，然后再识别每个方案的优缺点，最后将这些方案进行整合，形成小组的初步方案。

第四步，分析观点，即在概念形成阶段对初次形成的方案进行分析，并进一步优化，使它得到充分发展。在《设计塔台，参与竞标》活动中，各工程队在形成初步的方案后，依据评价标准对方案存在的优势和不足进行充分地评估，并展示设计成果，接受其他小组的质疑和建议。各工程队再次对不同的观点进行“讨论—识别—整合”，然后对自身的方案进行“再设计”，甚至需要多次往返于EDP的几个步骤之间，最后识别出切实可行的最优方案。

第五步，建立模型，即根据设计方案构建一个解决问题的完整工作模型。在《购买材料，制作模型》活动中，学生利用吸管、透明胶等材料创造塔台模型。

第六步，测试和优化，即对模型进行测试、评估效果并进行优化，测试条件应尽量贴合最后成品的实际使用环境。首先，小组成员要明确每项测试的标准和条件，参与测试并记录测试结果。通过测试与观察，小组成员讨论交流塔台模型有哪些地方需要进行改进优化。在这个阶段，有些小组可能需要依据测试结果重新识别问题和制约因素，回到起点进行修改，再次进行头脑风暴，分析整合观点更新设计，建立新的模型，又一次进行测试优化。此时，有些小组可能会出现挫败心理或中途放弃，教师应该给予鼓励，并明确经历这些过程的重要性。

第七步，沟通与反思。工程设计需要有效的沟通，包括人际互动、口头沟通、视觉沟通等。在《模型发布会》活动中，各小组展示塔台模型成果，提出方案存在的优势与不足，并再次进行优化，这就需要良好的口头沟通和视觉沟通能力。这一步不仅体现在《模型发布会》活动中，也贯穿于整个STEM课程中。

三、基于工程设计的STEM课程设计启示

（一）实施成效

EDP作为问题解决的一种系统思考方式，给学生在解决真实世界中的问题时提供了脚手架。通过本次课程的设计与实践，学生在以下几个方面得以提升：

1.“工程设计思维”的提升

学生在课时三《设计塔台模型参与竞标》中，能在理解和分析具体问题的基础上，运用科学知识和技术工具，考虑问题需求、资源总量等因素的限制，在诸多问题解决方案中选择更具创造性和整体性的解决方案，并最终解决问题。

2.“再设计工程思维”提升

根据学生多次修改的设计图，以及他们在模型发布会上重审原先的设计，结合工程的成本与可靠性、系统性、艺术性等做出再构思，可以发现他们的“再设计工程思维”得到一定程度的提升。

3.批判性思维的培养

我们对课时六《模型发布会》一课进行了课堂观察，通过分析教学实录量化教学效果发现：在这节课上教师的提问类型中有58.8％的问题为批判性问题，学生的回答类型中，有62.5％为创造评价性回答，两项数据均可证明，孩子在课堂上有大量的批判性思维参与。

（二）教学反思

1.对项目案例真实性的反思

项目中涉及的工程知识，与真实工程知识是有差异的；教师理解的工程师的思维方式，与真实工程师的思维方式有差异；学生的工程体验，与真实工程也存在差异。后期我们会通过阅读工程学书籍、观看工程学纪录片、访谈工程师等方式，增加教师自身的工程知识，提高教师自身的工程思维，让工程项目更接近真实工程项目。

2.学生学习自主性的反思

执教过程中发现，越到高年级，学生的问题意识越薄弱。我们的科教方案很大程度是根据教师的教学设计推进，而不是学生自主推进，后期我们会注重学生问题意识的培养，让项目由学生自己产生的问题推进。

（作者单位：广东深圳市宝安区坪洲小学）

责任编辑 成 盼