基于设计的幼儿园STEM 教学模式构建研究

吴振华，黄立安

（1.上海师范大学教育学院，上海 200234；2.上海学前教育学院，上海 200234）

一、问题提出

STEM（Science,Technology,Engineering,Mathematics）教育旨在促进学习者在科学、数学等领域的学业成就，提升个体灵活运用跨学科知识技能解决问题的能力，以满足21 世纪社会对人才的综合素质要求，是近年来全球范围内基础教育改革的热点主题之一［1］2-3。

随着STEM 教育发展的不断深入，其关注重点逐渐从高等教育转向基础教育，覆盖范围也不断扩大，学前阶段的STEM 教育日益受到重视［2］。《自然》和《科学美国人》在2015 年联合推出了《培养21 世纪的科学家》（Building the 21stcentury scientist）专辑，专门阐释了幼儿园阶段的STEM 教育，提出“每个孩子都是科学家，而需要的是合适的科学教育”［3］。美国教育部发布的《STEM2026：STEM 教育中的创新愿景》（STEM2026：A Vision for Innovation in STEM Education）中，则将开展学前STEM 教育作为推进未来STEM 教育创新的核心挑战之一［4］。

尽早开始实施STEM 教育，为幼儿提供高质量的早期STEM 经验，可以有效地提升幼儿的综合素质，促进幼儿的全面发展。神经和脑科学领域的研究显示，0-6 岁是个体大脑发育和神经生长速度最快的一个阶段，幼儿的大脑神经元联接（Neural connections）以每秒百万个的速度快速生长［5］，脑的控制中心——额叶皮层经历了质的飞跃，并表现为儿童执行功能（抑制控制、工作记忆和认知灵活性）的显著发展［6］。儿童的早期经验对于大脑发育和个体成长具有关键性的影响，而STEM 学习为幼儿提供了与环境、同伴和成人交互的丰富机会，能够刺激幼儿大脑发育，提升幼儿的整体认知和思维发展［7］。早期STEM 经验能提升儿童未来对于STEM 课程学习的兴趣和倾向。拉塞尔（Susan Russell）等对1 万多名科研工作者进行了调查，发现有59%的研究者认为自己对于STEM 的兴趣开始于童年期［8］。可见早期STEM 活动能够增强幼儿对于STEM 学科的兴趣和积极态度，促进儿童作为科学和工程学习者的身份意识（identity）的构建［9］286。STEM 学习对于儿童未来的学业成就也有一定的促进作用。摩根（Paul Morgan）和法克斯（Geroge Farkas）等学者采用美国教育数据统计中心（National Center for Educational Statistics,NCES）数据库进行的多层次模型计算显示，幼儿园期间的科学知识对于小学阶段的成绩有明显的预测作用［10］。瓦茨（Tyler Watts）等学者的长期纵贯研究显示，幼儿园期间的数学水平较高的儿童，在中学时更有可能取得良好的数学成绩［11］。

高质量的课程与教学是推进学前STEM 教育发展的关键。美国埃里克森儿童发展研究院（Erikson Institute）和全美幼教协会（NAEYC）等机构联合发布的研究报告《学前STEM 非常重要：为所有的幼儿提供高质量的STEM 经验》（Early STEM Matters,Providing High-Quality STEM Experiences for All Young Learners）中指出，应为幼儿提供适合其发展阶段的STEM 教学方法和学习内容［12］。穆莫（Sally Moomaw）在其著作《早期 的STEM 教 学》（Teaching STEM in the Early Years）中提出了“有意图的引导、促进幼儿的理解、鼓励学习者探究和提供真实情境”四项学前STEM 教学策略［13］。美国普渡大学的“图画书STEM”（Picture STEM）项目［14］和全美幼教协会的《STEM 制作与探索》（Making and Tinkering with STEM）一书［15］中，提出了基于绘本，设计工程挑战情境实施幼儿STEM 活动的模式。国内近年来也有不少研究者对幼儿园STEM 学习的教学设计进行了研究和探索，提出了基于5E 的幼儿园教学模式［16］、项目化的学习模式［17］、C-STEAM教育5C 模式［18］、探究取向的课程设计［19］35-37等一系列教学模式和方法。由此可见，课程和教学领域已经成为国内外学前STEM 教育研究所关注的重点之一。但通过对这些研究的梳理可以发现，国外的相关研究囿于学习环境、课程结构和教学材料的差异，往往难以直接应用于我国的幼儿园STEM 课程中，而国内的相关研究有的局限于原则性的指导建议，缺乏严谨规范的实证过程和数据支持，有的则停留在具体教学案例描述，没有实现从经验总结到理论归纳的突破。总体而言，从本土教育实践出发、基于实证过程的学前STEM 教学研究仍然比较缺乏。

基于此，本研究采用基于设计的研究方法，在STEM 教育和学前教育理念的指导下，基于工程设计过程理论，构建幼儿园STEM 教学模式原型，并通过三轮迭代实施，对教学模式进行调整优化，最终形成一套科学、有效的幼儿园STEM 活动设计流程和操作方案，为提升幼儿园STEM 教学活动质量，促进学前STEM 教育发展提供参考。

二、研究设计

（一）研究方法：基于设计的研究

基于设计的研究（Design-based research，DBR）是兴起于学习科学领域的一种研究方法，它以“设计”思想为中心，旨在从自然的教学情境中探索教学问题的解决［20］。学习科学理论认为，对于复杂学习现象的研究，应当避免使用简单的“输入—输出”式的黑箱式研究，传统的定量研究方法，如实验、调查等，往往无法为教学中的一些复杂问题提供理想答案。而DBR 采用形成性取向，通过分析、设计、实施、评价和修正的迭代过程，对学习环境和学习过程展开细致深入的研究，设计和开发出具体的教育产品，如教学软件、教学策略、课程体系等，在改进教育实践的同时，形成和发展具有一定情境敏感性的教育理论［21］。DBR 具有情境性、理论性、迭代性等众多特征［22］。

（二）研究流程

基于DBR 的基本要素，研究者提出了各种不同的实施方案［23］。本研究采用了里弗斯（Thomas Reeves）提出的技术视角的设计研究（Design research from a technology perspective）流程，包括分析问题、构建原型、迭代实施以及形成理论四个部分（图1）［24］52-66。

图1 技术视角的设计研究流程

根据该研究流程，本研究的具体实施过程如下：首先，通过文献分析和实践考察，确定幼儿园STEM 课程的核心要素；其次，根据工程设计过程（Engineering design process,EDP），设计幼儿园STEM 教学模式的原型；再次，开展三轮教学迭代，通过幼儿访谈、课堂观察和作品分析的方式收集学习者反馈和教学效果证据，发现模式原型存在的问题和不足，对教学模式进行调整优化（图2）；最后，对研究结果进行分析总结，形成比较完善的教学模式最终版本。

图2 幼儿园STEM 教学模式三轮迭代优化的过程

三、幼儿园STEM 教学模式的原型构建

（一）幼儿园STEM 课程的核心要素

幼儿园STEM 课程结合了STEM 课程的基本原理和幼儿独特的学习特征，通过梳理已有的研究成果，可以发现其具有五个核心要素。

1.跨学科整合

跨学科整合是STEM 教育的核心属性，STEM教育的重点不在于科学、技术、工程和数学各个学科内容的学习，而是强调跨越学科界限，综合应用多学科的知识、技能和方法解决具体的问题。《STEM 教育研究手册》中指出，高质量的STEM课程以跨学科整合为基本特征［25］87-100。《学前STEM 非常重要：为所有的幼儿提供高质量的STEM 经验》 报告中则建议，在幼儿园阶段的整合性STEM 学习中，可以采取以某一门学科内容作为学习的重点，其他学科内容为辅的方式实现跨学科整合的教学设计［12］。

2.真实情境

情境是STEM 跨学科整合的重要驱动力，情境的真实性和趣味性是幼儿园STEM 活动的源点，在真实的情境中，幼儿将解决具体现实问题作为学习目标，通过主动探究、积极探索的过程，实现知识技能的学习和身心的全面发展。

基于真实情境的STEM 学习，对于幼儿的发展具有多方面的促进作用。首先，真实情境将STEM 学习内容与幼儿的实际生活经验相联系，能有效地激发幼儿的学习兴趣与热情；其次，真实情境为幼儿提供了复杂的劣构（ill-structured）问题，它没有简单的标准答案，幼儿需要将静态的知识置于多维度的情境之中［26］，运用观察、推理、收集和分析信息、预测、验证等一系列科学和工程技能来解决这些问题，从而加深对于相关概念的理解，促进科学素养和工程实践技能的发展；其次，真实情境中的问题包含了文化、审美和道德等多种维度的考量，多元的社会场域和复杂需求能够激发幼儿多层次的心智运作和情感体验，从而有效地提升幼儿的想象力、创造力、同理心、责任感和批判性解决问题的能力；最后，通过解决和自己生活相关的真实情境问题，还能让幼儿感受到知识的价值和应用知识的成就感。

3.问题驱动

在STEM 学习中，需要解决的核心问题也被称为驱动性问题（Driving question）［27］。驱动性问题为幼儿STEM 学习提供了一个需要解决的困境，促使他们去讨论与调查相关的主题和背景情况，并在此基础上设计和构建问题解决的方案。驱动性问题是幼儿园STEM 课程活动设计的核心，它确定了一个课程活动的主题目标、内容领域和解决方向，对课程的实施结构和评估维度起到支撑性的作用［28］。一个设计良好的驱动性问题能将课程活动内容串联成连贯一致的整体，推动幼儿以科学家或工程师的工作方式，开展一个真实的探究和问题解决过程，它为幼儿提供了一个广阔的探索空间，既可以激发幼儿的内在学习能力，又可以提纲挈领地为幼儿提供持续思考、自我探究的方向［29］。

4.游戏化学习

游戏化（play-based）学习是学前阶段STEM教育的一个独有特点［25］。游戏是幼儿基本的生活方式和学习方式，通过游戏的过程，幼儿获得有益的学习和生活经验，在潜移默化中得到成长。游戏中蕴含了丰富的教育价值，是幼儿STEM 学习的关键要素和重要工具［30］。

研究表明，游戏的方式可以为幼儿提供丰富的STEM 学习机会。如澳大利亚的弗莱尔（Marilyn Fleer）提出了“概念性游戏世界”（Conceptual PlayWorld）模型，构建了基于故事的想象性-游戏（imaginary-play）STEM 探险活动，帮助幼儿应用STEM 知识概念来解决问题［31］。美国的珀斯（Marina Bers）提出了将编程活动作为幼儿的游乐场（Coding as a playground）的理念，利用KIBO 教育机器人，为幼儿提供跨学科的STEM 活动，促进幼儿的计算思维、社会情感和艺术创造力的发展［32］。

5.公开的成果

幼儿园STEM 课程活动最终应形成公开的、有质量的成果，并进行一定的交流和展示。在幼儿园STEM 学习中，最终的成果不仅仅是要求幼儿能够“做出”一个作品，更重要的是鼓励幼儿能够充分地展示和表达这个作品，能够“说出”自己和伙伴是怎样进行制作，为什么这样制作，制作的过程中又经过了怎样的思考和调整等。所以，幼儿园STEM 活动的完整成果包含了两个部分：一部分是制作完成的作品，另一部分则是对这个作品的展示和汇报。相比而言，后者甚至比前者更加重要，因为制作的作品仅仅说明幼儿完成了整个学习过程，而对于作品的展示、表达和阐释，能够更加清晰地展现出幼儿对于相关STEM 概念和原理的深入思考和真正理解。

（二）基于工程设计的幼儿园STEM 教学模式原型建构

根据幼儿园STEM 课程的跨学科整合、真实情景、问题驱动、游戏化学习和公开的成果这五个核心要素，本研究提出了基于工程设计的幼儿园STEM 教学模式（Engineering design based early STEM teaching model，后 简 称 为ED-ES 模 式）。ED-ES 模式的理论基础来自于工程设计过程（EDP）［25］和美国波士顿科学博物馆提出的 “工程是简单的”（Engineering is elementary,EiE）教学模式［33］。

工程被视为整合STEM 教育中各学科知识的理想的“粘合剂”（The integrator）［34］24，它为科学、数学、技术等各学科知识的有效整合提供了一个自然的情境，在基础教育阶段的STEM 课程中，工程主要体现为EDP 的运用。EDP 是指工程师在解决工程问题时遵循的一系列步骤和流程，通过循序渐进、迭代优化的方式，为一定情境下的现实问题提供最优化的技术解决方案［35］。在基于EDP的教学中，要求学习者根据问题的需求，搜集相关信息，考虑各方面条件和限制因素，从各种可能的方式中设计最优化的问题解决方案。

基于工程设计过程建构教学模式，可以很好地契合幼儿园STEM 课程的一系列核心要素。EDP 的本质就是一个发现和解决身边具体问题的过程，真实的情境和富有吸引力的现实问题是基于工程设计的STEM 教学活动的出发点。在运用工程设计方法解决问题的过程中，幼儿需要应用科学、数学和技术等各个学科的知识和技能，围绕工程目标形成的驱动性问题，开展设计、制作、测试、验证等一系列实践活动。在幼儿园的教学情境中，幼儿进行工程设计，解决工程问题的过程本质上也是一个师幼共同参与、合作完成任务的开放性“游戏”过程。在探索、体验和创造的游戏精神中，幼儿建构知识、发展技能，形成积极的学习品质。工程设计过程还能够形成可验证、可展示的作品成果，有效激发幼儿的学习主动性和成就感。

为了适合低年龄儿童的学习特点，波士顿科学博物馆提出了EiE 工程设计教学模式，它在传统EDP 的基础上作了一定简化，将学习活动分为五个步骤：提问、想象、计划、创造和改进，五个步骤围绕工程设计目标而展开，主要应用于K-8 年级儿童的STEM 学习（图3）。

图3 波士顿科学博物馆的EiE 工程设计教学模式［33］

对EiE 教学模式进行深入分析，可以发现该模式也存在一定的不足。在该模式中，完成和改进作品是教学活动的最终步骤，缺少了一个让幼儿对自己的设计和作品进行解释和分享的环节。这样的教学过程设计有可能使教师和幼儿更加关注作品的制作，而对于深入理解作品中的STEM 概念缺乏足够的重视。相关研究指出，“表达和交流是幼儿STEM 学习的核心要素”（Representation and communication are central to STEM learning）［12］，它们建立在幼儿对相关的概念和原理的理解基础之上。在STEM 活动中，应有意识地为幼儿提供多样化的表达和交流机会，从而促进幼儿对于STEM知识和实践过程的思考和理解，实现更加深度的STEM 学习。

基于上述分析，本研究对EiE 模式进行了修改，形成ED-ES 模式的原型，具体包含六个教学步骤：明确问题、确定目标、设计方案、制作和测试、优化改进和交流分享（图4），具体内容如表2所示。

表1 ED-ES 模式的操作流程

表2 幼儿园STEM 活动课堂观察表

图4 ED-ES 模式原型

步骤1：明确问题

该阶段包含两个环节，第一个环节是情境引入。教师通过联系幼儿生活、展示资料、讲述故事等方式创设一个包含问题的情境。情境应该具有以下特点：一是与幼儿的生活经验紧密联系，使幼儿易于理解；二是具有吸引力，能激发幼儿的好奇心和探究欲望；三是具有实用性，即包含需要解决的实际问题。第二个环节是明确需要解决的具体问题。在创设的情境中，幼儿可能会提出各种问题，教师通过适当的引导，帮助幼儿聚焦关键问题，形成整个项目活动的“驱动性问题”。明确问题之后，教师可以给予幼儿一定的课后时间，去收集和了解与问题情境相关的信息。

步骤2：确定目标

教师引导幼儿根据问题情境的要求，明确整个活动需要完成的任务和达到的目标，如最终需要制作的产品是什么？该产品需要满足哪些需求？具有哪些特征？如美观、承重、节能等，注意这些目标往往具有一定的限制条件，如时间、资源、材料等。

步骤3：设计方案

教师带领幼儿对需要解决的问题进行进一步的讨论和研究，并完成解决方案的初步设计。这个阶段的工作包括：（1）尝试并确定使用的材料；（2）充分讨论各种可能的解决问题方案；（3）用图画等方式形成初步的方案设计。

步骤4：制作和测试

幼儿根据设计的方案，以合作的方式进行制作或建造活动。在这个过程中，幼儿可能发现先前设计中存在的问题，也可能在制作过程中遇到无法解决的困难。教师需要密切关注幼儿的工作进程，通过提问等方式启发幼儿深入思考，大胆尝试，通过自主探索解决问题。在作品制作完成后，根据最初设定的目标，进行测试和验证，判断该制作或产品能否解决问题。

步骤5：优化改进

幼儿根据测试的结果，思考如何改进和优化作品。完成修改后再次进行测试，确定改进的效果。

步骤6：交流分享

幼儿通过语言、图画等方式分享自己作品，展示作品最终的效果，并开展互评，讨论和反思项目的学习收获。交流分享的阶段可以采用游戏或竞赛等生动活泼的方式，各个小组形成参赛的队伍，以工程设计的目标为标准，对完成的作品进行验证和比拼。通过对优胜作品的分析和评价，促进幼儿对于相关STEM 知识概念的理解，拓展问题解决的思路和方法。

四、ED-ES 模式的实施与修订

（一）实施概述

DBR 需要研究者和研究对象之间形成密切的合作关系，从保证良好的研究环境，获得更多有效信息的角度出发，本研究采取目的性抽样的方法，选择上海J 区某公立幼儿园的一个大班作为研究环境，于2021 年9 月—2022 年4 月间进行了三轮教学实施，每一轮教学持续6 周左右。基于随机选取，自愿参与的方式，共有20 名儿童参与研究，其中男童6 人，女童14 人，年龄在5-6 岁之间（60-72 个月），STEM 活动由幼儿园的一名青年教师负责具体实施。

研究者通过幼儿访谈、课堂观察和作品打分方式收集幼儿STEM 学习表现的证据，判断教学实施的效果，并以此作为ED-ES 模式修订的依据。首先，在每次活动前后，研究者与幼儿分别进行一次谈话，了解幼儿对于活动的兴趣态度、相关知识概念的认识和理解水平等。研究者为各个活动设计了访谈提纲，访谈提纲的具体设计示例如下（以下为活动之一“长城建造师”的访谈提纲，括号中表示活动前、后不同的表达方式）：

（1）你确定要做一个什么样的长城吗？

（2）你的长城是由哪些形状构成的？为什么使用这些形状？

（3）你设计的长城有哪些功能？为什么要这样设计你的长城呢？

（4）你对建造长城有兴趣吗？为什么？

（5）你准备怎么来建造长城？（你是怎么建造长城的？）

（6）你准备使用哪些材料和工具来建造长城？（你在长城的建造过程中使用了哪些材料和工具？）

其次，通过对幼儿的STEM 学习活动进行实地听课，记录并分析幼儿的STEM 技能表现，如与同伴的交流和合作、计划方案的设计和执行、使用不同工具和方法解决问题的灵活性等。观察表的样例见表2。

此外，研究者还对幼儿的STEM 作品进行了评估打分，从方案设计、制作工艺、材料选择、最终效果等方面判断幼儿的学习成果，作品评价量规示例见表3。

表3 “长城建造师”的作品评价量规

为使研究符合相关的伦理规范，保证研究对象的知情权和隐私权，研究者向参与活动的幼儿家长详细告知了研究目的、过程和数据收集方式，在获得其认可并签署知情同意书后方开始研究的实施。

（二）第一轮迭代研究

1.设计与实施

第一轮活动的主题是“长城建造师”，活动的总体目标是根据长城的特点和幼儿自身的兴趣，设计并建造具有新功能的长城设施。活动中蕴含了丰富的STEM 元素，包括科学、数学知识、工程实践技能、技术操作和人文艺术元素（图5）。活动分为四个单元，分别是设计长城、建造长城、长城试运营和长城开放日，具体的实施过程见表4。

表4 “长城建造师”的教学过程

图5 “长城建造师”活动中的STEM 元素

2.评价与反思

对教学过程和幼儿学习表现进行分析，发现ED-ES 模式的第一轮实施在多方面取得了较好的效果。

（1）有效地实现了跨学科整合，促进了幼儿对于各个学科知识和技能的学习和应用。首先，增强了幼儿对于形状和几何图形的理解和应用能力。幼儿通过观察长城的外形和搭建长城的实践操作，对于几何形状的特性、长方形和正方形的关系有了更加清晰的认识，能够灵活地使用不同形状的材料搭建长城的结构。其次，丰富了幼儿使用各种材料和技术工具的经验，幼儿在活动中使用了多种工具和材料，包括牙膏盒、纸箱、即时贴、木棍、彩泥、透明胶、双面胶、剪刀、手工纸、热胶枪、打孔机等，促进了技术工具使用经验的发展。再次，形成了初步的工程思维萌芽，在活动中，幼儿遵循确定目标——设计方案——制作作品的工程设计过程对问题进行分析和处理，基于工程设计目标思考和设计长城的具体结构。在建造的过程中，逐渐养成了依据设计图进行制作的习惯，使制作的内容和方案设计保持一致。最后，增强了艺术表现力，幼儿通过对长城外观的装饰、长城设施的精心设计和布置，发展了自身的审美认知和艺术表现力。

（2）真实情境激发了幼儿学习的兴趣和热情。幼儿在活动中设计和建造了多种主题的长城，包括长城游乐场、长城博物馆和长城集市。这些主题融合了幼儿自身的生活经验和兴趣表达，充分激发了幼儿的学习热情。在活动结束的访谈中，超过百分之八十的幼儿表示对活动非常感兴趣或比较感兴趣（表5）。

表5 幼儿对于“长城建造师”活动的兴趣水平

（3）循环递进的学习过程促进了幼儿的反思。ED-ES 模式的原型中设置了优化改进的教学步骤，引导幼儿对初步完成的作品进行交流和测试，发现设计和制作中的不足，并加以优化改进，观察发现，这对于提升幼儿的反思意识，发展幼儿的问题解决能力具有一定的促进作用。例如，长城博物馆小组在试运营活动时，发现了作品存在的问题，并进行了改进：幼儿C1：我们的展品太多了，如果都放上去，太杂乱了。幼儿C4：我们把它们排排整齐吧。幼儿C9 整理了一下展品，发现还是排不下。C1 在观察了教室里的玩具展柜后，说：“我有一个好办法，我们可以做一个小桌子放在博物馆里，这样就有两层了，上面下面都可以放东西。”小组成员同意了这个想法，兴致勃勃地做起了小桌子。

与此同时，第一轮教学迭代也显示出一定的问题，主要体现在部分幼儿在设计和制作的过程中，呈现出茫无头绪，缺乏明确的问题解决思路的状况，表现为或是缺乏自主思考，只能简单地模仿现成的范例，或是天马行空，随性而为，设计和制作的内容脱离活动的主题。针对这一状况，研究者对ED-ES 模式的原型进行反思：在ED-ES 模式中，工程设计目标是幼儿最终要达到的结果，教学的各个步骤都应和工程设计目标形成紧密的联系。而在模式原型中，确定目标只是教学步骤之一，工程设计目标只和明确问题、设计方案两个步骤有关联，而和其他教学步骤缺乏直接的联系，这可能是造成幼儿在活动过程中缺乏目标导向，产生茫无头绪现象的主要原因。

3.对教学模式原型的修订

基于对第一轮教学过程的反思，对ED-ES模式的原型进行调整：将工程设计目标调整为模式的中心，而不再只是教学流程中的一个步骤。ED-ES 模式的其他各个步骤与工程设计目标形成紧密的关联，并围绕工程设计目标而展开。如在明确问题这一阶段，教学活动的重点是确定工程设计目标；在设计方案、制作和测试的阶段，方案的设计和作品的制作紧密结合工程设计目标；在优化改进阶段，判断作品是否需要改进，以及如何改进应以工程设计目标为参照标准，而最后在交流分享阶段，也将工程设计目标作为作品最终评价的准绳和依据。

（三）第二轮迭代研究

1.设计与实施

第二轮活动的主题是“搬家大挑战”，活动的内容是幼儿园的建构室面临搬迁，幼儿需要为建构室中不同大小、形状和特性的积木设计和制作相应的搬家车，完成搬家任务。活动中包含了丰富的STEM 元素（图6）。活动分为四个单元，分别是设计搬家车、制作搬家车、测试搬家车和完成搬家任务，具体的实施过程见表6。

表6 “搬家大挑战”的教学过程

图6 “搬家大挑战”活动中的STEM 元素

2.评价与反思

与第一轮活动相比，ED-ES 模式第二轮迭代的教学效果有了进一步的提升，具体表现在以下几个方面。

（1）以工程设计目标为核心，形成了更加清晰的问题解决方案。修订后的ED-ES 模式强化了工程设计目标的中心位置，使其与教学活动中的每一个环节形成紧密联系。如在明确问题阶段，教师带领幼儿来到建构室，引导幼儿仔细观察不同积木的特点，对要完成的搬家任务形成初步的认识；然后组织幼儿搜集常见货车的图片，了解货车的不同类型和功能，并将其与需要搬运的各种积木相互对照，形成初步的设计构想。在这一阶段中，幼儿基于观察和信息搜集形成明确的工程设计目标，为整个活动奠定扎实的基础。在方案设计和作品制作阶段，教师引导幼儿从目标入手进行思考，不断提问自己：“我们这样设计/制作搬家车的目的是什么？它能不能帮助我们更好地搬运方块/圆柱/条形积木？”从而使幼儿对于工程设计目标的认识日益清晰，问题解决的思路和方案也逐步明确。第二轮活动的访谈数据显示，通过ED-ES 模式的修订，幼儿在STEM 活动中的目标意识显著提升（表7）。

表7 幼儿在两轮迭代中的目标认识水平对比

（2）基于情境，深入理解和灵活运用STEM知识和技能。例如，幼儿通过设计和制作不同类型的搬家车，增强了对科学概念“结构和功能”的理解。在幼儿活动结束时对自己作品的描述中，清晰地体现出他们对这一概念的理解和运用。幼儿C1：我们做的是能够装圆柱子积木的汽车，这个汽车我们用了一个钉子，可以在上面固定车门，这就很好，能放下来，也能拉上来。幼儿C7：我设计的汽车是平平的，因为它可以装长的积木，也不会掉下来。幼儿C10：我设计的汽车有很多不同的格子，每个格子里面都有一个积木，这样积木是不会跑动的。又如，为了制作合适大小的搬家车，幼儿学习了测量物体的方法，对于物体的长度、宽度和高度等可测量属性的认识，以及使用工具测量物体的能力都有了显著的提高。

（3）游戏化的学习方式，在愉悦的活动过程中促进幼儿身心发展。第二轮“搬家大挑战”活动的整个过程可以视为是幼儿积极参与、全情投入的一个创造性游戏，幼儿在沉浸式的学习/游戏过程中，既获得了自主、愉悦和充实的学习体验，也促进了STEM 知识、技能和学习品质的有效发展。在活动结束时，参与访谈的所有幼儿都表示，他们对这个活动非常有兴趣，感觉很有意思，学会了很多东西（表8）。

通过第二轮教学迭代，进一步发现了ED-ES模式存在的不足。在已有的模式结构中，明确问题、设计方案、制作和测试、优化改进和交流分享这五个教学步骤之间是循序递进的顺序关系，而教学过程显示，幼儿发现问题和解决问题的过程并不是线性的、单向的，而是会在工程设计的不同步骤之间来回的往复。例如，在设计和制作作品时，幼儿可能会忽略在前一阶段中已经确定的驱动性问题，出现制作的内容与确定的目标相背离的现象。这时，教师需要引导幼儿回到上一阶段，重新审视需要解决的问题，厘清目标，将作品的设计和制作调整到正确的方向。

此外，在STEM 活动中，幼儿对于问题的认识和解决方案的形成往往是一个逐步优化的发展过程，这一点并未在已有的模式中体现出来。例如，在第二轮活动之初，三组幼儿形成了不同的搬家车目标，但是所设计的三种搬家车在外观上却没有明显的区别，这实质是由于幼儿对于搬家车的结构还没有形成清晰的认识。而到了制作和测试环节，随着幼儿对于搬家车的功能和目标有了更加具体明确的构想，他们发现原有的设计图已经不能满足需要。于是，幼儿重新回到设计方案阶段，对之前的设计进行修改优化，然后根据新的设计图，完善搬家车的制作。

3.对教学模式的第二次修订

基于第二轮教学过程的反思，对ED-ES 模式进行进一步调整：将各个教学步骤之间的单向线性递进关系调整为双向交互关系。不同的教学步骤之间不仅可以顺序前进，也可以彼此回溯、重复和迭代。进一步修订后的ED-ES 模式更加准确地反映了工程设计各个阶段之间复杂和精细的关系，从而能更有效地指导幼儿园STEM 教学的实践。

（四）第三轮迭代研究

1.设计与实施

第三轮活动的主题是“我的雪游龙”，活动的内容是幼儿在观看了北京冬奥会的精彩比赛后，希望模仿雪游龙制作一个冰雪运动的赛道。活动中蕴含了丰富的STEM 元素（图7）。活动分为四个单元，分别是设计赛道、制作赛道、测试赛道和赛道大比拼。具体的实施过程见表9。

表9 “我的雪游龙”的教学过程

图7 “我的雪游龙”活动中的STEM 元素

2.评价与反思

应用第二轮修订后的ED-ES 模式，对“我的雪游龙”活动进行分析，发现其教学效果包括以下几方面：

（1）通过工程设计过程的迭代优化，形成了更加完善的作品。幼儿在第三轮活动中，从确定目标到最后完成作品，经历了认识—设计—制作—再认识—再设计—再制作的迭代过程，通过不断完善问题解决方案，形成更加优化的作品。以牙膏盒小组的赛道设计和制作为例：这一组由于牙膏盒材料的限制，最初采取了以直道为主的赛道造型设计，在制作过程中，幼儿通过探索发现了弯曲牙膏盒的方法，通过将牙膏盒不完全地剪开，形成部分连结的条状体，可以将牙膏盒灵活地弯曲和连结。掌握了这一方法后，幼儿对于赛道的造型能力大为增强，产生了新的赛道设计构想，于是再次回到方案设计阶段，对最初的赛道外观进行了大幅度修改，并重新进行制作。到了优化改进阶段，通过测试，幼儿发现了赛道表面光滑度不够的问题。小组成员进一步进行头脑风暴，最后决定采用在牙膏盒表面粘贴光面纸，提升赛道的光滑度。通过这样迭代反复、逐步优化的过程，优化了作品的质量。

（2）通过自主探究，提升了创造性解决问题的能力。ED-ES 模式给予幼儿充分的自主探究空间，在教师的引导下，幼儿通过自主思考、自主探索，在实践过程中发展创造性解决问题的能力。如积木小组通过不同大小积木组合，搭建出高低起伏的赛道，构建赛道的坡度和造型；海绵泡沫小组通过尝试，发现了有效连结海绵泡沫材料的方法，利用尼龙束带，将片状的泡沫海绵扎成半环形，形成了更加美观的赛道外形。

研究者对第三轮教学迭代进行了反思：在活动中，为了帮助幼儿厘清工程设计目标、增强STEM 知识和技能的理解与应用，教师采用了多种学习支架，为幼儿的学习和探究提供有效支持。如设计了一系列图表，包括目标分析图、制作检核表和评估打分表，为幼儿的作品设计、制作和评估提供清晰的指引；使用动画视频和操作小实验，引导幼儿比较小车在不同坡度和材质平面上滑行的效果，从而理解赛道的坡度和材料表面的光滑度对赛道滑行效果的影响。但是，这些对于幼儿STEM 学习的支持性措施并没有在当前的ED-ES模式中得到清晰地呈现。

3.对教学模式的第三次修订

基于上述反思，对ED-ES 模式进行第三次修订：在模式中增加收集幼儿学习反馈以及提供学习支架的要素。教师在明确问题、设计方案、制作和测试、优化改进和交流分享的各个阶段，应注重收集幼儿的学习表现和行为反馈，通过细致地观察和分析，准确判断幼儿面临的困难，并采取相应的措施，灵活设计不同形式的学习支架，为幼儿的自主探索和问题解决提供有力的支持。ED-ES教学模式三轮修订的完整过程见图8。

图8 ED-ES 教学模式的三轮迭代修订

四、讨论

（一）ED-ES 模式的教学效果

通过三轮教学迭代实施，以及对幼儿各方面学习表现的深入分析，研究发现，ED-ES 模式比较充分地体现了幼儿园STEM 课程的各项核心要素，有助于促进幼儿多方面能力素养的发展。

1.ED-ES 模式为幼儿提供了一个发现和解决真实问题的完整过程

在三轮教学迭代中，通过教师的引导和支持，幼儿确定需要解决的问题，明确工程设计目标，搜集信息，提出解决问题方案，并通过作品的制作实现问题的解决。在这一过程中，幼儿获得观察对象、搜集信息、调查探究、制作测试和分享交流等一系列实践机会，体验如何将学习到的概念和知识应用于解决具体的问题，从而能够更加深刻地理解知识的作用和价值，提升知识的灵活运用能力，促进工程思维和问题解决能力的发展，并收获在复杂情境中历练而得的心智成长。

2.ED-ES 模式有助于发展幼儿的创造能力

在ED-ES 模式中，没有标准的答案和统一的结果，而是以驱动性问题为核心，鼓励幼儿从不同角度为问题情境提出多样化、创新性的解决方案。在这三轮教学活动中，幼儿建造了多样化功能主题的长城、为不同的积木量身定制了专门的搬运车、设计和制作了形态各异的滑行赛道，其中不少作品闪现出幼儿创造力的火花。例如在“长城建造师”活动中，幼儿在了解了长城的历史和地理特征后，结合自身的兴趣，提出了“长城博物馆”、“长城集市”的设计构想，希望能通过博物馆，展示各个民族代表性的文化内容；借助集市的形式，交流中华各民族的传统服饰和特色用品，从而将最初具有军事防御功能的长城转化为各个民族之间友好交流的桥梁和平台，充分展现了幼儿的发散性思维和创新能力。

3.ED-ES 模式促进了幼儿积极学习品质的发展

ED-ES 模式创设了一个综合不同领域知识技能解决问题的工程活动过程，让幼儿体验如何像工程师一样进行思考和工作，这有助于幼儿发展一系列积极的学习品质。在幼儿进行工程设计，实施工程项目的过程中，往往会遇到各种问题和困难，这能够促进幼儿发展深入思考、坚持不懈的心理品质和学习态度，幼儿在探究的过程中，面对多维的问题情境，可以尝试运用不同的工具和方法解决问题，有助于培养开放的头脑和灵活的思维习惯。此外，工程项目是基于团队的活动，幼儿能够在此过程中学习如何与伙伴之间进行互相交流，密切合作，从而形成友善互助、团队合作的积极心理倾向和行为方式。

（二）ED-ES 模式的应用建议

1.针对中大班阶段的幼儿

ED-ES 模型应用于跨学科整合的幼儿园STEM 课程，要求幼儿能够比较灵活地应用不同学科的知识和技能，进行探究和问题解决，这对学习者的认知、身体动作和心智发展提出了一定的要求。根据儿童的身心发展水平特征，ED-ES 模式主要针对中班后期和大班阶段的幼儿，尤其适合大班幼儿的STEM 学习。

2.教师要为幼儿的学习提供充分的支持

在ED-ES 模式中，幼儿是学习活动的主体。幼儿天性好奇，热爱探索，能够通过积极的观察和思考，发现需要解决的问题；他们乐于尝试，能够通过自身努力，设计、制作和完善所需的作品，形成解决问题的方案［12］。然而，由于幼儿的年龄较小，其身心发展水平还有很多局限，仅仅依靠幼儿的探索天性和自发努力并不足以形成和维持高质量的STEM 学习。需要教师通过周到准备、精心设计，为幼儿的STEM 学习提供充分的支持。如在活动的开始阶段，教师可以采用多样化的视听材料或直观教具，为幼儿提供良好的观察条件，帮助幼儿发现事物的特征和解决问题的关键；当幼儿在活动过程中遇到挫折，止步不前时，教师可以通过恰当的提问和必要的范例，启发幼儿的思维，促进创新的想法。此外，幼儿的注意保持时间较短，意志力也相对薄弱，教师的及时鼓励是支持幼儿进行持续探索的关键［36］。

五、结语

本研究采用基于设计的研究方法，根据幼儿园STEM 课程的核心要素，提出适合幼儿阶段STEM 学习的ED-ES 模式原型，并通过三轮迭代实施，对教学模式进行修订和完善。ED-ES 模式的提出，为幼儿园STEM 活动的有效实施和师生的教和学行为提供了一套清晰的流程。这对于提升幼儿园STEM 课程实施质量，解决学前STEM教育中面临的实际问题具有显而易见的价值。但需要注意的是，ED-ES 模式的提出，并非要为幼儿园的STEM 教育提供一个标准化的、统一的模板，在幼儿园的STEM 教学实践中，还应当充分考虑具体的教学内容和幼儿的特征，灵活恰当地运用ED-ES 模式。