基于PIRPOSAL模型下的STEM教育解讀

石雨鑫，賀小光

（長春師范大學(xué)，吉林長春 130032）

1 綜合STEM教育

綜合 STEM 教育 （Integrative STEM Education，ISTEM ED）如今被定義為：運(yùn)用以技術(shù)或工程設(shè)計為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，通過技術(shù)或工程教育中的內(nèi)容與實(shí)踐，教授科學(xué)和數(shù)學(xué)教育的內(nèi)容與實(shí)踐。由定義可知，ISTEM ED是一種通過讓學(xué)生參與以技術(shù)或工程設(shè)計為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)來進(jìn)行知識建構(gòu)的教學(xué)方式。它將動手與動腦聯(lián)系在一起，利用實(shí)踐經(jīng)驗帶動腦力的學(xué)習(xí)成果；即通過經(jīng)驗學(xué)習(xí)促進(jìn)知識構(gòu)建。對于STEM教育者而言，他們需要一個模型來指導(dǎo)和落實(shí)I-STEM ED。但通過對現(xiàn)有教學(xué)模型的嚴(yán)格審查發(fā)現(xiàn)它們并不能表達(dá)STEM綜合教育理念。因此以過去十年的I-STEM ED的教學(xué)設(shè)計和發(fā)展為基礎(chǔ)，2016年5月PIRPOSAL作為一個可以滿足這一需求的模型被John G.Wells所提出。

2 PIRPOSAL模型：從理論到實(shí)踐

2.1 理論到實(shí)踐：在課堂中落實(shí)I-STEM ED

落實(shí)以PIRPOSAL模型為基礎(chǔ)的I-STEM ED的最好方式，就是對其各個階段進(jìn)行討論。為方便起見，該文將順序介紹該模型。由于設(shè)計過程的出發(fā)點(diǎn)完全取決于設(shè)計者提出的問題，因此，討論一般由中心問題展開，再通過八個設(shè)計的階段來引導(dǎo)學(xué)生。

2.2 P.I.R.P.O.S.A.L階段

根據(jù)學(xué)生們在整個設(shè)計過程中所需要了解的特定問題，PIRPOSAL的每個階段都包含了三個設(shè)計焦點(diǎn)，分別是P:需求、定義、構(gòu)想；I：標(biāo)準(zhǔn)、頭腦風(fēng)暴、生成；R：探究、調(diào)查、測試；P：分析、構(gòu)思、選擇；O:實(shí)驗、重新探討、建構(gòu)；S：測試、分析、解釋說明；A：確認(rèn)、重新設(shè)計、重新測試；L:流程、迭代、證明。且每個焦點(diǎn)都強(qiáng)調(diào)了對具體實(shí)踐的整合。下面詳細(xì)介紹了在設(shè)計挑戰(zhàn)的各個已知階段中，設(shè)計性提問引導(dǎo)學(xué)生的方法。且每個焦點(diǎn)都強(qiáng)調(diào)了對具體實(shí)踐的整合。下面詳細(xì)介紹了在設(shè)計挑戰(zhàn)的各個已知階段中，設(shè)計性提問引導(dǎo)學(xué)生的方法。

2.3 Problem identification確定問題階段

基于初步需求，教育者會提示學(xué)生在操作上定義問題，并使學(xué)生明確為什么需要該工程學(xué)解決方案。而以操作型定義為基礎(chǔ)，學(xué)生可以構(gòu)想出一個簡要的問題說明。該說明需要包含基于設(shè)計規(guī)范細(xì)節(jié)（需求+問題）的綜合問題，以及工程學(xué)解決方案最終起到的作用。在闡述問題說明的過程中，需要概述由工程學(xué)解決方案的背景和功能所共同決定的標(biāo)準(zhǔn)、參量和約束條件。

2.4 Ideation構(gòu)思階段

在確定問題階段學(xué)生可以收集到一些信息（參數(shù)、約束條件等），構(gòu)思階段就開始于對這些信息中所包含的評判標(biāo)準(zhǔn)的回顧。這種回顧可以使學(xué)生對下列問題進(jìn)行了解：（1）關(guān)于問題已知什么？（2）關(guān)于問題須知什么？

該階段首先是集中性提問。根據(jù)對問題的了解，學(xué)生進(jìn)行討論，然后向小組成員征求潛在設(shè)計方案的相關(guān)意見。而在頭腦風(fēng)暴的同時，學(xué)生也要意識到他們在哪些領(lǐng)域缺乏知識、哪些領(lǐng)域需要對設(shè)計變量做進(jìn)一步調(diào)查。在構(gòu)思階段，團(tuán)隊成員需要記錄所有的建議和意見，包括任何與潛在設(shè)計相關(guān)的草稿、圖紙或注釋，它們將共同生成一個或多個初始的設(shè)計解決方案。

2.4.1 R.研究階段

在研究階段，要求教育者在設(shè)計問題時，將調(diào)查重點(diǎn)放在STEM學(xué)科的內(nèi)容和實(shí)踐中，確保學(xué)生能實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)成果。為此，需要讓學(xué)生對與設(shè)計方案各部分相關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)進(jìn)行知識測試。這樣的測試對學(xué)生提高對STEM要素限制條件的理解而言，至關(guān)重要。

2.4.2 P.潛在解決方案階段

憑借學(xué)生在頭腦風(fēng)暴和研究階段所獲得的想法和知識，就能夠確定哪些潛在解決方案是可行的。在潛在解決方案階段，學(xué)生的初始任務(wù)是分析潛在解決方案中的基本要素。當(dāng)學(xué)生對潛在解決方案（技術(shù)、材料、過程等方面）分析了解后，集中性提問就顯得尤為重要。通過提問獲得足夠的信息，進(jìn)而判斷所做決定是否正確。再通過詳細(xì)的草圖對每一項設(shè)計進(jìn)行分析，設(shè)計者就可以構(gòu)思出最合適的替代解決方案。在繪制草圖和圖紙的過程中，學(xué)生會為他的想法賦予一些實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，如型號、材料等，最終選擇出一個或多個可行的潛在設(shè)計解決方案。

2.4.3 O.優(yōu)化階段

在很大程度上潛在設(shè)計的優(yōu)化階段是由發(fā)散性提問引導(dǎo)的。通常根據(jù)實(shí)驗來完成對各部分的評估，進(jìn)而確定它們在設(shè)計方案中的功能。然后設(shè)計人員根據(jù)這些結(jié)果重新探討出一個特定的設(shè)計方向，并評估各部分在多大程度上對實(shí)現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有幫助，而其他的考慮因素則包括如成本（時間、資源、生產(chǎn)）、影響（環(huán)境、社會文化、政治）等一些變量。基于這些評估，學(xué)生能確定潛在解決方案中哪些部分的結(jié)合最有用。優(yōu)化階段能使學(xué)生有足夠的信心開始建構(gòu)原型方案，進(jìn)而引導(dǎo)出最終的設(shè)計解決方案。

2.4.4 S.方案評估階段

為證實(shí)觀點(diǎn)，原型方案通過實(shí)際測試、收集和分析數(shù)據(jù)、觀察、對原型進(jìn)行必要的調(diào)整，同時根據(jù)對實(shí)驗結(jié)果的解釋說明，得出結(jié)論，進(jìn)而測驗其設(shè)計觀念。因此，在方案評估階段提出的設(shè)計性問題，將針對設(shè)計挑戰(zhàn)中的各個標(biāo)準(zhǔn)來對原型解決方案的屬性進(jìn)行評估。這通常涉及一系列子實(shí)驗。當(dāng)重新設(shè)計解決方案時，對定量和定性結(jié)果的解釋說明可用于描述失敗的設(shè)計或需要被解決的設(shè)計屬性。為了改進(jìn)解決方案，這些解釋說明對制定良好的設(shè)計有直接的影響。

2.4.5 A.改良階段

初始設(shè)計就能滿足所有設(shè)計規(guī)范是很少見的，在設(shè)計可行的工程學(xué)解決方案的過程中，最初嘗試總是伴隨著性能問題，同時也會產(chǎn)生一些新的設(shè)計性提問。這些提問使學(xué)生回溯到方案評估階段的結(jié)果中，并重新確定初始方案中的性能問題。重新討論這些結(jié)果，可以使學(xué)生分離出初始原型中不符合規(guī)范且需要重新設(shè)計的特定屬性。

2.4.6 L.學(xué)習(xí)成果鞏固階段

在整個設(shè)計過程中學(xué)到的知識，可以在學(xué)生的答案中顯現(xiàn)出來。學(xué)習(xí)成果階段要求學(xué)生以圖表、口頭或書面形式交流他們所了解到的知識。在工程設(shè)計過程中，對流程的探討是揭示學(xué)生程序性知識和陳述性知識的理想方法。而對迭代的討論則揭示了低階問題的發(fā)展，反映出學(xué)生在聚合性思維與發(fā)散性思維之間的轉(zhuǎn)變。同時學(xué)生可以利用內(nèi)容和實(shí)踐之間的聯(lián)系做出正確的決定。而在對這種聯(lián)系解釋說明時，他們能夠展示更高階的思想，由此證明出他們設(shè)計方向的正確性。

3 結(jié)語

盡管在具體應(yīng)用實(shí)踐中，國內(nèi)對STEM教育的研究、落實(shí)還處于起步階段，但從已有的國內(nèi)外對PIRPOSAL模型的研究來看，在I-STEM ED中落實(shí)PIRPOSAL模型，符合社會發(fā)展需要，也有利于培養(yǎng)《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)總體框架》所提出的具備六大素養(yǎng)的新一代學(xué)生，使中國在未來全球競爭中搶占優(yōu)勢。