基于工程設計的小學STEM項目設計

錢耀剛 張維

STEM教育就是基于項目的以科學、技術、工程、數學為主干的多學科融合式教育，是以解決問題或完成一個作品為目標的教育。如何設計出結構合理、內容全面的STEM項目，成為當前階段有效開展STEM教育的重要條件。筆者以“制作埃及金字塔模型”項目為例，談談如何進行小學STEM項目的設計與開發。

以年齡知識水平為指引，明確項目內容與形式

基于小學生的年齡特點及小學階段學科知識水平，將小學階段的STEM項目定位于“初學者”層級。處于這一層級的基于項目的學習，以事實性知識技能的學習與掌握為目標，教師在整個項目推進的過程中占有較大比重的主導地位。“制作埃及金字塔模型”STEM項目的提出契機，是學校3D打印社團的老師了解到蘇教版五年級語文教材中有《埃及的金字塔》一課，于是向社團的孩子們提出了“制作金字塔模型”這一項目主題，并形成了基于項目學習的維度框架（見表1）。

以工程設計思想為紐帶，串起項目內容的珍珠

在STEM項目的開展過程中，我們通常熟知的傳統學習周期與學習模式與工程設計過程步驟是非常契合的。被廣泛應用的教學模式BSCS 5E模型提供了按照順序排列的學習步驟，而這些步驟與工程設計過程步驟形成了較為一致的對應關系。顯而易見，學習步驟可轉化為工程設計步驟。因此，STEM項目設計時可以以工程設計思想為紐帶，將科學、技術、數學、藝術、讀寫等其他學科內容綜合運用，串接起來，成為一個完整的學習項目。

以“制作埃及金字塔模型”

STEM項目為例，概括為以下步驟。

1.識別問題和制約因素

受到制作模型材質的局限，無法使用與金字塔實物匹配的沙石材質；受到制作模型的尺寸限制，無法制作1∶1比例的模型。

2.調查研究，設想和分析觀點

項目小組成員通過對五年級課文《埃及的金字塔》的文本閱讀以及網絡上關于金字塔的知識內容搜集合作討論后，整理得出以下觀點：材質選取易獲取的粘土、輕質粘土以及PLA線材（3D打印筆或3D打印技術）；通過數學中的比例專題學習，掌握按比例縮放技能。以胡夫金字塔為例，其實際尺寸高146.59米，底邊長230米，按1000∶1的比例進行縮小，得到高14.659厘米，底邊長23厘米（也可根據需要按其他比例縮小），通過學習簡單的勾股定理，計算得出金字塔棱長21.89厘米。

3.構建和溝通

在設想與分析基礎上，分組利用粘土、輕質粘土捏制模型；用3D打印筆繪制模型；用3D One或者123D Design等軟件建模后，3D打印模型（如圖1～圖2）。模型尺寸以上述計算結果為依據。通過討論溝通，對于捏制模型得出兩種方法：一種是一次成型完成金字塔整體模型；另一種是先構建堆疊金字塔的基礎性立方體構件，再用構件堆疊組成金字塔（如圖3）。對于3D打印筆繪制模型，可以得到分片繪制金字塔四棱錐表面，再組合的方法。

4.測試、優化和反思

在各小組采用不同方法完成模型制作的過程中，還可以對制作時間進行測量，對材質可塑性進行比較，對制作難易度進行比較，對模型精致度進行比較……通過比較、測試與反思，篩選出當前項目任務的相對較佳方案為粘土捏制（見表2）。

通過梳理項目實現的過程，可以發現在每個步驟中都涉及到相應的學科知識與技能。不難發現，工程設計思想貫穿了整個“制作埃及金字塔模型”STEM項目（見表3）。

以“塞耶模型”循環為基礎，反復迭代取得優化

通常情況下，在STEM項目設計時，上文中的工程設計步驟，并非單次完成的，一般需要采取一種四步循環解決問題模型——“塞耶模型”。“塞耶模型”引導學生定義一個問題，描述具體要求，確定解決方案，然后再重新定義問題，開始新的循環。通過“塞耶模型”，每一輪循環都能將問題范圍縮小，都趨向于指向最優化的解決方案。

同樣以“制作埃及金字塔模型”STEM項目為例，當第一輪工程設計目標實現后，通過表格數據對比，不難發現使用粘土捏制與3D打印技術是兩個較佳方案。但當對模型制作提出精致度更高的要求時，使用粘土捏制的方法便失去了領先地位，3D打印技術成為首選方案；當對模型提出更大尺寸的要求時（如100∶1），使用一般的3D打印技術便也失去了領先優勢，但如果引入粘土構件堆疊的思想，利用3D打印機先構建堆疊構件時，則又能恢復這個方法的優勢；當對金字塔內部構造提出更高仿真要求時，則又需要參考金字塔內部結構，對3D建模技術進行優化與提升，同時需要引入對金字塔內壁畫藝術的研究。

綜上所述，STEM項目的設計是基于工程設計的項目式學習，工程設計思想貫穿于整個項目的始終，其他相關的學科知識與技能都被工程整合，同時STEM項目也必須遵循基于項目的學習設計原則，即：讓內容容易習得、讓思維具有可見性、幫助學生向他人學習、促進自主學習和終身學習。