設計型學習視域下的STEM教學模式構建

摘要：STEM教育與設計型學習在目標、內容、問題、過程、學習等多方面存在內在關聯性。設計型學習視域下的STEM教學模式，以培養科學素養、工程素養、技術素養、數學素養為學習目標，以問題導向、頭腦風暴、協作溝通、思維可視化為學習策略，構建包括科學探究環、工程設計環、拓展環三個循環的學習模型。

關鍵詞：STEM教育;設計型學習;教學模式

中圖分類號：G420 文獻標志碼：A 文章編號：1673-90942020）07B-0009-04

隨著科學技術的發展，當今學校教育越來越重視創新人才的培養。正是順應這樣的要求，培養學生創新能力和實踐能力的STEM教育受到世界各國的廣泛關注，各國政府都在努力推進STEM教育。STEM教育起源于美國，2011年美國頒布了K-12科學教育框架，其核心內容包含科學與工程實踐、跨學科概念、學科核心概念，將STEM教育引入科學課堂中。隨后，世界各國相繼出臺有關STEM教育的政策，加入STEM教育改革的行列當中。2017年2月，我國教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》首次將技術與工程教育加入科學教育體系中，并強調跨學科的STEM教育，把STEM作為以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，將科學、技術、工程、數學有機融合為一體，有利于學生創新能力的培養[1]。

設計型學習是當前國外教育界悄然興起的一種全新的探究性學習方式，以真實挑戰為出發點，學生通過設計和探究完成挑戰，掌握技能，發展高階思維。設計型學習作為一種探究性學習方式，是STEM教育理念“落地”的重要途徑。為進一步探究小學科學課堂開展STEM項目學習的教學改革研究，筆者把設計型學習與STEM教育結合起來，探索設計型學習視域下的STEM教育模式，為STEM教育實踐提供新的思路。

一、設計型學習的內涵與操作模型

（一）設計型學習的內涵

設計型學習是美國教育學者納爾遜（Nelson）提出來的概念，也稱為“基于設計的學習”（learning-by-design，LBD）[2]。設計型學習將設計的技能、思維與教學過程結合起來，整個學習過程以設計為中心，不斷循環迭代。學生在設計學習的過程中完成知識的建構，體驗真實的操作過程，掌握技能，從而培養解決問題能力、合作能力、溝通能力，提升批判性思維、創造性思維。

對于設計型學習的內涵，目前研究者主要從方法和設計兩方面進行闡述。一種觀點認為，設計型學習是一種基于項目的探究學習方法[3]，學生在真實的任務環境中，通過完成特定任務，掌握相應的學科知識和技能。這種觀點是把設計型學習視為基于項目學習的一種具體學習形式，學生以小組合作方式參與實踐活動，在完成作品設計與制作的過程中，掌握科學概念和技能。另一種觀點認為，設計型學習是一種教學模式[4]，學生在完成多學科設計任務過程中，掌握綜合應用方面的相關知識和技能。本文采納第一種觀點，把設計型學習作為一種項目學習的探究學習方式，通過多次探究、設計完成真實任務，培養學生解決問題的能力和創新能力。設計型學習以“設計”為核心，體現“實踐性”“整體性”“迭代性”“反思性”的特點，學生在設計過程中獲得科學思維、設計思維、技術思維、數學思維等方面的提升。

（二）設計型學習的操作模型

典型的設計型學習模型主要有兩種：一種是由Nelson提出的逆向思維模型;另一種是由克羅德納（Kolodner）提出的基于設計的雙循環探索模型[5]。本文主要以Kolodner提出的模型作為STEM教學模式建構的原型。

基于設計的雙循環探索模型是Kolodner根據設計型學習的循環迭代性、過程整體性的特點提出來的。它體現了學生學習中涉及的科學探究和工程設計兩個過程，以及兩者間的緊密關系。同時，該模型也體現了學生建構知識和解決問題整個過程。基于設計的雙循環探索模型主要由設計/再設計、調查/探究兩個基本循環組成（如圖1 ）[6]。設計/再設計循環圈是從挑戰性的任務開始，進行設計與制作活動;調查/探究循環圈是為設計與制作活動提供多學科知識、信息資源，幫助解決問題。兩個循環之間不是簡單疊加，而是相互滲透、互相支持的密切關系。在這之中，“需要做”和“需要知道”是構成兩個循環的紐帶。在“需要做”的活動中，會不斷遇到問題，這就要多次進入“需要知道”的循環圈里面，不斷改進修正，最終完成挑戰的任務。

二、設計型學習與STEM教育的關聯

STEM教育是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）和數學（mathematics）四門學科的交叉融合，不過于關注學科界限，而是將核心放在要解決的問題上，強調學生參與實踐，體驗建構、設計、創造、合作解決問題的過程，從而獲得在真實世界中應用知識解決問題的綜合能力。設計型學習是一種具體的探究學習方式，通過設計循環和探究循環培養學生解決問題的綜合能力，為STEM教育提供了清晰、系統、可操作的實施方式。設計型學習與5E探究模式、工程設計循環相比更能凸顯STEM教育的實踐性、跨學科性、設計性等特征。二者的關系如圖2所示。

在培養目標方面，設計型學習與STEM教育都強調能力本位和高階思維的培養u7在基于設計的雙循環探究模型中，強調設計過程中運用多學科的知識解決遇到的問題，最終實現學生解決問題能力、創新思維的培養。這與STEM教育強調利用多學科知識的遷移運用解決實際問題是一致的。在內容方面，兩者都強調了跨學科性和生成性[8]。設計型學習強調項目中的任務，并在完成任務過程中不斷創新，形成新的知識和想法，并付諸設計與制作。這與體現了STEM教育內容的開放性存在內在的一致性。在問題方面，兩者強調的都是情境性和真實性。設計型學習是在挑戰情境中進行主動的探究，STEM教育也強調問題產生于真實的情境中，學生解決的問題是來源于他們真實生活的、實踐中遇到的問題。在過程方面，兩者都強調實踐性和迭代性。設計型學習體現STEM教育過程中的迭代性，例如整個學習過程呈現為多次設計、改進和完善的過程;同時設計型學習也體現了STEM教育中的強調學生參與實踐，在動腦、動手、動嘴自主參與學習過程中，體驗解決問題的整個流程。在學習方面，設計型學習也體現了STEM教育中學生為完成挑戰性任務而相互協作、相互交流，在完成任務的過程中通過設計圖、作品等可見的方式評估學生學習的情況和完成任務的質量。

三、設計型學習視域下的STEM教學模式構建

設計型學習與STEM教育有眾多的結合點，在STEM教育中采用設計型學習的操作模型作為STEM教學模式的基礎，有利于構建小學科學課堂中開展STEM教育的應用教學模式。本文以培養學生核心素養為目標，以基于設計的雙循環探究模型為參考，凸顯STEM教育的設計性、迭代性、跨學科性、體驗性等特點，從學習目標、學習模型、學習策略三個維度構建基于設計型學習的STEM教學模式（如圖3）。

（一）學習目標

學習目標是教學模式的核心要素，STEM教育注重學生科學素養、工程素養、技術素養和數學素養的培養。通過STEM教育培養學生解決現實中復雜問題的能力和創新意識，特別是解決工程問題的能力，是STEM教育的核心。而工程的關鍵是設計，所以在STEM教育中，工程意識和設計能力是其中的關鍵。在學習過程中，學生在調查研究和工程實踐中能獲得多學科知識和技能、批判性思維、創新思維、溝通能力和合作能力的提升。

（二）學習模型

學習是整個STEM教學模式的主體部分。學生、教師組成學習共同體，教師是組織者、指導者、支持者，學生則充當“科學家”“設計師”“工程師”的角色，在教師的輔助下，學生執行學習任務，經過一系列的探索、設計和實踐，最終解決問題，制造出產品。從圖3可見，學習模型包含3個循環，分別是科學探究環、工程設計環、拓展環，其中最基礎的是科學探究環和工程設計環。科學探究環幫助學生獲得進行工程設計環所需要的科學知識和技能，技術和數學給科學探究和工程設計以支持，在多方的共同支持和相互作用下完成作品定型，通過評價量規檢測完成任務的情況。同時這個循環又是開放的，對作品可以進行進一步創新、拓展，這樣會進入新的任務，開始新的一輪探究和實踐循環。如此不斷地循環迭代，正是體現了工程思想。從具體的學習模型操作過程看，第一步是明確任務，STEM教育強調融人生活、從身邊的現象出發，建立教育與生活之間的有機聯系，通過創設真實情境，利用有挑戰性的任務，激發學生的學習欲望和動機。第二步提出驅動性問題或識別問題，明確要完成的任務、需要解決的主要問題，并給出完成挑戰性任務的評價標準。第三步根據任務，選擇進入科學探究環或工程設計環，左邊循環和右邊循環是互相促進、彼此滲透，相互交替進行。如果需要先了解所要知道的，那么就進入科學探究環，掌握完成任務所需要的知識和技能。如果需要先進行設計，那么就進入工程設計環，先制定設計方案，利用已有的知識和技能進行初步的設計;然后制作和展示初步的作品，通過相互交流，提出修改意見，進行完善;接著進行測試和優化;再進行分析解釋。如果還存在問題，可以繼續進行科學探究或改進設計、完善作品。第四步就是作品定型，進行發布、評價。第五步，如果還有更好的創意想法，可以對作品進一步進行創新，再次進入新的一輪循環中。整個學習過程以學生為主體、以教師為主導，在每一次的循環迭代中學生獲得多學科知識和技能、高階思維能力、創新能力、問題解決能力的提升。

（三）學習策略

在整個學習過程中，以驅動性問題為導向，引導學生一步步進行探究和實踐，通過頭腦風暴，讓學生充分暴露自己的想法和觀點，鼓勵學生奇思妙想。小組協作學習是學生進行STEM學習的重要形式。學生通過學習共同體互相討論、交流和溝通，獲得對知識和設計的理解，從而有效完成任務。在此過程中，溝通顯得尤為重要，學生要學會聆聽，尊重他人的意見，虛心接受別人的建議，對自己的學習進行反思，整合他人的觀點，在小組中做出自己的貢獻。教師要幫助學生搭建探究腳手架，讓學生的思維可視化。可以通過多種呈現方法和多種表達方式，例如設計圖紙、模型、報告等，呈現學生的思維過程。引導學生積極主動參與到解釋的過程中，講解自己的設計過程、制作過程和方法，在呈現自己思維過程的同時，培養元認知技能，實現科學世界與學習世界的互動。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[M].北京：師范大學出版社，2017：63.

[2][3][4]李美鳳，孫玉杰.國外“設計型學習”研究與應用綜述[Jl.現代教育技術，2015，25（7）：12，12，13.

[5][6][8]秦瑾若，傅鋼善.面向STEM教育的設訓型學習研究：模式構建與案例分析[J].電化教育研究，2018，39（10）：86，86，85.

[7]趙亞萍.設計型學習視域下的STEM教學對小學生科學探究能力的影響研究[D].武漢：華中師范大學，2018：17.

責任編輯：楊孝如

本文系廣州市教育科學規劃2017年度名師課題“基于STEM教育的小學科學項目設計與實踐研究——以技術與工程領域為例”（1201741491）研究成果。

收稿日期：2020-04-19

作者簡介：鄭雪萍，廣州市天河區教育局教研室（廣東廣州，510630）教研員，高級教師，廣州市名教師工作室主持人，主要研究方向為初中生物教學和小學科學教學。