基于設計思維的STEM教學模式研究

摘? ?要

設計思維是知識經濟時代下的一種創造性地解決問題的方法論體系，其為STEM教學的有效開展提供了重要支持。從當前STEM教學實踐中存在的主要問題出發，通過厘清設計思維與STEM教學之間的內在聯系，借鑒典型的設計思維實施模型，以培養學生實踐能力、探究能力和創新思維為根本目的，構建了一個基于設計思維的STEM教學模式，以期為推動STEM教學改革提供相應的理論模型和實踐參考。

關鍵詞

設計思維? ?STEM教育? ?教學模式

近年來，強調跨學科融合、聚焦真實問題解決的STEM教育已經成為培養適應社會發展的科技創新人才的重要方式，受到各國教育領域的廣泛關注。在全方位開展STEM教育改革的大背景下，如何具體進行教學實踐，探索其教學模式，是決定STEM教育能否進一步深入應用的根本性問題。2016年，美國教育部與美國教育研究協會聯合發布的《STEM 2026：STEM教育中的創新愿景》報告將課堂教與學活動的有效設計列為開展STEM教育的8大重要挑戰之一[1]。美國白宮和STEM教育委員會于2018年12月發布的《制定成功路線：美國STEM教育戰略》報告指出，“促進跨學科知識之間的融合，積極開展STEM教育實踐”[2]。我國教育部頒布的《教育信息化“十三五”規劃》也明確強調，“探索信息技術在跨學科學習（STEAM教育）等新型教育模式中的應用”[3]。教育部教育裝備研究與發展中心在其2017年至2019年的工作要點中，均指出STEM教育對中小學教育發展和人才培養的重要價值，要求積極創設STEM環境，開展STEM教學。因此，積極探索面向STEM教育的教學模式，切實培養學生的創新實踐能力，已經成為當今教育領域的熱點議題。然而，隨著STEM教學實踐的深入開展，一些主要問題也逐漸凸顯。由于在教學中缺乏對學生思維過程的系統引導，導致他們沒有形成發散性的思考方式，不能設計出多樣化的問題解決方案[4]。

設計思維，即一套科學的引導學生創造性地完成思考、設計以及解決問題的系統方法和技能[5]。設計思維中強調的“以人為中心”“設計修正”“問題解決”等內容，同樣也是STEM教育所遵循的重要理念。基于此，本研究將設計思維的方法作為STEM教學實施的具體路徑，嘗試構建一個基于設計思維的STEM教學模式，以期為推動STEM教學改革提供有價值的借鑒。

一、設計思維支持STEM教學實施的方法

設計思維，源于英文單詞Design Thinking，中文也譯為設計思考。1969年，國際人工智能專家Simon在其出版的《人工科學》一書中指出，人工科學與自然科學的重要差別在于前者離不開人的設計，而要將人工與自然相融合，則離不開人的思維。Simon進一步強調，學習者通過思考之后所形成的理解性學習要遠好于死記硬背的學習，更容易將所學知識應用于新的情景中[6]。關于設計思維的具體內涵，沒有統一的界定。目前，研究者主要從以下三種視角進行闡釋：第一，方法論說。設計思維是一套創造性地解決問題的方法論體系[7]。第二，過程說。設計思維是一個分析問題、解決問題、創新思考的過程，它包括對問題的探索，以及對解決方案的構思、設計、實施與評價等內容[8]。第三，思考方式說。設計思維是設計師進行思考、設計作品、解決復雜問題的方式，它所體現的是設計的心理過程，而非設計的結果[9]。基于以上思考，本研究將設計思維界定為一種方法論。具體來說，設計思維就是一套創造性地解決問題的方法論體系。該體系包括相應的啟發式規則，以及一系列的步驟、策略、方法和工具。通過實施以上具體的步驟，并為設計者（學生）提供相應的方法、工具等，可以幫助他們在“設計—行動—反思—再設計—再行動—再反思”的循環迭代過程中提出具有創造性的解決問題的方案，從而有效解決復雜的現實問題。設計思維本質上是一種面向真實問題解決、強調學生過程體驗、關注技術創新的多元化思維方法。該方法對于支持STEM教學開展、發揮其實際教學效能有著重要作用。

1.以真實問題為任務驅動，建立教育和生活之間的有機聯系

STEM教育強調“做中學”“學中做”的教學理念，重視教育和學生真實生活之間的聯系，從實際問題出發，根據挑戰需求引導學生利用多學科知識和技能解決問題、培養能力，從而實現對知識的意義建構。設計思維支持下的設計活動以解決真實的劣構性問題為驅動，通過為學生提供相應的工具、方法和步驟，引導他們開展探究、完成任務。這樣，不僅可以使學生從實質上提高問題解決的能力，有助于他們對知識體系的全面把握;而且能夠拉近教育和生活的有機聯系，形成對真實生活的完整體驗，增加學習的趣味性和挑戰性，真正使學生熱愛學習、熱愛生活。

2.以多樣化方式解決問題，培養學生的創新精神

設計思維強調設計活動本身就是一個創造性的過程，該過程充滿了探究和思考，需要利用多種思維方式去探索和感悟，并創造出更多全新的形式。也就是說，學生在具體實踐過程中，隨著思考的不斷加深，會因人而異地產生不同的、獨到的觀點和思路。在設計思維方法支持下的活動過程中，通過引導學生進行小組協作、頭腦風暴，積極探究和動手實踐，從多個角度思考問題需求，設計出不同的解決方案，創設出更多的可能性，從而制作出創造性的作品。這種多樣化的思考方式有助于突破學生之前的思維定式，引導他們在不斷的嘗試中，逐漸提高創新意識和能力。

3.以非線性形式展開教學實踐，重視對學習過程的體驗

設計思維作為一種植根于創新驅動的方法論體系，為學生提供了一套切實可行的、具有創造性的實施路徑和方法工具。整合設計活動的開展并不是一蹴而就的，可以根據需要重復整個過程或者回到某個環節。比如，學生根據問題和任務，展開探究調查，運用相應的知識和技能完成實踐作品。之后，根據對作品功能的測試情況，識別出需要改善設計的新信息，重新進行探究調查，對作品、方案進行再次優化和完善。這種非線性的實施方式，能夠有效地保證作品的質量，提升學生的動手能力，并確保了學生對過程的深入感悟。

4.以思考為學習支架，助力學生思維能力的養成

在STEM教學中，學生不僅要利用多學科知識解決問題，更要能夠將所學知識轉化為技能，形成自身的能力。設計思維包括一系列的策略步驟、方法工具，通過為學生提供相應的思考支架，有助于將原有隱藏在設計活動中的思維經驗外顯化為一系列簡單、系統、容易上手的實踐過程。教師引導學生根據任務需求，進行產品設計或者解決復雜問題。學生在參與實踐的過程中，通過對各個環節中的現象進行感悟，形成了相應的思維方式，真正學會如何去思考，以創造出新穎的作品，解決復雜問題，鍛煉能力。

二、基于設計思維的STEM教學模式構建

根據設計思維與STEM教學之間的內在聯系，借鑒典型的設計思維實施模型，構建具體的教學模式。

1.典型的設計思維實施模型

設計思維作為一種培養學生探究思考的方法論體系，在具體的操作層面，學者們開發出不同的實施模型，可以有效開展相應的設計活動。具體來說，設計思維的最初模型是由Simon提出的單向線性模型，包括分析、綜合和評價三個階段[10]。Candy認為，設計工作和思維的培養，應該是一個循環往復的過程。通過對方案和作品的評估，發現需要進一步修正的地方，為設計者提出新的改進思路，從而開展更深入的設計工作，不斷完善。所以，在單向模式的基礎上，增加了循環模式，提出了包括探索、生成、評價三個階段的設計思維模型，評價階段結束后，再次回到探索階段和生成階段[11]。之后，在以上思路的指導下，更多的設計思維實施模型不斷涌現。Hurson提出了包括移情、目標、提問、解釋、原型、調配六個實施步驟[12]。Glen等人提出了包括問題發現、觀察、可視化和意義的形成、構思、原型和測試六個階段的設計思維過程[13]。

目前，使用最為廣泛的是由斯坦福設計研究院開發的EDIPT模型，見圖1[14]。該模型包括同理心、定義、創想、原型、 測試五個循環往復的階段，每個階段又包含具體的目標、實施原則、操作方法和使用工具等。階段一，同理心，也稱為換位思考，設計者站在應用者的角度思考，去感受對方的態度和想法。其核心目標在于深入了解用戶的具體需求，搜集具體的信息，為接下來問題的定義和認識奠定基礎。該階段常用的方法工具有觀察、傾聽、訪談、問卷調查、KANO模型、搜索工具等。階段二，定義，在搜集信息的基礎上，對其進行系統的整理和加工，從而定義出具體的、可操作的問題。該階段常用的方法工具有五問法、知識地圖、書寫繪畫工具、思維導圖工具等。階段三，創想，該階段是解決問題的關鍵。根據定義的問題，通過思考、討論和調查，探索解決問題需要的知識，并從多個角度去提出不同的問題解決方法，制定具體方案，這可以很好地培養設計者的發散思維。通過討論的形式，對多個方案進行比較、修正，以形成最佳方案。該階段常用的方法工具有頭腦風暴法、九宮格法、訪談、書寫繪畫工具、白板等。階段四，原型，根據解決方案，制作出簡單的、具有基本功能的原始產品或者是具有產品某項功能的模型。該階段為方案的測試和修正提供了一個可以參照的原始作品雛形。該階段常用的方法工具有程序設計、3D打印、智能機器人、卡板、制作材料等。階段五，測試，該階段不僅包括測試功能，還包括優化功能。具體來說，首先是測試產品和方案的有效性，即判斷是否解決了相應的問題。之后，根據測試的結果，識別出需要修正的新信息，或者是產生出新的問題和想法。此時，修改內容并重新開展頭腦風暴，建立新的修正模型，并進一步測試和優化。由此多輪迭代，最終形成科學、有效的作品和方案。該階段常用的方法工具有工程測試方法、測試原型、模型檢驗等。需要指出，除了EDIPT模型的整體過程是一個循環模式以外，其中的五個步驟之間呈現出一個非線性關系。也就是說，使用者可以根據需要重復整個過程或者是某些特定的階段。

2.基于設計思維的STEM教學模式

本研究根據設計思維和STEM教學之間的內在聯系，以及STEM教學模式的一般構成要素，借鑒EDIPT實施模型，構建出基于設計思維的STEM教學模式（見圖2）。從圖2可以看出，在對學情特征分析的基礎上，進行包括教學目標、教學內容、教學環境、教學活動和教學評價五個核心要素的詳細設計。

（1）學情特征

學情特征的分析是教學模式構建的基礎性工作，教師需要全面了解學生的年齡特點、原有知識水平、基本學習能力和學習風格等要素，把握其基本學習特征。這些有助于教師為學生準備更加合適的問題、內容和資源。

（2）教學目標

在學情分析的基礎上，需要制定教學目標，也就是學生通過課程參與所要達到的具體結果。在充分考慮三維目標和21世紀核心素養的基礎上，結合STEM教育的核心教學理念，基于設計思維的STEM教學目標應該包括認知、能力和情感三個方面。認知目標主要是指學生對學科核心知識的掌握和跨學科綜合概念的理解，能力目標主要是指培養學生的動手實踐能力、創新探究能力、問題解決能力、創新思維的形成等，情感目標主要是指要讓學生養成敢于動手、勇于創新、吃苦耐勞的精神。

（3）教學內容

教學內容是整個模式的重要載體，向上承接教學目標， 向下決定教學環境的設計、教學活動的組織等。不同于傳統的分科式教育，STEM教育的教學內容來源于真實生活，建立教育和生活之間的聯系，給予學生完整的生活體驗。通過引導學生綜合利用多學科的知識與技能，解決劣構性問題。其中，問題的科學設計成為決定教學內容質量的關鍵。在設計具體問題時，應該注意以下幾個方面：第一，問題要源于真實生活;第二，問題要有一定的趣味性，激發學生的興趣;第三，問題要有一定的難度，可以引導學生進行探究，利用多學科知識來解決;第四，可以將大問題細分為一個個具體的小問題，各個小問題之間要有一定的梯度。

（4）教學環境

教學環境一般包括物理環境和社會心理環境兩部分。物理環境進一步可以分為教學場所、教學工具和教學資源三方面。教學場所方面，STEM教學需要在具體的工作坊或者實驗空間中進行。教學工具方面，包括Scratch可視化編程軟件、知識地圖、思維導圖等軟件工具，以及3D打印機、電路板、智能機器人、單片機、計算機、平板電腦、書寫繪畫等硬件工具。教學資源方面，包括網絡教學平臺、電子課件、微視頻、導學案、練習題、課程教材等資源。社會心理環境主要是指為學生創設自由、平等、和諧的學習氛圍，引導學生主動參與探究，并對學生進行鼓勵。

（5）教學活動

教學活動作為具體實施部分，是落實教學目標和教學內容的關鍵。在本模式中，整個教學活動環節包括問題識別、方案制定與作品生成、綜合評估三個循環往復的階段，每個階段都有對應的支持工具。在此基礎上，教學活動進一步從教師和學生兩方面展開。教師活動包括學情分析、描述情境、確定問題、細化問題、組織實踐、學習引導和評價反思七個方面。其中，學情分析、描述情境與確定問題對應整體教學環節的問題識別階段。問題細化、組織實踐與學習引導對應整體教學環節的方案制定與作品生成階段。評價反思對應整體教學環節的“綜合評估”階段。學生活動包括調查與識別、創想與修正、評價與深化三個方面。這三個方面分別對應整體教學環節的問題識別、方案制定與作品生成、綜合評估三個階段。

①教師層面

學生的科學探究離不開教師的引導和支持。具體來說，第一步，學情分析。教師要把握學生的基本情況，包括學習興趣、年齡特點、基本能力，以及之前所學習的內容。第二步，描述情境。教師創設情境，引導學生回憶之前所學知識。之后，讓學生在情境中思考，并進行調查探究、搜集資料和篩選信息。第三步，確定問題。通過對資料信息的分析，教師引導學生尋找實際生活中的任務需求。在此基礎上，確定需要解決的具體問題。第四步，細化問題。進一步引導學生對問題進行思考，細致定義問題需求，即把大問題轉化為一個個可操作的小問題。第五步，組織實踐。在明確問題的基礎上，教師指導學生以小組為單位，通過調查探究、深入思考、動手實踐設計出問題解決方案，制作具體的作品或者模型。根據對作品功能的測試結果，進行不斷優化和完善。第六步，學習引導。在教學過程中，教師需要為學生提供適當的學習支持服務，以幫助學生提出創造性方案，設計出相應的作品。第七步，評價反思。良好的評價體系有助于提高教學質量。教師要對學生的表現進行評價，還要引導學生對他人的作品和表現進行評價，激發學生之間的討論，進一步完善作品。最后，教師還需要進行反思，思考在教學過程中取得的成績與存在的不足，以便下次改進。

②學生層面

首先，調查與識別階段。該階段是整個學生活動框架的基礎，主要任務是確定實際需求和問題。第一步，調查探究。學生根據教師描述的情景，以小組為單位，開展多方面的實踐調查，獲取相應的信息和資料。第二步，整理信息。在調查的基礎上，對收集到的信息進行系統整理和歸類。第三步，識別需求。對整理的信息進行詳細分析，形成相應的真實任務，識別具體需求。第四步，定義問題。在對需求理解的基礎上，確定待解決的問題。在學生定義問題的過程中，會因人而異地生成新的思考和疑惑，需要重新開展調查，進一步探究。

其次，創想與修正階段。該階段是整個學生活動框架的主體，主要任務是設計方案，制作出模型或者作品，并對方案和作品不斷修正。第一步，問題聚焦。在確定問題的基礎上，學生以小組為單位，通過進一步思考，細化問題需求進行聚焦，把大問題轉化為具體的、可以解決的小問題。第二步，思考問題。學生思考問題需求，把握其要點，以小組為單位通過調查實踐、頭腦風暴、討論互動、探索解決問題所需要的多學科知識和方法。第三步，創想方案。學生根據問題和討論結果，利用獲得的知識和技能初步設計出多樣化的問題解決方案。第四步，制作作品。學生進行小組內部討論，通過思維碰撞篩選出相應的方案。之后，學生根據方案，利用STEM跨學科知識，以及相應的工具資源，完成初步的作品。第五步，功能測試。將制作好的作品或者模型進行應用，測試其功能，并實時記錄相應的數據，包括測試時間、使用工具、測試內容、功能模塊、測試結果、實驗現象、存在問題等。第六步，修正優化。根據測試結果，發現需要進一步修正設計的新信息，此時，再次回到第一步（問題聚焦），生成新的想法，開展新一輪的設計和探究，繼續完善方案、優化作品，并重新測試作品功能。由此進行多次循環，直到達到標準。

最后，評價與深化階段。該階段是整個學生活動框架的保障，主要任務是對學生的綜合表現進行評價，通過開展反思，加以深化改進。第一步，作品討論。學生將小組的作品向老師、同學展示，全班開展討論，進行頭腦風暴，針對作品的基本情況、具體功能和測試情況展開交流。第二步，作品評價。評價包括教師評價、學生之間的同伴評價和自我評價三種形式，評價內容主要針對學生的過程性表現，以及結果性表現（設計的方案，完成的作品等）。第三步，作品完善。綜合教師評價與學生評價結果，進一步深化完整方案和作品，并修正相關結論。第四步，深化理解。學生進行反思，明確取得的成績和存在的不足，產生新的認識。進一步深化理解，開展新一輪設計工作，不斷對作品進行完善，并開發出更多的功能。

需要注意的是，除了調查與識別、創想與修正、評價與深化三個階段各自是一個循環外，在實際教學過程中，可以根據任務需要，三個階段之間可以任意跳轉、互相融合、彼此補充，共同助力學生創新思維的培養。

（6）教學評價

教學評價可以從評價內容、評價方式和評價主體三方面考慮。第一，評價內容。根據本研究的教學目標（包括認知、能力和情感三個部分），將評價內容分為智力因素（針對認知、能力）和非智力因素（針對情感）。智力因素主要包括學生對學科核心知識點、跨學科知識的掌握，以及學生實踐能力、創新能力等方面的養成情況。非智力因素主要是指學生的學習態度、學習意志力等方面的體現情況。第二，評價方式。采用過程性評價和結果性評價相結合的方式。第三，評價主體。包括教師評價、學生互評和學生自評三種形式。綜合以上三方面，對于智力因素，過程性評價包括學習行為記錄、大數據分析、課堂實錄等方面;結果性評價包括學生設計的方案、完成的作品或者模型、問卷調查、訪談等方面。對于非智力因素，過程性評價包括視頻觀察、課堂觀察等方面;結果性評價包括問卷調查、訪談等方面。上面每一個環節的內容，均包括教師評價、學生互評和學生自評三種形式。這樣能夠更加客觀、全面地對學生進行評價。

目前，如何有效設計STEM教學模式，促進跨學科教育改革，已經成為教育領域關注的重點話題。本研究以培養學生的探究能力、實踐能力、創新思維為核心目標，將設計思維的方法作為開展STEM教學的具體路徑，構建出基于設計思維STEM教學模式。通過對該模式的分析與描述，以期為推動STEM教學改革，將其理念真正落地提供相應的理論模型與實踐參考。

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[作者：秦瑾若（1990-），男，陜西西安人，陜西科技大學教育學院，講師，博士。]

【責任編輯? 郭振玲】