基于CDIO模式的STEM活動

駱紫琪 楊翠云

【摘 要】本文論述將工程教育改革的CDIO模式應用到培養具有STEM教育理念的小學科學教師的教師教育課程改革中，以開展制作創意電子樂器的STEM活動為例，從“構思、設計、實施、運行”四個環節分析基于CDIO模式的STEM活動實施，提出STEM活動的主題內容應該選擇工程設計開放性大的工程實踐活動、組織STEM活動的過程中應該圍繞工程教育的核心概念來展開、要運用注重評價過程的形成性評價等教學建議。

【關鍵詞】CDIO模式 STEM活動 創意電子樂器 工程教育 形成性評價

STEM教育是一種融科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科于一體的綜合教育。它旨在打破科學、技術、工程、數學等學科領域邊界，培養學生面對復雜情境下的問題解決能力。作為國際工程教育改革的CDIO模式，已經廣泛應用于高職院校各類專業教學及課程改革。筆者試將工程教育改革的CDIO模式應用于培養具有STEM教育理念的小學科學教師的教師教育課程改革中，以制作創意電子樂器為例進行探索，為采用CDIO模式組織STEM活動的教育模式提供參考。

一、STEM教育與CDIO模式

相關數據顯示，現代產業發展對勞動力的需求中有超過75%的職業崗位與STEM素養相關，因此，《美國競爭法》把具有STEM素養的跨學科人才作為美國全球競爭力的關鍵指標。2013年，美國《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standard，NGSS）正式頒布，其中科學與工程實踐的提出是美國此次基礎教育科學課程改革的新舉措。考慮到凸顯工程實踐的STEM教育已經成為當前國際科學教育主流思想，除美國外，德國、英國、芬蘭、澳大利亞等發達國家在新修訂的科學教育文件中紛紛增加和凸顯此類內容。我國在國策層面也有所行動，頒布了《教育信息化“十三五”規劃》《中國STEM教育白皮書》《中國STEM教育2029創新行動計劃》等，為我國STEM教育發展進行了總體部署。在我國，中小學各學段都開設了數學學科。在小學階段開設了“小學科學”的綜合學科，而在初中、高中，科學是以物理、化學、生物、地理等具體學科來獨立教學。而“T”表示滿足人類需要的技術和“E”代表生產活動創新過程的工程，則只有在小學和初中的“綜合實踐”課程和高中的“通用技術”課程中會有所涉及，但是這些課程在部分學校形同虛設。整體而言，我國中小學長期缺乏對工程教育、技術教育的重視，而科學與數學又都是獨立教學，所以我國的STEM教育還處于起步階段。

為更好地理解STEM教育變革趨勢對未來教學的影響，需要更多關注科學、技術、工程、數學這四門學科的融合教育。事實上，在科學、技術、工程、數學之間存在著相輔相成的關系。科學探究依賴于工程的產物，而工程又要依靠科學的發現，用數學來描述數據、分析數據、建構模型和使用技術工具。因此，為了讓學生獲得更綜合的知識、創新的思維和在復雜情境中發展解決問題的能力，STEM教育應該以基于真實情境的問題導向型學習或工程設計的STEM活動引出綜合教學模式。

CDIO是一個國際性、廣泛、較全面和系統的工程教育改革模式。與其他工程教育改革模式不同，CDIO工程教育模式是以《CDIO能力大綱》《CDIO標準》這兩個重要的指導性文件作為實施與推廣保證的。2005年開始，汕頭大學引入CDIO理論國內工程教育改革后，國內多所高校結合國內教育實際，以CDIO模式指導工程教育領域的教育改革。由于CDIO模式工程教育改革經過富有成效的探討和實踐，取得了突出的成果，也逐漸被應用到強調工程設計的STEM教學活動中。

筆者把工程教育改革的CDIO模式應用于培養具有STEM教育理念尤其是具有工程教育能力的小學科學教師的教師教育課程改革中，以項目式的STEM活動為載體，按照構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和操作（Operate）四步驟的CDIO的教學模式設計、組織STEM活動，教學效果得到學生與用人單位的肯定。本文以制作創意電子樂器的STEM活動為例，為采用CDIO模式組織STEM活動的教育模式提供一種參考。

二、基于CDIO模式的制作創意電子樂器STEM活動

基于CDIO教學模式的真實情境下強調工程設計的STEM活動主要有以下四個教學環節，本文以制作創意電子樂器為例進行說明。

（一）構思

在構思的環節，應該側重培養學生的工程思維。教師創設情境，下達任務—— 用所學的Arduino技術制作一個電子樂器。同時，教師明確活動的評價方式是舉辦一場基于Arduino的自制創意電子樂器音樂會。每個小組上臺演奏時間控制在2分鐘以內，表演人數、形式不限。演奏前要介紹作品的制作（作品特點、制作過程、解決的問題、小組分工等），時間3分鐘。在下達任務的同時明確評價方式的好處是可以促進學生去構思如何有效完成項目。

在構思階段，首先學生需要設立系統目標和要求，即明確問題：“我想創造一個什么樣的電子樂器？新的電子樂器可以解決現有的電子樂器存在的什么問題？”讓學生發散思維，選擇自己喜歡的觸發方式感知環境，如觸摸、按鍵，還是光感或者聲感，根據不同的觸發方式選擇相應的傳感器。經過小組集體討論決定制作鋼琴、吉他、鼓等任意形式的電子樂器。其次學生需要定義產品的概念、功能，如我們創造的電子鋼琴是三角鋼琴還是立式鋼琴？電子鋼琴的音域是多少（音域寬度直接決定鍵盤系統中琴鍵的個數及其音調）？

在學生經過系統的建模后，教師還需要引導學生分析完成任務所需要的專業基礎知識，尤其是科學、技術、工程、數學等學科知識的分析，確保目標可能達成。

（二）設計

在設計階段，約束條件是創建設計解決方案時必須考慮的限制，而可獲得的材料和學生可用于工作的時間是STEM活動中最需要考慮的限制條件。在制作創意電子樂器中，學生需要考慮Arduino硬件是選擇Arduino Uno主板還是Arduino Nano主板或者其他型號的主板。除此之外，學生還要確定使用相應的編程軟件，如簡單易懂的圖形化編程軟件Mixly還是ArduBlock。通過分析金錢成本與時間成本決定搭建外觀形狀選擇的材料和工具。教師經常使用權衡矩陣等系統方法確定哪些方案最有前景。學生不僅需要思考選擇材料的粘接、裁剪、價格、耐久性等廣泛的標準，而且能根據自己的權衡標準對材料排出優先順序。例如，根據表2中的創意電子樂器外觀材料分析表，如果開展STEM活動的對象是1～2年級的學生，教師優先選擇卡紙，而如果參與STEM活動的主體換成高職高專的師范生，教師則優先選擇雪弗板。

另外，在設計階段最具挑戰性的是阻止學生立即實施第一方案以及讓他們在行動前進行全面的思考。為了讓設計的可能方案更加科學，可以讓學生通過草圖、圖紙或模型來描述設計思路，因為與同伴交流關于方案的想法是設計過程的重要組成部分，并且分享想法有助于改進設計方案。

（三）實施

實施過程是培養學生在真實情境下解決問題能力的關鍵，也是體現STEM學科之間綜合、聯結應用的重點。學生在實驗室或教室進行工程實踐的主要內容包括硬件設備搭建、軟件系統調試、程序優化、外觀美化等。在制作創意電子樂器的STEM活動中，首先，學生利用所學的Arduino技術，按照設計好的電路選擇UNO板、數據線、面包板、電阻、LED、按鍵、各種傳感器等元器件，完成硬件設備搭建。其次，學生利用Mixly編程軟件編輯出“依序按下不同的琴鍵能夠發出不同的音階”的程序。為了讓電子樂器的舞臺演奏效果更佳，學生不僅需要反復調試，修改程序，改變按下琴鍵發出音階的音調頻率（應用技術、科學知識），而且需要多次測試不同型號蜂鳴器的發聲效果（應用技術知識）。最后，為了使電子樂器便于移動和攜帶，學生還需要解決外觀設計、材料粘接等工程問題（應用數學、工程知識）。

在實施環節，教師需要深入合作學習小組去了解活動開展得是否順利，有沒有困難與問題。對學生出現的共性問題，教師應該暫停全班同學的工程實踐活動，及時介入點撥以保證有序高效地開展STEM活動。而對個別小組出現的問題，教師則在組內進行干預即可。另外，教師還需要關注工程實踐所需的材料、工具，小組分工，學生完成項目報告的督促等。

（四）運行

運行階段的目的是優化設計方案，在這個階段通過反復檢驗最佳可行方案以及基于檢驗結果不斷修正的過程，能帶來更好的改進，并最終生成最佳方案。為了促進學生不斷優化設計方案，一般的STEM活動都會在這個環節設計游戲競技以測試作品。學生在優勝劣汰的游戲中不僅能發現自己產品存在的問題，而且通過學習優秀作品可以改進自己的作品。

在制作創意電子樂器的STEM活動中，教師采用演奏會的方式測試各個小組制作的電子創意樂器性能的優劣。在各小組用自己制作的電子樂器上臺演奏一首樂曲時，教師需要引導學生觀察、識別各個小組電子樂器作品在結構穩定性能、樂曲與產品所設計的音階的吻合度、作品外觀設計等方面的最佳表現特征。學生通過比較分析不同作品的最佳表現特征，可以為優化自己的作品提供有用的信息，甚至可以借鑒其他小組的最佳特征，將其整合到自己的新設計中，最終生成最佳方案。教師還可以鼓勵學生分享在實施過程遇到的問題及解決的方案、小組合作分工等信息，以通過小組交流討論提高學生解決問題的能力。

三、基于CDIO模式開展STEM活動的教學建議

經過教學實踐，筆者認為把CDIO模式應用于工程教育落后的小學STEM教師教育課程改革，開展STEM活動，要注意以下三方面的問題。

第一，STEM活動的主題內容應該選擇工程設計開放性大的工程實踐活動。STEM活動的主題內容直接影響學生的參與興趣和活動效果。因此，教師不應該把按照引導式工作單進行的簡單的“動手做”的科學制作活動作為STEM活動，如資源、材料限定的機器人搭建、科學小制作等。在這些引導式活動中，除了操作，學生沒有自主權，因為他們都按既定的步驟進行，得到相同的作品。教師應該選擇學生自主選擇性強、工程設計開放性大的側重工程實踐的STEM活動，如拋石機比準、風動力小車比快、水火箭比高等挑戰性強的趣味活動。在這些活動中，學生可以自行選擇材料，每一名學生都可以用自己的方式進行工程設計，最終活動可以呈現出豐富多彩的作品。

第二，組織STEM活動的過程中應該圍繞工程教育的核心概念展開。國內外的研究表明，幫助學生圍繞學科核心概念建構和組織頭腦中的知識有助于學生深入理解知識、遷移應用，并為未來學習和工作打下良好的基礎。因此，教師利用CDIO模式開展STEM活動時應該把工程教育中的定義和界定工程問題、形成可能的方案、優化設計方案等核心概念作為STEM活動設計和開展的焦點。

第三，要運用注重評價過程的形成性評價。在STEM活動中，教師應該從學生學習興趣程度被激發的程度，投入工程實踐活動的積極性表現，使用加工、制作工具的規范程度，以及項目活動結果的表達和展示水平等方面評價學生學習的質量。教師需要根據這些判據，設計和確定相應的觀察、記錄、分析的手段和工具，并且能夠準確熟練地使用這些手段和工具，開展相應的管理和評價。

綜上所述，采用CDIO 教育理念開展STEM活動的方式改革小學科學教師的教師教育課程效果明顯。在CDIO的教育模式的構思、設計、實施、運行四個環節中，圍繞工程教育的定義和界定工程問題、形成可能的方案、優化設計方案這三個核心概念建構工程學科知識框架，使學生更深刻地認識到工程與數學、技術、科學學科知識的相互融合。因此，基于CDIO模式開展STEM活動，有利于培養師范生的工程思維、創新能力，尤其是解決真實情境下綜合實際問題的能力，發展學生STEM素養，符合我國當前高等教師教育改革的目標和對教師培養的新要求。

【參考文獻】

[1]徐娟玲.基于CDIO的國內高職院校教學改革研究綜述[J].高等財經教育研究，2019（3）.

[2]祝智庭，雷云鶴.STEM教育的國策分析與實踐模式[J].電化教育研究，2018（1）.

[3]周榕，李世瑾.循證實踐：STEM教育實踐形態的理性蛻變[J].電化教育研究，2019（7）.

[4]教育部基礎教育課程教材專家工作委員會.義務教育小學科學課程標準解讀[M].北京：高等教育出版社，2017.

[5]顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）.

[6]曹海平，管圖華.基于CDIO 理念的電工電子實訓教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2013（1）.

[7]美國科學教育標準制定委員會.新一代科學教育標準[M].葉兆寧，楊云魁，周建中，譯.北京：中國科學技術出版社，2020.

注：廣西高等教育教學改革工程項目“基于CDIO模式的電子信息類專業電子技術課程改革研究與實踐”（2013JGB308）;桂林師范高等專科學校第一批“課程思政”教育教學改革項目（JG201907）

【作者簡介】駱紫琪（1988— ），女，廣西北流人，桂林師范高等專科學校講師，研究方向為小學科學教育;楊翠云（1972— ），女，通訊作者，廣西桂林人，桂林師范高等專科學校物理與工程技術系副教授，研究生，研究方向為物理教學和非線性物理。

（責編 黎 原）