融合科學探究和逆向工程教學的STEM課程探索

張清泉

【摘要】以學習過程和結果為導向，可以將STEM教育劃分為科學探究模式和工程制作模式。而逆向工程是以先進的樣件或產品為模型，來分析、復原、優(yōu)化和再創(chuàng)，對中小學老師來說相對比較陌生。本文從筆者的實際教學情況出發(fā)，探討一種融合科學探究與逆向工程教學的STEM教育模式。

【關鍵詞】STEM教育;科學探究;逆向工程;跨學科學習

STEM教育的本質就是跨學科學習，強調打破學科界限，運用科學、技術、工程、數(shù)學等多門學科知識解決真實生活情境中的問題，培養(yǎng)學生在做事中形成的做過事、想做事、能做事的綜合素養(yǎng)。科學探究和工程制作是STEM教育的主要組成部分。

一、概念界定

科學探究過程一般為從生活中的科學問題出發(fā)，制訂科學探究方案，開展科學探究實踐并收集數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計相關軟件分析數(shù)據(jù)，使學生在習得跨學科知識、科學的思維過程與方法的同時，提高學生的科學探究能力。

逆向工程，又稱反向工程，是以造物為目的，以先進產品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，運用現(xiàn)代設計理論、方法、測量技術，對已有產品進行建模、仿真，最終實現(xiàn)優(yōu)化既有產品和再創(chuàng)造的過程。

在STEM項目中，我們中學生創(chuàng)作的很多作品都是圍繞已有的產品或者案例，來分析探討其實現(xiàn)的功能和結構搭建的過程，再去分析各個功能由什么硬件和軟件去實現(xiàn)，分析工程結構上的搭建。在這種基礎上，再去原型再造或升級再創(chuàng)。我們只有先去做過一些小作品或者拆解一些作品，逐步了解和掌握各種開源軟硬件工具的知識和使用技巧，遇到更加前緣的產品或者案例，他才能去分析，去拆解，才能去復制產品，或用習得的這個產品的功能或技巧來改善和優(yōu)化已有的作品。

二、融合科學探究與逆向工程教學的探索實踐

我們的現(xiàn)在的科創(chuàng)類STEM課程不能只是為了造物而去造物，我們實際教學中的項目往往既有科學探究，又有工程造物。以下是筆者以《設計制作室內空氣環(huán)境檢測儀》為課例探討融合科學探究和逆向工程教學的一種模式，如圖所示。本項目首先以學生通過調查研究，分析影響身邊環(huán)境室內空氣質量的因素和這些因素如何影響人們的健康。通過已有產品的使用和分析，接著以制作完成一種室內環(huán)境檢測儀作為輸出成果，讓學生在設計、探究、制作的過程中，學會涉及檢測儀制作的各類傳感器的原理與運用，最后測試各種環(huán)境的空氣質量，培養(yǎng)學生愛護環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的思想觀念。

科學探究與逆向工程教學過程

1.提出問題，形成假設

項目學習的關鍵是基于真實的情境，有驅動性的問題。老師可以引導學生需通過文獻閱讀、視頻觀看、走訪調查、頭腦風暴等形式對空氣質量、環(huán)境變化等方面有一個更加深入的了解，從而對“設計制作室內環(huán)境檢測儀”主題的學習產生濃厚的學習興趣。如很現(xiàn)實的驅動問題，我們宿舍或者教室的空氣質量好壞怎么測定？綠植真的有改善室內空氣質量的功能嗎？哪些物質是導致室內空氣質量變差的主要因素？市面上有哪些檢測空氣環(huán)境的產品？空氣有害物質如何影響人體健康的？這里會涉及到一些列學科的知識和內容，如物理、生物、地理等。

2.擬定計劃和設計實驗

我們要引導學生分組分工擬定計劃，設計相關實驗，如對不同教室有無綠植的環(huán)境檢測值的對比實驗、通風環(huán)境和非通風環(huán)境的數(shù)值對比。

3.產品的使用與功能分析

我們學生的作品是以前學生做的能檢測溫濕度和氣體濃度的作品，但功能單一，對一氧化碳、甲烷和液化石油氣可以很敏感。這個作品已經不能滿足學生的需求，市面上很多環(huán)境檢測的儀器都能檢測出甲醛、TVOC、CO2、PM2.5、溫濕度、氣體濃度、氣壓等值的傳感器。我們學生買了幾個不同型號的簡易產品，就可以開始實驗和產品功能的分析。

4.進行實驗與數(shù)據(jù)分析

可以在學校選擇兩間教室進行測試，一間教室置有各種綠色植物，一間無任何綠色植物，或其他可以對比的場所如一個在工業(yè)區(qū)房間和一個在深山森林環(huán)境的房間對比，進行多次的固定時間檢測的數(shù)值，進行數(shù)據(jù)記錄及分析對比。在此基礎上，我們可以對數(shù)據(jù)進行分析，得出一些結論。但我們更希望學生要了解這些數(shù)值是靠什么測出的。

5.作品分解與復原

對于我們學生創(chuàng)作的作品可以分解和復原，但對現(xiàn)有商品比較難，根據(jù)已有商品，學生可以分析得出他有什么功能，對應這種功能是靠什么得以實現(xiàn)的。如我們通過前期的調研，分析影響空氣質量最關鍵的是總揮發(fā)性有機物（TVOC），它是靠什么傳感器實現(xiàn)測試的，我們的甲醛值是靠什么傳感器測得的，我們的PM2.5的均值是靠什么測定。我們學生就可以列出表格來對應在相關開源硬件商品中找出來。

6.產品復制或升級改造

我們根據(jù)產品的功能分解，是可以做出相關功能的產品來，甚至還可以升級改造。這個部分是我們逆向工程教學的關鍵，逆向工程不只是單純的仿制，再設計與優(yōu)化也是重要一環(huán)，以便讓學生在“認識原型→再現(xiàn)原型→超越原型”的過程中深化學習。我們不僅僅是希望再造和優(yōu)化這個檢測空氣的儀器，我們更希望學生能持續(xù)地去思考，去探究，去創(chuàng)新應用。

7.數(shù)據(jù)據(jù)對比和得出結論

我們讓學生創(chuàng)造出來的新的作品，也要進行實驗檢測和數(shù)據(jù)分析。對比一下我們商品測得的值之間的誤差，來檢驗我們傳感器的功能實現(xiàn)是否能接近已有商品，如果數(shù)值太大，那么要對產品的復制或升級方案重新調整，重新再次制作。

8.分享展示、評價與反思

學生分組完成科學探究和造物后，有成果的有效展示，學生作品展示結束后，學生需要進行自評、小組評價和教師評價。自評和小組評價使用教師提供的項目學習報告進行，教師提前制定好相應的評價量規(guī)。量規(guī)既是學生學習的目標，也是評價的標準。我們評價和反思既要對科學探究進行評價，比如我們測出來的究竟哪些因素是影響空氣質量優(yōu)劣的，分別測得的值的區(qū)間值多少說明空氣質量好等，以獲得多元的知識為目標。同時，還要對我們逆向工程的造物過程進行評價。

我們很多科創(chuàng)類的STEM課程都過于強調造物，講述一個個傳感器的使用方法和技巧，甚至按照一個個圖形化編程模塊的使用方法來講述，不斷累加而形成課程。這忽略了學生跨學科能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這種融合科學探究和逆向工程教學的項目式學習可以給STEM課程提供很好的參考。你看到這個圖例所示是順序執(zhí)行，其實我們是有回路的，有迭代，有螺旋上升的方式，目的是讓學生能持續(xù)的去探究和思考，發(fā)現(xiàn)隱藏在問題背后的知識技能，一步步去完善自己的想法，去做出自己的作品，才能去解決好實際的問題，從而培育他們的創(chuàng)新思維和動手實踐能力。

參考文獻：

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