建構(gòu)STEM 校本課程 著力工程思維培養(yǎng)
——以“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”為例

洪盈

（廈門(mén)市思明區(qū)教育督導(dǎo)評(píng)估事務(wù)中心，福建 廈門(mén) 361004）

2018 年“中國(guó)STEM 教育2029 行動(dòng)計(jì)劃”發(fā)布，STEM 教育在我國(guó)進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。［1］而在當(dāng)前大眾創(chuàng)新時(shí)代，工程思維培養(yǎng)已不僅僅局限于理工科領(lǐng)域，它更是學(xué)生創(chuàng)新思維能力的必備基礎(chǔ)。面對(duì)STEM 教育的思維力及課程改革的挑戰(zhàn)力，基于STEM 教育理念的校本課程的開(kāi)發(fā)與實(shí)施是應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)的一種較為可取的方式。STEM 指科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)，它是一種重實(shí)踐、跨學(xué)科的教育理念，近年在STEM 中又加入了藝術(shù)（Art），之后再加入閱讀（Reading），提升為STREAM+，即S（Science）科學(xué)、T（Technology）技 術(shù)、R（Reading）閱 讀、E（Engineering）工程、A（Art）藝術(shù)、M（Mathematics）數(shù)學(xué)，而在人工智能飛速發(fā)展的同時(shí)，我們是否也可以賦予A（AI）人工智能的寓意，使之變得更加全面。筆者在認(rèn)真研究和學(xué)習(xí)中，對(duì)STREAM 有更深層次的理解，即S（Smart）智慧、T（Thinking）思維、R（Reason）追問(wèn)原因、E（Experience）體驗(yàn)、A（Assessment）評(píng)價(jià)、M（Multimode）多模態(tài)教學(xué)。意即基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)進(jìn)行智慧教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生具備跨學(xué)科高階思維，懂得在任務(wù)完成中學(xué)會(huì)思考、追問(wèn)原因，在探究、體驗(yàn)中提升分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，將評(píng)價(jià)貫穿項(xiàng)目研究始終，形成多模態(tài)教學(xué)，如圖1 所示。

圖1

何為“工程思維”，顧名思義，就是人們?cè)谶M(jìn)行工程活動(dòng)和工程研究過(guò)程中所形成的獨(dú)特的思維方式，有人把它定義為“專(zhuān)業(yè)層次的策劃型實(shí)體思維”。［2］工程思維分為：工程決策思維、工程設(shè)計(jì)思維、工程實(shí)施思維及工程消費(fèi)思維等。工程思維是STEM 教育理念的核心，STEM 教育是工程思維的有效載體?；诠こ趟季S培養(yǎng)的校本課程建設(shè)應(yīng)融合STEM 教育理念，培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)生活情境中學(xué)會(huì)提出問(wèn)題；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中懂得分析問(wèn)題；在探究實(shí)踐中能夠解決問(wèn)題；在成果推廣中實(shí)現(xiàn)價(jià)值認(rèn)可，如圖2所示：

圖2

一、當(dāng)前校本課程開(kāi)發(fā)存在的問(wèn)題

隨著新課改的不斷深入，校本課程的投入也逐漸成為新課改的重點(diǎn)，但是各中小學(xué)在校本課程的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，存在著許多不容忽視的問(wèn)題。一是教師的課程意識(shí)淡薄。由于受?chē)?guó)家課程與地方課程為主導(dǎo)地位的課程體制影響，教師們習(xí)慣于完成指令性的課程計(jì)劃，對(duì)校本課程的認(rèn)識(shí)還不足，對(duì)校本課程的涵義一知半解。二是教師的課程開(kāi)發(fā)能力欠缺。絕大部分教師立足學(xué)科本位，專(zhuān)注于自己的學(xué)科專(zhuān)業(yè)，沒(méi)有充分的課程理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)備，大部分學(xué)校在課程開(kāi)發(fā)中也往往集中部分骨干教師參與，導(dǎo)致教師資源匱乏。三是忽視學(xué)生的發(fā)展需求。校本課程的開(kāi)發(fā)即是課程生成的過(guò)程，是自下而上的過(guò)程，即基于學(xué)生的發(fā)展需求、培養(yǎng)需要而開(kāi)設(shè)，然而現(xiàn)行學(xué)校往往為“開(kāi)發(fā)”而開(kāi)發(fā)，忽略了對(duì)學(xué)生發(fā)展需求的調(diào)研和對(duì)學(xué)校課程資源的整合，忽視了校本課程的質(zhì)量和意義。四是缺乏科學(xué)的課程評(píng)價(jià)體系。校本課程評(píng)價(jià)不僅僅是學(xué)生學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)，還應(yīng)關(guān)注校本課程本身的評(píng)價(jià)即課程原型評(píng)價(jià)。課程開(kāi)發(fā)是一個(gè)迭代改進(jìn)的過(guò)程，課程評(píng)價(jià)的意義尤顯重要。然而多數(shù)學(xué)校設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)還停留于學(xué)生自評(píng)、互評(píng)，教師評(píng)價(jià)等簡(jiǎn)單指標(biāo)，忽視了評(píng)價(jià)中最應(yīng)體現(xiàn)的學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)合作及思維能力等的培養(yǎng)，未形成科學(xué)的評(píng)價(jià)體系。

基于工程思維培養(yǎng)建構(gòu)的STEM 校本課程，首先，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展態(tài)勢(shì)，讓教師在STEM 項(xiàng)目式活動(dòng)中不斷實(shí)踐，汲取養(yǎng)料，讓他們?cè)讷@得成功體驗(yàn)后豁然開(kāi)朗，學(xué)校召集全體教師共同參與、學(xué)科滲透，在研究中推進(jìn)，使教師變“要我做”為“我覺(jué)得很有必要做”，成為積極主動(dòng)參與者，解決了教師對(duì)課程理念認(rèn)識(shí)不足及課程開(kāi)發(fā)能力的問(wèn)題。其次，教師應(yīng)當(dāng)清楚當(dāng)今學(xué)生發(fā)展更需要培養(yǎng)其學(xué)科核心素養(yǎng)、適應(yīng)未來(lái)生活的關(guān)鍵能力和必備品格，STEM 校本課程的研發(fā)中主要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、創(chuàng)新意識(shí)、工程思維、團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力，無(wú)論是課程內(nèi)容、教學(xué)方式還是評(píng)價(jià)體系，都將較好地幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)新能力的發(fā)展。

二、基于工程思維培養(yǎng)的課程開(kāi)發(fā)

“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”STEM 校本課程的開(kāi)發(fā)即著力于學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，體現(xiàn)了跨學(xué)科融合的STEM 教育理念。課程開(kāi)發(fā)組通過(guò)組織團(tuán)隊(duì)、理論培訓(xùn)、學(xué)習(xí)交流、定期研討、實(shí)踐體驗(yàn)等活動(dòng)促進(jìn)校本課程的開(kāi)發(fā)，以“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”為項(xiàng)目研究主線(xiàn)，經(jīng)過(guò)架構(gòu)課程綱要、確定課程目標(biāo)、設(shè)計(jì)課程內(nèi)容、制定課程方案、擬定課程評(píng)價(jià)等措施推動(dòng)校本課程的實(shí)施，在實(shí)施過(guò)程中推進(jìn)校本教材的編撰、教學(xué)資源包的完善以及教學(xué)實(shí)踐的研討，逐步建構(gòu)STEM 校本課程，培養(yǎng)工程思維，如圖3 所示。本課程由真實(shí)的水污染，以及水污染對(duì)人類(lèi)和生態(tài)系統(tǒng)的影響為情境引入，讓學(xué)生意識(shí)到使用環(huán)保清潔劑有助于環(huán)境水資源的保護(hù)，從而激發(fā)學(xué)生嘗試去了解、制作環(huán)保清潔劑，開(kāi)展基于項(xiàng)目的解決任務(wù)式學(xué)習(xí)。本課程共分12 課時(shí)，內(nèi)容涵蓋語(yǔ)文學(xué)科《認(rèn)識(shí)清潔劑》《學(xué)寫(xiě)說(shuō)明書(shū)》、綜合實(shí)踐活動(dòng)《走進(jìn)污水廠(chǎng)》、數(shù)學(xué)學(xué)科《認(rèn)識(shí)容積單位》《有趣的“數(shù)學(xué)比”》、科學(xué)學(xué)科《設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑》《制作環(huán)保清潔皂》《藏在水里的小秘密》、人工智能《自動(dòng)感應(yīng)清潔劑裝置》、美術(shù)學(xué)科《動(dòng)手設(shè)計(jì)包裝》、英語(yǔ)學(xué)科The Environmental Cleaner 和道德與法治學(xué)科《策劃和推廣》等。課程的學(xué)科跨度大、內(nèi)容豐富、涉及面廣，較好地幫助學(xué)生培養(yǎng)工程思維。

圖3

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題，培植工程決策思維

工程思維活動(dòng)的基礎(chǔ)是工程決策。工程決策思維是指人們?cè)诠こ虥Q策行為中的信息加工活動(dòng)，包括提出問(wèn)題、形成方案、檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)方案等活動(dòng)中的思維方法與過(guò)程。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)及活動(dòng)要達(dá)到的目的創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，如生活中忽略的現(xiàn)象或遇到的難題，有趣的現(xiàn)象或需要解決的問(wèn)題容易吸引學(xué)生的興趣，激發(fā)思維，促進(jìn)理解。有了真實(shí)生活情境的課程創(chuàng)設(shè)更能讓學(xué)生產(chǎn)生情感的共鳴，學(xué)生在真實(shí)情境中對(duì)活動(dòng)的目標(biāo)、意義、環(huán)境、分工、實(shí)施等確認(rèn)，以更好地提升他們的工程決策思維。

如“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”課程的第一課時(shí)《認(rèn)識(shí)清潔劑》中，課程開(kāi)發(fā)組運(yùn)用微視頻創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境：全球每年有成千上萬(wàn)的泳灘因?yàn)槭艿轿廴径魂P(guān)閉。強(qiáng)降雨造成垃圾、化學(xué)物、動(dòng)物排泄物等各種污染物被沖入水中，工業(yè)廢水、生活污水等也對(duì)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生較大的影響，接觸污染物可導(dǎo)致身體患病或受到傷害……教師利用生活中洗手、洗澡、洗衣服和做衛(wèi)生等圖片場(chǎng)景提出問(wèn)題：在清潔的過(guò)程中，人們多數(shù)情況下會(huì)用到清潔劑，而這些清潔劑大多數(shù)是化學(xué)合成，它們對(duì)身體和環(huán)境都有什么影響呢？如此真實(shí)存在，生活中面臨的真切問(wèn)題極大地激發(fā)學(xué)生探究的欲望，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)清潔劑。教師通過(guò)讓學(xué)生調(diào)查了解、小組討論、學(xué)習(xí)交流等多角度思考清潔劑的功效和危害，從而提出大任務(wù)：設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑；任務(wù)目標(biāo)：設(shè)計(jì)一款環(huán)保清潔劑并能推廣使用；學(xué)生分組制定方案，反復(fù)推敲方案的可行性及需要學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)，在這個(gè)過(guò)程中有效培植了學(xué)生的工程決策思維。

（二）設(shè)計(jì)產(chǎn)品，分析問(wèn)題，激發(fā)工程設(shè)計(jì)思維

工程設(shè)計(jì)是工程思維活動(dòng)的靈魂。工程設(shè)計(jì)思維是指根據(jù)工程決策階段制定的方案進(jìn)行細(xì)化，分析活動(dòng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)解決該問(wèn)題的措施，并預(yù)測(cè)可能發(fā)生的阻礙。這種思維面臨的主要契機(jī)是潛在可能性與現(xiàn)實(shí)可行性的轉(zhuǎn)化，包括設(shè)計(jì)中的決策運(yùn)思、工程生態(tài)環(huán)境之思、設(shè)計(jì)中的美感之思以及設(shè)計(jì)中的工程合理性思考等。［3］工程設(shè)計(jì)思維簡(jiǎn)單說(shuō)就是解決問(wèn)題的思考過(guò)程。課程開(kāi)發(fā)組在確定了“設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑”研究任務(wù)和研究方案之后，開(kāi)啟工程設(shè)計(jì)。為了解決可能發(fā)生的阻礙，課程設(shè)計(jì)了兩個(gè)課時(shí)《認(rèn)識(shí)容積單位》《有趣的數(shù)學(xué)比》，幫助學(xué)生了解容積單位和比的概念等數(shù)學(xué)知識(shí)，為設(shè)計(jì)清潔劑掃除“變量控制”障礙。而《藏在水中的小秘密》一課則幫助學(xué)生研究水質(zhì)、了解TDS 含量，為環(huán)保清潔劑的制作提供了科學(xué)依據(jù)。考慮工程設(shè)計(jì)的可行性，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)一次次的實(shí)驗(yàn)、對(duì)比、再實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生尋找解決問(wèn)題的最優(yōu)策略，形成解決問(wèn)題的能力。在認(rèn)真比對(duì)各個(gè)方案的用量、配比及不同水源的過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同可溶物清潔效果不一樣，用可溶物含量低的水制作的清潔劑其清潔效果較好……為工程實(shí)施打下基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生不僅知識(shí)得到拓展，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫教嵘?，更重要的是?duì)數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)、對(duì)科學(xué)的探究、對(duì)工程設(shè)計(jì)思維的發(fā)展均得到更深的影響。

（三）探究實(shí)踐，解決問(wèn)題，發(fā)展工程實(shí)施思維

工程實(shí)施需要學(xué)生按照設(shè)計(jì)好的解決方案實(shí)施、對(duì)實(shí)施結(jié)果進(jìn)行評(píng)估總結(jié)、完善設(shè)計(jì)方案等步驟進(jìn)行循環(huán)操作與思考；教師需要根據(jù)學(xué)生的進(jìn)展情況，靈活把握活動(dòng)過(guò)程。工程實(shí)施思維包含思維方式、使用價(jià)值、規(guī)范、心理四個(gè)層面的整合與重構(gòu)。課程開(kāi)發(fā)組設(shè)計(jì)了《工程思維自我學(xué)習(xí)反思評(píng)價(jià)》《工程思維學(xué)習(xí)任務(wù)完成能力評(píng)價(jià)》等評(píng)價(jià)表，在每一課時(shí)均讓學(xué)生進(jìn)行自我反思，包括我已學(xué)懂的知識(shí)、我還未學(xué)懂的知識(shí)、我還想繼續(xù)關(guān)注的知識(shí)和我仍然存在疑問(wèn)的知識(shí)等方面，學(xué)生對(duì)每一次的探究實(shí)踐進(jìn)行評(píng)估總結(jié)，以便進(jìn)行方案的調(diào)整和再實(shí)踐。例如，第五課時(shí)《設(shè)計(jì)環(huán)保清潔劑》教學(xué)重點(diǎn)為：會(huì)做洗滌用品去污實(shí)驗(yàn)，了解洗滌劑的不同用量會(huì)帶來(lái)的不同結(jié)果，學(xué)會(huì)控制變量，掌握環(huán)保的價(jià)值意義?；趯W(xué)生在工程設(shè)計(jì)階段已初步構(gòu)建制作環(huán)保清潔劑的知識(shí)框架，對(duì)設(shè)計(jì)方案也進(jìn)行了可行性分析和在研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，通過(guò)自我學(xué)習(xí)、反思、評(píng)估，學(xué)生發(fā)現(xiàn)要解決的是水的選擇，以及水、小蘇打、醋等環(huán)保原材料的配比是否能夠達(dá)到最佳洗滌效果，其pH 值是否達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中不斷獲取最優(yōu)數(shù)據(jù)。學(xué)生在經(jīng)歷了多種設(shè)計(jì)解決方案、對(duì)實(shí)施結(jié)果評(píng)估、完善設(shè)計(jì)方案的探究過(guò)程后，實(shí)現(xiàn)迭代性思維，發(fā)展工程實(shí)施思維。而對(duì)課程的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)最終是否完成學(xué)生工程思維培養(yǎng)，學(xué)習(xí)任務(wù)完成能力評(píng)價(jià)表，如表1 所示，較全面地幫助工程實(shí)施效果檢驗(yàn)。

表1 工程思維學(xué)習(xí)任務(wù)完成能力評(píng)價(jià)

（四）成果推廣，實(shí)現(xiàn)價(jià)值，促進(jìn)工程消費(fèi)思維

當(dāng)某項(xiàng)工程竣工時(shí)，它的價(jià)值還只是潛在的，只具有可能性意義上的價(jià)值。如果建成的工程不能進(jìn)入消費(fèi)階段，那么這項(xiàng)工程的價(jià)值就是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的價(jià)值。［2］工程成果的消費(fèi)過(guò)程也是工程消費(fèi)交往共同體解讀和重構(gòu)工程成果的過(guò)程。經(jīng)過(guò)師生的共同努力，制作出了環(huán)保清潔劑、環(huán)保清潔皂以及自動(dòng)感應(yīng)清潔劑裝置，那么如何將產(chǎn)品進(jìn)行宣傳和推廣，實(shí)現(xiàn)其消費(fèi)價(jià)值，課程開(kāi)發(fā)組還設(shè)計(jì)了《動(dòng)手設(shè)計(jì)包裝》、The Environmental Cleaner、《策劃和推廣》等課時(shí)，即進(jìn)行產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)達(dá)到美的視覺(jué)效果。廈門(mén)是一個(gè)包容性很強(qiáng)的國(guó)際化城市，對(duì)外交流和宣傳離不開(kāi)英語(yǔ)，設(shè)計(jì)用英語(yǔ)推介產(chǎn)品成果，將更好地培養(yǎng)學(xué)生國(guó)際視野、跨文化交流。而《策劃與推廣》則基于讓我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品能夠讓更多的人了解和使用，得到消費(fèi)者的認(rèn)可，具有可持續(xù)性和價(jià)值性。這就需要培養(yǎng)學(xué)生的工程消費(fèi)思維，學(xué)生需要調(diào)查了解大眾的消費(fèi)觀、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力、大眾檢驗(yàn)效能進(jìn)行常識(shí)性重構(gòu)和大眾日常語(yǔ)言重構(gòu)等，這個(gè)過(guò)程既是對(duì)成果的推廣，實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的過(guò)程，亦是對(duì)產(chǎn)品再修正、再研發(fā)的過(guò)程，更是促進(jìn)學(xué)生工程消費(fèi)思維的發(fā)展。

三、課程成效與反思

基于工程思維培養(yǎng)開(kāi)發(fā)的STEM 校本課程投入實(shí)施后，目前已初見(jiàn)成效。一是學(xué)校層面。學(xué)校STEM 校本課程體系初見(jiàn)模型，并且編著了《環(huán)保清潔劑我設(shè)計(jì)》校本教材，設(shè)計(jì)整理了配套的教學(xué)資源包；福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“綜合課程視域下小學(xué)生工程思維培養(yǎng)的課程建設(shè)研究”順利完成中期匯報(bào)；榮獲國(guó)家級(jí)信息化教學(xué)思明實(shí)驗(yàn)區(qū)領(lǐng)航校；于2021 年6 月11 日面向市區(qū)級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、兄弟學(xué)校開(kāi)展國(guó)家級(jí)信息化教學(xué)思明實(shí)驗(yàn)區(qū)STEM 項(xiàng)目研討活動(dòng)，獲得與會(huì)領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)家與同行的好評(píng)。二是教師層面。教師的理論視野變寬了，思維素養(yǎng)有質(zhì)的突破，研究能力更強(qiáng)了，公開(kāi)課、講座、論文、子課題等紛紛出成績(jī)：3 位教師的子課題獲區(qū)立項(xiàng)；5 位教師的相關(guān)論文區(qū)獲獎(jiǎng)；3 位教師在市級(jí)開(kāi)課、講座。三是學(xué)生層面。參與STEM 課程的學(xué)生在各方面都得到了提升。課堂上學(xué)生的思維變得活躍了，學(xué)生不再是死氣沉沉的聽(tīng)眾，而是積極思考、敢于質(zhì)疑、懂得辯證解決問(wèn)題、具有較強(qiáng)工程思維力的學(xué)習(xí)探究者；課后積極參加創(chuàng)客、動(dòng)漫、編程、人工智能等社團(tuán)活動(dòng)及比賽，頻頻獲獎(jiǎng)。

當(dāng)然，課程建設(shè)還處于不斷探索與實(shí)踐階段，課程體系的整體建構(gòu)還不夠全面，還面臨諸多問(wèn)題：如何延展STEM 主題課程，覆蓋各個(gè)年級(jí)，進(jìn)行普惠化實(shí)施；如何進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生工程思維，培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才等。未來(lái)我們還需對(duì)課程體系進(jìn)行完善，圍繞主題課程繼續(xù)開(kāi)發(fā)其他年級(jí)的STEM 校本課程，使之形成系列化，如以環(huán)保為主題，貫穿1-6年級(jí)，開(kāi)發(fā)“環(huán)保太陽(yáng)能小燈”“環(huán)保無(wú)動(dòng)力小車(chē)”“環(huán)保污水過(guò)濾器”“環(huán)?？諝鈨艋鳌薄碍h(huán)保清潔劑”“環(huán)保垃圾桶”等。學(xué)校將繼續(xù)深入研究，探索出符合學(xué)生發(fā)展理念、適合學(xué)科融合、體現(xiàn)學(xué)校特色的課程體系，形成可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)模式。