基于工程设计的小学整合型STEM课程设计开发

1、基于工程设计的小学整合型S TEM课程设计开发【摘要】整合型STEM课程的设计与开发是深化我国小学STEM教育发展的难点。通过对美国印第安娜州小学整合型 STEM典型课程案例的分析，认为基于工程设计的整合型STEM课程是小学开展工程教育并促进学科知识整合的桥梁和有效 方式。构建了以科学为锚点学科，以真实问题解决为主线的整合型STEM课程设计与整合模型，并进一步提出，明确STEM 教育的目的是培养学习者在学科知识中创造性解决真实问题的能力，建立科学家、工程专家、技术专家、教育专家与一 线教师的实践团体，采用基于工程设计的STEM课程设计开发模式，是推动我国小学STEM教育发展的有效路径。【关键词

2、】整合型STEM课程；工程设计；美国小学一、问题提出近年来STEM教育成为全球基础教育改革的热 点。STEM教育旨在通过促进学生对各学科知识的 整合与应用，提升学生真实问题解决能力。整合型 STEM课程是STEM教育实施的关键，是指基于某 一主题与现实世界之间的联系，将科学、技术、工 程和数学的部分或全部内容无缝整合到一堂课或一 个单元（Bybee, 2010a; Moore, Stohlmann, Wang, Tank, Glancy, & Roehrig, 2014, p35）。整合型STEM课程的设 计开发是全球STEM教育的难题（Bybee, 2010b; Kelley & Knowl

3、es, 2015），尤其对小学而言。相对于欧美 发达国家，我国STEM教育起步晚、发展慢，在教 学实践上的研究较少（常咏梅，张雅雅，金仙芝， 2017），面临教师队伍数量与专业能力不足（赛薄 霖，2017），科学教育和数学教育推进多，工程教育 与技术教育普及不够，整合型STEM课程资源不足等 诸多问题。如何设计开发整合型STEM课程是深化我 国小学STEM教育实践发展的关键与难点。针对整合型STEM课程设计，研究者提出采用基 于工程设计、应用问题解决、探究性学习策略等手段 实现STEM学科融合（Nadelson & Seifert, 2017），要 将跨学科概念融入课程（李春密，赵芸赫，201

4、7）， 要从科学、数学、技术课程及科技教育着手（吴俊 杰，2014），借鉴美国科学与工程整合方式（唐小 为，王唯真，2014），建立工程取向的STEM课程框 架（谢丽，李春密，2017）。就整合型STEM设计模 型，余胜泉与胡翔（2015）总结出“学科知识整合、 生活经验整合、学习者中心整合”三种整合模式，并 提出了跨学科整合的项目设计策略。杨彦军、饶菲 菲、阿依努尔(2019)以及杨彦军与饶菲菲(2019) 提出了参与、探索、解释、迁移和评估的5E整合模 式，并进一步提出了由项目主题、学习任务、支持性 信息、程序性信息和部分任务练习五要素组成的项目 设计过程模式。围绕跨学科知识整合的内涵，研

5、究者 提出跨学科知识整合是学习者对不同种类信息和经验 进行识别并建立关联框架的过程，是不断整合他们在 不同时间、地点、环境中所获取各种形式知识的过程 (Esposito & Bauer, 2017)。在跨学科知识整合中，学 习者会对他们所积累的信息产生新的理解，通过在信 息之间建立逻辑联系以有效扩展知识，并能利用这些 知识概括、分类和解决问题(The National Academies of Sciences , Engineering Medicine, 2018)。综合来看，国内外学者都提到了工程取向的整 合型STEM课程设计框架，但如何通过工程实现各学 科知识整合未有进一步的论述。国内

6、学者提出以项 目设计为载体实现STEM学科知识整合，但项目设计 主要围绕教学分析、工具资源设计、支架设计、学 习活动设计、评价设计展开，并未论述各学科知识 如何建立连接和整合。本文拟选择美国小学整合型 STEM课程的成功案例，分析基于工程设计的整合型 STEM课程设计模型及相应策略。重点围绕工程设计 何以成为跨学科知识整合的桥梁，工程设计如何实 现各学科知识间的关联和整合，如何设计开发基于 工程设计的整合型STEM课程三个问题进行分析，以 期对推动我国小学整合型STEM课程建设有所帮助。二、研究思路与方法本研究主要采用案例研究法与文献研究法。案例 选择由美国NSF资助的SLED (Scienc

7、e Learning through Engineering Design)项目。SLED项目自2011 年到2017 年共开发了 29个基于工程设计的整合型STEM课程单 元，为200所小学教师、100位准教师提供了STEM教 育专业发展支持，提高了5 000名36年级学生的科 学学习成绩(Lehman, 2016)，对美国印第安纳州小 学STEM教育的实践发展产生了巨大影响，是基于工 程设计的整合型STEM课程设计的优秀实践典范。在 SLED项目的29个课程单元中，本研究重点选择SLED 项目负责人James-D-Lehman教授重点推荐的四年级 “你能设计和制作一个更好的糖果包吗？ ”、

8、五年级 “救生员椅子的设计与制作”、六年级“防水土坝的 设计与建设”课程单元为案例进行分析。文献资料主 要包含SLED项目立项书、SLED项目总结报告、SLED 项目教师培训课程资源、单元课程教案等文献。论文通过对SLED项目立项材料、总结报告、相 关研究文献的分析，探究工程设计成为整合型STEM 课程设计桥梁的理论根源；通过对三个单元的案例 研究，总结SLED项目课程设计的过程，分析案例中 科学、工程、技术、数学、艺术等学科知识相互关联 的机制，形成基于工程设计整合型STEM课程设计模 型；通过对SLED项目负责人的访谈及对项目总结报 告等文献资料的分析，从工程问题设计、课程内容组 织、评价

9、设计、开发过程、课程团队组建等方面总结 整合型STEM课程设计开发的策略。三、基于工程设计的整合型STEM课程设计模型与开发策略工程设计何以成为STEM课程整合的 桥梁工程设计成为小学STEM课程整合的桥梁，不 仅是小学开展工程教育的需要，也是促进学科知识 整合的有效方式。基于工程设计的整合型STEM课程是小学 进行工程教育的有效方式ITEA (International Technology Education Association)发布了技术素养标准：技术学习的 内容，提出将工程实践纳入K-12教育体系(ITEA, 2007)。工程教育是以程序性知识为核心的一套知 识体系，工程设计与工程

10、实践是工程教育的核心。 工程实践是像工程师一样解决问题，是团队在相 互协商中建构概念模型，参与基于证据的论证分 析，设计解决方案，提出解释框架的过程(NCSS, 2007)，是一个应用数学、科学等基础知识，相互 交流互动的决策制定过程，是一个将工程概念整合 到其他学科中，展示设计、系统思考等思维成果的 方式 (Koehler, Faraclas, Giblin, Moss, & Kazerounian, 2013)。工程学科的属性决定了工程教育必须要与其 他学科融合。所以小学工程教育必须强调其跨学科 的性质，强调工程领域知识与科学、技术、数学领 域知识的整合(Moore, Glancy, Ta

11、nk, Kersten, Smith, & Stohlmann, 2014)，基于工程设计的整合型STEM课 程是小学开展工程教育的最佳选择。工程设计是促进学科知识整合的桥梁和 有效方式STEM学科知识的整合是在解决非良构问题的过 程中发生，而工程学科的属性为以工程为桥梁整合其 他学科知识提供了先天优势。正如SLED项目负责人 JamesDLehman教授所言：有效的STEM教学是让学 生在真实世界的STEM情景中， 通过创造性的工程设计与开发活 动，实现STEM各学科的整合。 教师通过工程设计活动，建立有 目的、探究性学习支架，帮助学 生在科学学习与工程设计任务 之间建立连接，让学生使用准确

12、 的科学概念解释、阐述他们的设 计，并开发出真实的工程产品。 以工程作为学习内容整合的桥 梁，让学生在参与基于工程设计 的学习活动中，形成对其他概念 的理解与概念间的关联，同时也 创造出更为可行的真实世界问题 的解决方案。（二）基于工程设计的整合型STEM课程 设计模型现有教育系统是建立在分科教育体系之上，而 整合型STEM课程一方面要求内容尽可能涉及到各学 科知识，另一方面各学科知识以相互关联的方式呈 现。所以整合型STEM课程需要重构课程，并在教学 上发生转变。如何在现有分科知识体系中设计整合型 STEM课程，如何找到各学科知识点之间的关联，是 整合型S TEM课程设计的难点。如表1所示，

13、SLED项目组以科学为STEM学科整 合的锚点，按照“科学知识一真实问题一工程知识一 数学知识一技术知识”的课程设计流程，建立各学科 知识点间的关联，从而形成面向真实问题解决的、基 于工程设计的整合型STEM课程。下面以“防水土坝 的设计与建造”单元为例进行分析。美国印第安纳州小学科学标准中要求“学生能描 述地球土壤的性质，以及如何使其以不同的方式为人 类所用，还需描述人类如何改变土壤资源以满足其生 存的需要”。项目组首先从这一科学知识要求出发， 设计出真实问题“为印第安纳州拉法叶市的水上公园 设计防水土坝”（Merwade & Lehman, 2014），让学 生利用土壤建造拦水土坝帮助人类

14、在枯水期蓄水解决 缺水问题。合格的防水土坝制作要求学生必须掌握土 壤组成成分、比例及各成分水中溶解度等科学知识， 否则土坝会很快被水侵蚀、冲垮，可见课题组所设计 的这一 “真实问题”很好地与“科学知识”契合。其课程名称科学知识真实问题工程知识数学知识技术知识糖果包的设计 与制作重量、重力、 容积为糖果店设 计糖果包对客户（糖果店老 板）与最终用户（糖 果购买者）需求调 研、糖果包标准制 定，糖果包原型设 计、开发、产品测 试、再设计、再制作容积计算， 长、宽、高、 比例尺、三维 实物在二维平 面的展现糖果包重量测试 技术、糖果包制 作技术、工程绘 图技术等救生员椅子的 设计与制作重力、拉力、

15、弹力；物体受 力分析为泳池设计 救生员椅子客户（泳池负责人） 与最终用户（救生 员）需求调研，椅子 标准制定，椅子原型 设计与开发，椅子功 能测试，椅子的再设 计、再制作椅子长、宽、 高计算、比例 尺、三维实物 在二维平面的 展现材料弹力测试技 术、椅子承重推 力、拉力测试技 术、椅子制作材 料（卡纸）加工 与制作技术、工 程制图技术防水土坝的设 计与建造土壤成分构 成；土壤渗透 与抗渗透，引 流、径流、坡 度、沉降、降 解等为拉法叶水 上公园设计 防水土坝客户（拉法叶市政 府）与最终用户（公 园）需求调研，土坝 标准制定，土坝原型 设计与建造，土坝功 能测试、再设计、再 制作梯形及梯形斜 边

16、坡度计算、 不同物质渗透 数据计算不同物质水渗透 性实验技术；梯 形土坝建造技 术、土坝性能测 试技术表1 SLED项目中S TEM学科知识分析次，防水土坝的设计与建造是一项典型的土建工程项 目，适合按照工程设计与制作过程开展教学与学习， 并据此引入“土坝用户需求分析、土坝设计、土坝建 造、土坝测试”等工程知识。第三，土坝设计与建造 中，土壤各成分比例的计算、水对土壤中不同物质渗 透性计算、梯形土坝图形的绘制与斜度计算、土坝工 程图纸中的比例尺、工程预算都需要相应“数学知 识”的支撑，由此科学、工程与数学建立关联。第 四，土坝设计图的绘制，土坝的建造，土坝测试中渗 透性与冲击力的测量，土壤成分

17、比例及溶解度的测量 必然要选择并使用适当的技术工具，使用相应策略完 成，由此引入技术知识。第五，土坝的设计图与土坝 形状美观，由此引入艺术知识。对上述案例进行总结，如下页图1所示，从小学 科学标准中的科学知识出发，设计与之对应的真实问 题。真实问题的解决是一项工程设计与工程实践活 动，由此引入相应工程知识。工程设计、预算、产品 的测试需要相应数学知识支撑，工程设计方案要以相 应的科学知识为支撑。工程产品的设计、制作、测试 需要相应的工具与策略等技术知识。工程产品设计 图的绘制以及产品外形设计等需要具备一定艺术知 识。通过这样的课程设计流程，以基于工程设计的 真实问题解决为主线，将工程知识贯穿于

18、问题解决 全过程，工程知识决定问题解决的系统性，科学与 数学知识决定问题解决的科学性，技术知识为问题 解决提供工具、方法，决定了产品设计意图转化为 真实产品的程度，艺术知识则决定了产品美观程度 与用户体验，由此形成各学科知识相关联的整合型 STEM课程内容体系。图1基于工程设计的整合型S TEM课程设计模型（三）基于工程设计的整合型STEM课程 设计开发策略1.真实问题的设计应能促进学科整合并与 学生已有知识基础匹配首先，要以真实问题为STEM课程的整合创设 情境。整合型STEM课程的教与学需要创设并应用相 应的真实问题情境，此问题所涉及的是横跨多学科 知识和实践的领域，与分科教学不同，其内容

19、自身 就是情境。如“你能设计和制作一个更好的糖果包 吗？ ” “救生员椅子的设计与制作” “防水土坝的设 计与建设”三个课程单元分别为学生创建了 “为糖果 店设计糖果包” “为泳池设计救生员椅子” “为拉 法叶水上公园设计防水土坝”的真实问题情境。以 “你能设计和制作一个更好的糖果包吗？ ”单元为例 （Capobianco, Nyquist, & Kelley, 2013），学生要提高糖 果包的承重能力，就需学习和应用“重量、重力、受 力分析、容量”等科学知识；要绘制糖果包设计图、 预算成本、测试糖果包的性能数据等，就需学习和应 用“立体几何图形绘制、体积、比例尺、小数计算” 等数学知识，而糖

20、果包设计图绘制、糖果包制作、承 重力测试等还需要学习和应用“绘图、粘合、折叠、 弹簧秤，等技术；要做出漂亮的糖果包，则需要学习 和应用“色彩、绘画”等艺术知识。由此可见，真实 问题为学生对科学、技术、工程与数学概念的应用提 供了聚焦点，让学生从多维度探索STEM学科知识成 为可能，并创造了共同的经验与学习支架，便于促进 学生进行知识关联与转换；对教师而言，真实问题情 境能够提高STEM内容的意义性与相关性，有助于提 高学生的学习动机与学习参与。其次，要注意真实问题的复杂性与学生STEM知 识基础的匹配度。真实问题都是复杂的非良构问题， 当将其引入学校课程之中，并非越复杂越好。过于复 杂，学生不

21、具备所需STEM知识，会有挫折感而不愿 参与。过于简单，难以给学生在STEM知识学习与应 用上提出挑战，学生也会觉得问题无聊而不愿参与。 真实问题复杂程度与学生STEM知识基础的匹配是关 键。SLED项目组通过对每个单元问题解决程度评价 标准的精妙设计，实现对真实问题复杂程度与学生 STEM知识基础匹配度的控制。如“救生员椅子的设 计与制作”单元要求学生制作的救生员椅子腿高至少 35cm，且要能支撑一只毛绒玩具坐在上面20秒内不 倒塌（Capobianco, Kelley, & Nyquist, 2013）。“防水 土坝”单元要求学生使用两种不同的土壤材料建造土 坝，土坝保持五分钟的时间不漏水

22、即合格（Merwade & Lehman, 2014）。“糖果包”单元要求学生使用纸 质环保材料制作，糖果包保持承重10磅30秒不破损 （Capobianco, Nyquist, & Kelley, 2013）。但是现实世界 的救生员椅子腿高都1米以上，救生员体重也远重于 玩具。真实的防水土坝不可能只使用两种土壤材料， 且只防水五分钟。真实糖果包材料多变，且不可能只 保证30秒不破损。但这样的设计既保留了问题的真实 性、复杂性、跨学科性，同时对学生STEM知识学习 与综合应用能力的要求也契合小学生水平。2.在课程内容组织上将科学知识与工程知识 协同呈现SLED项目各单元课程内容的呈现并非是将各

23、自 学科知识简单罗列，而是以一种相关联的方式向学生 呈现。如“防水土坝”单元将“土坝形状与层次结构 设计（工程知识）与不同形状土坝承受水的冲击力知 识（科学知识）结合呈现，将土坝建筑材料选择（工 程知识）与土壤中不同成分材料水的渗透性知识（科学知识）结合呈现（Merwade & Lehman, 2014） o “救 生椅”单元将材料表面张力（物理知识）与椅子制作 材料选择（工程知识）放在一起呈现，将椅子腿形状 设计（工程知识）与不同形状的张力与重力（物理知 识）结合呈现（Capobianco, Kelley, & Nyquist, 2013）。 以真实问题解决为主线，将工程知识、科学知识以相

24、关联的方式呈现，有助于让学生在科学概念与工程设 计活动间建立关联。以对工程产品的评价实现对学生STEM知 识整合程度的评价基于工程设计的整合型STEM课程以工程产品对 真实问题的解决程度为主要评价标准。在对工程产品 的评价中实现对学生各学科知识掌握、整合与应用程 度的评价。如“防水土坝的设计与建造”单元的评价 标准是学生建成的土坝挡住至少1/3至1/2的水坝高度的 水（Merwade & Lehman, 2014）。如果学生不掌握并应 用“梯形、梯形斜面斜率”等数学知识，不掌握并应 用“斜面受力分析、流体压力”等物理知识，就很难 实现“挡住1/3至1/2土坝高度水”的目标如果学生不 掌握并应用

25、“不同土壤成分渗水率”的物理知识，不 会计算不同成分土壤混合后土坝的渗水率，就很难合 理搭配建造土坝的材料，无法实现“保持至少5分钟 水不渗透”的目标；如果学生不掌握相应技术工具与 方法，就无法将设计意图转化为工程产品如果学生 在某一学科知识上理解与应用不足，难以在不同学科 知识间建立联系，都势必导致“工程产品”性能不达 标。由此可见对工程产品的评价不仅能考核出学生各 科知识的掌握与应用程度，更能反映出学生对各科知 识的整合与应用程度。采用“设计一开发一培训一实施”的变更 迭代式开发方法整合型STEM课程的设计与开发不仅是一个研 究项目，更是一项解决真实教育问题的教育工程项 目。所以SLED项

26、目组按照“原型设计、开发、小 范围培训与应用（产品测试与完善）、大范围推广 （成品交付）”的工程方式进行设计与开发。课程 设计团队先完成课程原型开发，随后精选部分小学 教师在暑期培训中以学生身份学习课程原型，与设 计团队一起完成课程原型的完善与修订，形成可用 于小学课堂的整合STEM课程材料。受训教师在自 己课堂进行教学实施，课程设计团队进入课堂，根 据实施情况再次进行修改完善，随后再大范围推广 （Gajda & Koliba, 2007）。高校多学科专家与小学教师构建协同开发 实践社团成长于分科教育体系的研究者与教师如何设计与 开发出整合型的STEM课程？团队协作是解决复杂的 跨学科问题的重

27、要方法（Lehman, Kim, & Harris, 2014）。 组建由大学研究者与中小学教师共同构成的实践团 体，在合作共享中以集体智能开发整合型STEM课 程，以提升学生STEM素养，是SLED项目成功的重要 保障。图2整合型S TEM课程的设计开发实践团体如图2所示，SLED项目团队由大学STEM相关 学科专家、课程与教学专家、优秀一线小学教师共 同构成。具体而言，SLED项目团队由来自美国普渡 大学工程、科学、技术和教育4个学院12个学科（地 球、大气科学、化学、生物学、工程与计算机、民 用工程、生物医学工程、课程与教学、材料工程、 工程教育、工业技术、化学教育）的大学研究者， 与来

28、自美国泰勒社区学校、普利茅斯学校、拉斐特 学校和蒂珀卡努学校的小学教师组成（Nadelson & Seifert, 2017）。学科专家间的合作，保证了各学科 知识及其相互间关联的科学性。课程与教学专家将 STEM学科专家整合后的学科专业知识，按照教育规 范转化为课程 产品。相对于 大学学科专家 与教育研究 者，小学教师 对学生学习风 格、认知水 平、教师教学 需求则有更深 入的了解，小 学教师参与设计，有助于研发更加适合小学的整合 型STEM课程。四、启示与展望近年随着STEM教育的兴起，中国教育市场中 STEM课程产品层出不穷。虽然不乏优质课程，但也 有不少企业要么将科学实验课包装为STE

29、M课程，向 学校兜售实验材料，要么将3D打印课包装为STEM课 程，向学校推销设备与材料，要么将STEM课程变成 各种集成化模块的组装课，向学校销售集成模块。他 们对STEM课程的评判更多重视学生所完成产品的酷 炫与展示度，而对课程中的科学、工程、技术、数 学知识是否具有内在关联性，学生在产品设计与制 作中是否实现了科学、技术、工程、数学知识的整 合，都有意或无意的忽略。本研究认为如何设计整合 型STEM课程，并促进学生在课程学习中实现知识整 合，是我国STEM教育发展的重点，也是SLED项目给 我们带来的启示。第一，整合是STEM教育的本质，是致力于培养 学习者综合应用各学科知识，创造性解决真实问题的 能力。以分科为特征的知识世界是人类从不同视角对 “物