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基于设计思维的STEM课程案例分析

范文

杨彩香林颖红黄苗苗潘霞

摘要：随着时代发展要求，STEM已成为全球教育创新的发展热潮，我国在STEM教育方面也得到快速发展，涌现大量理论研究与实践研究，其中综合了全国16个中小学STEM典型实践案例的《STEM教育这样做》一书于2019年油然而生。为了探索STEM教学实践情况，发现实际问题，文章参考契合STEM理念的斯坦福大学设计思维模型，分析书中“运动场上的关怀”STEM课程实施流程，并总结出优势与不足，试图为目前基于设计思维的STEM课程设计提出希冀。

关键词：STEM;设计思维;课程;案例分析

中图分类号：G642? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）30-0104-03

1 引言

美国的STEM教育起源于STS，是跨学科融合的教育，包括科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）数学（Mathematics）。主要培养学习者的STEM素养，发展学生具备沟通协作能力、批判性思维、问题解决能力、创新能力等21世纪技能[1]。当前，STEM教育已成为世界各国推进课程教学改革和创新人才培养的重要战略[2]，我国也不例外，目前在实践研究方面，许多中小学校正大力推进STEM教育，探索STEM教育模式，设计STEM创新课程等促进学生创新能力的培养，并取得一定的成效;在理论研究方面，出现了大量STEM主题的文献和书籍。其中由王素、李正福主编的《STEM教育这样做》一书就是2019年热潮的成果呈现，它是中国教育科学研究院STEM教育研究中心倾力打造、由教育科学出版社出版的首部STEM教育图书，该书探索了18个STEM教育关键问题，精选了16个中小学STEM实践案例，被誉为STEM课程的“中国表达”。说明可以透过该书的课程案例，了解我国的STEM教学情况。文章通过研究发现，该书STEM课程的实际开展与培养理念相差较大，许多课程虽然有相对成熟的模式套用，却出现各模式混用的现象，不能与创新培养目标很好的关联。因此设计思维（Design Thinking）作为一种创新理念以及模式，開始吸引广大教育者的眼球，《STEM教育这样做》中的杭州市保俶塔实验学校开展的STEM课程也融合了设计思维的模式，文章结合该校的STEM课程案例进行分析，致力探索出基于设计思维的STEM课程在设计到实施过程中的实际情况。

2 “运动场上的关怀”STEM课程介绍

文章研究分析的“运动场上的关怀”STEM案例来自杭州市保俶塔实验学校开设的“关怀与创造”STEM项目课程，它是《STEM教育这样做》一书中的经典实践课程之一。

2.1 课程设计理念

设计思维是“运动场上的关怀”STEM课程的理念，它强调解决问题要从人的需求出发，多角度地寻求创新解决方案，学生通过创造性思考和运用各种工具制作原型，最终获得作品。目前，使用最广泛的是斯坦福大学提出的EDIPT模型，包括同理心（Empathize）、定义（Define）、构想（Ideate）、原型化（Prototype）、测试（Test）五个阶段[3]，如图1所示。

图1展示出设计思维模型的整个设计流程，同理心是指能够站在他人的角度考虑问题，了解需求，即“产品需求分析”，然后根据问题需求定义，即“确定要解决的问题”，再者是构想创意点，即“设计创意方案”，并根据方案进行原型实现，即“制作产品模型”，最后开展用户产品体验，依据反馈内容修正完善，达到问题解决。

2.2 “运动场上的关怀”STEM课程介绍

“关怀与创造”STEM项目课程分为短、中、长三种类型，短期项目积淀项目制作中有关Micro：bit开源硬件、激光切割、三维设计等基础知识，中长期项目旨在通过基于设计思维的动手实践、互动式的学习活动，培养学生掌握STEM领域的深层知识，提高STEM职业的兴趣和人文关怀。在长期项目“运动场上的关怀”课程主要授课年级：七年级;学习时长：10周，每周1个长课时，该课程实践中，教师把设计思维融入课堂，学生将经历完整自主的项目，通过聚焦运动会场，其次从“关怀”“同理心”的角度提出问题，然后梳理有价值的问题形成研究的子项目，并立项解决，整体设计如表1[4]所示。

3 基于设计思维STEM课程分析

文章选取斯坦福大学的设计思维模型——EDIPT模型作为指导，从模型的五个维度分析“运动场上的关怀”STEM项目课程，包括课程学习活动的具体内容，实施流程、涉及的工具方法等方面，每一环节的内容和对应的分析如下：

1）聚焦情境，角色体验

本环节对应设计思维中同理心需求阶段，分析依据是学生能够通过观察和访谈建立起同理心，换位思考，感受需求。在“运动场上的关怀”STEM课程第一环节，教师引导学生聚焦真实问题情境，并介绍任务：如何让运动场更优化。接着播放本校运动会跑步比赛视频，包含参赛人员、工作人员、观众等的记录及访谈画面，要求学生在观看时要仔细观察。播放结束后，学生需回答“你对运动场上各角色的了解？关于各角色处境，你会怎么解决？”等问题，小组内部进而讨论与交流，最后在大白纸上绘制同理心地图。

该环节中教师利用视频实录提供了符合学生经验的情景，激发学生学习兴趣。其次，学生对设定的情境进行“移情体验，问题识别”，这符合设计思维中强调“以人为中心”的核心理念。但该阶段方法使用比较单一，教师应借助创新工具进行融合使用。

2）汇聚问题，梳理定义

该环节符合设计思维的定义问题环节，分析的依据是设计思维提倡的学生要从目标用户的角度剖析问题产生的原因，汇聚思维，定义问题。在“运动场上的关怀”STEM项目中，学生根据聚焦情境，角色体验环节得到的同理心地图来定义需求点，并陈述了小组需要解决的问题。项目中教师传授如何梳理访谈数据，用不同的语句来描述用户需求，然后组织小组讨论，得到2～3个观点陈述，认真思考清晰，最终确定需要解决的项目问题，并在班上陈述分享。如在模块2中，站在裁判的角度，学生提出“短跑比赛中，选手成绩非常接近，很容易产生误判;若选手对终点有异议，需要借助视频等证据”，学生思考后分析了原因，最后讨论得出裁判需要解决“准确测量垒球的落地点”的问题，这个过程充分展现了设计思维强调对用户的理解，才能真正获取用户真实需求的理念。

3）检索、整理资源，构思方案

在“运动场上的关怀”STEM课程中，教师在课前介绍头脑风暴的规则和技巧，并发放“解决方案”头脑风暴记录单，激发了学生的发散思维，学生爆发出的构思进行详细记录。如模块4中，针对如何让实时观看比赛状况的问题，学生站在群众角度提出各创新构思，如组员A提出利用无人机拍摄，并将数据投放于操场大屏幕、组员B认为可以突破传统，制作实时app进行直播、组员C提倡公众号推送实时视频等;接下来小组分析筛选、合并创意想法，思维从分散逐步收敛，最终形成汇合群体智慧的作品设计方案。

通过分析发现，学生在方案构思环节出现迟疑现象，不能很快融入头脑风暴的氛围中来，这可能是该STEM课程教师没有组织学生进行头脑风暴预热活动（热身），或没有应用适合且较全面的构思工具。这说明了设计思维对STEM课程的指导运用还不够熟练，建议教育者多运用设计思维系统工具进行方案构思。

4）模型制作，不断完善

模型制作环节，符合设计思维的第四步——原型化。教师提供制作材料后，学生将设计方案自主构建成模型，如模块1设计终点计时系统前，教师为学生提供传感器、控制器、电池、发射器、报警灯、天线等其他供系统安装所需的材料。实操环节中，教师的角色主要是引导者，引导学生顺利完成制作，出现错误时，启发学生如何改进、贴近用户需求，这是设计思维重视的不断建模、调试和改进过程，最后形成最佳原型。但由于“运动场上的关怀”STEM项目课程的难度较大，如模块7的自动检录系统制作，学生由于对数据的不了解，教师很容易直接动手帮助制作，却没有启发学生，这也是STEM课程中的一大难题。该环节基本上达到设计思维的模式要求，但出现大量的启发不到位的问题，说明设计思维与STEM教育融合方面还有待加强，教师对设计思维工具的运用需更加深入。

5）展示评价，迭代改进

该环节主要为学生提供基本的展示平台，学生分小组展示“运动场上的关怀”的STEM子项目成果，由于项目是基于本校真实的情况开展的，因此展示平台为真实的运动场，学生对模型进行现实测试，如模块1的计时系统是否成功达到预期的计时效果、实时App是否能够实时直播等，体现了设计思维最后环节——测试，它通过测试的结果不断地改进原型。另外小组代表要简要展示运用的技术和原理等，然后通过CCTSS课程评价单得到反馈后，重新思考设计方案是否满足了用户的需求，解决了用户的问题。其中，评价包括自评、组评、师评。“运动场上的关怀”STEM课程项目虽然落实了多元化的评价，但没有注重反馈后对作品的优化迭代，如模块2中，当其他组学生提出红外线模拟器展示出现外部干扰问题时，没有得到往后的优化解决。

4 “运动场上的关怀”STEM课程的优势与不足

文章通过基于EDIPT模型对“运动场上的关怀”STEM课程的分析，梳理总结出该课程在核心理念、课程内容、活动设计与开展等方面特点优势及其不足之处。

4.1 优势

1）培养学生核心素养

思维是一种创新的、以人为中心的方法来定义和解决复杂问题的动态过程，它可以在现实环境中完善STEM学习。“运动场上的关怀”STEM课程的每个环节都在培养学生相应的思维及技能，如聚焦情境锻炼共情能力;生成式的头脑风暴提高学生创新思维;协作互动性学习培养合作能力;制作原型增强动手实践能力等。每个设计挑战都要求学生严格按照设计思维的“同理心—定义—构思—原型化—测试”五个环节来完成，培养了学生的STEM素养。

2）以真实情境问题为载体实现跨学科知识整合

杜威认为教育不能脱离现实环境，不能孤立地、抽象地训练学习者的思维力[5]。“运动场上的关怀”STEM项目课程以现实世界的真实问题为载体，把学生置于复杂、有意义的问题情境中，将STEM学科知识融入具体的实践活动中，通过开展一系列实践活动，驱动学生将科学、技术、工程和数学等多学科知识和技能进行整合应用。如模块7的“自动检录系统”，学生要掌握如何将 STEM概念和设计思维过程直接应用到学校真实运动会当中。

3）提供丰富的学习支架与工具促进有效学习发生

“运动场上的关怀”STEM项目课程注重运用创新工具方法促进复杂学习过程中有效学习的发生。每个内容模块中，教师结合课程需要提供相应的学习支持工具作为支架促进学生完成设计挑战如同理心地图、项目记录表、解决问题“头脑风暴”记录单[4]，如图2所示。

4.2 不足与建议

“运动场上的关怀”STEM项目课程总体结构契合设计思维的每一环节，但在具体的实践中，每个环节的任务和工具都没有很确切的区分，模糊性比较大，在项目开展过程中，未能很好地在设计思维指导下实施。另外设计思维作为支持创新学习及问题解决的方法，提供了在设计过程中所需的策略、方法及工具。但该STEM课程的实施中，没有系统地采用，所以整个设计、制作、创新并没有得到更突出的展现。因此可以适当运用不同的工具，如同理心环节常用的工具有：同理心地图、情景故事法、深度访谈、KANO模式等;定义阶段常用的工具有：POV、KJ法等;构思阶段常用的工具有SCAMPER、迪士尼创意法、九宫格法、四象限分析图、“如何不……”提问法等;原型阶段常用工具有草图绘制、Dem设计、测试阶段主要是需要展示工具、学习评价工具。

5 总结

设计思维作为支持创新学习及问题解决的有效模式，与STEM课程强调创造性生成、跨学科融合的理念是非常契合的，借助设计思维框架进行STEM课程设计，有助于推动STEM课程的研究，促进有效地培养学生关于21世纪的核心素养。文章通过“运动上的关怀”的STEM课程案例分析，了解到基于设计思维的STEM课程的实施情况，发现存在的问题，并探索中小学校如何将设计思维真正有效地运用于STEM课程，实现创新培养，需关注以下几个方面：一是严格按照设计思维五个环节进行课程设计;二是要以真实情境问题为载体促进跨学科知识整合;三是要提供丰富的学习支架与工具促进有效学习发生，这也是文章将要面对的重要研究方向。

参考文献：

[1] 陈鹏，田阳，黄荣怀.基于设计思维的STEM教育创新课程研究及启示——以斯坦福大学d.loft STEM课程为例[J].中国电化教育，2019（8）：82-90.

[2] 陈鹏，田阳，等. 北极星计划：以 STEM 教育为核心的全球创新人才培养——《制定成功路线：美国 STEM 教育战略》（2019-2023）解析[J]远程教育杂志，2019（2）：3-14.

[3] Design Council UK. Design methods for developing services [EB/OL]. [2018-10-02].https// connect.innovateuk.org.

[4] 王素，李正福.STEM教育这样做[M].北京：教育科学出版社，2019.124-135

[5] 約翰·杜威.民主主义与教育[M].北京：人民教育出版社，2001.

【通联编辑：王力】

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