以设计思维理念开展STEM课程设计的要点解析

原标题:以设计思维理念开展STEM课程设计的要点解析

来源 | 中国科技教育

作者 | 叶兆宁

设计思维在教育中的运用始于斯坦福大学设立的设计学院,最早主要集中在高等教育中的工程和设计领域,随后在商业、医疗、社会科学等领域得到广泛应用。近年来,设计思维逐步扩展到了K—12的基础教育中,教育模式从开设专门的课程逐步向设计思维与课程融合的方式转变。

设计思维与STEM教育在学科融合、基于解决真实问题、创造力培养、合作学习及行动与反思等方面都有契合之处。因此,将设计思维引入具有跨学科特征的STEM教育的课程设计,不仅能增强课程的逻辑体系,还有助于提高课程的品质和教育效果。

下面以《中国科技教育》杂志汇编的《国外优秀STEM教育案例集》的课程案例为例,解析以设计思维理念开展STEM课程设计时有哪些可关注的要点。

要点一:来源于社会生产生活的真实问题

真实问题的引入不仅是STEM教育的需求,也是设计思维的需求。在真实问题的导引下,各个学科的学习和引入会围绕问题本身自然而然地展开,设计需求的来源、任务要求和成果形式得以清晰明确,设计任务的目的也因此而具有现实意义和价值,为后续的学习打好基础。

案例丨风暴警报

这是1个面向4年级为期3天的有关飓风的课程,采用5E教学法。在“引入”阶段,教师和学生讨论当地的自然灾难,并讨论人和自然如何抵御灾难,如“有哪些天然防护屏障可以保护一个地区少遭受飓风等自然灾难的破坏”“如果你住在沿海社区,你如何抵御自然灾害”“有哪些人为造成的环境变化会扩大飓风的影响”“人们可以采取什么防护措施以降低自然灾害对于社区的破坏”等。

在讨论之后的“探究”阶段,教师提出了一个表现性任务:你们小组供职于城市住房发展委员会,该委员会指导当地建筑公司根据最新的安全规定改造升级沿本州海岸区域建造的房屋。你们的一部分工作内容是建造房屋模型并测试它们抵抗飓风等自然灾害的有效性。你们将测试这些房屋抵抗强风、暴雨和风暴潮的强度⋯⋯

解析

在这个案例中课程聚焦于当地的自然灾害,这本身就具备真实性。活动并不是立即从设计开始,而是通过引入部分分析、调研和讨论,学生对真实问题有了较多的认识和经验。可见,引入部分是学生开展设计思维的基础。探究部分表现性任务的提法也具备真实性,该任务内容包括:“为什么要建造房屋模型?该房屋模型需要得到什么功能?要怎样测试房屋模型?”任务的描述非常具体,也具有一定的可信度。

同时案例中引入和探究2个环节较好地将设计思维的起点融入教学中,帮助学生理解人们开展设计的想法来源于何处,显然教师并没有期望4年级的学生自己挖掘出设计的机会,而是通过教学安排一步步帮助学生体验出这一点。

通过共情对用户需求进行挖掘和定义是进行设计的起点。这帮助学生的思维从以自己为中心转向以用户的需求为中心。然而更深层次的意义在于:设计思维中的以人为本,不是简单的以用户为中心,而是考虑人和自然的统一和谐与可持续发展,要涵盖体现了人类目标和自然法则的物体和现象。这也正是体现设计思维与STEM教育共同价值的出发点。

案例丨抓错了鱼——为金枪鱼捕捞业中的兼捕问题设计一个解决方案

这是个适用于8年级的涉及环境科学和生物学的跨学科课程,学生将通过课堂活动设计和测试金枪鱼捕捞中兼捕问题的解决方案。学生要收集和使用数据优化自己的设计,并考虑这个模型如何在现实生活中应用。通过学习,学生将能够讨论世界海洋渔业可持续发展的必要性;能够设计、评估和完善减少兼捕的解决方案;能够把他们设计的模型和实际生活联系起来。

活动开始时,学生首先模拟在海洋中捕捞的过程,辨认出目标物种和非目标物种,然后讨论怎样会被渔具抓到,引导学生反思这些物种在捕捞过程中遇到的不必要的个体损失,其中的一些物种正受到威胁。活动中教师引导学生通过调查,讨论以下问题。

● 你如何用自己的话解释渔业的可持续发展

● 什么是兼捕?为什么兼捕是一个问题?

● 什么是过度捕捞?为什么过度捕捞是一个问题?

● 哪种捕鱼方式会导致大量的兼捕?

● 哪种捕鱼方式可使兼捕的可能性小一些?

● 对于渔民来说,每一种方式的优点和缺点是什么?从对环境的影响角度看呢?

解析

该案例从渔业中普遍存在的兼捕现象中提出设计问题,对这一现象的讨论不仅需要学生从人的需求出发,还要帮助学生理解为何要从自然生态的角度思考,并将渔业发展与过度捕捞带来的生态影响结合起来研究。这不仅有助于学生找到设计的需求,明确分析出该解决方案应该达成的作用,同时也能有效地帮助学生理解科学、技术、社会和环境的相互作用,以及何为可持续发展,人类需要为可持续发展采取怎样的行动。

可视化不仅是设计思维的特点,STEM教育中也非常强调可视化。在教学中选择可视化的工具,通过可视化的方式可以促进交流和思维。例如在设计思维中常用便利贴、马克笔、绘图纸等工具,采用思维导图、头脑风暴等方法将思维和想法可视化;利用模型制作将解决方案可视化;采用角色扮演和直接调研将设计需求可视化;用视频、照片、记录等将过程可视化等。可视化帮助学生汇集各种想法,深入了解过程中的各种变化,促进学生优化解决方案,找到更有效的问题解决方案。

这是1个面向初中学生的STEM课程,聚焦于学生对人体循环系统和呼吸系统的深入理解。在学生对人体的系统有一定程度的学习之后,教师给学生提供1个用糖霜和透明塑料管粘在一起的模型,模拟被堵塞的动脉血管。学生注意到糖霜位于管子的中间位置,且难以取出。

接下来组织班级讨论,学生需要提出清理动脉的方法,以及医生在手术中可能遇到的困难。学生将这些想法都写到白板上,以便全班同学都能看到。学生可以使用之前观看心脏及细胞的视频时做的笔记论证自己的观点。教师鼓励学生同意或反对他人的观点,并且通过自己对证据的阐述支持或反对这些观点。通过这个过程,学生了解到设计项目的需求,即用什么方法能取得动脉最大血液流量,并设计对项目成果的定量测试。

在接下来的小组活动中,教师为学生提供便利贴、不同颜色的马克笔、绘图纸,以及充足的空间。学生轮流将自己的想法写在便利贴上,并贴在小组的绘图纸上。教师指导学生使用正面肯定的语言评价想法。在小组确定了设计方案之后,学生们开始进行原型制作及测试,学生在制作和测试过程中会遇到很多问题,教师鼓励学生一边用录像记录下测试的过程,一边对原方案进行现场修改或改进,但要求学生对方案的任何修改都记录下来,将其作为未来设计迭代的基础。

课程的最后,学生被要求评价项目设计方案,对其他同学的工作进行评价,并改进设计方案。每组的方案都要在全班进行展示以接收同行评议。学生还被要求制作1张海报,讨论他们的设计过程和“手术”的成功。

解析

该案例中教师用了多种方法帮助学生展现自己的想法,理解他人的想法,包括用便利贴、马克笔等将所有的想法写到白板上,制作海报讨论设计过程等。每位学生都有机会展示自己的想法,而此前对血液循环系统和呼吸系统的学习为此打下了基础。

视频拍摄有效地帮助学生记录下测试的过程,他们可以利用视频回顾测试的细节,分析问题出现的可能原因,并进行改进并记录改进后的测试结果。学生对过程和过程中思考的记录和再现对设计迭代起到了有效的促进作用。另外,该案例中还利用模型给出任务要求,让学生改进模型以得到原型,这也是一种可视化。

(要点四:行动中反思和要点五:指向学习与发展的评价的具体内容可点击“阅读原文”登录杂志官网查看)

返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐