洪盈

（厦门市思明区教育督导评估事务中心，福建 厦门 361004）

2018 年“中国STEM 教育2029 行动计划”发布，STEM 教育在我国进入蓬勃发展阶段。［1］而在当前大众创新时代，工程思维培养已不仅仅局限于理工科领域，它更是学生创新思维能力的必备基础。面对STEM 教育的思维力及课程改革的挑战力，基于STEM 教育理念的校本课程的开发与实施是应对这种挑战的一种较为可取的方式。STEM 指科学、技术、工程、数学，它是一种重实践、跨学科的教育理念，近年在STEM 中又加入了艺术（Art），之后再加入阅读（Reading），提升为STREAM+，即S（Science）科学、T（Technology）技 术、R（Reading）阅 读、E（Engineering）工程、A（Art）艺术、M（Mathematics）数学，而在人工智能飞速发展的同时，我们是否也可以赋予A（AI）人工智能的寓意，使之变得更加全面。笔者在认真研究和学习中，对STREAM 有更深层次的理解，即S（Smart）智慧、T（Thinking）思维、R（Reason）追问原因、E（Experience）体验、A（Assessment）评价、M（Multimode）多模态教学。意即基于项目式学习进行智慧教学，促进学生具备跨学科高阶思维，懂得在任务完成中学会思考、追问原因，在探究、体验中提升分析问题、解决问题的能力，将评价贯穿项目研究始终，形成多模态教学，如图1 所示。

图1

何为“工程思维”，顾名思义，就是人们在进行工程活动和工程研究过程中所形成的独特的思维方式，有人把它定义为“专业层次的策划型实体思维”。［2］工程思维分为：工程决策思维、工程设计思维、工程实施思维及工程消费思维等。工程思维是STEM 教育理念的核心，STEM 教育是工程思维的有效载体。基于工程思维培养的校本课程建设应融合STEM 教育理念，培养学生在真实生活情境中学会提出问题；在产品设计中懂得分析问题；在探究实践中能够解决问题；在成果推广中实现价值认可，如图2所示：

图2

一、当前校本课程开发存在的问题

随着新课改的不断深入，校本课程的投入也逐渐成为新课改的重点，但是各中小学在校本课程的开发过程中，存在着许多不容忽视的问题。一是教师的课程意识淡薄。由于受国家课程与地方课程为主导地位的课程体制影响，教师们习惯于完成指令性的课程计划，对校本课程的认识还不足，对校本课程的涵义一知半解。二是教师的课程开发能力欠缺。绝大部分教师立足学科本位，专注于自己的学科专业，没有充分的课程理论和实践经验的准备，大部分学校在课程开发中也往往集中部分骨干教师参与，导致教师资源匮乏。三是忽视学生的发展需求。校本课程的开发即是课程生成的过程，是自下而上的过程，即基于学生的发展需求、培养需要而开设，然而现行学校往往为“开发”而开发，忽略了对学生发展需求的调研和对学校课程资源的整合，忽视了校本课程的质量和意义。四是缺乏科学的课程评价体系。校本课程评价不仅仅是学生学业评价，还应关注校本课程本身的评价即课程原型评价。课程开发是一个迭代改进的过程，课程评价的意义尤显重要。然而多数学校设计的评价还停留于学生自评、互评，教师评价等简单指标，忽视了评价中最应体现的学生实践能力、创新精神、团队合作及思维能力等的培养，未形成科学的评价体系。

基于工程思维培养建构的STEM 校本课程，首先，顺应时代发展态势，让教师在STEM 项目式活动中不断实践，汲取养料，让他们在获得成功体验后豁然开朗，学校召集全体教师共同参与、学科渗透，在研究中推进，使教师变“要我做”为“我觉得很有必要做”，成为积极主动参与者，解决了教师对课程理念认识不足及课程开发能力的问题。其次，教师应当清楚当今学生发展更需要培养其学科核心素养、适应未来生活的关键能力和必备品格，STEM 校本课程的研发中主要培养学生科学探究、创新意识、工程思维、团队合作等综合能力，无论是课程内容、教学方式还是评价体系，都将较好地帮助学生实现新能力的发展。

二、基于工程思维培养的课程开发

“设计环保清洁剂”STEM 校本课程的开发即着力于学生工程思维的培养，体现了跨学科融合的STEM 教育理念。课程开发组通过组织团队、理论培训、学习交流、定期研讨、实践体验等活动促进校本课程的开发，以“设计环保清洁剂”为项目研究主线，经过架构课程纲要、确定课程目标、设计课程内容、制定课程方案、拟定课程评价等措施推动校本课程的实施，在实施过程中推进校本教材的编撰、教学资源包的完善以及教学实践的研讨，逐步建构STEM 校本课程，培养工程思维，如图3 所示。本课程由真实的水污染，以及水污染对人类和生态系统的影响为情境引入，让学生意识到使用环保清洁剂有助于环境水资源的保护，从而激发学生尝试去了解、制作环保清洁剂，开展基于项目的解决任务式学习。本课程共分12 课时，内容涵盖语文学科《认识清洁剂》《学写说明书》、综合实践活动《走进污水厂》、数学学科《认识容积单位》《有趣的“数学比”》、科学学科《设计环保清洁剂》《制作环保清洁皂》《藏在水里的小秘密》、人工智能《自动感应清洁剂装置》、美术学科《动手设计包装》、英语学科The Environmental Cleaner 和道德与法治学科《策划和推广》等。课程的学科跨度大、内容丰富、涉及面广，较好地帮助学生培养工程思维。

图3

（一）创设情境，提出问题，培植工程决策思维

工程思维活动的基础是工程决策。工程决策思维是指人们在工程决策行为中的信息加工活动，包括提出问题、形成方案、检验与评价方案等活动中的思维方法与过程。教师应根据学生的特点及活动要达到的目的创设真实情境，如生活中忽略的现象或遇到的难题，有趣的现象或需要解决的问题容易吸引学生的兴趣，激发思维，促进理解。有了真实生活情境的课程创设更能让学生产生情感的共鸣，学生在真实情境中对活动的目标、意义、环境、分工、实施等确认，以更好地提升他们的工程决策思维。

如“设计环保清洁剂”课程的第一课时《认识清洁剂》中，课程开发组运用微视频创设真实情境：全球每年有成千上万的泳滩因为受到污染而被关闭。强降雨造成垃圾、化学物、动物排泄物等各种污染物被冲入水中，工业废水、生活污水等也对人们的生产生活产生较大的影响，接触污染物可导致身体患病或受到伤害……教师利用生活中洗手、洗澡、洗衣服和做卫生等图片场景提出问题：在清洁的过程中，人们多数情况下会用到清洁剂，而这些清洁剂大多数是化学合成，它们对身体和环境都有什么影响呢？如此真实存在，生活中面临的真切问题极大地激发学生探究的欲望，引导学生认识清洁剂。教师通过让学生调查了解、小组讨论、学习交流等多角度思考清洁剂的功效和危害，从而提出大任务：设计环保清洁剂；任务目标：设计一款环保清洁剂并能推广使用；学生分组制定方案，反复推敲方案的可行性及需要学习的相关知识，在这个过程中有效培植了学生的工程决策思维。

（二）设计产品，分析问题，激发工程设计思维

工程设计是工程思维活动的灵魂。工程设计思维是指根据工程决策阶段制定的方案进行细化，分析活动可能出现的问题，设计解决该问题的措施，并预测可能发生的阻碍。这种思维面临的主要契机是潜在可能性与现实可行性的转化，包括设计中的决策运思、工程生态环境之思、设计中的美感之思以及设计中的工程合理性思考等。［3］工程设计思维简单说就是解决问题的思考过程。课程开发组在确定了“设计环保清洁剂”研究任务和研究方案之后，开启工程设计。为了解决可能发生的阻碍，课程设计了两个课时《认识容积单位》《有趣的数学比》，帮助学生了解容积单位和比的概念等数学知识，为设计清洁剂扫除“变量控制”障碍。而《藏在水中的小秘密》一课则帮助学生研究水质、了解TDS 含量，为环保清洁剂的制作提供了科学依据。考虑工程设计的可行性，教师引导学生通过一次次的实验、对比、再实验，帮助学生寻找解决问题的最优策略，形成解决问题的能力。在认真比对各个方案的用量、配比及不同水源的过程中，学生发现不同可溶物清洁效果不一样，用可溶物含量低的水制作的清洁剂其清洁效果较好……为工程实施打下基础。在实验过程中，学生不仅知识得到拓展，实验能力得到提升，更重要的是对数学的严谨、对科学的探究、对工程设计思维的发展均得到更深的影响。

（三）探究实践，解决问题，发展工程实施思维

工程实施需要学生按照设计好的解决方案实施、对实施结果进行评估总结、完善设计方案等步骤进行循环操作与思考；教师需要根据学生的进展情况，灵活把握活动过程。工程实施思维包含思维方式、使用价值、规范、心理四个层面的整合与重构。课程开发组设计了《工程思维自我学习反思评价》《工程思维学习任务完成能力评价》等评价表，在每一课时均让学生进行自我反思，包括我已学懂的知识、我还未学懂的知识、我还想继续关注的知识和我仍然存在疑问的知识等方面，学生对每一次的探究实践进行评估总结，以便进行方案的调整和再实践。例如，第五课时《设计环保清洁剂》教学重点为：会做洗涤用品去污实验，了解洗涤剂的不同用量会带来的不同结果，学会控制变量，掌握环保的价值意义。基于学生在工程设计阶段已初步构建制作环保清洁剂的知识框架，对设计方案也进行了可行性分析和在研究的基础上进行实践验证，通过自我学习、反思、评估，学生发现要解决的是水的选择，以及水、小苏打、醋等环保原材料的配比是否能够达到最佳洗涤效果，其pH 值是否达标等问题，在实验中不断获取最优数据。学生在经历了多种设计解决方案、对实施结果评估、完善设计方案的探究过程后，实现迭代性思维，发展工程实施思维。而对课程的开发和设计最终是否完成学生工程思维培养，学习任务完成能力评价表，如表1 所示，较全面地帮助工程实施效果检验。

表1 工程思维学习任务完成能力评价

（四）成果推广，实现价值，促进工程消费思维

当某项工程竣工时，它的价值还只是潜在的，只具有可能性意义上的价值。如果建成的工程不能进入消费阶段，那么这项工程的价值就是没有实现的价值。［2］工程成果的消费过程也是工程消费交往共同体解读和重构工程成果的过程。经过师生的共同努力，制作出了环保清洁剂、环保清洁皂以及自动感应清洁剂装置，那么如何将产品进行宣传和推广，实现其消费价值，课程开发组还设计了《动手设计包装》、The Environmental Cleaner、《策划和推广》等课时，即进行产品包装设计达到美的视觉效果。厦门是一个包容性很强的国际化城市，对外交流和宣传离不开英语，设计用英语推介产品成果，将更好地培养学生国际视野、跨文化交流。而《策划与推广》则基于让我们设计出来的产品能够让更多的人了解和使用，得到消费者的认可，具有可持续性和价值性。这就需要培养学生的工程消费思维，学生需要调查了解大众的消费观、市场竞争压力、大众检验效能进行常识性重构和大众日常语言重构等，这个过程既是对成果的推广，实现其价值的过程，亦是对产品再修正、再研发的过程，更是促进学生工程消费思维的发展。

三、课程成效与反思

基于工程思维培养开发的STEM 校本课程投入实施后，目前已初见成效。一是学校层面。学校STEM 校本课程体系初见模型，并且编著了《环保清洁剂我设计》校本教材，设计整理了配套的教学资源包；福建省教育科学“十三五”规划课题“综合课程视域下小学生工程思维培养的课程建设研究”顺利完成中期汇报；荣获国家级信息化教学思明实验区领航校；于2021 年6 月11 日面向市区级领导、兄弟学校开展国家级信息化教学思明实验区STEM 项目研讨活动，获得与会领导、专家与同行的好评。二是教师层面。教师的理论视野变宽了，思维素养有质的突破，研究能力更强了，公开课、讲座、论文、子课题等纷纷出成绩：3 位教师的子课题获区立项；5 位教师的相关论文区获奖；3 位教师在市级开课、讲座。三是学生层面。参与STEM 课程的学生在各方面都得到了提升。课堂上学生的思维变得活跃了，学生不再是死气沉沉的听众，而是积极思考、敢于质疑、懂得辩证解决问题、具有较强工程思维力的学习探究者；课后积极参加创客、动漫、编程、人工智能等社团活动及比赛，频频获奖。

当然，课程建设还处于不断探索与实践阶段，课程体系的整体建构还不够全面，还面临诸多问题：如何延展STEM 主题课程，覆盖各个年级，进行普惠化实施；如何进一步培养学生工程思维，培养适应未来领域的创新型人才等。未来我们还需对课程体系进行完善，围绕主题课程继续开发其他年级的STEM 校本课程，使之形成系列化，如以环保为主题，贯穿1-6年级，开发“环保太阳能小灯”“环保无动力小车”“环保污水过滤器”“环保空气净化器”“环保清洁剂”“环保垃圾桶”等。学校将继续深入研究，探索出符合学生发展理念、适合学科融合、体现学校特色的课程体系，形成可持续发展的教学模式。