[STEM教育与科技教育]STEM教育的教学法案例（二）

向世清，博士，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。长期从事激光物理与工程技术的前沿研发，是参与产业经济战略与决策咨询、基础教育改革咨询、科技创新中心发展战略设计等多领域战略专家，也是上海市最为活跃的科技创新教育专家之一。

本讲我们将给出第2种类型的STEM教育的教学法案例。大家记住，我们的体例仍然简单遵循九步法的直接对照说明（请大家一直将九步法框架存在脑海中，这可是特别管用哈）。

案例类型二、工程问题解决型

工程是我们人类综合使用已有知识，在所明确的前提条件、基本限制和特别要求的目标限制要求下，通过恰当的设计方案和建构过程，实现应用系统，尤其是实体性功能硬件系统的过程和结果。在此过程中，具有许多具体需要解决的技术性、设计性和系统组装性问题，需要攻克相应的难点难关。这些问题都可称之为工程问题。

工程问题的解决是任何一名学生需要建立的知识应用能力的基本内容之一，甚至是核心。在各个学科的应用能力的培养中，对此也几乎都具有共性的一致规律要求（这也是现在设有各种工程科技专业的原因，如航天工程、生物工程、计算机工程等）。学生在学习过程中，经过学习，尤其是通过具体的真实场景下真实解决实际问题，就能将前人所形成的各种知识、技术、技能、已有系统作为基础，逐渐学会和完成重复性的系统建构或者新颖系统的创意、设计和建构，最终达成工程问题的解决，并可能直接形成工程性成品或系统（或新成品与新系统）。所以，这也是我们在教育中最为基本的逐渐递进的教学内容。而这种循序渐进的教学过程，不仅包含有相关知识的习得、积累，学生的知识凭借工程实现的载体进一步建立了联系并融会贯通，通过应用和实践进一步实现了知识的增进、拓展和创新;而且其中实际蕴含着工程建构方法论的不断建立和提升，所以在这里特别要强调，解决问题的方法论的逐步建立最为关键，比知识建构更为重要。一个学生只要逐渐掌握了这些方法论，就会形成类似于小时候建造小玩意儿、长大后就可以建设高科技产品的能力基础和素养。

为给出一个特别典型化的工程问题解决案例，我们选择“自行车的工程模型建構制作”作为主题设计。同样为了更多的导师或教师可在不同知识程度水平上都能理解案例，这里仍特别选择简单水平能级，直接针对小学高年级学习的教案予以呈现（其他学段或能级的案例只需逐渐增加知识和技能等方面的难度要求）。

自行车几乎是每一个人都有认知的一个常见人工交通工具，虽然真实的自行车具有较高的复杂性，但简单模型化的自行车对于以主体构型限定建造要求时，是连小学生都能适合的建构对象（初中生和高中生只需建构更为实际的提高版的自行车）。所以自行车模型建造（如图）很容易理解，就算不教物理和工程，也同样是很容易得到认识的。

实际上，孩子们从小就会喜欢拆拆装装、制作搭建，这甚至是天性使然。这个过程对于孩子成长其实特别重要和必要，因为其中每一步都有巨大的获得感和成就感。通常情况下，孩子早期只是根据对于外形的简单认识，制作形状上基本表达对象抽象构型的结果;然后才是逐步以递增的结构、装配等工程性知识作为基础，逐步可以复杂化制作。

针对小学高年级的学生，这里我们先粗框架地界定一个有趣的制作要求：给定1根长度约1米左右的细铁丝，请学生根据自己的观察、想象和设计，在不剪断铁丝的前提要求下，制作出1辆样式不限的自行车模型。虽然这看起来极其简单，基本就是怎么使用铁丝弯折和缠绕，最终完成具有基本元素和大致外形的自行车模型，但其中却蕴含着较多的学生自我想象和发挥的变化可能性，也包括了解自行车相关知识的学习要求和需求理解，包括自行车的具体结构选择，元素、形状、大小确定，以及其中的结构比例尺寸等定量要求，更包括铁丝的弯法技巧和工具使用技能等，实际上是一个完整的创意设计制作过程。如果提高要求，即便对于成年人，这也是一个饶有趣味、颇有难度的工作。所以这一教学案例就需要进行更好的教学方式设计和过程选择。以下，我们按照九步法简明地给出“教案”。特别强调，这里不能要求“标准答案”，最多只能要求建构过程和方式基本一致（大家一定要认识到，其中可有很多的设计变通和过程方式，正是培育学生自主思考、设计和创意的好教学载体）。

总体来说，对于模型制作的教学设计，应围绕设计的方法、内涵与技能展开。其中，对于前人针对对象的历史发展中如何提出新颖设计的经历和利用相关知识、思维等过程应加以引导学习。过程中更应特别注意以合适的制作方案设计完善过程支撑教学的过程（否则就变成按要求的“动手做”了）。教师的作用始终是辅助和协助学生优化实施。最后，特别强调，其中设计与技能思维发展是无止境的，这几个步骤的时间要尽可能放宽。