摘要

随着全球经济与科学技术的快速发展，STEM教育已成为世界各国科技创新人才培养和教育教学改革的重要战略和途径。探索STEM教育应用模式，开发跨学科融合的STEM课程，是推动STEM教育开展的关键。为促进我国STEM教育课程设计与开发，该研究以美国斯坦福大学教育学院与设计学院合作的d. loft STEM Learning项目中的STEM课程为例进行案例研究，在详细介绍课程整体结构、课程活动设计及实施的基础上，分析并总结归纳该课程的特点。主要包括:基于设计思维培养学生核心技能与STEM素养，课程活动目标与美国《下一代科学教育标准》相对应，以真实问题与项目为载体实现跨学科整合，提供丰富的学习支架与工具促进有效学习的发生。在此基础上，围绕STEM教育与设计思维的核心理念，从学生能力培养出发，构建了基于设计思维的跨学科STEM课程模型，并提出相关实施建议，为STEM教育实践提供有价值的借鉴。

关键词：STEM教育；STEM课程；设计思维；跨学科整合

一、引言

随着全球经济和科学技术的飞速发展，创新已成为国家核心竞争力必不可少的组成部分，科技创新人才培养是实施创新驱动发展战略，推动工业4.0时代创造强国建设的关键和重要着力点。从1986年美国政府发布《本科的科学、数学和工程教育》(Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education)[1]提出STEM教育理念，到2018年的《制定成功路线：美国STEM教育战略》(Charting a Course for Success: America’s Strategy for STEM Education)[2]，美国历届政府出台了一系列相关政策和政府报告。大力发展STEM教育，培养科技创新人才已成为美国维持全球经济领先地位的直接动力[3]，STEM教育也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[4]。

当前STEM概念从原来分学科的理解逐步转向整合，研究者认为其是有目的地、融合科学、技术、工程和数学学科知识以解决真实情境中问题的整合式课程[5]；也有研究者超越内容层面提出STEM教育是一种教学策略、教学方法与思路或教学哲学[6][7]，关注学科之间的相互作用，重视学生整合式思维过程和技能。无论将STEM理解为课程还是教学策略或方式，其内涵都是指科学、技术、工程和数学的融合，目标是培养学习者的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。

我国STEM教育研究起步较晚，其研究内容主要涵盖STEM课程整合理念，STEM教育发展背景[8]，STEM教育与创客教育的关系[9]以及教学实践研究等。相比较国外研究，政策介绍解读、理论探讨较多，实践研究相对较少[10]。目前我国的STEM课程主要在中小学综合实践课、信息技术课或创客活动中实施，以3D打印、可视化编程、机器人设计、科学小制作等为课程主题，以探究式学习、项目式学习、设计型学习为主要教学模式，采用如工程设计方法、5E/6E探究流程、设计双循环模式等指导学生实践[11-14]。可以看到目前较多的STEM课程把技术教育、工程教育作为整合课程的关键点，关注多学科知识的学习和运用，注重学生的参与和体验，但也存在一些问题和不足。首先，STEM教育没有形成系统的、完整的课程标准，没有规范的教材，以及我国长期以来的分科模式和课程结构、对工程类课程的教育价值的忽视[15]，导致不同人对STEM教育的认识各不相同，难以较好地开展STEM跨学科整合型课程的设计与实施，STEM教育成效甚微。其次，STEM课程主要以单次课为主，贯穿一学期的课程设计和实践案例较少，短期、不连贯和缺乏系统性设计的教学内容难以促进学生深度学习、实现思维能力发展。再次，缺乏教学理论指导，学校现有STEM课程通常重视在教学形式上的整合、或技术工具的使用来制作作品，未能真正实现学生跨学科知识与能力的整合、真实问题解决能力的提升，以及学生创造力的发展。

作为以人为本的创新方法论，设计思维从理解人的需求出发，综合应用多学科知识，形成创新解决方案[16]。“以人为中心的设计”的理论已经影响了诸多全球500强将其作为企业创新的主要方法，其孕育的“创造性思维于行动中”使它受到越来越多的教育界人士的青睐，并认为将设计思维引入教育系统能解决教育的许多根本问题[17]。众多国际著名高校纷纷以设计思维为核心开设相关课程或项目，越来越多的研究者尝试将设计思维应用在K12课堂。设计思维关注来自真实情境的问题解决，通过一定的方法和工具，综合运用多学科知识，最终产生创新性的解决方案，其真实性、综合性、创新性等特点为STEM教育注重学科课程之间的融合、学生对知识的应用提供了新路径。研究者将设计思维理念与方法融入到STEM课程中，认为设计思维是促进STEM教育和创客教育深度融合的合适方法[18]，利用设计思维提出相应的STEM探究模式，使得设计活动过程较工程设计更有趣简单。

斯坦福大学设计学院(d.school)是全球设计思维研究最有代表性机构之一，它提出的设计思维模型在全球受到了广泛关注与应用，其以设计思维为核心的相关课程，更是全球创新人才培养中理论与实践完美结合的典范。本研究以斯坦福大学设计学院与教育研究生院(Stanford Graduate School of Education)合作开发的、基于设计思维的d.Loft STEM Learning课程为例，详细分析课程的整体设计、活动设计以及教学实施等，以期为当前我国跨学科整合型STEM课程的开发提供借鉴和启发。

二、斯坦福大学d.loft STEM项目课程的背景

2009年奥巴马政府致力于优先发展科学、技术、工程和数学(STEM)教育，发起了“创新教育”运动，以提高美国学生在STEM领域的参与度和表现[19]。这项运动引发不仅包括联邦政府在STEM上的投入，也有很多全球顶尖企业、慈善基金会、非营利组织和科学与工程学会等加入进来，以期提高全美年轻人在数学、技术、科学和工程领域的出类拔萃。

在美国国家科学基金会(National Science Foundation) ITEST项目的资助下，斯坦福大学教育研究生院和设计学院合作成立了REDlab(Research in Education & Design)，其目标是探索设计思维作为一种新的教学方式的可行性，促进设计思维融入课程教学，赋予教育变革。在此愿景下，REDlab基于d.school的设计思维方法开发了d.loft STEM Learning系列课程，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领域的深层知识以及提高STEM职业的兴趣[20]。项目团队与加州、犹他州的教育工作者合作，开展课程研讨会，探索在多个学科领域以设计思维为视角来开发STEM主题课程，将设计思维融入到课堂。该系列课程中将设计思维和紧迫的全球问题(包括水、能源和住房)紧密结合，鼓励学生积极面对并解决全球和本地环境中的设计挑战。水(Dive In! Water Curriculum)、能源(Ignite! Energy Curriculum)和避难所(Built to Learn! Shelter Curriculum)的再设计是d.loft STEM项目中经典课程案例，学生在课程中探索基于能源的设计思维挑战，开展与环境保护、节约能源及生产相关的STEM活动。本研究选择d.loft STEM项目中“避难所的再设计”(Built to Learn! Shelter Curriculum)作为分析对象，详细探讨基于设计思维的跨学科STEM课程的整体设计、活动设计以及教学实施等。

三、基于设计思维的d.loft STEM课程的分析

(一)课程整体设计

“避难所的再设计(Redesigning Shelter)”通过STEM和设计思维的结合，来培养学生的创新、创造力、批判性思维、解决问题、沟通和协作等方面的能力。通过STEM基础知识的学习，以开发可行的方案来解决当地、国家和全球的难题。在为期四周的项目中，运用设计思维方法来识别和解决现实世界的问题，基于STEM概念和共情驱动的设计思维过程来设计并建造避难所，提高学生们创新的信心和能力。

课程以模块化的方式组织，总共包括4个模块，详细如表1所示。完成课程所有内容需要4周，每周5-8小时的讲授课时以及额外的活动时间。该课程为6-8年级的学生设计，同时也可用于各种夏令营、课外活动和工作坊，教师可以根据课时安排、学生水平来选择性的延迟或缩短部分模块的时间。模块3和模块4中的“设计挑战2.0、3.0”都是将学生对STEM概念的学习联系在一起的设计体验。

模块1：个人住房设计挑战。从介绍设计挑战开始，为学生简单概述设计过程。通过后续活动为学生提供学习和实践设计思维方法的机会，深入体验设计过程。

模块2：STEM知识学习。学习与房屋建造相关的知识，包括建筑、可持续发展、结构与材料等单元。

模块3：全球避难所设计。为发展中国家的人们设计住所，学生运用模块1学习的设计思维方法，结合模块2中学习的STEM概念来进行实践。他们共情生活在发展中国家、缺乏学习和游戏空间的同龄人，经历设计过程的从共情到原型，最终设计并制作出避难所的原型来满足发展中国家人们的需求。

模块4：当地住房设计挑战。重新设计学校空间与环境，结合设计思维和STEM知识，为特定的用户设计学校避难所。课程结束时，汇报展示最终产品。

(二)跨学科知识和学习活动设计

该课程围绕房屋设计与建造这一主题，根据其设计和建造过程中需要开展的科学研究和工程实践活动，划分为3个设计挑战和7个基于STEM的单元组成。每个STEM单元对应美国《下一代科学教育标准》(Next Generation Science Standards，简称NGSS)中的学科目标要求，围绕学科核心概念，进行整合设计。7个STEM基础单元在内容与能力目标上逐渐深入、螺旋上升，其内容包括：制作原则、建筑、可持续性发展、结构与建筑材料、全球住房、生物多样性和STEM职业。它们围绕“房屋设计”主题融合了与之相关的物理结构、材料、气候、生态等多方面的知识，具体依托的学科包括数学、物理、化学、地理、生物等，共同为学生完成设计挑战，创建最佳设计解决方案提供所需的STEM知识和技能。在设计活动中，融合STEM学科知识和工程制作，有效地联结、利用、融合成一个整体的教学架构，来帮助学生跨越多学科，获得对知识的全面理解。基于设计思维融合多学科知识内容，开展以人为中心的创新设计活动，课程模块及内容安排如表2所示。

(三)基于设计思维的STEM设计挑战

设计思维方法作为一种支持创新学习及复杂问题解决的方法，不同的机构组织或研究者开发了适用于不同领域的操作模型。例如，早期Simon提出“分析—综合—评估”的设计思维线性模型[21]；Tim Brown在线性模型基础上提出的“灵感(Inspiration)、构思(Ideation)、实现(Implentation)”三阶段的循环模型[22]；英国设计协会提出的体现思维发散聚敛的“双钻模型(Double Diamond model)”，包括发现(Discover)、定义(Define)、开发(Develop)、交付(Deliver)四个阶段[23]；IDEO将Tim Brown模型分解为“发现(Discovery)、解释(Interpretation)、构思(Ideation)、实验(Experiment)、评估(Evaluation)”五个环节[24]；德国波茨坦大学HPI研究院(Hasso Plattner Institute)将设计思维分成理解(Understand)、观察(Observe)、整合观点(Define Point of View)、构思(Ideate)、原型(Prototype)、测试(Test)六个步骤[25]；以及斯坦福大学设计学院(d.school)提出“共情(Empathize)、定义(Define)、构思(Ideate)、原型(Prototype)和测试(Test)”五阶段的EDIPT模型[26](如图1所示)，这也是目前全球教育领域中采用最广泛的设计思维模型。d.loft STEM项目课程中基于d.school的设计思维模型来组织和开展学习活动，本研究以“设计挑战2.0：全球避难所设计”的内容为例，介绍其学习活动具体的实施流程。

1.共情需求环节

本环节的主要目标是学生深入探索设计过程的共情阶段，通过观察和访谈的信息，对发展中国家难民营中的同龄人建立同理心，寻找流离失所者对生活住处和方式的见解及需求，并绘制同理心地图。

首先，教师通过带有叙利亚地区背景的幻灯片，向学生介绍任务，即为发展中国家的同龄人重新设计庇护所。然后，教师播放一段17岁叙利亚难民哈纳迪(Hanadi)的访谈视频，学生在观看时要“仔细观察所看到的、听到的，试着设身处地的为他们着想”。视频看完后，学生需要回答“你对哈纳迪有什么了解？关于哈纳迪，什么让你感到惊讶？如果你可以问哈纳迪一个问题，你会问她什么？”等问题，小组内部对这些问题进行讨论与交流。最后，学生根据访谈的过程和结果，以及教师提供的模板要求，在大白纸上绘制同理心地图。

2.定义问题环节

学生根据上一阶段得到的同理心地图来定义哈纳迪的需求，并陈述小组需要解决的问题。教师向学生呈现如何综合访谈的数据，用不同的语句来描述用户的需求。小组内开展讨论，得到2-3个观点陈述，认真思考“对用户、需求和内部有清晰的描述”，最终确定需要解决的设计问题，并在全班进行观点陈述分享。

3.方案构思环节

方案构思是设计思维中非常重要的一个环节，它直接影响作品的创造性。该环节聚焦于通过头脑风暴来发散思维，从而让小组设计作品的思维变得更加清晰；通过分析来筛选或者合并创意的想法，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。

首先教师向学生介绍头脑风暴的规则和技巧，并给学生提供如何在小组中进行头脑风暴的列表。在真正的头脑风暴之前，带领学生开展5分钟的即兴活动进行热身。然后，将成员经过头脑风暴之后得到的想法进行汇总，通过反思对比，并在此基础上修改、重构自己的方案。之后，每个小组将方案在全班进行分享，每位学生选择他们最喜欢的3个方案，并在相应的便利贴下投票。最后，每个小组分享他们得票最高的方案。在此过程中，需要结合前面单元模块中学习过的结构、材料、建筑、环境生物等方面的知识来进行方案构思。

4.原型制作环节

学生将根据选择的方案构建原型，教师给学生提供小木棍、纸带、纸板、塑料管道、马克笔等其他手工制作可用材料，学生制作出避难所的纸原型。同时，学生还可以通过故事板的方式，将设计方案呈现出来。通过故事板来表示各个角色、场景、事件是如何串联在一起的，从而给人们呈现完整的体验过程。在制作过程中，教师要鼓励学生进行反思和讨论“是否犯过错误，从中学到了什么，如何改进设计？”等。

5.测试迭代环节

学生向大家简要的介绍小组原型，从教师和其它学生中得到用户反馈，重新思考他们的设计方案是否满足了用户的需求，解决了用户的问题。学生之间提出“你喜欢/不喜欢这个方案中的什么？什么让你感到惊讶？”等问题。得到反馈之后，对方案进行优化迭代。

四、d.loft STEM项目课程的特点

通过对d.loft STEM课程的分析发现，其在核心理念、课程目标、课程内容、活动设计等方面值得未来STEM课程的开发者和一线教学工作者学习和借鉴。

(一)基于设计思维培养学生核心技能与素养

设计思维是一种创新的、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。设计思维的每个环节都在培养学生相应的思维及技能，学生从访谈和观察开始培养对用户的同理心；数据综合分析提供发现用户深层需求和洞察的机会；生成式的头脑风暴为学生提供使用STEM知识和21世纪技能创造创新解决方案的工具。学生们带着创造性的信心完成这段学习经历，以创新的、以人为本的方式成为积极的问题解决者，锻炼了21世纪核心技能及素养，从而更好地面对未来的挑战。d.loft STEM项目课程中通过协作互动的学习活动，以设计思维过程为实践方法，贯穿STEM学科知识来开展实践活动。避难所的再设计的案例中总共有3个完整的设计挑战，每个设计挑战都要求学生严格的按照设计思维的“共情—定义—构思—原型—测试”五个环节来完成。同时，在一些单元中加强对设计思维某些环节的锻炼，例如在“城堡设计挑战”单元，锻炼学生共情需求的能力；“棉花糖挑战”单元，锻炼学生结构制作搭建原型的能力等。

(二)课程目标与NGSS标准相对应

d.loft STEM项目课程中，每个模块都列出其教学目标，以及为实现教学目标而要求学生所需完成的、具体的、可操作且可衡量的学习成果。教学目标以及每个教学活动，都与《下一代科学标准》中的具体学科标准及其要求所对应。课程根据NGSS设计当前主题下解决的核心问题所涉及的工程科学、生命科学、物理科学和地球科学四大领域具体的学科核心概念。例如，在此案例模块3中的“气候带的设计挑战”单元，学生需要掌握地球气候带的知识，了解不同区域地理、气候和温度差异，以及这些差异对人们生活的影响。同时，在“全球避难所设计”单元中，需要综合考虑地理、气候在结构设计中的限制与约束。该单元的目标和知识对应NGSS中的MS-ETS1和MS-LS2的内容，分别是中学工程设计(Middle School Engineering Design)和中学生态系统(Middle School Ecosystems)，如表3所示。

(三)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[27]。d.loft 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学科知识融入在具体的实践活动中，通过开展一系列实践活动，驱动学生在真实情境的问题解决过程中将科学、技术、工程和数学等多学科知识和技能进行整合应用。基于设计思维的、STEM课程中的“设计挑战”以基于项目的协作学习方式，学生在教师的引导下基于设计的过程和方法对项目问题进行探索，综合运用STEM多学科知识和技能，有效利用教师提供的各种资源与工具，最后以创意物化形式解决现实问题。例如，模块4的“设计挑战3.0：在学校设计避难所”，学生要掌握如何将STEM概念和设计思维过程应用到自己学校的再设计中。在此过程中不仅要运用设计思维的过程方法，对教师、学生及相关人员进行访谈，还需要结合之前所学的生物、材料、物理、数学等学科知识进行数据分析整理、物理结构设计、工程搭建等，最后将设计创意赋予原型。

(四)提供丰富的学习支架与工具促进有效学习发生

d.loft STEM课程强调运用设计思维完成真实问题的解决，通过学生动手实践促进在复杂学习过程中有效学习的发生。每个单元模块中，教师根据单元内容和目标的不同，按照实践活动的需要给学生提供相应的学习支持工具，其作为学习支架促进学生完成设计挑战，实现在真实的问题情境中将对新知识的深入理解进行知识迁移并应用。

在此案例中，教师不仅在知识讲授、设计挑战提出时给学生提供多媒体形式的学习支架，还会在每个环节都为其提供完成学习活动、设计挑战所需要的各种支持性工具，如同理心地图、需求分析表、访谈记录表等阶段性工作表格，头脑风暴、原型制作阶段需要的工具和材料等(如表4所示)。例如，在模块1的“城堡设计挑战”单元中，教师给学生提供了纸板、剪刀、胶带、大白纸、笔(彩色马克笔、铅笔、蜡笔)、王冠或皇室标准。同时，还给学生提供了“王室需求表”范例以及学生需要完成的需求分析表，如表5所示。

五、对我国STEM课程开发和建设的启示

通过前面的分析发现，斯坦福大学“避难所的再设计”课程在教学策略和活动设计方面有很多值得我们借鉴的地方。为了更好地培养创新型人才，结合当前我国STEM教育的现状，本文提出基于设计思维的跨学科STEM课程模型和学习模式(如图2所示)，以期对STEM课程建设和开发有所启示。以学科关联模块的形式开展基于探究的学习，关注在跨学科关联模块的学习过程中，借鉴设计思维方法，引导学生基于真实项目开展设计实践，在活动过程中实现知识建构和核心素养的发展。课程根据设计思维的“共情—定义—构思—原型—测试”五个环节，联通科学探究、数学分析、技术实现和工程设计，实现在真实情境中的问题解决。

课程总共分为四个模块，教师根据STEM课程学习目标，选择现实生活中的真实问题，并将解决该问题所涉及的数学、科学、技术和工程相关学科知识融入进来，最后学生通过设计实践，以作品呈现问题解决。首先问题提出模块，学生接受教师提出的问题，确定学习的主题。然后进入探究主题阶段，教师通过讲授和基于问题的学习方式，组织学生通过相关的活动单元，学习与主题结合的科学、数学、技术与工程的相关学科知识。接下来进入设计实践环节，教师引导学生按照基于设计思维方法来完成活动，并提供学生相应的学习支架，如学习资源、任务表单、活动工具、技术制作工具等。在原型完成之后，学生可以通过海报、视频、情景剧等多种方式展示和分享小组成果作品，并展开互评和反思(如图3所示)。

基于设计思维的跨学科STEM课程需关注以下几个方面：

(1)综合多学科课程标准来设计课程教学目标。d.loft STEM课程根据《下一代科学标准》中课程目标的要求，设计STEM学习主题所需要的物理、生物、地理及工程科学领域的学科核心概念。STEM课程目标不是某一门学科的课程目标，而是要将多个学科的课程目标综合考虑，重新设计与学生认知能力、知识水平相符的课程目标。

(2)以真实情境的问题解决为学习途径。问题或项目的设计对于STEM教学设计与实施效果具有重要的影响，STEM教育中的问题情境应该是来自学习者身边的科学问题[28]。STEM教育教学实践以项目为支撑，强调将科学知识蕴含在项目中。学生应用所学知识解决这些真实世界和情境的科学问题，其本质上是基于建构主义的情景化学习模式，通过项目来实现对知识的理解和掌握。

(3)以设计思维为学习活动指导策略。作为支持创新学习及问题解决的方法，设计思维为学生提供在设计过程中所需的策略、方法及工具。在具体的策略方法上，它为学生者提供了一套系统的模式，学习者通过它学习如何共情、创意构思、原型迭代等，参照设计思维方法的操作过程框架，按照其方法，一步步完成设计制作的过程，从而使得设计、制作、创新变得简单、透明。在设计思维的各个环节中，学生需要用到多种调查与分析的方法，如观察、访谈、体验、头脑风暴、九宫格等。同时，为学生设计实践的每个环节提供了大量的思维可视化工具，为学生设计创作提供脚手架支持，有效地帮助学生解决问题，完成设计挑战。

(4)以设计思维方法作为教师教学创新的指导策略。数字时代的STEM教师不仅需要知识、技术整合应用的教学能力，更需要一种直接指向创新教学变革的设计思维与能力[29]。设计思维方法作为支持创新学习及复杂问题解决的方法，为教师设计创造性教学和持续改进教学提供很好的策略及方法指导，帮助教师教学改进原有的课程，以适应未来教育的要求，通过设计创新教学，实现培养学生创新能力的教育目标。

(5)多方协同合作建设STEM课程及教育生态体系。最新的美国STEM教育战略“北极星计划”中强调通过建立涵盖学校、家庭、社区学院、博物馆、图书馆与科学中心、企业与基金会，以及其它非营利性组织的STEM生态系统，促进学习者在课堂、校园内外更好地开展STEM学习[30]。STEM的协同合作包括校内与校外的多方合作，政府及教育部门从政策、资源、环境、师资、资金等各方面提供支持，整合学科间以及校内外的资源，衔接正式教育和非正式教育，打造STEM教育实践社区，建设一体化的STEM教育生态体系。

六、结语

作为全球公认的科技创新人才培养的有效模式，我国开展STEM教育应借鉴国际先进的理念，成立国家STEM教育委员会，加强STEM教育的顶层设计，形成政府、高校与科研机构、公共服务机构、企业以及中小学校等多方力量参与的STEM教育生态体系；构建贯通小初高各学段的STEM课程标准体系，推动STEM课程的研究，促进有效地培养学生STEM素养和21世纪核心素养；推动教育教学改革，开发系统化的、优质的、跨学科整合的STEM课程及学习资源，实施创新课程模型，在课程中实施基于项目的、探究的、设计的学习；建立STEM教育监管和评价机制，通过一系列评价和监管机制，确保STEM教育的质量，推动STEM教育的有序开展，提高我国的科技创新能力和全球核心竞争力。

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