摘

要

小学科学的主要学习方式是科学探究，实验是进行探究的主要手段。但目前的探究性实验设计只能对学生“分析、象征”两个象限上的思维进行培养，缺少对“真实、综合”这两个关键思维方式的有效训练，从而影响到学生全脑思维的开发与发展。STEM教育中倡导的设计思维能弥补这一不足，本文对现有实验教学进行了现状调查，就其与设计思维的有效融合进行了研究，提出在实验教学中引入了优秀设计者必备品质的新理念与基于“设计思维”培养的小学科学实验教学新定位，重构相关实验设计并给出了“引入思想实验、搭建设计平台、提供迭代训练机会、满足学生学习需求”等具体的实施策略。为更深入研究STEM教育理念与科学教学的深度融合，提供理论参考和实践借鉴。

关键词：STEM教育理念；设计思维；小学科学实验教学

科学是小学阶段必修的基础性课程。它以探究为主要学习方式，以实验教学为探究活动的核心内容。以科学实验为载体，通过探究活动的经历，可以对学生思维上的的分析维度和象征维度进行有效培养。但这种培养不是对全脑思维的开发，它具有一定的局限性，思维四大维度中的真实、综合元素在探究活动中并没有得到训练。STEM教育中的工程设计过程正好能弥合科学探究活动在思维训练上维度缺失。将工程设计活动中有关思维参与的部分进行萃炼提取，可以得到其核心内容--设计思维。将STEM教育理念中的设计思维融入现有的科学实验教学，通过重构探究式实验教学达到对学生全脑思维开发的效益。本文就STEM教育理念中的“设计思维”与科学探究中的核心内容“实验教学”二者的融合创新展开研究与论述。

一、设计思维的内涵与定义

设计思维，源于英文单词DesignThinking,也称设计思考，既象设计师一样的思考。它是思维方法体系的投射与应用，通过提供切实的思维支架及方法支持，引导学习者从定义问题开始，充分发挥现有材料、科学技术的优势，逐步掌握创意构思、原型迭代、测试等一系列创新方法技能，最终实现问题的创新解决或产品的创新设计。

1

●

“设计思维”应用在科学实验教学中的内涵与定义

设计思维应用在科学实验教学中可理解为：面对需要论证或探索的自然现象和科学规律，通过系统的观察和分析，将已有的信息有效的联系起来，并结合实际情况找出富有创意的有效实证手段或创造性解决办法。学生经历有效的设计过程，设计思维能得到发展，能弥补单一的科学探究在思维培养上的盲点。如图2所示，Owen对此做了详尽的阐述，设计位于第4象限，设计的过程既是对已存在的真实现象和自然规律加以综合解决的过程，以“真实、综合”为主要元素，正好弥合了科学（以“分析、象征”为主要元素）的元素不足。

2

●

“设计思维”对小学生全脑发展的重要作用

科学倡导的是意义性的研究，其思维方式是从具体的自然现象中通过分析抽象出概念以及科学规律，属传统思维方式。而STEM教育中的设计思维则是实用性的研究，基于真实情境解决复杂问题。实用性强调的是右脑思维，意义性强调的是左脑思维[]。从表1中我们可以看出传统思维与设计思维的不同点：

二、在科学实验教学中融合设计思维理念，重构自主探究实验

1

●

自主探究实验是融合设计思维的主要渠道

课堂教学是学校教育的主阵地，在科学课堂教学的中融入设计思维的元素对学生的全脑思维进行开发，不但时间上能得到保障并且也不会加重学生的学习负担。科学实验教学是较好的与设计思维融合的切入点，传统的探究实验教学有以下两种模式：学生经历的是从问题提出到方案设计到证据的收集都是由教师来提供，学生只是得出结论的封闭式探究实验教学；教师只是提出问题和设计方案，其他的环节由学生进行的指导性探究实验教学；在指导性探究实验教学的基础上，把设计实验方案这一环节也交还给学生，则是自主性探究实验，它包括学生的分析过程、设计过程与动手完成过程等，它能让学生亲身经历实验设计的过程，在过程中收获体验、获取经验，并能对成功或失败的原因进行溯源，从而促进学生设计能力和设计思维的提升和发展这对学生核心素养的形成十分重要。通过这样的实验教学重构，自主性探究实验成为设计思维实施的有效载体。

2

●

自主探究实验在现有课堂教学中实施的现状

在现实中自主探究实验的实施情况却不如人意，学生很少机会参与自主探究实验，并且大部分学生自主实验能力偏弱，没有章法，实验设计时没有自己的规划与计划，由于缺乏计划而造成材料选择的困难，同时发现学生在实验过程中由于没有设计作为主导，合作学习的需求也没有得到满足。造成这一现象的原因归根结底是学生缺乏设计思维，是教师对学生设计思维培养不够重视，并极少为学生提供设计机会。同时教师自身也缺乏有关设计思维知识与培训学生的有效方法和指导经验。

科学探究培养的是线型思维，项目设计训练的是发散思维。如果说科学探究是获取知识的过程，那么设计思维就是知识应用的基础。未来要求学生要具备“既要能象科学家一样去探究世界，也要能象设计师一样去规划未来，还要能象工程师一样去改造、利用自然”等能力，这也是我们对学生培养的目标要求。结合《义务教育小学科学课程标准》课程目标设定有关内容，“设计思维”的目标定位应从以下四个维度进行考量，既“科学知识目标；科学探究目标；科学态度目标；科学、技术、社会与环境目标”，在目标制定中还应参考优秀设计者应该具备的同理心、原型迭代、团队协作、可视化能力、系统观、应用语言工具、创造力自信、乐观等特性品质。

将培养目标、课程目标与优秀设计思维标准进行融合，并结合实验教学的教学特点，确定出基于“设计思维”培养的小学科学实验教学目标定位，定位框架见图3所示：

1

●

通过设计思维培养过程，发展多元化的探究能力

美国国家科学教育标准中对探究的定义是：“探究是多层面的活动，包括观察；提出问题；通过浏览书籍和其他信息资源发现什么是已知的结论，制定调查研究计划；根据实验证据对已有的结论作出评价；用工具收集、分析、解释数据；提出解答，解释和预测；以及交流结果。探究要求确定假设，进行批判的和逻辑的思考，并且考虑其他可以替代的解释。”从美国国家科学教育标准中探究一词的用法可以看出，STEM教育也是探究式学习的一种策略，探究既是学习的过程又是学习的目的，它的指向就是通过探究活动对学生进行多元化能力的培养，“设计思维”作为STEM教育中重要的工程导向环节，对学生探究多元化的发展有着极其重要的作用。

2

●

通过设计思维培养过程，丰富科学态度标准的内涵

在《义务教育小学科学课程标准》中对于科学态度的目标从四个维度进行了描述：探究兴趣、实事求是、追求创新、合作分享。以设计思维培养为载体，以小学科学实验为抓手，在小学科学中融入STEM教育理念后，科学态度的内涵得到一定的丰富，在对他的描述中可以引入STEM教育与设计思维的理念，增加“遵守法律与道德规范”、“系统观”、“创造力自信”和“乐观”等维度。

3

●

通过设计思维的培养过程，使小学科学“科学、技术、社会与环境”目标的设定更显“人文”

STEM教育理念与设计思维中“同理心”的引入，更加凸显“科学、技术、社会与环境”目标中的“以人为本”。除了让学生了解、认识科学技术与日常生活的联系，与社会发展的联系以及人类与自然和谐相处的关系外，新增了要求学生从多角度、详细的观察世界，了解社会发展过程中遇到的难题，理解人类对科学与新技术的不断需求等。

4

●

通过设计思维的培养过程，促进学生新知识的生成和创新

科学是认识世界、解释自然界的客观规律，主要解决自然现象“是什么”、“为什么”的问题；STEM教育中的工程与技术是被人们用来改造世界，满足社会需求，回答在社会实践中“做什么”、“怎么做”的问题。设计思维则是为“怎么做”提前做好方案规划与重要论证的过程。科学学习重探究、STEM教育重实践，二者通过在科学实验中的设计思维培养过程进行了相互渗透和有机融合，让“学以致用”有了实现的可能，为创新创造搭建好了理论与实践结合的桥梁。

STEM教育理念与小学科学学科的有机融合，促使设计思维植入现有小学科学实验教学。这种多元智能培养的融合创新，极大的丰富了小学科学实验教学的内涵，在促进学生“设计思维”发展的同时，对促进学生全面发展也有着非常重要的意义。

四、基于设计思维培养的小学科学实验教学的内容选择与实施策略

1

●

基于“设计思维”培养的小学科学实验教学设计思路

在小学科学中对学生“设计思维”培养的实验选择，要以现有的科学实验内容为基础，在现有的科学实验教学实施中融入基于STEM教育理念的设计思维元素。通过更加“人文”的设计思维培养过程，达到发展学生多元的探究能力、丰富学生的科学态度，从而促进学设计能力与创新创造能力的发展。设计框架如图4所示，具体阐述如下：

（1）基于“设计思维”培养的小学科学实验教学设计必须遵循一定的原则

《义务教育小学科学课程标准》是小学科学学科的指导性文件，基于设计思维的小学科学实验教学新设计应以课程标准为指南，并对接核心素养进行设计，突出“学科育人”的重要性。在遵循设计原则的基础上引入“思想实验”概念，对学生的设计思维进行培养。（2）以教材现有科学实验为主要内容，构建新的实验教学设计，注重设计思维的发展

对于小学生设计思维的培养，要本着“以教材为本”的思想，在不加重学生学业负担的情况下，对教材现有科学实验内容进行实施方法的重构，以促进学生设计思维发展，达到多维产出的目标。（3）对现有科学实验实施方案的重新建构前，对将取得的效益要有预期的研判，杜绝只是实验操作形式的改变而思维发展收益不足

2

●

基于“设计思维”培养的小学科学实验教学内容选择

小学科学实验从操作方法上分类，可分为两种。一种是实验操作技能训练的实验，如：用显微镜观察细胞、托盘天秤的使用、酒精灯的使用等。这一类实验以规范学生的实验操作为主，探究价值与思维训练价值不是太大，可以不列入需要融合STEM理念与设计思维的序列。直接实验中的科学探索实验是训练设计思维的重点，如：杠杆、浮力、日食与月食等内容。

3

●

基于“设计思维”培养的小学科学实验教学重构策略

（1）把按图索骥的简单验证，重构为自主设计。通过“思想实验”培养学生的创意构思，促进学生“设计思维”的发展

学生自主实验设计则是学生在自主实验过程中的提出问题到实验之间最为关键的一步，实验方案的设计直接能影响到整个探究活动的成功与失败。在实验设计过程中，学生通过“思想实验”能够体验探索科学的方法，构建科学的思维。学生对所要研究的问题做出猜测，然后根据自己的猜测结合现有材料进行实验设计并实施，以证明自己猜测的正确与否。如小学科学教科版五年级上册《土壤里面有什么》一课，学生先对自己的熟悉的土壤里的组成成分进行猜测，有空气、水、小石头、砂、灰（学生此时还无粘土概念）、营养（学生此时还无腐殖质概念）等。猜测完毕后，教师指出了设计要求，自行设计实验证明自己猜测的正确性。“用手摸是否湿润可证明有水”、“把土壤扔进水里有气泡冒出证明有空气”，这些设计很快就出来了。但证明是否有营养时遇到了短暂的冷场，教师安排了分组讨论，几分钟的讨论中学生迅速的把问题与已有知识进行了联系，并且完成了分析与推理，他们是这样分析的“我认为可以用火烧的办法来证明土壤中有营养。理由是四年级学过检验蛋白质就是用火烧，含有蛋白质的食物被烧后会有刺鼻的臭味，土壤里的营养是动植物腐烂后变成的。植物我不知道，但动物的肌肉、内脏主要成分就是蛋白质这是在四年级学过的。虽然腐烂了，我猜测只是蛋白质以另一种方式存在而已，所以我觉得用火烧可以检测土壤中的营养。”“思想实验”完成后，学生用准备好的实验器材进行了动手实证，结果一如所想。在STEM理念与设计思维的建构过程中，学生这样精彩纷呈富有逻辑的联系、分析与推论真正做到了核心概念活学活用。

（2）根据学生的具体学情与年龄特点，对教材中的原实验次序进行重构，搭建好“设计思维”的培养平台

教材的编写具有普适性，而各地各校却有各自的具体情况。这要求任课教师要根据实际学情与学生年龄特点对教材的编排进行重构，这种重构也可视为创生。小学科学教科版三年级上册第四单元第６课《空气占据空间吗》一课，教材原实验设计由“乌鸦喝水”的故事引入，再由学生自主探究：在瓶子里装一些水，用几根吸管和一块橡皮泥，在不倾斜瓶子的情况下，我们能不能利用空气把水从瓶子中挤出来？（简称：空气挤水实验）。探究得出结果后再做一个实验进行再次验证：把一团纸巾放在一个杯子的杯底，然后把杯子竖直倒扣入水中，纸巾会被水浸湿吗？为什么？（以简称：纸不湿实验）整个流程的设计为引入、探究、验证。在STEM教育理念下这里增加了实践环节，教学策略做如下调整：由乌鸦喝水引入，在故事中强化学生对三个关键词“空间”“有限”和“占据”的理解。概念确立后在教师引导下把原来的验证实验改为探究实验，完成“纸不湿”的探究。探究流程为猜测、寻找证据、实验验证，并用绘本的方式完成思维外显，然后再对这个实验进行延伸，如果杯子底有个孔又会发生什么现象？最后让学生再经历一次猜测、找证据支持自己的猜测、验证、用绘本的方式完成思维外显内化学生对知识的理解。这样的过程为学生积累了更多的知识与成功经验，为解决后面的实践问题打下了基础。通过探究获取知识，知识内化完成后再提出“空气挤水”实验的设想，进行项目驱动。要求学生以团队协作、分担负责的方式，通过讨论与设计，完成在最短的时间内用空气把水挤出来这一任务。学生对这个具有一定难度的实践活动的完成率在85%以上。

（3）针对教材中原实验的Bug进行二次设计。通过原型迭代与不断测试为学生提供经历“设计思维”的迭代过程的机会

二次设计可视为项目式学习中的工程迭代过程，工程迭代可以有效提高产品质量、开发效率和服务效果，增强开发活动的针对性、规范性、科学性和创新性。通过教材提供的实验已经证明了知识的正确性后，在教师的引导下对教材上的原实验进行质疑，如：实验操作过于繁琐、实验效果不太明显、实验现象过于抽象等。针对这些问题对实验进行新的设计，力争重构后达到最优。如：证明“光沿直线传播”，教材上的实验设计为：电筒光只能穿过在同一条直线上的三个小孔，并能将光投射到小孔后的屏上，当三个小孔不在一条直线上时，光则不能投影到屏上。这个实验学生不能真实的看到电筒光在空气中呈直线传播，只能通过三个小孔是否在一条直线进行推测，实验现象过于抽象，不易学生理解。在教师引导下，学生发现了这一问题，结合自己的生活经验重新进行了实验设计：将一把粉笔灰撒向电筒光，光穿过粉尘时，直线传播的路线就直观的呈现在学生眼前了。创新思维是一种直觉，当学生创新的直觉被激发后，一定会有更精彩的生成：当看到粉笔灰下的光柱后，有学生进行了更深入的思考“粉笔灰是小颗粒，当光穿越时还能看到这些粉尘。如果让光穿过微粒，会不会只看到光而看不到微粒。以前学过溶解就是把颗粒变成微粒。”很快学生把自己的想法付诸实践，当看到电筒光直直的穿过被稀释过的墨水后，教室里响起一片掌声。有同学很快又把知识与现实进行了联系，提出：“溶解是在液体中把颗粒变成了微粒，那烟雾是不是由更细小的微粒组成的呢？”

（4）独立思考与小组合作，满足学生的学习需求

大多数的同学在遇到困难时都愿意与同伴一起合作完成学习任务的，这是合作能力培养的过程，同时也是学生的学习需求还是他们在遇到学习障碍时喜欢的一个解决问题的方法。教师在教学过程中应根据实际情况尽量满足他们的需求，根据问题的难易将独立思考与合作学习结合起来，并在此过程中兼顾到学习共同体的建设。良好的团队协作是STEM教育的要求，也是发展学生“设计思维”的一个重要环境。

（5）多元化的设计评价指向多维度的效益产出

评价应采取多元化的评价体系，在评价主体上既有学生教师，也有学习伙伴；在评价内容上不仅要