張清泉

【摘要】以學(xué)習(xí)過(guò)程和結(jié)果為導(dǎo)向，可以將STEM教育劃分為科學(xué)探究模式和工程制作模式。而逆向工程是以先進(jìn)的樣件或產(chǎn)品為模型，來(lái)分析、復(fù)原、優(yōu)化和再創(chuàng)，對(duì)中小學(xué)老師來(lái)說(shuō)相對(duì)比較陌生。本文從筆者的實(shí)際教學(xué)情況出發(fā)，探討一種融合科學(xué)探究與逆向工程教學(xué)的STEM教育模式。

【關(guān)鍵詞】STEM教育;科學(xué)探究;逆向工程;跨學(xué)科學(xué)習(xí)

STEM教育的本質(zhì)就是跨學(xué)科學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)打破學(xué)科界限，運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多門(mén)學(xué)科知識(shí)解決真實(shí)生活情境中的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生在做事中形成的做過(guò)事、想做事、能做事的綜合素養(yǎng)?？茖W(xué)探究和工程制作是STEM教育的主要組成部分。

一、概念界定

科學(xué)探究過(guò)程一般為從生活中的科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，制訂科學(xué)探究方案，開(kāi)展科學(xué)探究實(shí)踐并收集數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相關(guān)軟件分析數(shù)據(jù)，使學(xué)生在習(xí)得跨學(xué)科知識(shí)、科學(xué)的思維過(guò)程與方法的同時(shí)，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

逆向工程，又稱(chēng)反向工程，是以造物為目的，以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物、樣件、軟件等作為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、測(cè)量技術(shù)，對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行建模、仿真，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化既有產(chǎn)品和再創(chuàng)造的過(guò)程。

在STEM項(xiàng)目中，我們中學(xué)生創(chuàng)作的很多作品都是圍繞已有的產(chǎn)品或者案例，來(lái)分析探討其實(shí)現(xiàn)的功能和結(jié)構(gòu)搭建的過(guò)程，再去分析各個(gè)功能由什么硬件和軟件去實(shí)現(xiàn)，分析工程結(jié)構(gòu)上的搭建。在這種基礎(chǔ)上，再去原型再造或升級(jí)再創(chuàng)。我們只有先去做過(guò)一些小作品或者拆解一些作品，逐步了解和掌握各種開(kāi)源軟硬件工具的知識(shí)和使用技巧，遇到更加前緣的產(chǎn)品或者案例，他才能去分析，去拆解，才能去復(fù)制產(chǎn)品，或用習(xí)得的這個(gè)產(chǎn)品的功能或技巧來(lái)改善和優(yōu)化已有的作品。

二、融合科學(xué)探究與逆向工程教學(xué)的探索實(shí)踐

我們的現(xiàn)在的科創(chuàng)類(lèi)STEM課程不能只是為了造物而去造物，我們實(shí)際教學(xué)中的項(xiàng)目往往既有科學(xué)探究，又有工程造物。以下是筆者以《設(shè)計(jì)制作室內(nèi)空氣環(huán)境檢測(cè)儀》為課例探討融合科學(xué)探究和逆向工程教學(xué)的一種模式，如圖所示。本項(xiàng)目首先以學(xué)生通過(guò)調(diào)查研究，分析影響身邊環(huán)境室內(nèi)空氣質(zhì)量的因素和這些因素如何影響人們的健康。通過(guò)已有產(chǎn)品的使用和分析，接著以制作完成一種室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀作為輸出成果，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)、探究、制作的過(guò)程中，學(xué)會(huì)涉及檢測(cè)儀制作的各類(lèi)傳感器的原理與運(yùn)用，最后測(cè)試各種環(huán)境的空氣質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的思想觀(guān)念。

科學(xué)探究與逆向工程教學(xué)過(guò)程

1.提出問(wèn)題，形成假設(shè)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是基于真實(shí)的情境，有驅(qū)動(dòng)性的問(wèn)題。老師可以引導(dǎo)學(xué)生需通過(guò)文獻(xiàn)閱讀、視頻觀(guān)看、走訪(fǎng)調(diào)查、頭腦風(fēng)暴等形式對(duì)空氣質(zhì)量、環(huán)境變化等方面有一個(gè)更加深入的了解，從而對(duì)“設(shè)計(jì)制作室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀”主題的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。如很現(xiàn)實(shí)的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，我們宿舍或者教室的空氣質(zhì)量好壞怎么測(cè)定？綠植真的有改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的功能嗎？哪些物質(zhì)是導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量變差的主要因素？市面上有哪些檢測(cè)空氣環(huán)境的產(chǎn)品？空氣有害物質(zhì)如何影響人體健康的？這里會(huì)涉及到一些列學(xué)科的知識(shí)和內(nèi)容，如物理、生物、地理等。

2.擬定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

我們要引導(dǎo)學(xué)生分組分工擬定計(jì)劃，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如對(duì)不同教室有無(wú)綠植的環(huán)境檢測(cè)值的對(duì)比實(shí)驗(yàn)、通風(fēng)環(huán)境和非通風(fēng)環(huán)境的數(shù)值對(duì)比。

3.產(chǎn)品的使用與功能分析

我們學(xué)生的作品是以前學(xué)生做的能檢測(cè)溫濕度和氣體濃度的作品，但功能單一，對(duì)一氧化碳、甲烷和液化石油氣可以很敏感。這個(gè)作品已經(jīng)不能滿(mǎn)足學(xué)生的需求，市面上很多環(huán)境檢測(cè)的儀器都能檢測(cè)出甲醛、TVOC、CO2、PM2.5、溫濕度、氣體濃度、氣壓等值的傳感器。我們學(xué)生買(mǎi)了幾個(gè)不同型號(hào)的簡(jiǎn)易產(chǎn)品，就可以開(kāi)始實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品功能的分析。

4.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

可以在學(xué)校選擇兩間教室進(jìn)行測(cè)試，一間教室置有各種綠色植物，一間無(wú)任何綠色植物，或其他可以對(duì)比的場(chǎng)所如一個(gè)在工業(yè)區(qū)房間和一個(gè)在深山森林環(huán)境的房間對(duì)比，進(jìn)行多次的固定時(shí)間檢測(cè)的數(shù)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄及分析對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，我們可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出一些結(jié)論。但我們更希望學(xué)生要了解這些數(shù)值是靠什么測(cè)出的。

5.作品分解與復(fù)原

對(duì)于我們學(xué)生創(chuàng)作的作品可以分解和復(fù)原，但對(duì)現(xiàn)有商品比較難，根據(jù)已有商品，學(xué)生可以分析得出他有什么功能，對(duì)應(yīng)這種功能是靠什么得以實(shí)現(xiàn)的。如我們通過(guò)前期的調(diào)研，分析影響空氣質(zhì)量最關(guān)鍵的是總揮發(fā)性有機(jī)物（TVOC），它是靠什么傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)試的，我們的甲醛值是靠什么傳感器測(cè)得的，我們的PM2.5的均值是靠什么測(cè)定。我們學(xué)生就可以列出表格來(lái)對(duì)應(yīng)在相關(guān)開(kāi)源硬件商品中找出來(lái)。

6.產(chǎn)品復(fù)制或升級(jí)改造

我們根據(jù)產(chǎn)品的功能分解，是可以做出相關(guān)功能的產(chǎn)品來(lái)，甚至還可以升級(jí)改造。這個(gè)部分是我們逆向工程教學(xué)的關(guān)鍵，逆向工程不只是單純的仿制，再設(shè)計(jì)與優(yōu)化也是重要一環(huán)，以便讓學(xué)生在“認(rèn)識(shí)原型→再現(xiàn)原型→超越原型”的過(guò)程中深化學(xué)習(xí)。我們不僅僅是希望再造和優(yōu)化這個(gè)檢測(cè)空氣的儀器，我們更希望學(xué)生能持續(xù)地去思考，去探究，去創(chuàng)新應(yīng)用。

7.數(shù)據(jù)據(jù)對(duì)比和得出結(jié)論

我們讓學(xué)生創(chuàng)造出來(lái)的新的作品，也要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析。對(duì)比一下我們商品測(cè)得的值之間的誤差，來(lái)檢驗(yàn)我們傳感器的功能實(shí)現(xiàn)是否能接近已有商品，如果數(shù)值太大，那么要對(duì)產(chǎn)品的復(fù)制或升級(jí)方案重新調(diào)整，重新再次制作。

8.分享展示、評(píng)價(jià)與反思

學(xué)生分組完成科學(xué)探究和造物后，有成果的有效展示，學(xué)生作品展示結(jié)束后，學(xué)生需要進(jìn)行自評(píng)、小組評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)。自評(píng)和小組評(píng)價(jià)使用教師提供的項(xiàng)目學(xué)習(xí)報(bào)告進(jìn)行，教師提前制定好相應(yīng)的評(píng)價(jià)量規(guī)。量規(guī)既是學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)，也是評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。我們?cè)u(píng)價(jià)和反思既要對(duì)科學(xué)探究進(jìn)行評(píng)價(jià)，比如我們測(cè)出來(lái)的究竟哪些因素是影響空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣的，分別測(cè)得的值的區(qū)間值多少說(shuō)明空氣質(zhì)量好等，以獲得多元的知識(shí)為目標(biāo)。同時(shí)，還要對(duì)我們逆向工程的造物過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

我們很多科創(chuàng)類(lèi)的STEM課程都過(guò)于強(qiáng)調(diào)造物，講述一個(gè)個(gè)傳感器的使用方法和技巧，甚至按照一個(gè)個(gè)圖形化編程模塊的使用方法來(lái)講述，不斷累加而形成課程。這忽略了學(xué)生跨學(xué)科能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這種融合科學(xué)探究和逆向工程教學(xué)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可以給STEM課程提供很好的參考。你看到這個(gè)圖例所示是順序執(zhí)行，其實(shí)我們是有回路的，有迭代，有螺旋上升的方式，目的是讓學(xué)生能持續(xù)的去探究和思考，發(fā)現(xiàn)隱藏在問(wèn)題背后的知識(shí)技能，一步步去完善自己的想法，去做出自己的作品，才能去解決好實(shí)際的問(wèn)題，從而培育他們的創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力。

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