張清泉

【摘要】以學(xué)習(xí)過程和結(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的樣件或產(chǎn)品為模型，來分析、復(fù)原、優(yōu)化和再創(chuàng)，對中小學(xué)老師來說相對比較陌生。本文從筆者的實際教學(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)，強調(diào)打破學(xué)科界限，運用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多門學(xué)科知識解決真實生活情境中的問題，培養(yǎng)學(xué)生在做事中形成的做過事、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)探究過程一般為從生活中的科學(xué)問題出發(fā)，制訂科學(xué)探究方案，開展科學(xué)探究實踐并收集數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計相關(guān)軟件分析數(shù)據(jù)，使學(xué)生在習(xí)得跨學(xué)科知識、科學(xué)的思維過程與方法的同時，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

逆向工程，又稱反向工程，是以造物為目的，以先進產(chǎn)品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，運用現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、測量技術(shù)，對已有產(chǎn)品進行建模、仿真，最終實現(xiàn)優(yōu)化既有產(chǎn)品和再創(chuàng)造的過程。

在STEM項目中，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，來分析探討其實現(xiàn)的功能和結(jié)構(gòu)搭建的過程，再去分析各個功能由什么硬件和軟件去實現(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再創(chuàng)。我們只有先去做過一些小作品或者拆解一些作品，逐步了解和掌握各種開源軟硬件工具的知識和使用技巧，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)得的這個產(chǎn)品的功能或技巧來改善和優(yōu)化已有的作品。

二、融合科學(xué)探究與逆向工程教學(xué)的探索實踐

我們的現(xiàn)在的科創(chuàng)類STEM課程不能只是為了造物而去造物，我們實際教學(xué)中的項目往往既有科學(xué)探究，又有工程造物。以下是筆者以《設(shè)計制作室內(nèi)空氣環(huán)境檢測儀》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。本項目首先以學(xué)生通過調(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)境檢測儀作為輸出成果，讓學(xué)生在設(shè)計、探究、制作的過程中，學(xué)會涉及檢測儀制作的各類傳感器的原理與運用，最后測試各種環(huán)境的空氣質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生愛護環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的思想觀念。

科學(xué)探究與逆向工程教學(xué)過程

1.提出問題，形成假設(shè)

項目學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是基于真實的情境，有驅(qū)動性的問題。老師可以引導(dǎo)學(xué)生需通過文獻閱讀、視頻觀看、走訪調(diào)查、頭腦風(fēng)暴等形式對空氣質(zhì)量、環(huán)境變化等方面有一個更加深入的了解，從而對“設(shè)計制作室內(nèi)環(huán)境檢測儀”主題的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。如很現(xiàn)實的驅(qū)動問題，我們宿舍或者教室的空氣質(zhì)量好壞怎么測定？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？這里會涉及到一些列學(xué)科的知識和內(nèi)容，如物理、生物、地理等。

2.擬定計劃和設(shè)計實驗

我們要引導(dǎo)學(xué)生分組分工擬定計劃，設(shè)計相關(guān)實驗，如對不同教室有無綠植的環(huán)境檢測值的對比實驗、通風(fēng)環(huán)境和非通風(fēng)環(huán)境的數(shù)值對比。

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)生做的能檢測溫濕度和氣體濃度的作品，但功能單一，對一氧化碳、甲烷和液化石油氣可以很敏感。這個作品已經(jīng)不能滿足學(xué)生的需求，市面上很多環(huán)境檢測的儀器都能檢測出甲醛、TVOC、CO2、PM2.5、溫濕度、氣體濃度、氣壓等值的傳感器。我們學(xué)生買了幾個不同型號的簡易產(chǎn)品，就可以開始實驗和產(chǎn)品功能的分析。

4.進行實驗與數(shù)據(jù)分析

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

5.作品分解與復(fù)原

對于我們學(xué)生創(chuàng)作的作品可以分解和復(fù)原，但對現(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，對應(yīng)這種功能是靠什么得以實現(xiàn)的。如我們通過前期的調(diào)研，分析影響空氣質(zhì)量最關(guān)鍵的是總揮發(fā)性有機物（TVOC），它是靠什么傳感器實現(xiàn)測試的，我們的甲醛值是靠什么傳感器測得的，我們的PM2.5的均值是靠什么測定。我們學(xué)生就可以列出表格來對應(yīng)在相關(guān)開源硬件商品中找出來。

6.產(chǎn)品復(fù)制或升級改造

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，甚至還可以升級改造。這個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)計與優(yōu)化也是重要一環(huán)，以便讓學(xué)生在“認識原型→再現(xiàn)原型→超越原型”的過程中深化學(xué)習(xí)。我們不僅僅是希望再造和優(yōu)化這個檢測空氣的儀器，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)對比和得出結(jié)論

我們讓學(xué)生創(chuàng)造出來的新的作品，也要進行實驗檢測和數(shù)據(jù)分析。對比一下我們商品測得的值之間的誤差，來檢驗我們傳感器的功能實現(xiàn)是否能接近已有商品，如果數(shù)值太大，那么要對產(chǎn)品的復(fù)制或升級方案重新調(diào)整，重新再次制作。

8.分享展示、評價與反思

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)生需要進行自評、小組評價和教師評價。自評和小組評價使用教師提供的項目學(xué)習(xí)報告進行，教師提前制定好相應(yīng)的評價量規(guī)。量規(guī)既是學(xué)生學(xué)習(xí)的目標，也是評價的標準。我們評價和反思既要對科學(xué)探究進行評價，比如我們測出來的究竟哪些因素是影響空氣質(zhì)量優(yōu)劣的，分別測得的值的區(qū)間值多少說明空氣質(zhì)量好等，以獲得多元的知識為目標。同時，還要對我們逆向工程的造物過程進行評價。

我們很多科創(chuàng)類的STEM課程都過于強調(diào)造物，講述一個個傳感器的使用方法和技巧，甚至按照一個個圖形化編程模塊的使用方法來講述，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)的項目式學(xué)習(xí)可以給STEM課程提供很好的參考。你看到這個圖例所示是順序執(zhí)行，其實我們是有回路的，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)隱藏在問題背后的知識技能，一步步去完善自己的想法，去做出自己的作品，才能去解決好實際的問題，從而培育他們的創(chuàng)新思維和動手實踐能力。

參考文獻：

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