新书推荐丨丁峻峰新作——《STEM与设计思维》
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STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineer)、数学(Mathematics)四个英文首字母的缩写,由美国率先提出。它强调多学科的横向贯穿,成为基础教育创新实践的突破,成为各国培育复合型人才的新模式。在STEM教育实践不断发展的过程中,美国的几所高校,尤其是罗德岛设计学院、斯坦福大学设计学院等著名的设计学院都提出将艺术(Art)作为重要组成因素,融入STEM中,形成了STEAM教育。
STEAM教育 · ART
STEAM教育中艺术(Art)不仅是指传统艺术的技术部分,如绘画、音乐、舞蹈、陶艺、传统木工等,更是指在传统艺术与现代科技结合的过程中,将设计思维(Design Thinking)作为上层思维逻辑融入STEAM教育中,形成STEDM教育,这让STEM教育更协同、更系统,更具实用价值。
STEDM教育强调打破单一学科纵向孤立,强化多学科横向融合;强调体验教育和项目式学习,引导学生从动手做到群创新,强化科技引领的做中学的学习模式。
虽然比STEM多了一个D,STEDM的英文发音和STEM几乎一样。STEDM是STEM螺旋上升的系统升级和再现。
《STEM与设计思维》一书依托同济大学设计创意学院的设计学科优势,基于我国成立的第一家FabLab实验室,聚焦科创教育Fab Lab O(简称FABO)|“数制”工坊的多年实践,以Fab Lab在上海科技大学、上海市格致中学、同济黄浦设计创意中学、上海市行知中学、北京一零一中教育集团、北京市八一学校、苏州工业园区领科海外教育学校、上海包玉刚实验学校,上海阿德科特国际学校、同济大学附属实验中学等十多所学校开展的合作教学实践作为案例和内容来源。
在全球教育创新的语境下,探索如何协助一线老师设计本土STEDM课程,构建以设计思维、艺术贯穿和项目式学习为逻辑基础的STEDM课程体系,将课内学科知识和主题探索实践项目结合,使之成为现有教育系统的一种全新的、重要的补充,并希望以此为基础,在我国建构一个具有全球视野和资源,能适合我国幼儿园到大学的实际需求的STEDM课程实践教学平台。
丁峻峰,毕业于美国哈佛大学设计学院,美国注册建筑师。现任同济大学设计创意学院副教授,硕士生导师;同济大学Fab Lab创客中心主任;FABO|“数制”工坊创始人。2016年获得上海市科技创新科普奖,2022年获得上海市级教学成果一等奖。
第一章 背景 / 1
STEM、STEAM 和 STEDM/ 3
国际形势驱动 / 3
我国 STEM 教育迎头赶上 / 6
设计思维引领 STEDM 教育 / 8
设计与艺术 / 9
艺术的概念 / 9
STEAM 中的艺术 / 10
艺术教育 / 10
设计的概念 / 12
设计教育 / 14
设计与设计思维 / 16
什么是设计思维 / 16
设计思维的发展 / 16
设计思维的关键点 / 18
Fab Lab 数字制造 / 20
其他相关概念阐述 / 22
创客和创客教育 / 22
项目和项目式学习 / 24
第二章 设计思维过程 / 27
步骤一 发现 / 29
定义“设计挑战”/ 29
“期望”与“失望”/ 30
团队协作 / 31
初学者思维 / 32
研究“设计挑战”/ 34
以人为本的设计 / 36
同理心 / 37
设计采访 / 38
步骤二 阐释 / 39
记事板 / 39
找到意义 / 40
信息分类 / 41
故事叙事 / 42
步骤三 构思 / 45
“发散”的对比 / 45
“我 们 怎 样 才 能(HMW) ……” 问题 / 48
头脑风暴 / 50
回顾 / 51
步骤四 实验 / 52
直觉检查 / 53
起草一个概念 / 54
构思原型 / 55
做中学 / 57
快速原型设计 / 58
获得反馈 / 60
步骤五 发展 / 61
文档化 / 62
宣讲 / 63
螺旋式发展 / 65
第三章 设计思维案例 / 67
步骤一案例 设计挑战 / 69
如何发现优质的设计挑战 / 69
设计挑战的开放性 / 72
通过故事来发起设计挑战 / 74
发现生活中的设计挑战 / 83
团队协作:破冰游戏 / 87
团队协作:角色扮演 / 88
步骤二案例 信息研究和故事叙事 / 90
信息收集和研究框架 / 90
互动游戏式故事叙事 / 94
将研究转化为角色设计的故事叙事 / 95
步骤三案例 头脑风暴 / 98
提出问题 : 头脑风暴的起点 / 98
从问题到驱动性问题 / 99
头脑风暴的规则 / 100
头脑风暴的流程 / 102
回顾想法 : 头脑风暴的结束 / 103
头脑风暴的课堂要素 / 103
头脑风暴的反思 / 105
步骤四案例 从想法到模型 / 106
快速原型制作 / 106
从快速原型制作到原型制作 / 106
从物理知识出发的原型制作 / 107
从绘画出发的原型制作 / 115
从构图出发的原型制作 / 118
步骤五案例 展示展览 / 120
案例研究:折页式手风琴书作为展示交流工具 / 120
点评 / 123
第四章 数字技术赋能设计思维 / 125
数字时代 / 127
如何智造万物 / 129
案例一:走读魔都 / 132
案例二:物流机器人 / 134
案例三:卡丁车制造计划 / 136
STEM 与设计思维开源共享 / 140
个人网页 / 140
过程记录 / 141
项目共享和迭代 / 143
数字制造 / 144
2D 设计和激光切割 / 144
3D 设计和打印 / 148
电子电路 / 153
开源硬件 Arduino/ 154
小上海(Shanghaino)/ 155
案例:动画 / 156
逻辑编程 / 158
逻辑游戏 / 158
Mixly 编程 / 160
第五章 设计思维和 STEDM 系统设计 / 161
STEDM 系统设计 / 163
设计思维建构横向人才培养系统 / 164
智造学术 X / 166
2.“疫情期间的生活”项目式学习案例 / 171
自上而下的 STEDM 系统设计 / 176
国际视角 / 176
中学和大学的伙伴合作关系 / 177
10 个可持续发展主题的项目式学习课程设计 / 179
4.“绿道”空间设计概念 / 185
5.“豆荚屋”项目式学习案例 / 186
自下而上的 STEDM 系统设计 / 189
云屋 森舍 / 189
太空魔方 / 191
FABO X / 193
模块化 STEDM 系统设计 / 195
N / 196
环盒 / 197
3.“数制”魔方 / 198
后记 / 201
参与者介绍 / 204
推存阅读 / 208
参考文献 / 209
1. 国际形势驱动
20世纪50年代,人类外太空军备竞赛将科技创新人才需求推向顶峰,美国首先开启了以科学为基础的人才培养计划;20世纪末至21世纪初,美国全面推动K12(幼儿园到高中)的全龄STEM教育,在奥巴马政府的持续努力下,逐渐形成STEM教育机制。政府将公办学校、私立学校、研究团体、商业机构有机融合在一起,逐渐形成了一个健全的STEM生态链,培育了High Tech High(一所特许学校)等一些具有全新教育理念的学校。STEM俨然已成为美国素质教育的核心载体,并逐步影响全球。

在英国、德国、芬兰、日本、韩国等发达国家,以编程、机器人、3D打印为代表的STEM课程已成为中小学必修课。
在最早提出工业4.0,同时也是第四次工业革命的倡导者的德国,教育一直崇尚培育学生的理性思维和工匠精神。MINT是德文数学、信息、自然科学和技术的缩写,展示了欧洲STEM教育崇尚自然和科学探究的特点,结合德国智能制造的产业特色以及现代设计教育的基因,呈现出独特的教育理念和STEM教育实战经验。政府和企业高度合作的双轨制教育(六成左右的德国初中毕业生选择进入职业学校)引导学生理论和实践结合,也给全球职业教育提供了一个范本。
芬兰在20世纪末提出的LUMA是芬兰语自然科学、数学的缩写,其实就是芬兰版的STEM教育。LUMA计划由芬兰政府、大学、工商企业协会、教师协会等共同协作执行。著名的阿尔托大学、赫尔辛基大学等共同开展国内及国际合作。芬兰的“现象式教学”让学生从小就沉浸在真实世界的环境中接受教育,学习并寻求解决全人类未来问题的创新方法。芬兰教育提倡创新教育和真实场景下的主题式教育,但并没有颠覆和取消小学和中学阶段的课程教育。新的课程标准强调综合性学习、跨学科学习、基于生活场景的学习,并规定每个学生每年至少要参加一个交叉课程模块的学习。

阿尔托大学得名于芬兰著名建筑师阿尔瓦·阿尔托,建校于1849年,是一所历史悠久且不断创新的世界级高等学府。它由赫尔辛基理工大学、赫尔辛基艺术设计大学以及赫尔辛基经济学院三所大学合并建成,在2020年英国高等教育调查公司(QS)发布的世界大学学科排名中,其艺术与设计学科排第7名。
2010年,同济大学和阿尔托大学合作成立“同济—阿尔托设计工厂”和“同济大学中芬中心”,通过“设计思维”整合设计创意、科学技术和经济管理,成为全球知名的国际化、跨学科的开放创新平台。
2. 我国STEM教育迎头赶上
我国改革开放以来,经济和科研实力突飞猛进,GDP总量已经跃居全世界第二,与排名第一的美国的差距也在不断缩小。在人工智能、5G、大数据、云计算、元宇宙等革新技术迅速颠覆并重构世界格局的当下,我们如何才能把握时机,成为未来全球科技和经济的引领者?创新型领导人才的培育是关键。

在人口红利的基础下,我国受过高等教育的人才总量虽然位居世界第一,但根据世界知识产权组织发布的《2020年全球创新指数》显示,我国创新人才指数仅位居全世界第14位,而且新技术和未来产业布局中的前沿领域所需的高水平创新人才缺失尤其严重。
我国正在不断鼓励发展STEM教育,我国STEM创新教育的发展空间和需求量巨大。但是由于我们开展STEM教育的时间相对较短,STEM教育体系尚不完整,相关课程及产品和内容非常单一,大多数课程仅停留在编程和机器人等技术和知识点介绍的层面。从幼儿园、中小学到相关大专院校(含职业院校)再到教育机构,STEM教育在资源对接和师资方面都有很多局限,缺乏能落地的、生动且个性化的课程内容,更缺乏课程的顶层设计和系统规划。
因此,我们急需一套以设计思维为引领,以项目式学习为载体,具有全球视野,能对接优质资源,能满足我国相关大专院校、高中、初中、小学以及幼儿园实际需求的课程实践教学平台和评价系统。
STEM教育和传统学科教育最本质的区别,就是它打破了传统学科的围墙,培育具有与学科交叉及融合的横向能力,并可以解决真实问题的人才。2011年,在弗杰尼亚理工大学、罗德岛设计学院和斯坦福大学设计学院的倡导下,在STEM学科中加入了“艺术”元素,形成了STEAM教育。“A”包含了社会研究、语言、音乐、美学等广泛的人文艺术科目,这使得学生能从更多不同的学科视角感受不同领域间的融合和联系。“设计思维”作为顶层思维逻辑,引导“项目式学习”的系统设计和内容展开。“D(设计)”涵括“A(艺术)”并通过设计思维横向链接STEM,构成STEDM教育,这是一个更具系统性、跨越学科场景的新的教育模式。

设计思维作为项目式学习的一种思维方法和STEDM教育的顶层架构,核心就是找寻真实的驱动性问题,以人为本,以用户为中心,突破常规,寻求创新。设计师通过:这五大步骤在实践中不断探究,寻求真实命题的创新解决方案,通过模型制作呈现方案,通过项目路演分享和展示学习成长的经历及研究成果,最后在不断试错和迭代中,获得最佳创新型解决方案。本文节选自《STEM与设计思维》,教育科学出版社2023年6月出版。微信编辑时文章有删减。(丛书分册陆续出版中,敬请期待!)中国教育科学研究院于2017年成立了STEM教育研究中心,并发布了《中国STEM教育白皮书》,提出了“中国STEM教育2029行动计划”。该计划提出,中国的STEM教育要有顶层设计,要实现大中小学的贯通培养,要利用社会资源建立STEM教育生态,发展一批STEM领航学校和种子学校,培养一批STEM种子教师,并开展系列的促进STEM教育发展的活动。
“中国STEM教育2029行动计划”丛书希望给教师提供一套完整的、实用的STEM教育案头书,书中既有相关理论的阐述,又有可操作的案例。

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