基于设计思维和项目驱动的STEM课程框架的构建与应用_李玉敏.pdf

209计 算 机 教 育Computer Education第 4 期2023 年 4 月 10 日中图分类号：G642基金项目：广东省教育科学研究项目“深珠科教融合互动建设湾区东西两岸合作先行区路径研究”（2020GXJK207）；广东省本科高校高等教育教学改革项目“基于智慧教育技术的专业认知教育体系构建研究与实践”（2017JXGG654）。作者简介：李玉敏，女，讲师，研究方向为教育信息化、现代教育技术，。0引 言STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工 程（Engineering）、数 学（Mathematics）4 个单词首字母缩写。STEM即强调科学、技术、工程、数学单个学科领域，又强调对多学科的有机融合，并进一步延伸和扩展1。STEM 最早起源于美国，英国、德国、以色列、新加坡等国家也将 STEM教育纳入国家创新型人才培养战略层面并出现在教育改革中。例如，文献 2 将数据驱动思维引入教学过程，培养学生 STEM 技能；STEM 教育有助于对教师设计思维的培养、儿童创造力和解决问题能力的培养、学习者知识构建能力的培养、大学生的学习动机和创造力的培养3-7；设计思维对 STEM 教育的重要性等方面均有较广泛的研究8-9。设计思维以人为本，强调从理解人的需求出发，是应用启发式规则和一系列策略、方法、工具，在“设计行动反思”的循环迭代中，创造性地解决问题的方法论体系10。设计思维以真实的项目为任务驱动，综合应用多学科知识及一系列方法和工具，通过团队合作方式为项目或问题提出创新性的解决方案11。最早的基于设计思维和项目驱动的 STEM 课程框架的构建与应用李玉敏（北京理工大学珠海学院 商学院,广东 珠海 519000）摘 要：为了强化项目驱动教学中的知识地图主动构建及职业能力培养，提出将设计思维模型融入 IT项目，构建基于设计思维的STEM课程框架，设计融入EDIPT设计思维方法和STEM理念的教学活动。通过介绍该课程框架在高校系统分析与设计课程中的应用，说明其有助于培养学生的探究能力、系统思维、创新思维，促进复合型和创新型人才的培养。关键词：设计思维；IT 项目驱动；STEM文章编号：1672-5913(2023)04-0209-07设计思维模型是由Herbert Simon提出的“分析综合评价”线性模型；Tim Brown 在线性模型的基础上提出了“灵感构思实现”三阶段循环模型；2011 年 IDEO 公司将 Tim Brown 模型分解为“探索发现解释说明构思设想开展实验评估改进”五阶段设计思维模型；2014 年斯坦福大学设计学院提出了“同理心、定义、创想、原型制作和测试”的 EDIPT 五阶段设计思维模型，在全球受到了广泛关注12。工业革命 4.0 时代，社会需要跨学科的复合型、创新型人才。设计基于设计思维的 STEM 课程框架，以解决真实世界问题为导向，可以激发学习动机、开展有效沟通、引导深入思考，培养学生跨学科知识的深度融合能力、识别与解决问题能力及批判性思维、创新创造能力，这符合复合型、创新型人才培养的本质要求。信息系统分析与设计是需要综合应用多学科知识，按项目的实际需求进行融合和应用，从而解决 IT 项目建设问题的课程，教学模式已从传统的“理论授课+课后实践”全面过渡到基于 IT 项目驱动的教学模式，极大地调动了学生学习积极性，丰富了DOI:10.16512/ki.jsjjy.2023.04.0272023210计 算 机 教 育Computer EducationIT 项目实战经历，提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，达成了该课程从关注信息系统分析与设计能力的培养到能力培养、系统思维、工程思维并重转变的教学目标。为进一步契合工业革命 4.0 时代社会对复合型、创新型人才的大量需求，需将“信息系统分析与设计”课程的培养目标逐步丰富到同时关注复合型、创新型人才的培养。课程教学目标的实现需要配套的教学手段，在教学实施上以 IT 项目驱动为基础，专注基于设计思维的 STEM 课程框架，促进真实情境下学科知识的深度融合、解决方案的制定、知识地图的构建，以实现复合型、创新型人才的培养。1基于设计思维的IT项目驱动的STEM课程框架构建方法美国、澳大利亚等国纷纷将设计思维融入STEM 课程，如美国斯坦福大学运用设计思维开展 STEM 课程、澳大利亚塔姆沃思卡尔罗西学校借鉴设计思维提出了 6D-STEM 探究模型。我国学者在基于设计思维的 STEM 教学模式及创新课程进行了有益的探索，主要集中在基于设计思维的模式构建、创新课程、教学模式等10-11，13。设计思维具有真实性、综合性、创新型等特点，为学科之间的融合知识、技能、态度和价值观的STEM 能力框架的培养，提供了新方法和新路径14。将设计思维引入教育改革，为多学科的知识融合和创新能力的培养提供了新视角，可有效促进学生思维能力的发展，对学生创新能力的培养具有重要的作用。设计思维强调真实情境、学科知识的融合、创新性解决方案的提出等，这与 STEM 重视学科知识融合、问题解决、创新能力的培养相吻合。以 IT 项目为驱动，将设计思维模型作为 STEM课程框架实施的具体路径，采用设计思维的方法论体系，构建基于 IT 项目建设的 STEM 学科融合框架、三级设计思维强化模型，最后得出基于EDIPT 设计思维模型的 IT 项目驱动的 STEM 课程框架，以期解决综合性课程教学中存在的多学科知识理解难、落地难、融合难的问题。该课程框架将推动综合性高、实践性强的课程改革，并能更好地培养学生运用跨学科知识解决真实 IT项目问题的创新能力。2基于设计思维的IT项目驱动的STEM课程框架构建路径2.1IT 项目建设IT 项目属于多学科融合的综合性项目。以面向对象的思想进行 IT 项目建设，可以将信息系统的开发周期分为系统规划、系统分析、系统设计、系统实现和系统运维 5 个阶段。在 IT 项目建设的过程中，以解决组织 IT 项目建设所面对的信息资源采集与共享、业务流程优化、组织绩效提高等问题为目标，涉及管理学、信息学、计算机科学等学科知识的灵活应用。IT 项目建设需要将多学科知识以解决项目问题为导向进行有效融合。2.2基于 IT 项目的 STEM基于项目的学习（Project-Based Learning，PBL）在教育领域已存在多年，该学习方式重参与、重实践，强调以解决项目问题为导向，整合多种学习方式，教学效果良好。IT 项目是项目在信息化领域的表现形式。IT 项目建设是以信息技术为手段，帮助组织解决管理各类资源，梳理并优化业务流程、统计报表、分析各类数据等实际问题，涉及科学、技术、工程、数学、管理等多领域及其综合应用，符合 STEM 跨学科知识的学习和综合能力培养的理念。基于 IT 项目的STEM 教育是“实战中学”的扎实落脚点，以解决实际问题为出发点，对多学科知识进行融合，实现在真实 IT 项目需求的情境下完成知识学习、知识应用及知识构建，实现创新人才的培养。图 1 展示了 IT 项目建设与 STEM 各学科的融合关系。在系统规划、系统分析、系统设计等各个阶段，都涉及科学、技术、工程及数学的学科知识的综合应用，如系统规划阶段的交付物系统规划报告的撰写，需要将计算机科学 S1、系统科学 S2、管理科学 S3、分析设计技术 T3、软件工程 E1、系统工程 E2、数据模型 M2 等多学科知识进行深度融合和灵活应用。IT 项目建设是一项复杂的系统工程，一方面，依托其进行知识的获得和融合使得各领域的知识学习变得连贯且教育与教学研究第 4 期211有意义，可以形成更有实际价值的知识体系；另一方面，基于图 1 的 STEM 教育可以让学生更好地将知识与未来职业建立关联，培养信息处理、科学调查、设计思维、工程思维、沟通协作等技能。因此，IT 项目建设过程是实现跨领域 STEM知识融合的良好载体。在 IT 项目的建设过程中，以解决项目问题为主线，以各个阶段的建设目标为任务，充分融合各学科知识，形成问题导向的知识地图和职业素养，完成有实际应用价值的知识构建。2.3融入设计思维的 IT 项目驱动的 STEM 课程框架构建2.3.1 课程框架设计斯坦福大学的 EDIPT（共情 Empathize、定义 Define、构 思 Ideate、原 型 Prototype、测 试Test）5 个阶段设计思维模型是全球教育领域中采用最广泛的设计思维模型，且与 IT 项目建设生命周期的 5 个阶段紧密程度最高；以 IT 项目的真实问题作为深度融合多学科知识与技能的有机载体，将 EDIPT 设计思维模型引入 IT 项目建设过程，实现能力为本的 STEM 教育。以信息系统分析与设计课程为分析对象，将IT 项目建设的 5 个阶段以发现问题、分析问题、解决问题为主线进行划分，构建了基于 EDIPT设计思维模型的 IT 项目驱动的 STEM 课程框架，如图 2 所示。课程框架以 IT 项目的建设过程为系统规划IT项目生命周期五阶段STEM 理念阶段成果系统规划报告系统分析系统设计系统实现系统分析报告系统设计报告系统运维数学athematics工程ngineering用户需求规格说明书可行性分析报告技术echnology系统规划师需求分析师系统分析师系统设计师数据库工程师科学cienceM1:算法M2:数学模型E2:系统工程E1:软件工程T3:分析设计技术T1:需求调研技术T4:开发技术T5:测试技术S1:计算机科学S2:系统科学S3:管理科学S2,S3;T1;E2S2,S3;T2;E2T2:系统规划技术S2,S3;T1;E2S1,S2,S3;T3;E1,E2;M2S1,S2,S3;T3;E1,E2;M1图 1 基于 IT 项目建设的 STEM 学科融合框架媒介，将其建设过程中涉及的抽象学科知识转变成解决实际 IT 项目问题的能力节点。这些能力节点又根据 IT 项目生命周期的 5 个阶段组成有逻辑关联的能力知识网，从而实现 STEM 能力的有效培养。在该 STEM 课程框架的实施过程中，教师首先需要转变成面向真实问题解决的 IT 项目策划师，面向客观世界和组织实际需求，有目的地运用创造力，通过 STEM 跨学科融合的方式进行 IT 项目策划和实战设计，和学生一起运用设计思维的共情，即站在客户的角度以同理心的方式引领学生调查、探究、识别并确定要解决的复杂 IT 项目问题；教师然后转变成导师，通过设计思维模型具体的工具和方法引导学生以多学科交叉和融合的方式分析、构思满足用户真实需求的建设方案；教师最后要转变成评价师，指出IT 项目建设的解决方案和建设结果的有效性、改2023212计 算 机 教 育Computer Education进空间等，激发学生参与讨论，调动学生进一步寻找更有意义的建设方案的积极性。融入设计思维的 IT 项目驱动的 STEM 课程框架，使得涉及多学科知识的复杂项目的问题识别和分析、解决方案的获得变得有方可循、有据可依，使学生有效掌握多学科 STEM 知识的本质联系，构建依托IT 项目的知识网，实现复合型、创新型人才的培养，完成 STEM 教育对社会人才需求的支持。系统规划师基于设计思维的IT项目驱动的STEM课程框架EDIPT设计思维模型解决问题分析问题发现问题阶段报告与STEM理念的融合IT项目生命周期五阶段系统规划报告S2,S3;T2;E2系统设计报告S1,S2,S3;T3;E1,E2;M1系统规划系统分析报告S1,S2,S3;T3;E1,E2;M2系统运维手册S3;T5;E1系统实现用户需求规格说明书S2,S3;T1;E2系统运维系统源代码S1,S2;T4,T5;E1;M1系统分析系统设计可行性分析报告S2,S3;T1;E2共情Empathize定义Define构思Ideate原型Prototype测试Test策划师导师评价师 图 2 基于 EDIPT 设计思维模型的 IT 项目驱动的 STEM 课程框架2.3.2 课程内容模块设计信息系统分析与设计课程通