STEM课程中的工程设计

李骏扬 姜玲 赵筠

摘要：目前，“工程任务”仍是目前STEM课程的主要表现形式，而“设计”是工程任务中不可缺失的环节。从分析实际的工程设计出发，发掘工程设计“有效”的具体表现：以需求为目标，以科学为核心，以创新为突破，以稳定为基石，以规范为准绳。提出提升STEM课程中工程设计有效性的方法：积累经验，从无设计到有设计;科学探究，从自由设计到科学设计;难点突破：从小设计到大设计;构思全局：从大设计到小设计;尊重数据：从粗糙设计到精确设计;迭代反思：从无视设计到敬畏设计。

关键词：STEM;工程设计;有效工程

由于学科融合的需要、教学实施的便捷以及学习成效的可展示性等原因，“工程任务”仍是目前STEM课程的主要表现形式，而“设计”是工程任务中不可缺失的环节。很多研究者关注STEM课程中的工程设计，但工程设计如何更有效，鲜有文献着重研究。对此，本文从分析实际的工程设计出发，发掘其有效的具体表现，提出提升STEM课程中工程设计有效性的方法，并通过一个案例说明具体的实施路径。

一、实际的工程设计是什么

（一）工程师交流的语言

一个真实的工程项目，无论其物化的外表是多么具有艺术性，其制造的过程一定是精确且逻辑缜密的。随着现代化科学与工程的快速发展，人类的语言在描述复杂且严密的工程设计时已经越来越捉襟见肘。图样表达已逐步成为工程界通用的语言。不同学科也发展出了其特有的图样表达形式，如机械设计图、建筑设计图、电路设计图、算法流程图、软件架构图等。另外，数学建模亦是对各类科学与工程问题描述的通用语言。

（二）信息化、智能化制造的前置条件

随着信息化与智能化向制造业的延伸，智能制造设备越来越普遍。这类加工设备的共同特点是可以直接读入图纸并自动规划加工过程。这里，可读入的图纸一定是设计者在计算机中设计的图纸。这使得在计算机中进行工程设计成为物化加工不可缺少的前置条件。

（三）为了防止犯错

在真实的工程制造中，任何失误都是有代价的。虽然一些工程项目在研发阶段总会有一些反复的过程，但是这些“反复”发生得越少越好、越早越好。很多项目很可能根本无法承受“再来一次”。

工程项目一般会经过立项调查、需求分析、系统（工程）设计、方案论证、系统实施、效果测试、评估总结等环节，而任何环节的实施都会付出时间与金钱的成本，所以工程设计的重要职责就是尽可能将所有可能的问题扼杀在萌芽状态。

目前，在计算机的辅助下，设计已经越来越能够逼真地展现出制造之前、模拟制造之后的效果。如，很多三维机械设计软件可以模拟几乎每一个部件和运动的情况，并预见设计中的冲突和问题;电路设计软件，也不仅仅可以模拟电路板的三维外观，还能虚拟仿真电路的运行，使设计人员在电路板印制之前就可以预知电路设计中的缺陷。

在真实、实际的工程设计中，往往是用有限的设计成本，来置换一般来说不可控制的无效沟通成本，并降低失败可能带来的成本增长，从而降低整体的预期成本。

二、“有效”工程设计的具体表现

（一）以需求为目标：设计是需要妥协的

在设计之前，需明晰設计的目标，这些目标往往以文本描述或数字指标的形式书写下来。而真实的工程设计目标往往也不是单一的，而是多目标综合的，这些目标还会相互制约，让设计人员可能“顾此失彼”。

明确目标的设计，以目标为导向，系统中的部件与过程都为整体系统多目标的最优化而服务。设计人员需要在其中不停地权衡，相互妥协。在真实的设计中，没有所谓正确的答案，只有更优的方案。由于用户群体的不同，所侧重的方向不同，从而产生多种不同的工程解决方案。

（二）以科学为核心：设计是需要理论支持的

设计得以成功指导制造的关键是能够判断“所有的设计”对未来的影响，并理解其中的机理，否则设计就会变成是盲目的、碰运气的。

科学与规律在设计的背后发挥着巨大的作用，在通过仿真等手段发现设计的问题之后，定位问题的证据，找到解决的途径，理解问题的本质就显得尤为重要。

（三）以创新为突破：设计是需要求新求变的

创新是设计的灵魂，是工程设计不断前行的动力。面对设计中的挑战，需要设计人员大胆地创新，以突破现有方案的拘囿。设计的求新求变不仅仅是功能与艺术外观上的创新，更是整体技术方案与解决路径的创新。

（四）以稳定为基石：设计是有一定保守性的

创新不是毫无根据地发散，而要以保证成品的稳定性与可靠性为前提。因此，好的设计也是创新与保守的平衡。特斯拉电动汽车采用了大量的创新设计，电池采用的却是通常在笔记本电脑上使用的电池电芯组合，就是一例。

（五）以规范为准绳：设计是限定规则下的自由

设计中的规范往往是在很多次的错误中总结得到的方法和准则，目的是为了规避已知的风险，提高系统的可靠性、安全性。违背设计规范，一般情况下会导致严重的后果。可以说，设计是限定规则下的自由。

三、让STEM课程中的工程设计更“有效”

有效是工程思维的重要组成部分。提升STEM课程中任务设计有效性，是为了让学生真正地感受设计，而不是经历形式化的“为设计而设计”。这有助于学生在项目中理解设计，明确工程目标，加强团队沟通，推进智能化制造，以及减少错误、降低成本。

（一）积累经验：从无设计到有设计

设计是在实体尚未制造之时，就已经开始构想系统的全部，并能够预判怎样做会得到怎样结果。因此，设计是需要经验的，这种经验有助于帮助设计师进行预判，规避风险。

有经验的设计是建立在多次相似工作经验的基础之上的。然而，学生往往是缺乏设计经验的，这就是学生的设计往往无法指导工程实施的一个重要原因。

因此，在学生缺乏工程经验的时候，允许他们进行“无设计的制造”，摸透器材的特性，了解这样做会导致的结果。在此过程中，学生会发现可能需要深入研究某些问题，这便是设计的开始。

（二）科学探究：从自由设计到科学设计

工程问题的背后总有着科学的影子，科学描述的是事物发展的内在规律。但这种规律对现象的解释是相对刻板的，有些看似相同的表象背后却有着不同的成因，而有时看似截然不同的表象之后却有着相同的机理。

引领学生抽丝剥茧，找到表象背后的问题，用正确的科学规律推演事物的变化是保障工程设计有效的首要工作。在设计之前，可以针对几个核心问题，引导学生展开科学探究，在对比实验中分析数据，讨论得到结论，并由此指导工程实践。

（三）难点突破：从小设计到大设计

很多教师会发现，学生一开始并不会像真正的工程师那样全局地、完整地思考问题，而倾向于解决小问题。这既是传统教育面向解题的思维惯性，也是面对工程中不确定因素的正常心理防备。因此，在一个系统具有较多的不确定因素时，可以尊重学生的思维方式，先解决其中的核心技术问题，再逐步构建整体的系统。这种从“小（关键且具象）”到“大（全局且抽象）”的设计模式，并不是STEM教育所特有的，很多具有较多未知因素的设计，都可以遵循从核心问题开始突破的路径。

教学过程中，教师和学生可以在科学探究的基础上，对系统的局部进行“小设计”和测试。这既能巩固科学探究的成果，又能够让学生对每一个局部“放心”，并逐步引入全局的设计。

（四）构思全局：从大设计到小设计

构思全局，是为了从整体的角度，权衡系统的综合目标并将其拆解，使大问题变成小问题，各个击破。这里的小问题，既包括上述的核心问题，也包括一些必要的非核心问题。学会分析和拆解系统，是学生突破面对问题无所适从的关键因素。

在教学过程中，先全局构思，还是先设计核心问题，没有确定的要求，关键在于如何能够让学生更好地理解并开展设计工作。一般情况下，系统的设计，往往是自上而下和自下而上两方面思考的融合。无法逾越的难点常常会重塑整体的设计，整体设计改变也会影响每个局部设计的细节。

（五）尊重数据：从粗糙设计到精确设计

在设计的过程中，数据和精确的设计是至关重要的。精确的设计既需要数学知识的支撑，也需要数学统计的帮助。中小学阶段教学中，设计之前需要一些必要的测试，测试数据可以更快速地说明问题。还可以借助图表的形式展现出数据之间的关系，并揭开数字背后的规律。学生可以小组形式，将测试的结果写成报告。这些数据还是他们后面开展工程设计的重要依据。

（六）迭代反思：从无视设计到敬畏设计

在各项路径铺设之后，教师可以将所有前置性学习报告分享给所有的学生，并引导他们把前置性学习的内容融入设计，在设计中考虑测试的结果，权衡各个因素，有机融入各种技术，使设计变得有理有据。

四、STEM课程中的“有效”工程设计：以“下落的鸡蛋”为例

（一）规划“课程地图”

任务：用有限的常规A4纸保护下落的鸡蛋（纸张的数量和下落高度可以由教师自行设计）。

这一STEM课程由图1所示的环节组成。

（二）开展前置性研究

设计并不是空穴来风的畅想，而是基于设计者已有的经验，科学地对系统做出构想，即设计得有依据、有前提、有逻辑。因此，为了让学生做好工程设计，必须建立前置性学习，为真正的“有效”工程设计铺砖引路。

1.碰撞的科学。

通过资料收集，了解碰撞的瞬间发生了什么，以及人类在交通工程（汽车、飞机、火车等）中是如何尽可能降低碰撞对乘员的伤害的，探讨吸能和生存空间的辩证关系。

2.鸡蛋脆弱吗？

对薄壳结构展开研究，使用压力测试仪对有无保护情况下鸡蛋的承压能力进行测试，并引申出相似的结构：一维拱结构，如拱桥;二维拱结构，如穹顶、蛋壳、颅骨等。研讨这些结构在碰撞中保护的有效性，并类比鸡蛋托架、安全气囊、安全帽的作用。

3.纸张“大力士”。

对工程任务中除黏合剂之外唯一可用的材料展开研究：不同的纸张结构能承载多少压力？如何用纸张结构建立缓冲保护？如何用纸张结构制作吸能结构？如何用纸张结构构建安全的生存空间？

（三）尝试工程设计

在以上综合探究的基础上，尝试对纸张结构进行工程设计。

教师需要引导学生开展有依据、有思考的设计，认识到这是一个工程设计系统。学生需要以之前的综合探究为依据，综合考虑防撞的力学、保护装置的结构、材料的数量、制作的可行性等一系列问题。具体到这一设计本身，可以引导学生思考：如何减少下落过程中对鸡蛋的撞击？撞击的力量来自何处？保护鸡蛋的纸张结构如何设计？（如：设计成正方体、三棱锥……把鸡蛋包裹在里面;设计成带有空心结构的保护盒;设计成纸卷棒组成的保护支架;等等）这个结构的优势是什么？可能存在什么问题？纸张在保护鸡蛋时，是起到缓冲作用，还是用作坚硬的外壳？纸张需要多少张？张数太多会有什么问题？张数太少会有什么问题？我们的设计是否能够在课堂上制作出来？怎么制作？……根据思考和讨论，学生绘制设计示意图，撰写可行性的制作步骤等。

（四）进行测试与反思

测试与反思是一个迭代的过程，也是優化设计方案的必经之路。从测试获得的数据和现象中，学生能够发现前一稿设计存在的问题，并反思这些问题背后的原因，找出影响因素;再综合考量这些因素，优化设计方案，完成新方案。测试与反思，不是一个独立的环节，在工程设计、工程制作、测试等全过程中，学生都需要反思。通过每时每刻的及时反思，寻找到设计中的问题和漏洞。测试与反思为新一稿的设计提供新的设计依据，新的设计又需要再次通过测试与反思来验证和优化。

基于科学、技术、工程，并以测试数据为依据的工程设计，是真正能够聚焦问题、突破桎梏并更快找到解决方案的“有效”工程设计。这也是工程思维的重要组成部分，能避免工程设计中的形式主义，引领学生在工程设计的过程中追根溯源，有理有据地得出方案，培养真正的设计思维模式。

参考文献：

[1]丁婧.STEM教育中的工程思维培养[J].物理之友，2018（9）.

[2] 张泽晖.STEM理念下面向小学生的工程思维培养活动模型设计与实践研究[D].保定：河北大学，2019.

[3] 李骏扬.在STEM教学中与学生一起经历真实的项目[J].物理之友，2018（9）.