案例分析 | 为金枪鱼捕捞业中的兼捕问题设计解决方案

摘要 :运用设计思维解决复杂问题,获得创新的解决方案,这是一种全新的创新思维方式。将设计思维融入 STEM 教育活动,不仅有助于培养学生的创新能力和综合素质,还有助于培养学生的同理心、意志品质、元认知、跨领域素质、沟通能力以及高阶思维能力。
一、设计思维的教育价值
设计思维作为一种解决问题和实现创新的思维方法,在教学过程中具有较大的开放性,需要学生具有突破传统的思维,思考各种可能性,提高学生的创新思维能力。近年来,设计思维理念逐步扩展到了K-12 教育,尤其被用于学生创新能力的培养。在倡导学生综合素质发展与核心素养培养的现阶段,越发显现出其重要的教育价值。
1. 以用户为中心,培养学生的同理心
设计思维始于解决人的渴望和需求,设计者需要完全站在用户的角度考虑问题,理解消费者并从中获得灵感,以此作为设计的起点来寻求突破式创新。因此,设计思维是以人为本的设计态度和方法。将设计思维运用于教育过程,学生被带入设计任务所创设的情境,他们一开始不得不根据任务需求去了解用户的想法,站在用户的角度思考,甚至切身经历用户体验。这一过程能让学生真切地体验到别人的心理和感受,体验到站在对方的角度和站在自己角度的差异,并且逐步发展为能有意识地站在对方的角度考虑问题,使得同理心的培养真实而自然。
2. 在失败中学习,培养学生的意志品质和元认知能力
创新不是纸上谈兵,设计思维主张“有想法,更要有行动”,在行动中获得新的启发和有价值的信息。 [1] 通过不断测试与改进,设计原型从一开始的粗糙、简陋不断走向完善。在这个过程中失败是再正常不过的事情,设计者需要树立失败是一种学习过程的理念,坚信只有失败来得越早,成功的概率才会更高。将这样的过程融入教育,有利于提升学生对失败的认识、思考失败之后该怎么办,增强学生勇于探索、不畏艰难的意志品质。同时,失败之后需要进一步分析、反思设计和实施的过程,发现需要改进的地方,这有助于提高学生的元认知能力。
3. 培养学生跨领域、跨学科的综合素质
成功的设计思维有两个基本的要素,一是保持开放的头脑,二是将思想置于充满可能性的空间,允许并迎接突破性的想法。[2] 设计思维融入教育,将传统教育中寻找正确答案的学习过程转变为旨在实现既定目标,探索有成效的现实路径的学习过程。传统教育往往教会学生回答“5+5= ?”,而设计思维则更多是让学生探索“?+?=10”。教学过程中关注的不再是具体的学科知识,而是特定的任务和问题 ;不再是如何运用某一学科知识解题,而是如何运用不同学科知识和技能解决现实的复杂问题。这一过程实现了对单一学科的弱化,通过实际问题的解决促进学生对多个学科知识的理解、运用和迁移,培养学生跨学科、跨领域的综合素质。
4. 在合作与交流中培养学生的沟通能力
设计思维中孕育创造力的关键是合作。[3]这里的合作不仅指设计团队内的合作,还包括研究部门和工厂之间的合作、工厂与市场之间的合作,其目的都是为了扩展创新视野来寻找机会。合作离不开交流、沟通、相互理解和相互配合,因此乐于合作与交流是设计师的基本工作态度,善于合作与交流则是设计师的基本素质。设计思维融入基础教育,促进学生体验团队合作的意义,锻炼团队合作的能力,促进语言交流和理解能力,让学生学会沟通的技巧与方法。
5. 运用多种思维方式,培养学生的高阶思维能力
创新的过程是对人的各种思维能力的考验。设计思维强调形象与抽象、发散与收敛、分析与综合、逻辑与直觉的平衡。分析思维能够推断出过去的一般性规律;直觉思维帮助获得创造未来的灵感;发散思维与收敛思维的结合是设计思维的实践特性;综合与平衡能够激活设计过程的创造力和提升概念生成的质量。因此,将学生置身于设计思维的任务中,给学生提供了运用形象思维、抽象思维、发散思维、分析思维、综合思维、逻辑推理等多种思维方式的机会,思维的运用植根于问题解决和任务完成的过程。值得一提的是,这些思维方法的综合运用贯穿于探索过程中学生自主的思考过程,这有助于学生高阶思维能力的形成和内化。
二、体现设计思维理念的STEM教学案例分析
“抓错了鱼”是设计和测试解决金枪鱼捕捞中兼捕问题的方案。[4] 兼捕是指在海洋捕捞中对非目标种类的附带捕获,是渔业中的常见现象,通常兼捕渔获物会直接被丢弃。在海洋捕捞量急剧增加的今天,兼捕已经成为维持渔业可持续发展和保护濒危物种的一个世界性挑战。该教学案例从这一全球问题出发,在八年级的环境科学和生物课堂实施。该案例巧妙地将设计思维理念运用其中,通过设计和测试任务帮助学生理解世界海洋渔业可持续发展的必要性和解决方法。教学采用 5E 教学法,即引入(Engagement)、探索(Exploration)、解释(Explanation)、扩展(Elaboration)和评价(Evaluation)五个环节,是在科学课程中结合设计思维开展 STEM 教育的典型案例。
(一)引入——以人为本的设计任务
虽然学生已经知道“为金枪鱼捕捞业中的兼捕问题设计一个解决方案”是课程的主要任务,但在活动一开始的引入环节,教师首先带领学生开展模拟捕鱼的活动,即在模拟的海洋中用不同的物品代表不同的物种,通过模拟捕捞让学生理解兼捕是捕捞业必然出现的状况,通过对模拟结果中非目标物种占比数量的计算以及阅读辅助文献,帮助学生理解兼捕可能带来的严重后果。之后,通过比较不同类型的渔具、不同的捕鱼方式和它们可能的兼捕渔获物,促使学生发现不同捕鱼方式所产生的不同兼捕情况。紧接着,教师引导学生讨论以下问题 :为什么兼捕是一个问题 ;什么是过度捕捞,为什么过度捕捞是一个问题;哪种捕鱼方式会导致大量的兼捕;哪种捕鱼方式导致兼捕的可能性小一些;对于渔民来说,每一种方式的优点和缺点是什么;从对环境影响的角度看,你如何解释渔业的可持续发展。
引入环节的活动不仅是为了让学生明白什么是兼捕,更重要的是让学生把自己看作是捕鱼人,从渔业需求、渔业对环境的影响以及渔业的可持续发展的角度考虑现实问题。这里不仅体现出设计思维以人为本的核心特征,还更深层次地凸显出“以人为本”的深刻内涵,即不是简单的以用户为中心,而是在以用户为中心的基础上考虑人与自然的和谐统一,考虑人与自然的可持续发展,这也正是体现设计思维与 STEM 教育共同价值的出发点。
(二)探索——反复尝试的迭代过程
有了引入环节的实验、调查和讨论,学生顺利进入探索环节。这一环节的主要任务是设计一个新型的渔网,用于减少在模拟海洋中的兼捕情况,并在捕捞时把“海豚”排除在外,从而尽可能地捕捞到“金枪鱼”。学生需要根据现有的材料思考多种设计方案,并有选择性地制作出原型。在确认最终模型之前,每个小组需要重复“测试—优化”过程,并把每一次的数据记录下来,计算出捕获的目标物种和非目标物种的百分比。教师则在巡视中提醒学生思考测试完成后做了怎样的调整,为什么要如此调整,基于数据如何判断哪个模型更好?
对学生而言,探索环节是一个反复尝试失败、不断改进、不断向最优结果前进的迭代过程,每一次的“测试—优化”都要经历发现问题、分析问题和解决问题的过程。在这一过程中,教师为学生提供了设计好的评价量规表(见表 1),对设计思维中的设计方案、建构原型和测试优化给出了详细要求。
(三)解释——合作、交流与展示
在解释环节,各个小组都通过实际模拟展示了自己制作的装置,并简要介绍模型产生的设计流程,专门阐述他们是如何基于收集到的数据来优化模型的。教师引导全班学生讨论各组设计的成功之处,鼓励学生引用班级数据表中的数据来支持自己的想法,促使他们围绕设计流程进行思考和讨论整个模型制作的过程。
合作不仅仅出现在这一环节,可以说整个课程始终以小组合作为基础。在解释环节学生的交流和展示更为突出,不仅展示自己的,更重要的是对比不同的方案、思考设计的流程以及反思整个设计过程。表 2 是在这一阶段中学生使用的评价量规表,同样体现了在这一阶段的设计思维特征。
(四)扩展——跨学科的思考与分析
进入扩展环节,教师首先要求学生分别在小组和班内讨论最佳的设计方案在现实生活中如何实现;然后,讨论工程师如何与科学家合作解决现实问题,教师引导学生描述真实情况中工程师需要考虑的限制条件和注意事项,例如成本、安全性、设备是否易于部署和可靠等 ;讨论如果考虑这些因素的话,哪种设计更为实用?还有哪些因素可以把目标物种从兼捕渔获物中分离出来?学生按照“思考—对话—分享”的步骤开展活动,即先让学生对问题进行独立思考,然后与同伴讨论,最后在班级分享他们小组的观点。
为了让学生更好地了解现实情况,教师展示了美国国家海洋和大气管理局的视频,分享成功减少兼捕的实例,并和学生一起讨论科学家如何使用数据来分析解决方案是否有效。同时,教师还和学生一起讨论在商店或餐厅购买海产品时,如何了解他们的原产地和捕获方式,并向学生介绍一些能够提供如何选择支持可持续发展的海产品信息的资源,推荐一些能支持移动应用程序帮助消费者作出决定的网站。作为延伸活动,教师还鼓励学生在当地的超市或餐馆进行调查,对一些可持续发展选择的有效性进行评估。
可见,扩展环节学生就兼捕问题中的科学、技术、工程、对社会的影响,以及应该采取怎样的行为等涉及多个学科的问题和观点进行思考和分析。在这一过程中,教师以设计任务为出发点,将不同学科、不同领域的知识链接起来,促进学生站在可持续发展这一更高的视角多维度地思考问题,达成学生跨学科观点的形成。
(五)评价——在反思中提升
评价环节,主要通过学生的反思对学习成果进行评价。学生可以运用整个活动的所有资源、工作单、数据结果,通过回答以下问题来阐明自己的想法和观点 :什么是兼捕,为什么减少兼捕很重要 ;为什么可持续发展的渔业很重要;工程设计能怎样帮助解决兼捕问题 ;科学家和工程师如何合作才能确保渔业的可持续发展。
评价是整个活动中唯一没有通过小组合作方式进行的环节,因为这恰恰是一个帮助学生独立思考,通过书面语言将所学内容融会贯通的反思和提高的过程。
综上所述,结合设计思维开展 STEM 教育,将设计思维与 STEM 教育中的学科融合、解决真实问题、创造力培养、合作学习、行动与反思等结合起来,不仅增强了课程的逻辑性,而且激发了学生的学习兴趣和主动性,切实提高了学生的综合素质和关键能力。