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用系統性思維開展STEM創客教育

麻省理工學院媒體實驗室主任伊藤襄一在《爆裂》一書中描述了自己對未來的看法,指出了未來的三個特點,即不對稱性、復雜性和不確定性。這次新冠疫情的出現和發展就很好的詮釋了這三個特點,具體悠爸在這里就不展開了,有機會另起文章再聊。今天的重點是談談“復雜性”。

今天我們大家談的復雜性主要是指當下的知識體系非常復雜,不是單一維度的,而是跨學科的。我們常常聽到的時髦詞“跨界”和“融合”就來源于此。STEM教育的目標就是要培養能解決復雜性問題的人才。現在大家都知道STEM是科學、技術、工程和數學的英文首字母縮寫,最近幾年還增加了一門藝術,變成了STEAM。單純去做這樣一個項目其實不難,找一個需要一些機械搭建、需要一些編程、需要做一些計算、需要懂一些科學原理的項目,你就可以說我做了一個STEM項目。

然而,在這個過程中,孩子真正學到了多少?在教學中要如何做才有可能讓受教育者真正培養出解決復雜性問題的能力呢?不說現在很難找到這樣的老師精通這四大科目,即使我們能找到這樣的老師,問題就解決了嗎?教學過程中的引導、融合、質疑、反饋、動手操作的細節如何把握,如何保證學生在這個過程中真正受益,得到成長,這些對開展STEM教育的老師和個人來說都是一個個不小的挑戰。

悠爸在教育悠寶的過程中也是在不斷地學習和嘗試。得益于在咨詢行業和外企的職業經歷,悠爸逐漸發現系統性思維在STEM教育中的巨大作用。每個企業都有它的優勢和不足,咨詢行業和外企也不例外,存在很多不足,然而這兩類企業里流程之多,可能是在其他類型企業里工作的朋友不能想象的。悠爸工作多年最大的收獲就是從這些企業學習了如何定義系統性的、可操作的流程、方法論和最佳實踐。企業員工按照這些流程和方法論去開展各自業務條線的工作,出來的結果一般不會偏離預期值太遠。如果遇到一個新的復雜問題,通常的做法不只是去解決這個問題,而且會復盤分析這個問題,如果它不是偶發的問題,未來還可能會碰到,通常又會定義一套新的流程用于未來規避或者解決這個已經出現過的問題,同時新進員工也可以通過學習和了解這套流程快速上手工作。因此在這些企業中,特別強調員工的自我管理、自我學習和DIY的能力,在這種環境下訓練出來的系統性思維方式對復雜項目的管理非常有效。

悠爸今天就借這次疫情期間在家完成的一個STEM項目—可穿戴仿生手套和機械手,說說這種系統性思維在STEM教學中的應用。

用系統性思維開展STEM教育

順便說一句,這個項目不是悠爸發明的,悠爸只是在研究STEM教育的過程中接觸到了美國的Hacking STEM項目,然后托朋友從美國加州訂購了部分材料回來自己搭建的,其中也有些電器元件是國內某寶上購得的。

這個可穿戴仿生手套和機械手項目涉及的學科知識有生物學、機械工程、電子電路、軟件工程、數據科學和數學。如果對應到職業角色,自然就包括機械工程師、軟件工程師、電氣工程師和數據科學家。

對于這樣一個復雜的項目,在開始之前,作為教師,要從整體上思考教學的方案,最好準備好三份文件:教學計劃、材料清單和活動清單,這樣才能在整個教學過程中有的放矢,引導孩子有序有效的完成整個項目,否則很大幾率中途夭折或者學生只是按圖索驥,學習效果大打折扣。而三者之中,教學計劃又是相對復雜一些的,因此悠爸就以教學計劃為例來講講如何系統化的開展STEM教學,這套方法即使以后換其他的STEM項目依然適用。

教學計劃

每一個STEM項目都應該有明確的教學目標,教學目標應該清晰明確的寫在教學計劃的開篇,使參與到該項目中的教師和學生都清楚為什么做這個項目以及要達到什么成果。

總目標

將人體解刨學和設計思想相結合,利用21世紀的科學、工程學和計算機科學技術收集數據并將數據以可視化的形式展示出來以達到理解人體生物力學和機器人科學之間關系的目的。

總目標定義好之后,還需要把總目標分解成子目標以保證在教學過程中可操作、可檢驗、可評估。

子目標

學生需要在指導下創建和校準一幅可穿戴仿生手套和機械手;

學生需要在指導下開發出一套解決方案,利用可穿戴手套上的傳感器收集的數據優化機械手的性能,理解人體生物力學和機器人科學之間的關系

學生活動大綱

定義好目標和子目標后,接下來就要定義學生的活動大綱:

學生要分別親身體驗電氣工程師、機械工程師、軟件工程師和數據科學家的四種角色,理解這些職業的特點和工作內容;

學生要學習人類手的解刨學結構和生物力學的關系以輔助設計搭建機械手模型;

學生要制作一只傳感器手套以控制機械手;

學生要分析傳感器手套采集的數據來測試和改進機械手;

學生要記錄項目進行過程中的ideas和發現

教學活動步驟

定義完學生活動清單后,接下來就是教師教學活動開展的詳細步驟定義了。

Part1 預備知識

介紹項目的目標和內容,設計1-3個問題讓學生思考和回答,如:什么任務機械手更適合去做,且會比人手做的跟好?機械手在什么場景下可以幫助到人類?根據學生的答案開展討論;

Part2 人手解刨學模擬

a.學生在白紙上臨摹手的形狀,并通過互聯網找到手的解刨學資料,畫出手的骨骼關節機構,觀察和對比自己的手和手指的活動;

b.鼓勵學生先制作一只手指并測試、校準其活動能力;

c.鼓勵學生思考如何通過增強關節來加強手指的活動力度;

d.分析和討論過程中遇到的問題;

Part3 可穿戴手套和機械手設計、制作和調試

a.完成另外4只手指的制作;

b.完成整個手套的制作;

c.講解電路連接方法,連接好電路、伺服電機和微控制器micro:bit

d.講解Data Stream 使用方法,連接可穿戴手套,讀取手指活動的生物力學數據并實時展示出來;

e.測試手套和機械手,分析數據與手指活動的關系;

f.分析和討論過程中遇到的問題;

g.思考如何改進設計并再次測試

Part4 回顧與思考

a.為什么要研究和開發模擬人類運動的機器人?

b.為什么現在擬人機器人的研究提速了?

c.如果給你機會,你想把地球上哪個生物物種的能力集成到機器人身上?為什么?你打算怎么做?

d.從這個項目你學到了什么?

有了這樣一份教學計劃做指導,是不是覺得STEM教學活動的開展容易多了?不僅如此,悠爸還給各位準備了兩個彩蛋,讓你瞬間升級成為STEM教學的王者

彩蛋環節

在STEM項目中,通常有兩個關鍵環節,設計和測試驗證。在設計階段,悠爸給大家介紹一個“Design Loop”流程,全世界的設計師和工程師幾乎每天都在用這個流程解決實際的問題。下圖就是 Design Loop。

針對每個不同的項目,STEM教師可以根據Design Loop開發出Design Loop Organizer Table 用來細化本項目的挑戰以方便Design Loop 在實際項目中的操作和落地。

在測試驗證階段,也有相應的Testing Loop和Testing Loop Organizer Table.

寫在最后

基于系統化思維的流程設計和方法論對于解決復雜問題是非常有幫助的,而STEM項目就是一個非常適合用系統化思維來開展的項目,希望悠爸的這次分享能給喜歡STEM項目的朋友一些啟發,也歡迎同樣對STEM教育感興趣的朋友聯系悠爸,大家一起探討如何努力將孩子培養成下一代的復合型人才。

(悠爸說STEM)

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