基于设计的幼儿园STEM教学模式构建研究.pdf

2023 年 8 月第 39 卷 第 8 期 陕西学前师范学院学报Journal of Shaanxi Xueqian Normal UniversityAugust 2023Vol.39 No.8收稿日期：2023-05-15；修回日期：2023-06-03 作者简介：吴振华，男，浙江宁波人，上海师范大学教育学院副教授，博士，主要研究方向：STEM 教育，信息技术创新教学。通讯作者：黄立安，男，上海崇明人，上海学前教育学院副教授，博士，主要研究方向：学前艺术课程。学前教学前沿基于设计的幼儿园 STEM 教学模式构建研究吴振华1，黄立安2（1.上海师范大学教育学院，上海 200234；2.上海学前教育学院，上海 200234）摘要：多方面的研究表明，尽早开始实施 STEM 教育，可以有效地提升幼儿的综合素质，促进幼儿的全面发展。高质量的课程与教学是推动学前 STEM 教育发展的关键，也是当前研究存在的不足之处。采用基于设计的研究方法，通过原型构建和三轮迭代优化的过程，形成了基于工程设计过程的幼儿园 STEM 教学模式（ED-ES 模式）。研究结果显示，ED-ES 模式充分体现了幼儿园 STEM 课程的各项核心要素，有助于促进幼儿问题解决能力、创造力和学习品质等多方面能力素养的发展。关键词：幼儿园；STEM；教学模式；DBR中图分类号：G612 文献标识码：A 文章编号：2095-770X（2023）08-0036-16PDF 获取：http:/ doi：10.11995/j.issn.2095-770X.2023.08.005A Design-based Research on the Construction of Kindergarten STEM Teaching Model WU Zhen-hua1，HUANG Li-an 2（1.College of Education,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.Shanghai Institute of Early Childhood Education,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China）Abstract:Studies show that early implementation of STEM education can effectively improve children s comprehensive quality and promote their all-round development.High quality curriculum and teaching serve as the key to promote EC-STEM,but also show the shortcomings of the current study.In the present study,a design-based research method was adopted to construct an engineering design-based kindergarten STEM teaching model（ED-ES model）through prototyping and three rounds of iteration.The results show that the ED-ES model fully reflects the core elements of STEM curriculum in kindergarten,and helps to promote the development of children s ability to solve problems,creativity and the approaches to learning.Key words:Kindergarten;STEM;Teaching model;DBR一、问题提出STEM（Science,Technology,Engineering,Mathematics）教育旨在促进学习者在科学、数学等领域的学业成就，提升个体灵活运用跨学科知识技能解决问题的能力，以满足 21 世纪社会对人才的综合素质要求，是近年来全球范围内基础教育改革的热点主题之一12-3。随着 STEM 教育发展的不断深入，其关注重点逐渐从高等教育转向基础教育，覆盖范围也不断扩大，学前阶段的 STEM 教育日益受到重视2。自然和科学美国人在 2015 年联合推出了培养 21 世纪的科学家（Building the 21st century scientist）专辑，专门阐释了幼儿园阶段的 STEM 教育，提出“每个孩子都是科学家，而需要的是合适的科学教育”3。美国教育部发布的STEM2026：STEM 教育中的创新愿景（STEM2026：A Vision for Innovation in STEM 37总39卷Education）中，则将开展学前 STEM 教育作为推进未来 STEM 教育创新的核心挑战之一4。尽早开始实施 STEM 教育，为幼儿提供高质量的早期 STEM 经验，可以有效地提升幼儿的综合素质，促进幼儿的全面发展。神经和脑科学领域的研究显示，0-6 岁是个体大脑发育和神经生长速度最快的一个阶段，幼儿的大脑神经元联接（Neural connections）以每秒百万个的速度快速生长5，脑的控制中心额叶皮层经历了质的飞跃，并表现为儿童执行功能（抑制控制、工作记忆和认知灵活性）的显著发展6。儿童的早期经验对于大脑发育和个体成长具有关键性的影响，而 STEM 学习为幼儿提供了与环境、同伴和成人交互的丰富机会，能够刺激幼儿大脑发育，提升幼儿的整体认知和思维发展7。早期 STEM 经验能提升儿童未来对于 STEM 课程学习的兴趣和倾向。拉塞尔（Susan Russell）等对 1 万多名科研工作者进行了调查，发现有 59%的研究者认为自己对于 STEM 的兴趣开始于童年期8。可见早期 STEM 活动能够增强幼儿对于 STEM 学科的兴趣和积极态度，促进儿童作为科学和工程学习者的身份意识（identity）的构建9286。STEM 学习对于儿童未来的学业成就也有一定的促进作用。摩根（Paul Morgan）和法克斯（Geroge Farkas）等学者采用美国教育数据统计中心（National Center for Educational Statistics,NCES）数据库进行的多层次模型计算显示，幼儿园期间的科学知识对于小学阶段的成绩有明显的预测作用10。瓦茨（Tyler Watts）等学者的长期纵贯研究显示，幼儿园期间的数学水平较高的儿童，在中学时更有可能取得良好的数学成绩11。高质量的课程与教学是推进学前 STEM 教育发展的关键。美国埃里克森儿童发展研究院（Erikson Institute）和全美幼教协会（NAEYC）等机构联合发布的研究报告学前 STEM 非常重要：为所有的幼儿提供高质量的 STEM 经验（Early STEM Matters,Providing High-Quality STEM Experiences for All Young Learners）中指出，应为幼儿提供适合其发展阶段的 STEM 教学方法和学习内容12。穆莫（Sally Moomaw）在其著作早期 的 STEM 教 学 （Teaching STEM in the Early Years）中提出了“有意图的引导、促进幼儿的理解、鼓励学习者探究和提供真实情境”四项学前 STEM 教学策略13。美国普渡大学的“图画书 STEM”（Picture STEM）项目14和全美幼教协会的STEM 制作与探索（Making and Tinkering with STEM）一书15中，提出了基于绘本，设计工程挑战情境实施幼儿 STEM 活动的模式。国内近年来也有不少研究者对幼儿园 STEM 学习的教学设计进行了研究和探索，提出了基于 5E 的幼儿园教学模式16、项目化的学习模式17、C-STEAM教育 5C 模式18、探究取向的课程设计19 35-37等一系列教学模式和方法。由此可见，课程和教学领域已经成为国内外学前 STEM 教育研究所关注的重点之一。但通过对这些研究的梳理可以发现，国外的相关研究囿于学习环境、课程结构和教学材料的差异，往往难以直接应用于我国的幼儿园STEM 课程中，而国内的相关研究有的局限于原则性的指导建议，缺乏严谨规范的实证过程和数据支持，有的则停留在具体教学案例描述，没有实现从经验总结到理论归纳的突破。总体而言，从本土教育实践出发、基于实证过程的学前 STEM 教学研究仍然比较缺乏。基于此，本研究采用基于设计的研究方法，在 STEM 教育和学前教育理念的指导下，基于工程设计过程理论，构建幼儿园 STEM 教学模式原型，并通过三轮迭代实施，对教学模式进行调整优化，最终形成一套科学、有效的幼儿园 STEM 活动设计流程和操作方案，为提升幼儿园 STEM 教学活动质量，促进学前 STEM 教育发展提供参考。二、研究设计（一）研究方法：基于设计的研究基于设计的研究（Design-based research，DBR）是兴起于学习科学领域的一种研究方法，它以“设计”思想为中心，旨在从自然的教学情境中探索教学问题的解决20。学习科学理论认为，对于复杂学习现象的研究，应当避免使用简单的“输入输出”式的黑箱式研究，传统的定量研究方法，如实验、调查等，往往无法为教学中的一些复杂问题提供理想答案。而 DBR 采用形成性取向，通过分析、设计、实施、评价和修正的迭代过程，对学习环境和学习过程展开细致深入的研究，设计和开发出具体的教育产品，如教学软件、教学策略、课程体吴振华，黄立安：基于设计的幼儿园 STEM 教学模式构建研究38陕西学前师范学院学报2023年第8期系等，在改进教育实践的同时，形成和发展具有一定情境敏感性的教育理论21。DBR 具有情境性、理论性、迭代性等众多特征22。（二）研究流程基于 DBR 的基本要素，研究者提出了各种不同的实施方案 23。本研究采用了里弗斯（Thomas Reeves）提出的技术视角的设计研究（Design research from a technology perspective）流程，包括分析问题、构建原型、迭代实施以及形成理论四个部分（图 1）2452-66。根据该研究流程，本研究的具体实施过程如下：首先，通过文献分析和实践考察，确定幼儿园STEM 课程的核心要素；其次，根据工程设计过程（Engineering design process,EDP），设计幼儿园 STEM 教学模式的原型；再次，开展三轮教学迭代，通过幼儿访谈、课堂观察和作品分析的方式收集学习者反馈和教学效果证据，发现模式原型存在的问题和不足，对教学模式进行调整优化（图2）；最后，对研究结果进行分析总结，形成比较完善的教学模式最终版本。图 1 技术视角的设计研究流程图 2 幼儿园 STEM 教学模式三轮迭代优化的过程分析确定存在的现有的问题基于相关理论构建原理模型教学模式原型具身化具身化具身化长城建造师教学教学教学搬家大挑战访谈、观察、作品分析效果问题建议效果问题建议效果问题建议访谈、观察、作品分析教学模式第一次修改教学模式第二次修改我的雪游龙修正后的教学模式访谈、观察、作品分析迭代 1迭代 2迭代 3通过迭代实践，在真实情境中对方案进行修正总结设计原则与实践的经验方法三、幼儿园 STEM 教学模式的原型构建（一）幼儿园 STEM 课程的核心要素幼儿园 STEM 课程结合了 STEM 课程的基本原理和幼儿独特的学习特征，通过梳理已有的研究成果，可以发现其具有五个核心要素。1.跨学科整合跨学科整合是 STEM 教育的核心属性，STEM 39总39卷教育的重点不在于科学、技术、工程和数学各个学科内容的学习，而是强调跨越学科界限，综合应用多学科的知识、技能和方法解决具体的问题。STEM 教育研究手册中指出，高质量的 STEM课程以跨学科整合为基本特征2587-100。学前STEM 非常重要：为所有的幼儿提供高质量的STEM 经验 报告中则建议，在幼儿园阶段的整合性 STEM 学习中，可以采取以某一门学科内容作为学习的重点，其他学科内容为辅的方式实现跨学科整合的教学设计12。2.真实情境情境是 STEM 跨学科整合的重要驱动力，情境的真实性和趣味性是幼儿园 STEM 活动的源点，在真实的情境中，幼儿将解决具体现实问题作为学习目标，通过主动探究、积极探索的过程，实现知识技能的学习和身心的全面发展。基于真实情境的 STEM 学习，对于幼儿的发展具有多方面的促进作用。首先，真实情境将STEM 学习内容与幼儿的实际生活经验相联系，能有效地激发幼儿的学习兴趣与热情；其次，真实情境为幼儿提供了复杂的劣构（ill-structured）问题，它没有简单的标准答案，幼儿需要将静态的知识置于多维度的情境之中26，运用观察、推理、收集和分析信息、预测、验证等一系列科学和工程技能来解决这些问题，从而加深对于相关概念的理解，促进科学素养和工程实践技能的发展；其次，真实情境中的问题包含了文化、审美和道德等多种维度的考量，多元的社会场域和复杂需求能够激发幼儿多层次的心智运作和情感体验，从而有效地提升幼儿的想象力、创造力、同理心、责任感和批判性解决问题的能力；最后，通过解决和自己生活相关的真实情境问题，还能让幼儿感受到知识的价值和应用知识的成就感。3.问题驱动在 STEM 学习中，需要解决的核心问题也被称为驱动性问题（Driving question）27。驱动性问题为幼儿 STEM 学习提供了一个需要解决的困境，促使他们去讨论与调查相关的主题和背景情况，并在此基础上设计和构建问题解决的方案。驱动性问题是幼儿园 STEM 课程活动设计的核心，它确定了一个课程活动的主题目标、内容领域和解决方向，对课程的实施结构和评估维度起到支撑性的作用28。一个设计良好的驱动性问题能将课程活动内容串联成连贯一致的整体，推动幼儿以科学家或工程师的工作方式，开展一个真实的探究和问题解决过程，它为幼儿提供了一个广阔的探索空间，既可以激发幼儿的内在学习能力，又可以提纲挈领地为幼儿提供持续思考、自我探究的方向29。4.游戏化学习游戏化（play-based）学习是学前阶段 STEM教育的一个独有特点25。游戏是幼儿基本的生活方式和学习方式，通过游戏的过程，幼儿获得有益的学习和生活经验，在潜移默化中得到成长。游戏中蕴含了丰富的教育价值，是幼儿 STEM 学习的关键要素和重要工具30。研究表明，游戏的方式可以为幼儿提供丰富的 STEM 学习机会。如澳大利亚的弗莱尔（Marilyn Fleer）提出了“概念性游戏世界”（Conceptual PlayWorld）模型，构建了基于故事的想象性-游戏（imaginary-play）STEM 探险活动，帮助幼儿应用STEM 知识概念来解决问题31。美国的珀斯（Marina Bers）提出了将编程活动作为幼儿的游乐场（Coding as a playground）的理念，利用 KIBO 教育机器人，为幼儿提供跨学科的 STEM 活动，促进幼儿的计算思维、社会情感和艺术创造力的发展32。5.公开的成果幼儿园 STEM 课程活动最终应形成公开的、有质量的成果，并进行一定的交流和展示。在幼儿园 STEM 学习中，最终的成果不仅仅是要求幼儿能够“做出”一个作品，更重要的是鼓励幼儿能够充分地展示和表达这个作品，能够“说出”自己和伙伴是怎样进行制作，为什么这样制作，制作的过程中又经过了怎样的思考和调整等。所以，幼儿园 STEM 活动的完整成果包含了两个部分：一部分是制作完成的作品，另一部分则是对这个作品的展示和汇报。相比而言，后者甚至比前者更加重要，因为制作的作品仅仅说明幼儿完成了整个学习过程，而对于作品的展示、表达和阐释，能够更加清晰地展现出幼儿对于相关 STEM 概念和原理的深入思考和真正理解。（二）基于工程设计的幼儿园 STEM 教学模式原型建构根据幼儿园 STEM 课程的跨学科整合、真实吴振华，黄立安：基于设计的幼儿园 STEM 教学模式构建研究40陕西学前师范学院学报2023年第8期情景、问题驱动、游戏化学习和公开的成果这五个核心要素，本研究提出了基于工程设计的幼儿园STEM 教 学 模 式（Engineering design based early STEM teaching model，后 简 称 为 ED-ES 模 式）。ED-ES 模式的理论基础来自于工程设计过程（EDP）25和美国波士顿科学博物馆提出的“工程是简单的”（Engineering is elementary,EiE）教学模式 33。工程被视为整合 STEM 教育中各学科知识的理想的“粘合剂”（The integrator）34 24，它为科学、数学、技术等各学科知识的有效整合提供了一个自然的情境，在基础教育阶段的 STEM 课程中，工程主要体现为 EDP 的运用。EDP 是指工程师在解决工程问题时遵循的一系列步骤和流程，通过循序渐进、迭代优化的方式，为一定情境下的现实问题提供最优化的技术解决方案35。在基于 EDP的教学中，要求学习者根据问题的需求，搜集相关信息，考虑各方面条件和限制因素，从各种可能的方式中设计最优化的问题解决方案。基于工程设计过程建构教学模式，可以很好地契合幼儿园 STEM 课程的一系列核心要素。EDP 的本质就是一个发现和解决身边具体问题的过程，真实的情境和富有吸引力的现实问题是基于工程设计的 STEM 教学活动的出发点。在运用工程设计方法解决问题的过程中，幼儿需要应用科学、数学和技术等各个学科的知识和技能，围绕工程目标形成的驱动性问题，开展设计、制作、测试、验证等一系列实践活动。在幼儿园的教学情境中，幼儿进行工程设计，解决工程问题的过程本质上也是一个师幼共同参与、合作完成任务的开放性“游戏”过程。在探索、体验和创造的游戏精神中，幼儿建构知识、发展技能，形成积极的学习品质。工程设计过程还能够形成可验证、可展示的作品成果，有效激发幼儿的学习主动性和成就感。为了适合低年龄儿童的学习特点，波士顿科学博物馆提出了 EiE 工程设计教学模式，它在传统 EDP 的基础上作了一定简化，将学习活动分为五个步骤：提问、想象、计划、创造和改进，五个步骤围绕工程设计目标而展开，主要应用于 K-8 年级儿童的 STEM 学习（图 3）。对 EiE 教学模式进行深入分析，可以发现该模式也存在一定的不足。在该模式中，完成和改进作品是教学活动的最终步骤，缺少了一个让幼儿对自己的设计和作品进行解释和分享的环节。这样的教学过程设计有可能使教师和幼儿更加关注作品的制作，而对于深入理解作品中的 STEM 概念缺乏足够的重视。相关研究指出，“表达和交流是幼儿 STEM 学习的核心要素”（Representation and communication are central to STEM learning）12，它们建立在幼儿对相关的概念和原理的理解基础之上。在 STEM 活动中，应有意识地为幼儿提供多样化的表达和交流机会，从而促进幼儿对于 STEM知识和实践过程的思考和理解，实现更加深度的STEM 学习。基于上述分析，本研究对 EiE 模式进行了修改，形成 ED-ES 模式的原型，具体包含六个教学步骤：明确问题、确定目标、设计方案、制作和测试、优化改进和交流分享（图 4），具体内容如表 2所示。步骤 1：明确问题该阶段包含两个环节，第一个环节是情境引入。教师通过联系幼儿生活、展示资料、讲述故事图 3 波士顿科学博物馆的 EiE 工程设计教学模式33想象计划提问创造改进目标图 4 ED-ES 模式原型明确问题明确目标设计方案制作和测试优化改进交流分享41总39卷等方式创设一个包含问题的情境。情境应该具有以下特点：一是与幼儿的生活经验紧密联系，使幼儿易于理解；二是具有吸引力，能激发幼儿的好奇心和探究欲望；三是具有实用性，即包含需要解决的实际问题。第二个环节是明确需要解决的具体问题。在创设的情境中，幼儿可能会提出各种问题，教师通过适当的引导，帮助幼儿聚焦关键问题，形成整个项目活动的“驱动性问题”。明确问题之后，教师可以给予幼儿一定的课后时间，去收集和了解与问题情境相关的信息。步骤 2：确定目标教师引导幼儿根据问题情境的要求，明确整个活动需要完成的任务和达到的目标，如最终需要制作的产品是什么？该产品需要满足哪些需求？具有哪些特征？如美观、承重、节能等，注意这些目标往往具有一定的限制条件，如时间、资源、材料等。步骤 3：设计方案教师带领幼儿对需要解决的问题进行进一步的讨论和研究，并完成解决方案的初步设计。这个阶段的工作包括：（1）尝试并确定使用的材料；（2）充分讨论各种可能的解决问题方案；（3）用图画等方式形成初步的方案设计。步骤 4：制作和测试幼儿根据设计的方案，以合作的方式进行制作或建造活动。在这个过程中，幼儿可能发现先前设计中存在的问题，也可能在制作过程中遇到无法解决的困难。教师需要密切关注幼儿的工作进程，通过提问等方式启发幼儿深入思考，大胆尝试，通过自主探索解决问题。在作品制作完成后，根据最初设定的目标，进行测试和验证，判断该制作或产品能否解决问题。步骤 5：优化改进幼儿根据测试的结果，思考如何改进和优化作品。完成修改后再次进行测试，确定改进的效果。步骤 6：交流分享幼儿通过语言、图画等方式分享自己作品，展示作品最终的效果，并开展互评，讨论和反思项目的学习收获。交流分享的阶段可以采用游戏或竞赛等生动活泼的方式，各个小组形成参赛的队伍，以工程设计的目标为标准，对完成的作品进行验证和比拼。通过对优胜作品的分析和评价，促进幼儿对于相关 STEM 知识概念的理解，拓展问题解决的思路和方法。表 1 ED-ES 模式的操作流程步骤教师的任务幼儿的活动科学和工程实践过程明确问题创设情境，激发幼儿探究的兴趣和欲望熟悉和理解情境提出和定义问题呈现情境中存在的冲突，帮助幼儿分析需要解决的问题讨论问题当事者的需求，形成项目的“驱动性问题”确定目标帮助幼儿梳理和完善活动的目标明确工程设计需要完成的任务和达到的目标设计方案提供可能的问题解决途径和参考方案，提供材料选择的思路和建议了解类似问题的解决方案，尝试可使用的材料 收集信息组织幼儿讨论进行头脑风暴，讨论可能解决问题的各种方案分析数据和可能的解决方案以图片、实物等方式为幼儿的方案设计提供支持，引导幼儿比较不同方案的效果初步形成解决问题的方案设计，预测如何实施以及可能的效果开发和使用模型制作和测试为幼儿的作品制作提供材料、方法、工具和操作上的支持根据设计方案，合作完成制作任务制作原型组织作品的效果验证，用直观生动的形式呈现作品的测试效果，并进行比较测试和验证产品的效果，记录验证过程，判断作品能否解决问题验证和分析原型优化改进为幼儿的作品修改和优化提供材料、方法、工具和操作上的支持根据测试的结果，修改或重新制作，并对改进后的作品进行再次测试修改和优化交流分享组织作品的最终评估和分享通过图画、语言等方式分享最终的方案和产品，互相评价，讨论和反思学习的收获表征和交流解决方案吴振华，黄立安：基于设计的幼儿园 STEM 教学模式构建研究42陕西学前师范学院学报2023年第8期四、ED-ES 模式的实施与修订（一）实施概述DBR 需要研究者和研究对象之间形成密切的合作关系，从保证良好的研究环境，获得更多有效信息的角度出发，本研究采取目的性抽样的方法，选择上海 J 区某公立幼儿园的一个大班作为研究环境，于 2021 年 9 月2022 年 4 月间进行了三轮教学实施，每一轮教学持续 6 周左右。基于随机选取，自愿参与的方式，共有 20 名儿童参与研究，其中男童 6 人，女童 14 人，年龄在 5-6 岁之间（60-72 个月），STEM 活动由幼儿园的一名青年教师负责具体实施。研究者通过幼儿访谈、课堂观察和作品打分方式收集幼儿 STEM 学习表现的证据，判断教学实施的效果，并以此作为 ED-ES 模式修订的依据。首先，在每次活动前后，研究者与幼儿分别进行一次谈话，了解幼儿对于活动的兴趣态度、相关知识概念的认识和理解水平等。研究者为各个活动设计了访谈提纲，访谈提纲的具体设计示例如下（以下为活动之一“长城建造师”的访谈提纲，括号中表示活动前、后不同的表达方式）：（1）你确定要做一个什么样的长城吗？（2）你的长城是由哪些形状构成的？为什么使用这些形状？（3）你设计的长城有哪些功能？为什么要这样设计你的长城呢？（4）你对建造长城有兴趣吗？为什么？（5）你准备怎么来建造长城？（你是怎么建造长城的？）（6）你准备使用哪些材料和工具来建造长城？（你在长城的建造过程中使用了哪些材料和工具？）其次，通过对幼儿的 STEM 学习活动进行实地听课，记录并分析幼儿的 STEM 技能表现，如与同伴的交流和合作、计划方案的设计和执行、使用不同工具和方法解决问题的灵活性等。观察表的样例见表 2。表 2 幼儿园 STEM 活动课堂观察表活动主题：活动时间：活动地点：班级：观察对象：活动过程和内容：维度行为表征发生次数轶事记录观察能对感兴趣的事物进行仔细观察，发现其特征能对自己和他人的制作过程和作品进行观察和比较交流请求他人传递工具与材料或帮助固定或移动某个物体对老师的提问作出反应，并能根据老师的指导完成操作能和同伴共同讨论如何进行活动合作能主动给予同伴帮助能和伙伴一起合作完成制作或搭建的具体操作解释和表达能对自己的操作的原因和结果作出解释能表达对于活动相关科学和数学概念的理解计划和设计能在教师的指导下制定活动的计划能使用图画或其他方式设计作品的方案 执行能执行制订的计划，完成一个项目坚持性能在解决问题过程中持续地进行探索，遇到困难不放弃创造性尝试使用不同的方法解决问题尝试使用各种不同的材料解决问题43总39卷此外，研究者还对幼儿的 STEM 作品进行了评估打分，从方案设计、制作工艺、材料选择、最终效果等方面判断幼儿的学习成果，作品评价量规示例见表 3。表 3 “长城建造师”的作品评价量规 分数项目1 分（较差）2 分（中等）3 分（较好）作品目标对长城建造的目标缺乏了解基本了解项目的任务，基本知道设计和建造长城的目标明确项目的任务，清楚知道设计和建造长城的目标方案设计无法完成长城的设计方案，或者方案中缺乏清晰的主题和内容能用图画或其他符号完成长城大致的设计方案，具有一定的主题和内容能用图画或其他符号完成长城的设计方案，主题清晰，内容完整制作工艺外观粗糙，连结松散，制作工艺较差外观尚可，连结比较紧密，制作工艺较好外观舒适，色彩搭配合理，结构紧密，成品美观作品效果制作的长城缺乏明确的功能和结构，外形不够美观制作的长城具有一定的功能，结构比较合理，外形比较美观制作的长城具有明确的功能，合理的结构，外形美观汇报展示无法完成展示，或者展示的效果不够理想能基本完成对于自己的设计和作品特点的介绍能比较清晰和流畅地介绍自己的设计和作品的特点为使研究符合相关的伦理规范，保证研究对象的知情权和隐私权，研究者向参与活动的幼儿家长详细告知了研究目的、过程和数据收集方式，在获得其认可并签署知情同意书后方开始研究的实施。（二）第一轮迭代研究1.设计与实施第一轮活动的主题是“长城建造师”，活动的总体目标是根据长城的特点和幼儿自身的兴趣，设计并建造具有新功能的长城设施。活动中蕴含了丰富的 STEM 元素，包括科学、数学知识、工程实践技能、技术操作和人文艺术元素（图 5）。活动分为四个单元，分别是设计长城、建造长城、长城试运营和长城开放日，具体的实施过程见表 4。图 5 “长城建造师”活动中的 STEM 元素吴振华，黄立安：基于设计的幼儿园 STEM 教学模式构建研究用几何形体制作搭建长城的主体结构完成长城的设计图理解物体的功能和结构之间的关系长城历史、民族文化解释和介绍设计作品的特点能运用各种工具和不同材料来制作长城数学科学工程技术人文艺术仔细观察长城的不同设施，发现其典型特征表 4 “长城建造师”的教学过程单元ED-ES 模式步骤活动内容教学形式时间安排设计长城明确问题创设情境，激发幼儿创造兴趣明确项目的驱动性问题“如何设计和建造一个具有新功能的长城”集体教学40 分钟确定目标明确需要达到的目标，即完成新长城的功能设计和建造设计方案确定可以使用的材料讨论长城的不同方案画出长城的设计图44陕西学前师范学院学报2023年第8期2.评价与反思对教学过程和幼儿学习表现进行分析，发现ED-ES 模式的第一轮实施在多方面取得了较好的效果。（1）有效地实现了跨学科整合，促进了幼儿对于各个学科知识和技能的学习和应用。首先，增强了幼儿对于形状和几何图形的理解和应用能力。幼儿通过观察长城的外形和搭建长城的实践操作，对于几何形状的特性、长方形和正方形的关系有了更加清晰的认识，能够灵活地使用不同形状的材料搭建长城的结构。其次，丰富了幼儿使用各种材料和技术工具的经验，幼儿在活动中使用了多种工具和材料，包括牙膏盒、纸箱、即时贴、木棍、彩泥、透明胶、双面胶、剪刀、手工纸、热胶枪、打孔机等，促进了技术工具使用经验的发展。再次，形成了初步的工程思维萌芽，在活动中，幼儿遵循确定目标设计方案制作作品的工程设计过程对问题进行分析和处理，基于工程设计目标思考和设计长城的具体结构。在建造的过程中，逐渐养成了依据设计图进行制作的习惯，使制作的内容和方案设计保持一致。最后，增强了艺术表现力，幼儿通过对长城外观的装饰、长城设施的精心设计和布置，发展了自身的审美认知和艺术表现力。（2）真实情境激发了幼儿学习的兴趣和热情。幼儿在活动中设计和建造了多种主题的长城，包括长城游乐场、长城博物馆和长城集市。这些主题融合了幼儿自身的生活经验和兴趣表达，充分激发了幼儿的学习热情。在活动结束的访谈中，超过百分之八十的幼儿表示对活动非常感兴趣或比较感兴趣（表 5）。表 5 幼儿对于“长城建造师”活动的兴趣水平感兴趣程度非常感兴趣比较感兴趣有一点感兴趣没有兴趣幼儿人数13520比例67%25%8%0（3）循环递进的学习过程促进了幼儿的反思。ED-ES 模式的原型中设置了优化改进的教学步骤，引导幼儿对初步完成的作品进行交流和测试，发现设计和制作中的不足，并加以优化改进，观察发现，这对于提升幼儿的反思意识，发展幼儿的问题解决能力具有一定的促进作用。例如，长城博物馆小组在试运营活动时，发现了作品存在的问题，并进行了改进：幼儿 C1：我们的展品太多了，如果都放上去，太杂乱了。幼儿 C4：我们把它们排排整齐吧。幼儿 C9 整理了一下展品，发现还是排不下。C1在观察了教室里的玩具展柜后，说：“我有一个好办法，我们可以做一个小桌子放在博物馆里，这样就有两层了，上面下面都可以放东西。”小组成员同意了这个想法，兴致勃勃地做起了小桌子。与此同时，第一轮教学迭代也显示出一定的问题，主要体现在部分幼儿在设计和制作的过程中，呈现出茫无头绪，缺乏明确的问题解决思路的状况，表现为或是缺乏自主思考，只能简单地模仿现成的范例，或是天马行空，随性而为，设计和制作的内容脱离活动的主题。针对这一状况，研究者对 ED-ES 模式的原型进行反思：在 ED-ES 模式中，工程设计目标是幼儿最终要达到的结果，教学的各个步骤都应和工程设计目标形成紧密的联系。而在模式原型中，确定目标只是教学步骤之一，工程设计目标只和明确问题、设计方案两个步骤有关联，而和其他教学步骤缺乏直接的联系，这可能是造成幼儿在活动过程中缺乏目标导向，产生茫无头绪现象的主要原因。建造长城制作和测试以小组方式，根据设计方案，合作完成长城的建造个别化活动40分钟/次，共 12 次长城试运营优化改进测试长城的功能，发现设计和制作中存在的不足和问题根据测试结果，修改或重新制作个别化活动40分钟/次，共 3 次长城开放日交流分享各小组分享最终完成的长城，介绍设计和制作的特点对其他小组的作品进行评价集体教学40 分钟续表 445总39卷3.对教学模式原型的修订基于对第一轮教学过程的反思，对 ED-ES模式的原型进行调整：将工程设计目标调整为模式的中心，而不再只是教学流程中的一个步骤。ED-ES 模式的其他各个步骤与工程设计目标形成紧密的关联，并围绕工程设计目标而展开。如在明确问题这一阶段，教学活动的重点是确定工程设计目标；在设计方案、制作和测试的阶段，方案的设计和作品的制作紧密结合工程设计目标；在优化改进阶段，判断作品是否需要改进，以及如何改进应以工程设计目标为参照标准，而最后在交流分享阶段，也将工程设计目标作为作品最终评价的准绳和依据。（三）第二轮迭代研究1.设计与实施第二轮活动的主题是“搬家大挑战”，活动的内容是幼儿园的建构室面临搬迁，幼儿需要为建构室中不同大小、形状和特性的积木设计和制作相应的搬家车，完成搬家任务。活动中包含了丰富的 STEM 元素（图 6）。活动分为四个单元，分别是设计搬家车、制作搬家车、测试搬家车和完成搬家任务，具体的实施过程见表 6。图 6 “搬家大挑战”活动中的 STEM 元素表 6 “搬家大挑战”的教学过程单元活动ED-ES 模式步骤活动内容教学形式时间安排设计搬家车明确问题创设情境，了解需要完成的搬家任务，激发幼儿兴趣明确项目的驱动性问题“如何设计和制作适合搬运不同类型积木的搬家车”和活动目标集体教学40 分钟设计方案确定可以使用的材料讨论搬家车的不同方案画出搬家车的设计图制作搬家车制作和测试以小组方式，根据设计方案，合作完成搬家车的制作个别化活动40 分钟/次，共 12 次测试搬家车优化改进测试制作的搬家车的效果，发现存在的不足和问题根据测试的结果，修改或重新制作个别化活动40 分钟/次，共 3 次完成搬家任务交流分享各小组分享制作的搬家车，并进行积木搬运的演示各小组对彼此作品进行互评集体教学40 分钟吴振华，黄立安：基于设计的幼儿园 STEM 教学模式构建研究科学数学工程技术测量积木和小车的大小和尺寸点数积木的数量完成搬家车的设计图理解物体的功能和结构之间的关系解释和介绍设计作品的特点能运用各种工具和不同材料来制作搬家的车仔细观察不同货车的外形和特点46陕西学前师范学院学报2023年第8期表 8 幼儿对于“搬家大挑战”活动的总体感受和收获总体感受活动的收获人数部分幼儿访谈记录非常的有兴趣，非常好玩愉悦的体验5幼儿 C4：我很有兴趣，因为我喜欢做东西幼儿 C11：虽然做了很久，但是看到最后的作品，我就不觉得累了活动的趣味性7幼儿 C6：我觉得和小朋友们一起做汽车很有意思自我效能感提升8幼儿 C1：我觉得我们的小车是最好的幼儿 C2：我觉得做出来的小车很好，我觉得我很厉害2.评价与反思与第一轮活动相比，ED-ES 模式第二轮迭代的教学效果有了进一步的提升，具体表现在以下几个方面。（1）以工程设计目标为核心，形成了更加清晰的问题解决方案。修订后的 ED-ES 模式强化了工程设计目标的中心位置，使其与教学活动中的每一个环节形成紧密联系。如在明确问题阶段，教师带领幼儿来到建构室，引导幼儿仔细观察不同积木的特点，对要完成的搬家任务形成初步的认识；然后组织幼儿搜集常见货车的图片，了解货车的不同类型和功能，并将其与需要搬运的各种积木相互对照，形成初步的设计构想。在这一阶段中，幼儿基于观察和信息搜集形成明确的工程设计目标，为整个活动奠定扎实的基础。在方案设计和作品制作阶段，教师引导幼儿从目标入手进行思考，不断提问自己：“我们这样设计/制作搬家车的目的是什么？它能不能帮助我们更好地搬运方块/圆柱/条形积木？”从而使幼儿对于工程设计目标的认识日益清晰，问题解决的思路和方案也逐步明确。第二轮活动的访谈数据显示，通过ED-ES 模式的修订，幼儿在 STEM 活动中的目标意识显著提升（表 7）。表 7 幼儿在两轮迭代中的目标认识水平对比活动对于目标的认识非常清楚比较清楚基本清楚不清楚长城建造师活动开始幼儿人数05312比例0%25%17