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用系统性思维开展STEM创客教育

麻省理工学院媒体实验室主任伊藤襄一在《爆裂》一书中描述了自己对未来的看法,指出了未来的三个特点,即不对称性、复杂性和不确定性。这次新冠疫情的出现和发展就很好的诠释了这三个特点,具体悠爸在这里就不展开了,有机会另起文章再聊。今天的重点是谈谈“复杂性”。

今天我们大家谈的复杂性主要是指当下的知识体系非常复杂,不是单一维度的,而是跨学科的。我们常常听到的时髦词“跨界”和“融合”就来源于此。STEM教育的目标就是要培养能解决复杂性问题的人才。现在大家都知道STEM是科学、技术、工程和数学的英文首字母缩写,最近几年还增加了一门艺术,变成了STEAM。单纯去做这样一个项目其实不难,找一个需要一些机械搭建、需要一些编程、需要做一些计算、需要懂一些科学原理的项目,你就可以说我做了一个STEM项目。

然而,在这个过程中,孩子真正学到了多少?在教学中要如何做才有可能让受教育者真正培养出解决复杂性问题的能力呢?不说现在很难找到这样的老师精通这四大科目,即使我们能找到这样的老师,问题就解决了吗?教学过程中的引导、融合、质疑、反馈、动手操作的细节如何把握,如何保证学生在这个过程中真正受益,得到成长,这些对开展STEM教育的老师和个人来说都是一个个不小的挑战。

悠爸在教育悠宝的过程中也是在不断地学习和尝试。得益于在咨询行业和外企的职业经历,悠爸逐渐发现系统性思维在STEM教育中的巨大作用。每个企业都有它的优势和不足,咨询行业和外企也不例外,存在很多不足,然而这两类企业里流程之多,可能是在其他类型企业里工作的朋友不能想象的。悠爸工作多年最大的收获就是从这些企业学习了如何定义系统性的、可操作的流程、方法论和最佳实践。企业员工按照这些流程和方法论去开展各自业务条线的工作,出来的结果一般不会偏离预期值太远。如果遇到一个新的复杂问题,通常的做法不只是去解决这个问题,而且会复盘分析这个问题,如果它不是偶发的问题,未来还可能会碰到,通常又会定义一套新的流程用于未来规避或者解决这个已经出现过的问题,同时新进员工也可以通过学习和了解这套流程快速上手工作。因此在这些企业中,特别强调员工的自我管理、自我学习和DIY的能力,在这种环境下训练出来的系统性思维方式对复杂项目的管理非常有效。

悠爸今天就借这次疫情期间在家完成的一个STEM项目—可穿戴仿生手套和机械手,说说这种系统性思维在STEM教学中的应用。

用系统性思维开展STEM教育

顺便说一句,这个项目不是悠爸发明的,悠爸只是在研究STEM教育的过程中接触到了美国的Hacking STEM项目,然后托朋友从美国加州订购了部分材料回来自己搭建的,其中也有些电器元件是国内某宝上购得的。

这个可穿戴仿生手套和机械手项目涉及的学科知识有生物学、机械工程、电子电路、软件工程、数据科学和数学。如果对应到职业角色,自然就包括机械工程师、软件工程师、电气工程师和数据科学家。

对于这样一个复杂的项目,在开始之前,作为教师,要从整体上思考教学的方案,最好准备好三份文件:教学计划、材料清单和活动清单,这样才能在整个教学过程中有的放矢,引导孩子有序有效的完成整个项目,否则很大几率中途夭折或者学生只是按图索骥,学习效果大打折扣。而三者之中,教学计划又是相对复杂一些的,因此悠爸就以教学计划为例来讲讲如何系统化的开展STEM教学,这套方法即使以后换其他的STEM项目依然适用。

教学计划

每一个STEM项目都应该有明确的教学目标,教学目标应该清晰明确的写在教学计划的开篇,使参与到该项目中的教师和学生都清楚为什么做这个项目以及要达到什么成果。

总目标

将人体解刨学和设计思想相结合,利用21世纪的科学、工程学和计算机科学技术收集数据并将数据以可视化的形式展示出来以达到理解人体生物力学和机器人科学之间关系的目的。

总目标定义好之后,还需要把总目标分解成子目标以保证在教学过程中可操作、可检验、可评估。

子目标

学生需要在指导下创建和校准一幅可穿戴仿生手套和机械手;

学生需要在指导下开发出一套解决方案,利用可穿戴手套上的传感器收集的数据优化机械手的性能,理解人体生物力学和机器人科学之间的关系

学生活动大纲

定义好目标和子目标后,接下来就要定义学生的活动大纲:

学生要分别亲身体验电气工程师、机械工程师、软件工程师和数据科学家的四种角色,理解这些职业的特点和工作内容;

学生要学习人类手的解刨学结构和生物力学的关系以辅助设计搭建机械手模型;

学生要制作一只传感器手套以控制机械手;

学生要分析传感器手套采集的数据来测试和改进机械手;

学生要记录项目进行过程中的ideas和发现

教学活动步骤

定义完学生活动清单后,接下来就是教师教学活动开展的详细步骤定义了。

Part1 预备知识

介绍项目的目标和内容,设计1-3个问题让学生思考和回答,如:什么任务机械手更适合去做,且会比人手做的跟好?机械手在什么场景下可以帮助到人类?根据学生的答案开展讨论;

Part2 人手解刨学模拟

a.学生在白纸上临摹手的形状,并通过互联网找到手的解刨学资料,画出手的骨骼关节机构,观察和对比自己的手和手指的活动;

b.鼓励学生先制作一只手指并测试、校准其活动能力;

c.鼓励学生思考如何通过增强关节来加强手指的活动力度;

d.分析和讨论过程中遇到的问题;

Part3 可穿戴手套和机械手设计、制作和调试

a.完成另外4只手指的制作;

b.完成整个手套的制作;

c.讲解电路连接方法,连接好电路、伺服电机和微控制器micro:bit

d.讲解Data Stream 使用方法,连接可穿戴手套,读取手指活动的生物力学数据并实时展示出来;

e.测试手套和机械手,分析数据与手指活动的关系;

f.分析和讨论过程中遇到的问题;

g.思考如何改进设计并再次测试

Part4 回顾与思考

a.为什么要研究和开发模拟人类运动的机器人?

b.为什么现在拟人机器人的研究提速了?

c.如果给你机会,你想把地球上哪个生物物种的能力集成到机器人身上?为什么?你打算怎么做?

d.从这个项目你学到了什么?

有了这样一份教学计划做指导,是不是觉得STEM教学活动的开展容易多了?不仅如此,悠爸还给各位准备了两个彩蛋,让你瞬间升级成为STEM教学的王者

彩蛋环节

在STEM项目中,通常有两个关键环节,设计和测试验证。在设计阶段,悠爸给大家介绍一个“Design Loop”流程,全世界的设计师和工程师几乎每天都在用这个流程解决实际的问题。下图就是 Design Loop。

针对每个不同的项目,STEM教师可以根据Design Loop开发出Design Loop Organizer Table 用来细化本项目的挑战以方便Design Loop 在实际项目中的操作和落地。

在测试验证阶段,也有相应的Testing Loop和Testing Loop Organizer Table.

写在最后

基于系统化思维的流程设计和方法论对于解决复杂问题是非常有帮助的,而STEM项目就是一个非常适合用系统化思维来开展的项目,希望悠爸的这次分享能给喜欢STEM项目的朋友一些启发,也欢迎同样对STEM教育感兴趣的朋友联系悠爸,大家一起探讨如何努力将孩子培养成下一代的复合型人才。

(悠爸说STEM)

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