企画・推進（STEAM優秀事例）

優れたSTEAMケース

本稿では、STEM学校ベースのカリキュラム「環境に優しいクリーナーの設計」の構築を例に、カリキュラム構築において学生のエンジニアリング意思決定思考、エンジニアリング設計思考、エンジニアリング実装思考、エンジニアリング消費思考をどのように育成するか、つまり、学生が実際の生活状況で疑問を提起することを学び、製品設計における問題の分析方法を理解し、探索的実践で問題を解決でき、成果の促進において価値認識を達成できるように育成する方法を研究します。

エンジニアリング思考トレーニングに基づくカリキュラム開発

このコースでは、「環境に優しいクリーナーの設計」をプロジェクト研究の主軸としています。教育課程の概要の構築、教育課程の目標の決定、教育課程の内容の設計、教育課程計画の策定、教育課程の評価の策定などの措置を通じて、学校ベースのコースの実施を促進します。実施プロセスでは、図3に示すように、学校ベースの教材の編集、教育リソースパッケージの改善、教育実践の議論を促進し、徐々にSTEM学校ベースのコースを構築し、エンジニアリング思考を育成します。

このコースでは、実際の水質汚染とそれが人間や生態系に与える影響を背景として紹介され、環境に優しい洗剤の使用が環境水資源の保護に役立つことを学生に理解させ、環境に優しい洗剤を理解して作ろうとする意欲を喚起し、プロジェクトベースのタスクベースの学習を実施します。このコースは12のレッスンに分かれており、「クリーナーを理解する」や「説明書の書き方を学ぶ」などの中国語科目、「下水処理場を見学する」などの総合的な実践活動、「体積の単位を理解する」や「興味深い数学的比率」などの数学科目、「環境に優しいクリーナーの設計」、「環境に優しい洗浄石鹸を作る」、「水に隠された小さな秘密」などの理科科目、「自動感知クリーナーデバイス」などの人工知能、「実践的なパッケージデザイン」などの美術科目、「環境クリーナー」などの英語科目、「計画とプロモーション」などの道徳と法の支配科目をカバーしています。このコースは、幅広い科目、豊富なコンテンツ、幅広いトピックをカバーしており、学生がエンジニアリング思考をよりよく発達させるのに役立ちます。

状況を作り出し、疑問を投げかけ、エンジニアリングの意思決定思考を養う

エンジニアリング思考活動の基礎はエンジニアリング意思決定です。工学的意思決定思考とは、疑問の提起、計画の立案、計画のテストと評価などの活動における思考方法とプロセスを含む、工学的意思決定行動における人々の情報処理活動を指します。教師は、学生の特性と活動の目的に基づいて、無視されている現象や生活で遭遇する困難な問題、興味深い現象や解決する必要がある問題など、学生の興味を引き付けやすく、思考を刺激し、理解を促進するような実際の状況を作り出す必要があります。現実の状況に基づいたコースを作成することで、生徒は感情的な共感を持つことができます。学生は、実際の状況で活動の目的、意義、環境、分担、実施などを確認し、エンジニアリングの意思決定思考をより向上させることができます。

たとえば、「環境に優しいクリーナーの設計」コースの最初のレッスン「クリーナーの理解」では、コース開発チームがマイクロビデオを使用して、世界中の何千ものビーチが汚染のために毎年閉鎖されているという実際の状況を再現しました。大雨が降ると、ゴミ、化学物質、動物の排泄物など、さまざまな汚染物質が水中に流れ込みます。産業廃水、生活排水なども人々の生産や生活に大きな影響を与えています。汚染物質との接触は、身体的な病気や怪我を引き起こす可能性があります...教師は、手洗い、入浴、洗濯、家事などの生活の場面の写真を使用して質問します。掃除の過程で、人々はしばしば洗剤を使用しますが、これらの洗剤のほとんどは化学的に合成されています。それらは身体や環境にどのような影響を与えるのでしょうか?このような現実の存在や人生で直面する現実の問題が、学生の探究心を大いに刺激し、洗剤に対する理解を深めるきっかけとなります。教師は、調査、グループディスカッション、学習、コミュニケーションを通じて、洗剤の影響と危険性についてさまざまな角度から考えるように生徒たちに求め、環境に優しい洗剤を設計するという大きな課題を提案しました。タスクの目標: 環境に優しい洗剤を設計し、その使用を促進する。学生たちはグループに分かれて計画を立て、計画の実現可能性や習得すべき関連知識を繰り返し検討し、その過程で学生の工学的意思決定思考を効果的に養いました。

製品を設計し、問題を分析し、エンジニアリング設計思考を刺激する

エンジニアリング設計はエンジニアリング思考活動の魂です。エンジニアリングデザイン思考とは、エンジニアリングの意思決定段階で作成された計画を改良し、活動中に発生する可能性のある問題を分析し、問題を解決するための対策を設計し、起こり得る障害を予測することを指します。この種の思考が直面する主な機会は、デザインにおける意思決定思考、工学的生態環境についての思考、デザインにおける美学についての思考、デザインにおける工学的合理性についての思考など、潜在的な可能性と実際の実現可能性の変革です。

エンジニアリングデザイン思考とは、簡単に言えば問題を解決するための思考プロセスです。 「環境に優しいクリーナーの設計」という研究課題と計画を決定した後、コース開発チームはエンジニアリング設計を開始しました。起こりうる障害を解決するために、このコースでは、「体積単位の理解」と「興味深い数学的比率」という 2 つのレッスンを設計し、学生が体積単位や比率の概念などの数学的知識を理解できるようにし、洗浄剤の設計における「変数制御」の障害を取り除きます。 「水に隠された小さな秘密」というレッスンは、生徒が水質を学び、TDS 含有量を理解し、環境に優しい洗剤の製造に関する科学的根拠を得るのに役立ちます。工学設計の実現可能性を考慮し、教師は繰り返しの実験、比較、再実験を通じて生徒を指導し、生徒が問題を解決するための最適な戦略を見つけ、問題解決スキルを身に付けられるように支援します。各計画の使用量、比率、異なる水源を注意深く比較する過程で、学生たちは、異なる溶解性物質には異なる洗浄効果があり、溶解性物質の含有量が少ない水で作られた洗剤の洗浄効果が優れていることを発見しました...プロジェクト実施の基礎を築きました。実験中、生徒は知識を広げ、実験能力を向上させるだけでなく、さらに重要なことに、数学の厳密さ、科学的探究、エンジニアリング設計思考の発達に深く影響を受けます。

実践を探求し、問題を解決し、エンジニアリング実装の考え方を養う

プロジェクトの実施では、学生は設計されたソリューションを実装し、実装結果を評価および要約し、設計計画やその他のステップを改善して、循環的な操作と思考を実行する必要があります。教師は生徒の進捗に応じて活動プロセスを柔軟に把握する必要があります。エンジニアリング実装思考には、思考モード、使用価値、規範、心理学の 4 つのレベルの統合と再構築が含まれます。

カリキュラム開発チームは、「エンジニアリング思考自己学習振り返り評価」や「エンジニアリング思考学習課題遂行能力評価」などの評価フォームを設計しました。生徒は各授業で、何を学んだか、何を学んでいないか、今後も注意したいこと、まだ疑問が残っていることなど、自分自身を振り返ることが求められます。生徒は各探索練習を評価して要約し、計画を調整して再度練習します。たとえば、5 番目のレッスン「環境に優しい洗剤の設計」の指導の焦点は、洗剤の除去実験を行えること、洗剤の量によってもたらされるさまざまな結果を理解すること、変数を制御することを学ぶこと、環境保護の価値と重要性を把握することです。工学設計の段階で学生が構築した環境に優しいクリーナーを作るための知識フレームワークに基づいて、設計計画の実現可能性分析と研究に基づいた実践的な検証も行いました。学生たちは自主学習、反省、評価を通じて、解決すべき問題は水の選択であり、水、重曹、酢などの環境に優しい原材料の比率が最良の洗浄効果を達成できるかどうか、そのpH値が基準を満たしているかどうかなどの問題を発見し、実験で継続的に最良のデータを取得しました。複数の設計ソリューションの探索プロセス、実装結果の評価、設計ソリューションの改善を体験した後、学生は反復的な思考を習得し、エンジニアリング実装の思考を養うことができます。コースの開発と設計が最終的に学生のエンジニアリング思考と学習タスクを完了する能力を育成できるかどうかについては、表 1 に示す評価フォームを使用して、エンジニアリング実装の有効性を総合的にテストできます。

成果を促進し、価値を実現し、エンジニアリング消費思考を促進する

プロジェクトが完了したとき、その価値はまだ潜在的なものであり、可能性という意味でのみ価値があります。完了したプロジェクトが消費段階に入ることができない場合、プロジェクトの価値は未実現価値となります。

エンジニアリング成果の消費プロセスは、エンジニアリング消費コミュニティがエンジニアリング成果を解釈し、再構築するプロセスでもあります。教師と生徒の共同の努力により、環境に優しい洗剤、環境に優しい洗浄石鹸、自動感知洗浄装置が開発されました。では、消費者価値を実現するために、製品をどのように宣伝し、促進すればよいのでしょうか?コース開発チームはまた、「実践的なパッケージデザイン」、「環境クリーナー」、「企画とプロモーション」など、美しい視覚効果を実現する製品パッケージデザインを実行することを目的としたコースも設計しました。厦門は非常に包括的な国際都市です。海外とのコミュニケーションや宣伝は英語から切り離すことはできません。英語で生徒の成果を宣伝する製品をデザインすることで、生徒の国際的な視野と異文化コミュニケーションがよりよく育まれます。 「企画・プロモーション」は、私たちがデザインした商品がより多くの人に理解され、使われ、消費者に認知され、持続可能で価値のあるものとなることを基本としています。これには、学生のエンジニアリング消費思考を育成することが必要です。学生は、大衆の消費概念、市場競争圧力、公共検査効率を調査して理解し、常識再構築と公共日常言語再構築を行う必要があります。このプロセスは、成果を促進し、その価値を実現するプロセスであるだけでなく、製品の再修正と再開発のプロセスでもあり、学生のエンジニアリング消費思考の発達も促進します。

出典: CNKI

記事の元のタイトルは、「工学的思考の育成に重点を置いた STEM 学校ベースのカリキュラムの構築 - 「環境に優しい洗浄剤の設計」を例に」ですが、一部削除されています。

著者：ホン・イン 厦門市思明区教育監督評価事務センター

転載元：STEAM Teacher

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元のタイトル: 「優れた STEAM 事例 | 環境に優しいクリーナーの設計」