阮武林
华东师范大学第一附属中学 200086
摘要：为培养学生综合素养和创新设计素养，探索STEM教育在通用技术教学中实施策略，构建了系统思维下的教学内容组织策略、“理论分析、技术制作、试验探究”相结合的教学实施策略、“性能优化”的创新设计递进策略、“性能量化”的教学评价策略，教学实施表明，策略对学科从技术操作学习向技术设计学习转变有积极意义，能有效培养学生综合素养和创新设计素养。
关键词：STEM，通用技术，综合素养，创新设计
随着时代的发展，学生综合素养和创新设计素养成为未来人才越来越重要的素养，《普通高中通用技术课程标准（2017）》将技术意识、工程思维、创新设计等五大核心素养作为学科核心素养[1]，本质上也是强调了学生综合素养和创新设计素养的培养。然而，受传统惯性思维束缚，学生综合素养、创新设计素养的培养是学科教学的瓶颈，笔者以高中通用技术智能车教学为例，尝试开展STEM教育在高中通用技术教学中实施策略研究。
一、STEM理念下的智能车教学现状
智能车即简易轮式机器人，是中小学STEM教育研究常用的载体，国内研究主要聚焦在机器人项目开发、教学活动设计等领域，例如研究者从机器人开发视角，将某机器人项目分解成若干子项目，指出STEM“融合”理念下的机器人教学，能增强学生机器人学习兴趣，提高学生物理、信息技术、英语等学科学习积极性 [2]；也有研究者从机器人教学活动设计角度，提出了本体性知识学习为主的教学活动模式、问题解决教学模式和基于项目管理的三种教学模式[3]。国外研究侧重机器人课程体系的建构，例如美国卡耐基梅隆大学，将机器人学、数学、项目教学融合在工程项目中，形成了从小学到大学的机器人课程体系,强调课程分层实施、教学单元之间的有机联系 [4]。
以系统眼光来看，已有研究主要从技术系统外进行STEM融合，没有从技术系统内容进行“融合”，难以真正从理解层面激活学生联系已学科学、数学知识进行技术活动。 笔者认为高中通用技术教学中的STEM教育还可以立足技术学科特点，以“工程模式”开展，突出工程实践的目的性，科学、数学知识作为指导工程实践的原理和方法。基于通用技术课程标准内容要求，笔者尝试从技术系统内部设计，结合“结构与设计”、“流程与设计”、“系统与设计、“控制与设计”学习内容，让学生感悟现实世界科学、数学知识的作用，达到学科培养学生综合能力和创新能力的目标。
二、STEM教育在通用技术教学中的策略—以智能车教学为例
“教学策略是在特定的教学任务中，为提高教学的实效性，根据教学条件的特点，对教学任务的诸要素进行系统谋划，以及根据谋划在执行过程中所采用的具体措施，教学策略应从全局性、组合性和灵活性来把握[5]。以智能车教学为载体，本研究主要聚焦内容组织、教学实施、创新设计、教学评价四个方面构成智能车教学策略。
1.“系统思维”下的智能车教学内容组织策略
智能车作为高中通用技术《单片机自动控制技术基础》学习载体，教学目标主要是：了解单片机自动控制在生活和生产中的广泛应用，初步学会编写简单的控制程序，初步学会用单片机设计、制作一件自动控制作品，并完成安装和调试 [9]，在课程标准指引下，教材以多个不同项目载体来组织单元教学内容，例如上海市科技教育出版社高二教材中，以单片机发射40KHZ的信号来学习单片机技术的软件编程，以“自动夜明灯控制系统的开发”来学习单片机自动控制系统的控制程序；以“自动跟踪光电小车的设计与制作”来学习单片机作品的应用设计，笔者看来三个项目主要从技术层面，通过控制系统输入部分的复杂性来组织教学内容，技术设计内容凸显不明显，也没有从学科的综合性特点，将科学、数学等知识融入到单元内容组织中，与学科对学生综合性、创新性培养目标有一定距离。
多学科知识融入是为解决特定问题或实现某种功能，技术设计是解决技术问题的核心环节，技术创新设计是为更好的解决问题或实现某种功能，基于原有教材思路，联系新课程标准对学生核心素养培养要求，笔者将智能车项目联系真实情境，升级为“自动分发材料的智能循线车”项目，并按“结构决定功能”的系统思想，将“自动分发材料的智能循线车”分机械部分、单片机硬件部分和单片机软件部分，机械部分侧重结构设计，而结构设计需要调动学生已学力学知识，如电机与万向轮之间的距离设计、小车电池安放位置、材料放置位置设计等都与结构的稳定、强度有关；单片机硬件和软件部分侧重控制设计，而控制设计中的开、闭环控制和数学建模知识有关。智能车硬件与软件部分还进一步由浅入深，如图所示，按功能块细分为电源子系统、指示灯控制子系统、电机驱动控制子系统、传感器控制子系统和提示子系统。总之，紧扣自动分发材料智能车的功能，以逐层细化的策略来组织智能车教学内容。
2.“理论分析、技术制作、试验探究”相结合的教学实施策略
侧重技术操作而弱化技术设计的学习，难以调动学生思维的主动性，难以培养学生技术活动中“手脑并用”的习惯，技术设计和技术操作是技术活动两个重要组成部分，对培养学生的技术素养缺一不可，技术设计重在分析、重在融合多学科知识设计，技术操作是实施技术设计方案、制作模型或原型的过程，但完成模型或原型制作并不代表技术活动的结束，还需要技术试验，以检验、优化技术设计方案。为此，智能车项目，笔者形成“理论分析、技术制作和实践探究”相结合的教学实施策略，例如，在智能车结构设计时，设问：为让小车转向灵活，万向轮的安装位置是靠近两个电机近点还是远点？并引导学生运用力学知识思考，写下自己的选择及理由；然后在学生制作好智能车后，再让他们选择另一方案进行试验，观察两种方案小车运动情况，最后让学生对比理论分析和真实试验结果，用理论解释试验结果。又例如，在电池和分发材料在智能车底盘安装位置上，设问配重物件是应该靠近电机位置还是远离电机位置，教学发现，理论分析阶段，大部分学生不知道怎样应用杠杆原理进行设计，不少学生甚至得出错误的设计方案，而在真实情景中试验、探究对比，获得了正确结果后，实践经验可以检验、修改他们设计方案时的理论分析思路，最终找到科学知识在技术设计中的落脚点。
3.“性能优化”的创新设计递进策略
连续几年，笔者对刚入学高中近百名学生问卷调查，发现大部分学生认为增加作品功能是主要的技术创新方式。前苏联工程师、发明家阿奇舒勒提出发明问题解决理论，即TRIZ理论，阿奇舒勒认为从技术角度来看，一项创新通常表明完全或部分地克服一个技术矛盾，判断一个产品或一项技术是否具有创新性，其创新的程度有多高，更重要的是要识别出该产品或技术的创新的核心是什么，取决于解决现有技术系统中存在矛盾的方式，为此他提出了一种评价创新的标准，并将发明分为五个级别：第一级发明是对技术系统的简单改进，是级别最低的发明；第二级发明用本行业内现有的技术方法小幅度的提高现有技术系统的性能；第三级发明用同一学科其它行业的技术方法从根本上大大提升现有技术系统的性能；第四级发明用跨学科领域的原理全面升级现有的技术系统，属于大发明；第五级发明通过发现新的科学现象或新物质建立全新的技术系统，推动全球的科技进步[6]。
根据阿奇舒勒定义的创新发明五个级别，可以看出刚进入高中的大部分学生创新设计水平停留在第一个层次，需要向更高层次发展，同时在五个级别的创新发明中，也看到了STEM理念的影子。我国教育技术专家祝智庭先生认为TRIZ方法可以作为STEM教育和创客教育的通用方法，而学科“创新设计”素养与创客教育目标有共同的追求，《普通高中通用技术课程标准（2017）》中重点强调的 “设计与流程”、“设计与结构”、“设计与系统”和“设计与控制”四部分内容，与阿奇舒勒创新发明的五个级别也是相呼应，倡导从优化技术系统角度进行创新设计，可见高中阶段，急需从技术系统内部培养学生的创新设计意识，因此在智能车教学项目中，笔者提出“性能优化”的创新设计递进策略，例如，从性能优化角度，设问如何让小车更稳、更准、更快自动分发材料，学生需要修改设计方案，更精准的设计小车的机械结构和控制策略，而精准设计自然需要物理、数学知识的融入，教学发现“性能优化”的递进策略能促进学生对创新设计内涵的理解，感悟科学原理和数学知识的重要性；有趣的是，当继续追问智能车一定要“快”吗？学生会从人文角度对智能车 “稳、准、快”性能进行权衡选择，进一步培养学生工程思维和技术意识，实现教学目标的最大化和核心素养的全面发展。
4.“性能量化”的教学评价策略
促进学习是教学评价的作用之一，传统劳动技术教学侧重作品的“质性评价”，如评价功能、外观等，然而从技术与环境、资源、可持续发展关系来看，还需要从工程思维角度进行效益、效率的“性能量化”评价，启发学生大胆想象、追求卓越，不断创新优化设计方案。“性能量化”的教学评价策略不仅要求继承已有“质性评价”，还需要从性能角度进行量化评价。例如在智能车循线中，不仅要求功能上完成小车循线，还从性能上提出循线的速度、稳定、准确三个指标，将智能车性能和学生生活中熟知的家用轿车性能联系在一起，“性能量化”的评价由于具有客观性和直观性特点，有利于学生自我评价和生生对比，客观上形成一定的学习竞争氛围，促进他们朝着更高的设计目标前进，教学中学生会在机械机构、控制方式、程序算法中选择一个方向去设计，甚至有部分学生拓展到课外，自主研究微积分、PID控制算法大学知识，将这些知识深度融合到智能车性能优化上。“性能量化”的教学评价策略，让学生在项目教学中，从技术产品系统内部，真正理解科学、技术、工程与数学的关系，从而在多学科知识“融合”的基础上发展系统思维，这也是我国学生思维层面缺乏的重要部分。
三、策略实施结果
笔者选择一个班进行准实验研究，策略实施后，笔者对部分学生访谈，学生表示通过智能车项目学习，让自己真正理解了科学、数学在工程技术中的作用，甚至有学生说“智能车学习，让自己找到了未来大学专业选择”；也有学生表示“通过计算机程序设计可以控制小车硬件的工作，感到是一件很神奇的事情，自己也将在这方面努力”。
同时以问卷调查方式了解学生对设计的一般过程、创新设计理解和创新设计方法相关认识变化情况，部分问卷结果如下：
表一是 “你知道作品设计得一般过程吗？”数据表明，在智能车项目中，学生对作品设计的一般过程了解程度，比较清楚和很清楚的人数和，从33.34%上升到70.92%，教学效果显著。
表一 你知道作品设计的一般过程吗？（单选）
表二是“你知道如何让自己的作品更有创意吗？”数据统计结果表明，比较清楚和很清楚的人数比例和从27.78%上升到91.3%，教学效果显著。
表二 你知道如何让自己的作品更有创意吗（单选）
表三是“你觉得以下哪些方面可以去创新设计作品”数据统计结果，表明越来越多的学生倾向于通过改变作品结构、运作其它学科知识、改变作品控制方式实现作品创新，而通过“增加一些功能”的人数在减少，这与将结构与设计、控制与设计融入到智能车教学内容中有直接关系，表明学生已经习得了通过优化技术系统进行创新设计的方法意识。
表三 你觉得以下哪些方面可以去创新设计作品(多选)
总体来说，通过教学实施， 表明本构建的STEM教育在通用技术教学策略具有可行性，对学科从技术操作学习向技术设计学习转变有积极意义，能较好地培养学生创新设计素养和综合素养。同时，课堂教学中发现，教学培养学生的综合素养和创新设计素养，需要教师小步前行，给予学生充分思考、讨论和试验的时间和空间，此外，本研究基于一个班25人小样本开展的准实验研究，还需要进一步扩大范围，进一步细化策略。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准[M]（2017）.北京：人民教育出版社，2017
[2]张丽芳.基于STEM的Arduino机器人教学项目设计研究[D].南京：南京大学，2015
[3]王娟.STEM整合视野下的机器人教学活动设计[D].温州：温州大学，2014
[4]王娟,胡来林,安丽达.国外整合STEM的教育机器人课程案例研究[J].现代教育教学，2017（4）
[5]尹少淳.初中美术教学策略[M].北京：北京师范大学出版社，2018
[6]李海军，丁雪燕.经典TRIZ通俗读本[M].北京：中国科学技术出版社，2009