通用技術(shù)高考設(shè)計(jì)題中STEM教學(xué)理念的滲透

詹鷹

摘 要：通用技術(shù)課程是STEM教學(xué)理論的實(shí)踐平臺(tái)。通過(guò)STEM理論對(duì)STEM教育的強(qiáng)國(guó)目標(biāo)及國(guó)內(nèi)發(fā)展進(jìn)行思考，以2018年4月份浙江省通用技術(shù)高考第15題設(shè)計(jì)題為例，闡述STEM教育的核心特征，即多學(xué)科綜合、趣味性、體驗(yàn)性、情境性以及協(xié)作性。從STEM理念之視角闡釋高中通用技術(shù)課堂的情境化教學(xué)及學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM教育理念;通用技術(shù);STEM教育的核心特征;多學(xué)科綜合

一、浙江省通用技術(shù)課程是STEM理論的實(shí)踐平臺(tái)

在筆者28年教學(xué)經(jīng)歷中，先后任教了科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)，而自身的大學(xué)專業(yè)又是機(jī)械工程（輕工機(jī)械），一直認(rèn)為這些僅僅是人生簡(jiǎn)單而孤立的多學(xué)科教學(xué)，而最近學(xué)習(xí)和思考STEM教育教學(xué)理念，告知我事實(shí)并非如此。

首先，STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程

（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，注重多學(xué)科的有機(jī)組合及交叉后的側(cè)重。因?yàn)椴皇呛?jiǎn)單疊加，所以能更好培養(yǎng)受教育者的綜合素質(zhì)，從而激發(fā)其創(chuàng)新的動(dòng)力，也從而提升其實(shí)踐能力。筆者以為，浙江省通用技術(shù)課程是該教育教學(xué)理念最好的開展平臺(tái)之一。

其次，STEM教育教學(xué)的重點(diǎn)在通用技術(shù)課程中體現(xiàn)在學(xué)生以下四個(gè)領(lǐng)域素養(yǎng)的提升中。第一，科學(xué)素養(yǎng)，即掌握科學(xué)知識(shí)，理解認(rèn)識(shí)自然、改造自然的過(guò)程，同時(shí)對(duì)違背科學(xué)的臆想給予批判，例如對(duì)永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、水變油的命題，可以運(yùn)用科學(xué)定理做出否定的結(jié)論。第二，技術(shù)素養(yǎng)，即運(yùn)用、處理、掌握技術(shù)的能力以及評(píng)估自身技術(shù)限制的素養(yǎng)。第三，工程素養(yǎng)，即對(duì)技術(shù)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)后期的制作環(huán)節(jié)的領(lǐng)悟、對(duì)技術(shù)設(shè)計(jì)制作方案優(yōu)化的素養(yǎng)。第四，數(shù)學(xué)素養(yǎng)，即洞察、明確、表述和處理各種狀況時(shí)牽涉數(shù)學(xué)內(nèi)容的素養(yǎng)。例如，投入產(chǎn)出比的數(shù)學(xué)建模能力，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的洞察力，明確問(wèn)題價(jià)值、解決處理方案的推演力。

最后，STEM教育教學(xué)在通用技術(shù)課程上的目標(biāo)是培養(yǎng)受教育者的STEM綜合能力。在目前全球化、知識(shí)即經(jīng)濟(jì)的變革時(shí)代，只有具備STEM綜合能力的人，才能夠贏得先機(jī)。STEM綜合能力是指受教育者在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)以及相關(guān)聯(lián)的范疇里，個(gè)體認(rèn)識(shí)自然、改造自然的能力，其是集科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)于一體，要求受教育者在對(duì)知識(shí)的充分理解和運(yùn)用的基礎(chǔ)上，將斷章碎片化的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合處理，并能夠從不同角度對(duì)不同領(lǐng)域的不同對(duì)象進(jìn)行全面探究的綜合能力。它是一個(gè)有機(jī)的整體，具有特定的外延和組合。

中國(guó)STEM教育教學(xué)理念的雛形，也許可以追溯到20世紀(jì)八十年代。在筆者大學(xué)求學(xué)期間，教育部就提出要培養(yǎng)綜合性人才，甚至在機(jī)械系里，會(huì)細(xì)化到“機(jī)電一體化”的提法，也許這就是改革開放30多年來(lái)我們國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力超越對(duì)手的重要因素。2016年教育部出臺(tái)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出，有效利用信息技術(shù)推進(jìn)“眾創(chuàng)空間”建設(shè)，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)意識(shí)、信息意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)思考習(xí)慣，具備重視技術(shù)規(guī)范、信息安全、遵守信息社會(huì)倫理道德與法律法規(guī)的素養(yǎng)。

如果大框架地去分析浙江省通用技術(shù)課程，其涵蓋了基礎(chǔ)工科的兩大基本領(lǐng)域：機(jī)械和電子;包含了現(xiàn)代三大理論，即系統(tǒng)論、控制論、信息論之二。在通用技術(shù)課堂中，講金工淬火，會(huì)涉及《金屬熱處理》;講結(jié)構(gòu)，會(huì)涉及《工程力學(xué)》;講強(qiáng)度，會(huì)涉及《材料學(xué)》;講JN6201，會(huì)涉及《電子工程》……所以，通用技術(shù)課程本身就具備多學(xué)科、跨學(xué)科、超越學(xué)科體系的綜合性特征?？梢哉f(shuō)，高中通用技術(shù)課程是STEM教育教學(xué)理論實(shí)踐的最佳平臺(tái)。

二、STEM教育的核心特征在浙江省通用技術(shù)高考設(shè)計(jì)題中的滲透

滲透是潛移默化，是潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲，是一種更容易被受教育者接受的方式，其內(nèi)容也更容易被轉(zhuǎn)化成受教育者的內(nèi)在技能。STEM教育教學(xué)，是以整合多學(xué)科綜合素養(yǎng)為前提，以靈活遷移的方式解決真實(shí)世界的問(wèn)題。筆者將借助浙江省2018年4月通用技術(shù)高考第15題設(shè)計(jì)題，闡述STEM教育的核心特征，即多學(xué)科綜合、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性，及其在浙江省通用技術(shù)高考設(shè)計(jì)題中的滲透。

2018年4月通用技術(shù)高考第15題設(shè)計(jì)題（題意）：小明要設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，把自行車支撐起來(lái)作為室內(nèi)健身器使用。設(shè)計(jì)要求如下：

（1）能穩(wěn)定支撐自行車，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)自行車保持不動(dòng);

（2）后輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)最好有一定的阻力，以提高鍛煉效果;

（3）結(jié)構(gòu)牢固可靠;

（4）材料自選。

（一）多學(xué)科綜合的特征

把知識(shí)體系按學(xué)科分類有助于分類后的模塊教學(xué)，然而，這往往不能夠反映真實(shí)世界的多樣性和趣味性，也往往容易偏頗或者導(dǎo)致某一領(lǐng)域的盲人摸象。因此，分科教學(xué)在科技及工程高度發(fā)達(dá)的中國(guó)早顯現(xiàn)出弊端。為此，理工科教育出現(xiàn)了增加綜合學(xué)科，局部取消分科，進(jìn)行多學(xué)科整合的教育趨勢(shì)。例如2019年交大就新增了AI專業(yè)，它就是整合了《機(jī)械》《計(jì)算機(jī)》《電子控制》《大數(shù)據(jù)處理》等多學(xué)科。STEM教育教學(xué)的應(yīng)運(yùn)而生，其中多學(xué)科綜合是它最重要的核心特征。多學(xué)科綜合在此考題中得到了高度體現(xiàn)。首先，考題中“后輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)最好有一定的阻力，以提高鍛煉效果”，涉及物理的摩擦阻力學(xué)、鏈傳動(dòng)和動(dòng)力學(xué)，在這里考生需要考慮到采用橡膠棒與后輪胎的摩擦產(chǎn)生阻力，以實(shí)現(xiàn)提高鍛煉的效果。其次，“能穩(wěn)定支撐自行車，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)自行車在原地保持不動(dòng)”，要求考生思考工程力學(xué)中的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又會(huì)涉及材料學(xué)，而材料的選擇又必須要求滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。所以，考生要考慮選擇角鋼為支架材料，或者為了進(jìn)一步美觀，可以對(duì)角鋼進(jìn)行噴漆等表面處理，也可以選擇不銹鋼材料。然后，尺寸上，支撐結(jié)構(gòu)的高度尺寸必須與自行車后輪半徑350配合，其支撐結(jié)構(gòu)的合理尺寸將再一次從STEM理念的跨學(xué)科性這一核心特征展開，否則細(xì)節(jié)上會(huì)導(dǎo)致裝置的多處設(shè)計(jì)不符合要求，例如，數(shù)學(xué)上的演算：架空對(duì)支架的高度尺寸計(jì)算（支架總高度要大于350，因?yàn)檐嚭筝啺霃綖?50）;數(shù)學(xué)計(jì)算用于支撐后輪軸的槽口寬及深度。但是，若支架總高為600，那又將是過(guò)高，因?yàn)檫^(guò)高將影響鍛煉時(shí)的重心高度，從而降低穩(wěn)定性這一技術(shù)學(xué)科要求。所以最終比較合理的高度為400左右。最后，要求結(jié)構(gòu)牢固可靠，為了防止裝置損壞地面，要求考生將所學(xué)技術(shù)知識(shí)合理運(yùn)用，能夠想到用強(qiáng)度較大的膨脹螺栓把裝置固定在混凝土的地面上。

綜合以上分析，此設(shè)計(jì)題幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)無(wú)不體現(xiàn)STEM教育教學(xué)理念的多學(xué)科綜合特征。題目要求學(xué)生分析題干要求后能想到用橡膠棒與后輪胎的摩擦產(chǎn)生阻力，選擇角鋼或者不銹鋼作為支撐材料，還要為此支撐架設(shè)計(jì)合理的尺寸，并能夠想到用膨脹螺栓將裝置固定在混凝土地面，最后要求考生將自己的設(shè)計(jì)用草圖形式呈現(xiàn)。

（二）趣味性、體驗(yàn)性、情境性及協(xié)作性的特征

“自行車支撐起來(lái)作為室內(nèi)健身器”是一個(gè)與學(xué)生的生活場(chǎng)景存在相關(guān)性的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，設(shè)計(jì)改造結(jié)構(gòu)，增加其功能，是有趣的，同時(shí)也具有挑戰(zhàn)性。這道高考題提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的設(shè)計(jì)，激發(fā)了學(xué)生內(nèi)在的探究動(dòng)機(jī)，而一旦問(wèn)題得以解決，學(xué)生也會(huì)有成就感，因此考題本身具備趣味性。

STEM理念的體驗(yàn)性，可以從兩個(gè)層面來(lái)分析。第一借助自我學(xué)習(xí)和教師講授獲取對(duì)應(yīng)的抽象知識(shí)，即“師傅帶進(jìn)門”;第二凸顯在受教育者的動(dòng)手動(dòng)腦、自我思考及參與體驗(yàn)層面上，即“修行在自己”。STEM教學(xué)提供的體驗(yàn)，是以學(xué)生在第一層面掌握的數(shù)理、科學(xué)、技術(shù)、工程等知識(shí)的基礎(chǔ)上來(lái)認(rèn)知實(shí)際問(wèn)題，采取發(fā)現(xiàn)、建模、創(chuàng)新、設(shè)計(jì)，并體驗(yàn)性地解決問(wèn)題。故，STEM教育的體驗(yàn)性特征是參與、體驗(yàn)，是自我的不斷強(qiáng)化，既獲得結(jié)果性知識(shí)，又習(xí)得蘊(yùn)含于項(xiàng)目之中用來(lái)處理解決問(wèn)題、獲取體驗(yàn)性知識(shí)的全面素養(yǎng)。這對(duì)其一生的學(xué)習(xí)都有莫大的幫助和啟發(fā)，體驗(yàn)為之，難者易也。此考題“將自行車改造成室內(nèi)健身器”，若作為情境式教學(xué)的主題，也將使學(xué)生收獲STEM之綜合素養(yǎng)的全面提高。

人類社會(huì)是一個(gè)群體性協(xié)作的社會(huì)。STEM教育提倡協(xié)作，注重群體間互相合作，互相啟發(fā)，以及頭腦風(fēng)暴，從而促成群體性知識(shí)的建立。STEM教學(xué)課題通常來(lái)自真實(shí)生產(chǎn)與生活，而真實(shí)任務(wù)中待解決的問(wèn)題，通常需要合作，需要集思廣益，需要與他人交流及討論。建構(gòu)主義指出，學(xué)習(xí)環(huán)境的四大要素包括“情境”“協(xié)作”“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”。我們可以設(shè)想，STEM教育的協(xié)作性特征會(huì)有兩個(gè)重要的外部特征，即在學(xué)習(xí)思考和解決問(wèn)題過(guò)程中的“協(xié)作”和“會(huì)話”。其策略可以以小組為單位，協(xié)同發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、明確問(wèn)題、收集資料、提出設(shè)想、驗(yàn)證設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)過(guò)程。最后以小組成員的共同表現(xiàn)為主體，而不以某一個(gè)人的主觀認(rèn)知實(shí)施獨(dú)立評(píng)價(jià)。

三、結(jié)語(yǔ)

高中通用技術(shù)課程設(shè)立于2006年，和其他傳統(tǒng)高考學(xué)科相比，顯得年輕，因此有些方面不完善。在納入省新高考選考科目之前，其作為一門基礎(chǔ)性學(xué)科的重要性沒(méi)有得到學(xué)校層面足夠的重視。而現(xiàn)在浙江省作為唯一將技術(shù)課程納入高考選考科目的省份，正是看到了基礎(chǔ)技術(shù)學(xué)科對(duì)未來(lái)人才之STEM綜合素養(yǎng)高要求的作用，這體現(xiàn)了頂層領(lǐng)導(dǎo)對(duì)未來(lái)社會(huì)人才需求的高瞻遠(yuǎn)矚。以“元學(xué)科”為核心闡述的STEM理念，其跨越科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，其課題存在于我們真實(shí)世界中，各要素之間相互不可或缺，彼此緊密聯(lián)系。在一線教師實(shí)施STEM教育教學(xué)理念的實(shí)踐中，重點(diǎn)不再是學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的灌輸，而是將重心放在特定問(wèn)題上，強(qiáng)調(diào)利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)來(lái)認(rèn)識(shí)問(wèn)題，分析問(wèn)題，并解決問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)受教育者應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力得到提高等教育目標(biāo)。

編輯 王彥清