通用技術(shù)教材“科技人文融合創(chuàng)新專題”的案例編寫體會

孫公剛

[摘 ? 要]通用技術(shù)教材“科技人文融合創(chuàng)新專題”的案例編寫應(yīng)依據(jù)課程標準，設(shè)計真實情境以解決實際問題，適度反映科技前沿問題，涉及工程設(shè)計和數(shù)學(xué)求解過程，體現(xiàn)科技人文融合創(chuàng)新，努力使學(xué)生沉浸于親身探究和開放式探索中，形成富有成效的團隊合作，鼓勵形成多種解決方案，注重創(chuàng)新，并著眼于學(xué)生面向未來的核心素養(yǎng)，以此滲透并凸顯STEAMS的核心理念，實現(xiàn)教材的育人價值。

[關(guān)鍵詞]通用技術(shù);教材;STEAMS;案例編寫

科技人文融合創(chuàng)新主要是指基于真實的問題情境，綜合運用科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（mathematics）、社會（Society）等學(xué)科的知識、方法和技能，以專題學(xué)習(xí)或項目學(xué)習(xí)的方式進行問題解決與科技創(chuàng)新[1]，簡稱STEAMS。從某種意義上說，STEAMS也是一種新理念。它倡導(dǎo)打破傳統(tǒng)教學(xué)孤立地傳授學(xué)科知識的做法，更強調(diào)跨學(xué)科學(xué)習(xí);擺脫傳統(tǒng)意義上的“課本”，強調(diào)面向現(xiàn)實探究解決問題的思路和方法;不過度強調(diào)對知識的記憶，而更強調(diào)對知識的綜合運用和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。STEAMS既是分科的，又是整合的，提倡跨學(xué)科的整合學(xué)習(xí)，主要包括基于問題、基于設(shè)計和基于項目三種學(xué)習(xí)模式。

“科技人文融合創(chuàng)新專題”（以下簡稱STEAMS專題）是蘇教版通用技術(shù)教材選擇性必修內(nèi)容的一個模塊，筆者也參與了編寫。該模塊力圖通過一些具有可選性的專題幫助學(xué)生形成學(xué)科融合的視野，使學(xué)生能夠綜合運用多學(xué)科的知識和方法，系統(tǒng)地分析和解決現(xiàn)實中的科學(xué)、技術(shù)與工程問題，培養(yǎng)工程思維，提高創(chuàng)新能力，發(fā)展綜合素養(yǎng)。以下，將分享筆者在案例編寫過程中的一些體會。

一、依據(jù)課程標準，明確模塊要求

《普通高中通用技術(shù)課程標準（2017年版）》（以下簡稱課標）是編制STEAMS專題案例的綱領(lǐng)和依據(jù)。課標明確了對這一模塊的內(nèi)容要求，如：通過具體案例分析技術(shù)與工程項目所蘊含的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會等因素，并通過比較、權(quán)衡等方法剖析這些因素間的制約關(guān)系和通約特性;明確技術(shù)與工程問題，經(jīng)歷科技人文融合創(chuàng)新項目活動全過程;提取和分析技術(shù)與工程問題所蘊含的科學(xué)與數(shù)學(xué)問題，融匯藝術(shù)、社會等視角;應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識與方法，并系統(tǒng)考慮藝術(shù)、社會因素，提出解決問題的綜合方案;通過實施具體的科技人文融合創(chuàng)新項目活動，初步形成綜合運用多學(xué)科的知識與方法分析和解決現(xiàn)實生活中的技術(shù)與工程問題的能力，形成系統(tǒng)與工程思維，培養(yǎng)團隊意識和合作能力等[2]。根據(jù)課標要求，STEAMS專題案例要提出同技術(shù)與工程有關(guān)的問題，并引導(dǎo)學(xué)生以問題為牽引，使問題解決的過程成為一個綜合運用跨學(xué)科知識的創(chuàng)新過程。以下將結(jié)合蘇教版STEAMS模塊所編制的四個項目案例，討論如何使案例更側(cè)重教學(xué)策略層面的STEAMS教育，在內(nèi)容、設(shè)計和實施方法上都能充分體現(xiàn)課標的要求。

二、來自真實情境，解決實際問題

在案例設(shè)計中，基于真實的問題情境意味著要立足現(xiàn)實世界，同時具有一定的典型性、真實性和可靠性，符合客觀事實。案例中蘊含的問題不能是虛構(gòu)的，而是在現(xiàn)實或項目推進過程中會真正遇到的，而且要讓這些問題成為貫穿整個單元的主線。

例如，在“過街天橋的設(shè)計與實踐”中設(shè)計了這樣的問題情境：濱海中學(xué)為了聯(lián)通馬路兩側(cè)的新舊校區(qū)以方便師生安全通行，需要建造一座人行過街天橋。實地勘測得知，天橋?qū)⒁缭降牡缆窞殡p向4車道主路，兩側(cè)還各設(shè)有非機動車道、人行道，主道與非機動車道之間有2米寬的綠化隔離帶，道路區(qū)域總寬度為 50米。該案例所提供的真實情境中，還蘊含了橋的用途，橋的長、寬、高、跨徑等尺寸的依據(jù)，橋墩的位置，荷載量要求，建橋使用的材料，工期與預(yù)算，橋的安全與美觀等真實問題。雖然學(xué)生無需使用真實材料完成實際天橋的設(shè)計制作，但是必須立足于該項目所涉及的工程與技術(shù)問題進行綜合考慮，通過真實情境的模擬，使用易獲得的材料并按照一定比例縮小尺寸，完成模型的設(shè)計制作。這一過程可實現(xiàn)利用跨學(xué)科知識進行問題解決和科技創(chuàng)新，實現(xiàn)STEAMS的價值追求。教材還提供了可參考的橋梁模型（見圖1）。

三、涉及工程設(shè)計和數(shù)學(xué)求解過程，體現(xiàn)科技人文融合創(chuàng)新

案例中所提供的真實問題應(yīng)是系統(tǒng)化的復(fù)雜工程問題，需要調(diào)動學(xué)生以跨學(xué)科整合為抓手，以問題為載體，運用科學(xué)知識、技術(shù)方法、數(shù)學(xué)計算和邏輯思維能力加以解決。STEAMS提倡創(chuàng)造性地解決問題，其求解過程包含一系列環(huán)節(jié)。其中，形成問題解決方案之前的環(huán)節(jié)稱為概念設(shè)計階段，之后的環(huán)節(jié)稱為詳細設(shè)計階段。該過程是一個迭代的過程而非線性的流程。因此在設(shè)計教材案例時，要加強問題意識，考慮到項目中將涉及哪些具體問題，這些問題分屬于哪些學(xué)科領(lǐng)域。尤其是對于科學(xué)問題，問題的探究要盡可能具體化，形成問題串，層層遞進，螺旋上升，可構(gòu)成進階圖。要考慮為解決這些問題，項目應(yīng)蘊含哪些工程意識和工程思維，實現(xiàn)項目創(chuàng)新的基礎(chǔ)條件和制約因素有哪些，應(yīng)有怎樣的工程設(shè)計過程。另外，還要將STEAMS教學(xué)與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)、科學(xué)教學(xué)區(qū)別開來，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生計算思維，引導(dǎo)學(xué)生將科學(xué)方法應(yīng)用于日常生活，并專注于解決問題的實際應(yīng)用，學(xué)會運用模型化的數(shù)學(xué)與科學(xué)知識進行問題求解。

如“過街天橋的設(shè)計與實踐”案例中，為了確定箱梁尺寸，需要計算箱梁或桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的應(yīng)力，而這一過程涉及超靜定結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，超出了高中知識范圍。為了使學(xué)生能夠基于高中物理所學(xué)的靜力學(xué)方法解決問題，就需要合理簡化問題，將對象之外的結(jié)構(gòu)抽象為若干剛體的組合，突出對象受力，以便分析估算，得出近似結(jié)論。這樣，學(xué)生就能通過簡化的受力分析與工程計算，估算箱梁的尺寸。

以上工程設(shè)計和數(shù)學(xué)求解過程，是為了凸顯運用多學(xué)科知識與方法分析和解決問題的過程，促進學(xué)生在這一過程中獲得知識與能力，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，而非簡單地利用數(shù)學(xué)或物理公式解題。

四、適度反映科技前沿問題，體現(xiàn)一定的時代性

從理論上講，教材中的案例只要能夠承載實現(xiàn)課標的要求即可，但隨著時代的發(fā)展，一些傳統(tǒng)教學(xué)案例逐漸與現(xiàn)代科技脫節(jié)，難以激發(fā)學(xué)生的興趣，因此在編制教學(xué)案例時，應(yīng)注意與時俱進。例如，為了使交通工具設(shè)計主題既有科學(xué)性、文化性，又有時代性，編制了“太陽能小車的創(chuàng)新設(shè)計與實踐”的案例。汽車是陸地交通的重要工具，但因其以化石能源為動力，對環(huán)境的污染也日益嚴重。隨著人們環(huán)保意識的增強，時代呼喚清潔能源汽車的出現(xiàn)，如太陽能汽車。由于太陽能汽車的普及使用還未成為現(xiàn)實，因此這一案例反映了科技前沿問題，在培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新思維的同時，還可引導(dǎo)、啟發(fā)他們對新科技產(chǎn)品的興趣與關(guān)注，增強社會責(zé)任感。在編制案例時，可先從太陽能小車入手，讓學(xué)生分析其組成系統(tǒng)（見圖2）。太陽能模型車的原理和工程設(shè)計思路與真正的太陽能汽車相似，可體現(xiàn)STEAMS理念，并承載相應(yīng)的教育功能與價值。

五、促進學(xué)生在開放式探究中形成富有成效的團隊合作

案例的設(shè)計除了要具有探究性和可操作性，還要能夠促使學(xué)生合作并依靠團隊的力量解決問題。例如“無人機的創(chuàng)新設(shè)計與實踐”項目，在問題情境中，選用了當下航空器中流行的旋翼機作為案例，但為了搞清航空器的空氣動力學(xué)原理，首先要讓學(xué)生探究固定翼飛機的升力與阻力是如何產(chǎn)生的，這就為學(xué)生的團隊合作提供了探究情境。具體設(shè)計如下。

【探究目的】通過實驗測試固定翼航空器機翼的升力與阻力，計算不同機翼的升阻比。

【情境展示】在大功率風(fēng)扇吹來的氣流中，機翼模型承受著風(fēng)速的變化而上下起落。

【問題分析】以不同的風(fēng)速和不同的傾角向機翼吹風(fēng)，機翼會做上升運動或下降運動，固定翼飛機的升力就是遵循伯努利原理而產(chǎn)生的。

【試驗準備】材料：厚泡沫板、木板、支撐鐵絲、棉線（凱夫拉線）。工具：電熱絲泡沫切割機、大功率電風(fēng)扇或電吹風(fēng)（有條件的可直接用風(fēng)洞裝置）、彈簧測力計（2個）、小定滑輪。

【主要過程】

（1）用泡沫切割機將泡沫板材料切成不同形狀的機翼，在機翼的鐵絲之間開一個條形槽，使機翼可以在該槽所限定的范圍內(nèi)上下、前后移動（見圖3）。

（2）使機翼離底座有一定的距離，以便空氣從機翼下方流過。

（3）用棉線綁住機翼，與彈簧測力計相連，當機翼上升時，緩緩地給彈簧測力計加力，使機翼穩(wěn)定在某一高度;在機翼的正前端用棉線通過定滑輪與另一彈簧測力計相連（測試阻力大?。?/p>

（4）啟動風(fēng)扇，讓機翼慢慢上升，同時通過機翼下的彈簧測力計施力，使機翼穩(wěn)定在某一高度，記錄此時彈簧測力計的讀數(shù)（即為機翼的升力）。

（5）慢慢給機翼前的彈簧測力計施力，使機翼水平向前移動至脫離鐵桿接觸處，記錄棉線的拉力讀數(shù)（即為阻力）。

（6）改變風(fēng)向的角度（或風(fēng)力的大?。貜?fù)步驟4、5，記錄升力和阻力。

在以上活動的實施過程中，學(xué)生需要專注地投入探究并依靠團隊力量，才能高效解決問題。

六、鼓勵多種解決方案并注重創(chuàng)新

STEAMS專題案例中的每一個項目都要為學(xué)生留出足夠的想象空間，以激發(fā)學(xué)生思維的發(fā)散性和開放性，因此，問題解決的方案不是唯一的，鼓勵多種答案，并且還可將失敗的方案重組為學(xué)習(xí)的必要部分。如在“殘疾人拐杖的創(chuàng)新設(shè)計與實踐”的案例中，要求為殘疾人呂山爺爺設(shè)計拐杖并滿足一系列需求，包括輔助行走、可坐、可照明、可報警等功能，教材提供了三個參考方案（見圖4）。

學(xué)生受到以上方案的啟發(fā)，可以設(shè)想不同的結(jié)構(gòu)，選用其它材料，甚至增加新的功能，只要能夠解決情境中提出的問題即可。這一設(shè)計方案從科學(xué)原理到工程設(shè)計再到材料選取和工藝制作，都給學(xué)生提供了發(fā)揮想象的空間和創(chuàng)新的可能。無論學(xué)生采取哪種方案，都可利用表1所列出的評價量規(guī)進行評價。

七、著眼于面向未來的核心素養(yǎng)

2016年，《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》總體框架公布，提出了我國學(xué)生應(yīng)具備的、能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，涉及文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展和社會參與三個方面六大核心素養(yǎng)。除了共同的價值追求外，每門學(xué)科也提出了相應(yīng)的學(xué)科核心素養(yǎng)。通用技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括技術(shù)意識、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達及物化能力五方面。2018年3月，北京師范大學(xué)中國教育創(chuàng)新研究院首次對外發(fā)布《21世紀核心素養(yǎng)5C模型研究報告（中文版）》，提出了文化理解與傳承（Culture Competency）、審辯思維（Critical Thinking）、創(chuàng)新（Creativity）、溝通（Communication）、合作（Collaboration）的5C模型。通用技術(shù)課程五大學(xué)科核心素養(yǎng)完全可以融入5C模型，這也是未來核心素養(yǎng)的一種體現(xiàn)。綜合運用跨學(xué)科知識、方法和基本技能進行問題解決與科技創(chuàng)新的過程需要文化理解與傳承，需要審辯思維，尤其是創(chuàng)新、溝通與合作正是STEAMS教育所追求的一種價值取向。因此STEAMS模塊的案例設(shè)計要著眼于未來科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，促進學(xué)生的融合學(xué)習(xí)、情境學(xué)習(xí)、設(shè)計學(xué)習(xí)、共享學(xué)習(xí)與生活學(xué)習(xí)。

參考文獻

[1][2]中華人民共和國教育部.普通高中通用技術(shù)課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯 ? 郭向和）