通用技术教材“科技人文融合创新专题”的案例编写体会

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　　[摘   要]通用技术教材“科技人文融合创新专题”的案例编写应依据课程标准，设计真实情境以解决实际问题，适度反映科技前沿问题，涉及工程设计和数学求解过程，体现科技人文融合创新，努力使学生沉浸于亲身探究和开放式探索中，形成富有成效的团队合作，鼓励形成多种解决方案，注重创新，并着眼于学生面向未来的核心素养，以此渗透并凸显STEAMS的核心理念，实现教材的育人价值。
　　[关键词]通用技术;教材;STEAMS;案例编写
　　科技人文融合创新主要是指基于真实的问题情境，综合运用科学（Science）、技术（Technology）、工程（engineering）、艺术（Arts）、数学（mathematics）、社会（Society）等学科的知识、方法和技能，以專题学习或项目学习的方式进行问题解决与科技创新[1]，简称STEAMS。从某种意义上说，STEAMS也是一种新理念。它倡导打破传统教学孤立地传授学科知识的做法，更强调跨学科学习;摆脱传统意义上的“课本”，强调面向现实探究解决问题的思路和方法;不过度强调对知识的记忆，而更强调对知识的综合运用和创新思维的培养。STEAMS既是分科的，又是整合的，提倡跨学科的整合学习，主要包括基于问题、基于设计和基于项目三种学习模式。
　　“科技人文融合创新专题”（以下简称STEAMS专题）是苏教版通用技术教材选择性必修内容的一个模块，笔者也参与了编写。该模块力图通过一些具有可选性的专题帮助学生形成学科融合的视野，使学生能够综合运用多学科的知识和方法，系统地分析和解决现实中的科学、技术与工程问题，培养工程思维，提高创新能力，发展综合素养。以下，将分享笔者在案例编写过程中的一些体会。
　　一、依据课程标准，明确模块要求
　　《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》（以下简称课标）是编制STEAMS专题案例的纲领和依据。课标明确了对这一模块的内容要求，如：通过具体案例分析技术与工程项目所蕴含的科学、技术、工程、艺术、数学、社会等因素，并通过比较、权衡等方法剖析这些因素间的制约关系和通约特性;明确技术与工程问题，经历科技人文融合创新项目活动全过程;提取和分析技术与工程问题所蕴含的科学与数学问题，融汇艺术、社会等视角;应用科学、技术、工程和数学知识与方法，并系统考虑艺术、社会因素，提出解决问题的综合方案;通过实施具体的科技人文融合创新项目活动，初步形成综合运用多学科的知识与方法分析和解决现实生活中的技术与工程问题的能力，形成系统与工程思维，培养团队意识和合作能力等[2]。根据课标要求，STEAMS专题案例要提出同技术与工程有关的问题，并引导学生以问题为牵引，使问题解决的过程成为一个综合运用跨学科知识的创新过程。以下将结合苏教版STEAMS模块所编制的四个项目案例，讨论如何使案例更侧重教学策略层面的STEAMS教育，在内容、设计和实施方法上都能充分体现课标的要求。
　　二、来自真实情境，解决实际问题
　　在案例设计中，基于真实的问题情境意味着要立足现实世界，同时具有一定的典型性、真实性和可靠性，符合客观事实。案例中蕴含的问题不能是虚构的，而是在现实或项目推进过程中会真正遇到的，而且要让这些问题成为贯穿整个单元的主线。
　　例如，在“过街天桥的设计与实践”中设计了这样的问题情境：滨海中学为了联通马路两侧的新旧校区以方便师生安全通行，需要建造一座人行过街天桥。实地勘测得知，天桥将要跨越的道路为双向4车道主路，两侧还各设有非机动车道、人行道，主道与非机动车道之间有2米宽的绿化隔离带，道路区域总宽度为 50米。该案例所提供的真实情境中，还蕴含了桥的用途，桥的长、宽、高、跨径等尺寸的依据，桥墩的位置，荷载量要求，建桥使用的材料，工期与预算，桥的安全与美观等真实问题。虽然学生无需使用真实材料完成实际天桥的设计制作，但是必须立足于该项目所涉及的工程与技术问题进行综合考虑，通过真实情境的模拟，使用易获得的材料并按照一定比例缩小尺寸，完成模型的设计制作。这一过程可实现利用跨学科知识进行问题解决和科技创新，实现STEAMS的价值追求。教材还提供了可参考的桥梁模型（见图1）。
　　三、涉及工程设计和数学求解过程，体现科技人文融合创新
　　案例中所提供的真实问题应是系统化的复杂工程问题，需要调动学生以跨学科整合为抓手，以问题为载体，运用科学知识、技术方法、数学计算和逻辑思维能力加以解决。STEAMS提倡创造性地解决问题，其求解过程包含一系列环节。其中，形成问题解决方案之前的环节称为概念设计阶段，之后的环节称为详细设计阶段。该过程是一个迭代的过程而非线性的流程。因此在设计教材案例时，要加强问题意识，考虑到项目中将涉及哪些具体问题，这些问题分属于哪些学科领域。尤其是对于科学问题，问题的探究要尽可能具体化，形成问题串，层层递进，螺旋上升，可构成进阶图。要考虑为解决这些问题，项目应蕴含哪些工程意识和工程思维，实现项目创新的基础条件和制约因素有哪些，应有怎样的工程设计过程。另外，还要将STEAMS教学与传统的数学、科学教学区别开来，应培养学生计算思维，引导学生将科学方法应用于日常生活，并专注于解决问题的实际应用，学会运用模型化的数学与科学知识进行问题求解。
　　如“过街天桥的设计与实践”案例中，为了确定箱梁尺寸，需要计算箱梁或桁架结构内部构件的应力，而这一过程涉及超静定结构力学分析，超出了高中知识范围。为了使学生能够基于高中物理所学的静力学方法解决问题，就需要合理简化问题，将对象之外的结构抽象为若干刚体的组合，突出对象受力，以便分析估算，得出近似结论。这样，学生就能通过简化的受力分析与工程计算，估算箱梁的尺寸。
　　以上工程设计和数学求解过程，是为了凸显运用多学科知识与方法分析和解决问题的过程，促进学生在这一过程中获得知识与能力，培养科学素养，而非简单地利用数学或物理公式解题。 　　四、适度反映科技前沿问题，体现一定的时代性
　　从理论上讲，教材中的案例只要能够承载实现课标的要求即可，但随着时代的发展，一些传统教学案例逐渐与现代科技脱节，难以激发学生的兴趣，因此在编制教学案例时，应注意与时俱进。例如，为了使交通工具设计主题既有科学性、文化性，又有时代性，编制了“太阳能小车的创新设计与实践”的案例。汽车是陆地交通的重要工具，但因其以化石能源为动力，对环境的污染也日益严重。随着人们环保意识的增强，时代呼唤清洁能源汽车的出现，如太阳能汽车。由于太阳能汽车的普及使用还未成为现实，因此这一案例反映了科技前沿问题，在培养学生科技创新思维的同时，还可引导、启发他们对新科技产品的兴趣与关注，增强社会责任感。在编制案例时，可先从太阳能小车入手，让学生分析其组成系统（见图2）。太阳能模型车的原理和工程设计思路与真正的太阳能汽车相似，可体现STEAMS理念，并承载相应的教育功能与价值。
　　五、促进学生在开放式探究中形成富有成效的团队合作
　　案例的设计除了要具有探究性和可操作性，还要能够促使学生合作并依靠团队的力量解决问题。例如“无人机的创新设计与实践”项目，在问题情境中，选用了当下航空器中流行的旋翼机作为案例，但为了搞清航空器的空气动力学原理，首先要让学生探究固定翼飞机的升力与阻力是如何产生的，这就为学生的团队合作提供了探究情境。具体设计如下。
　　【探究目的】通过实验测试固定翼航空器机翼的升力与阻力，计算不同机翼的升阻比。
　　【情境展示】在大功率风扇吹来的气流中，机翼模型承受着风速的变化而上下起落。
　　【问题分析】以不同的风速和不同的倾角向机翼吹风，机翼会做上升运动或下降运动，固定翼飞机的升力就是遵循伯努利原理而产生的。
　　【试验准备】材料：厚泡沫板、木板、支撑铁丝、棉线（凯夫拉线）。工具：电热丝泡沫切割机、大功率电风扇或电吹风（有条件的可直接用风洞装置）、弹簧测力计（2个）、小定滑轮。
　　【主要过程】
　　（1）用泡沫切割机将泡沫板材料切成不同形状的机翼，在机翼的铁丝之间开一个条形槽，使机翼可以在该槽所限定的范围内上下、前后移动（见图3）。
　　（2）使机翼离底座有一定的距离，以便空气从机翼下方流过。
　　（3）用棉线绑住机翼，与弹簧测力计相连，当机翼上升时，缓缓地给弹簧测力计加力，使机翼稳定在某一高度;在机翼的正前端用棉线通过定滑轮与另一弹簧测力计相连（测试阻力大小）。
　　（4）启动风扇，让机翼慢慢上升，同时通过机翼下的弹簧测力计施力，使机翼稳定在某一高度，记录此时弹簧测力计的讀数（即为机翼的升力）。
　　（5）慢慢给机翼前的弹簧测力计施力，使机翼水平向前移动至脱离铁杆接触处，记录棉线的拉力读数（即为阻力）。
　　（6）改变风向的角度（或风力的大小），重复步骤4、5，记录升力和阻力。
　　在以上活动的实施过程中，学生需要专注地投入探究并依靠团队力量，才能高效解决问题。
　　六、鼓励多种解决方案并注重创新
　　STEAMS专题案例中的每一个项目都要为学生留出足够的想象空间，以激发学生思维的发散性和开放性，因此，问题解决的方案不是唯一的，鼓励多种答案，并且还可将失败的方案重组为学习的必要部分。如在“残疾人拐杖的创新设计与实践”的案例中，要求为残疾人吕山爷爷设计拐杖并满足一系列需求，包括辅助行走、可坐、可照明、可报警等功能，教材提供了三个参考方案（见图4）。
　　学生受到以上方案的启发，可以设想不同的结构，选用其它材料，甚至增加新的功能，只要能够解决情境中提出的问题即可。这一设计方案从科学原理到工程设计再到材料选取和工艺制作，都给学生提供了发挥想象的空间和创新的可能。无论学生采取哪种方案，都可利用表1所列出的评价量规进行评价。
　　七、着眼于面向未来的核心素养
　　2016年，《中国学生发展核心素养》总体框架公布，提出了我国学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，涉及文化基础、自主发展和社会参与三个方面六大核心素养。除了共同的价值追求外，每门学科也提出了相应的学科核心素养。通用技术学科的核心素养主要包括技术意识、工程思维、创新设计、图样表达及物化能力五方面。2018年3月，北京师范大学中国教育创新研究院首次对外发布《21世纪核心素养5C模型研究报告（中文版）》，提出了文化理解与传承（Culture Competency）、审辩思维（Critical Thinking）、创新（Creativity）、沟通（Communication）、合作（Collaboration）的5C模型。通用技术课程五大学科核心素养完全可以融入5C模型，这也是未来核心素养的一种体现。综合运用跨学科知识、方法和基本技能进行问题解决与科技创新的过程需要文化理解与传承，需要审辩思维，尤其是创新、沟通与合作正是STEAMS教育所追求的一种价值取向。因此STEAMS模块的案例设计要着眼于未来科技创新人才的培养，促进学生的融合学习、情境学习、设计学习、共享学习与生活学习。
　　参考文献
　　[1][2]中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
　　（责任编辑   郭向和）
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