通用技術教材“科技人文融合創新專題”的案例編寫體會

孫公剛

[摘 ? 要]通用技術教材“科技人文融合創新專題”的案例編寫應依據課程標準，設計真實情境以解決實際問題，適度反映科技前沿問題，涉及工程設計和數學求解過程，體現科技人文融合創新，努力使學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，注重創新，并著眼于學生面向未來的核心素養，以此滲透并凸顯STEAMS的核心理念，實現教材的育人價值。

[關鍵詞]通用技術;教材;STEAMS;案例編寫

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

“科技人文融合創新專題”（以下簡稱STEAMS專題）是蘇教版通用技術教材選擇性必修內容的一個模塊，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生形成學科融合的視野，使學生能夠綜合運用多學科的知識和方法，系統地分析和解決現實中的科學、技術與工程問題，培養工程思維，提高創新能力，發展綜合素養。以下，將分享筆者在案例編寫過程中的一些體會。

一、依據課程標準，明確模塊要求

《普通高中通用技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱課標）是編制STEAMS專題案例的綱領和依據。課標明確了對這一模塊的內容要求，如：通過具體案例分析技術與工程項目所蘊含的科學、技術、工程、藝術、數學、社會等因素，并通過比較、權衡等方法剖析這些因素間的制約關系和通約特性;明確技術與工程問題，經歷科技人文融合創新項目活動全過程;提取和分析技術與工程問題所蘊含的科學與數學問題，融匯藝術、社會等視角;應用科學、技術、工程和數學知識與方法，并系統考慮藝術、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新項目活動，初步形成綜合運用多學科的知識與方法分析和解決現實生活中的技術與工程問題的能力，形成系統與工程思維，培養團隊意識和合作能力等[2]。根據課標要求，STEAMS專題案例要提出同技術與工程有關的問題，并引導學生以問題為牽引，使問題解決的過程成為一個綜合運用跨學科知識的創新過程。以下將結合蘇教版STEAMS模塊所編制的四個項目案例，討論如何使案例更側重教學策略層面的STEAMS教育，在內容、設計和實施方法上都能充分體現課標的要求。

二、來自真實情境，解決實際問題

在案例設計中，基于真實的問題情境意味著要立足現實世界，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的，而是在現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“過街天橋的設計與實踐”中設計了這樣的問題情境：濱海中學為了聯通馬路兩側的新舊校區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，天橋將要跨越的道路為雙向4車道主路，兩側還各設有非機動車道、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，橋墩的位置，荷載量要求，建橋使用的材料，工期與預算，橋的安全與美觀等真實問題。雖然學生無需使用真實材料完成實際天橋的設計制作，但是必須立足于該項目所涉及的工程與技術問題進行綜合考慮，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，完成模型的設計制作。這一過程可實現利用跨學科知識進行問題解決和科技創新，實現STEAMS的價值追求。教材還提供了可參考的橋梁模型（見圖1）。

三、涉及工程設計和數學求解過程，體現科技人文融合創新

案例中所提供的真實問題應是系統化的復雜工程問題，需要調動學生以跨學科整合為抓手，以問題為載體，運用科學知識、技術方法、數學計算和邏輯思維能力加以解決。STEAMS提倡創造性地解決問題，其求解過程包含一系列環節。其中，形成問題解決方案之前的環節稱為概念設計階段，之后的環節稱為詳細設計階段。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科領域。尤其是對于科學問題，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，可構成進階圖。要考慮為解決這些問題，項目應蘊含哪些工程意識和工程思維，實現項目創新的基礎條件和制約因素有哪些，應有怎樣的工程設計過程。另外，還要將STEAMS教學與傳統的數學、科學教學區別開來，應培養學生計算思維，引導學生將科學方法應用于日常生活，并專注于解決問題的實際應用，學會運用模型化的數學與科學知識進行問題求解。

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

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

四、適度反映科技前沿問題，體現一定的時代性

從理論上講，教材中的案例只要能夠承載實現課標的要求即可，但隨著時代的發展，一些傳統教學案例逐漸與現代科技脫節，難以激發學生的興趣，因此在編制教學案例時，應注意與時俱進。例如，為了使交通工具設計主題既有科學性、文化性，又有時代性，編制了“太陽能小車的創新設計與實踐”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，對環境的污染也日益嚴重。隨著人們環保意識的增強，時代呼喚清潔能源汽車的出現，如太陽能汽車。由于太陽能汽車的普及使用還未成為現實，因此這一案例反映了科技前沿問題，在培養學生科技創新思維的同時，還可引導、啟發他們對新科技產品的興趣與關注，增強社會責任感。在編制案例時，可先從太陽能小車入手，讓學生分析其組成系統（見圖2）。太陽能模型車的原理和工程設計思路與真正的太陽能汽車相似，可體現STEAMS理念，并承載相應的教育功能與價值。

五、促進學生在開放式探究中形成富有成效的團隊合作

案例的設計除了要具有探究性和可操作性，還要能夠促使學生合作并依靠團隊的力量解決問題。例如“無人機的創新設計與實踐”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原理，首先要讓學生探究固定翼飛機的升力與阻力是如何產生的，這就為學生的團隊合作提供了探究情境。具體設計如下。

【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】在大功率風扇吹來的氣流中，機翼模型承受著風速的變化而上下起落。

【問題分析】以不同的風速和不同的傾角向機翼吹風，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、大功率電風扇或電吹風（有條件的可直接用風洞裝置）、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（測試阻力大小）。

（4）啟動風扇，讓機翼慢慢上升，同時通過機翼下的彈簧測力計施力，使機翼穩定在某一高度，記錄此時彈簧測力計的讀數（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（即為阻力）。

（6）改變風向的角度（或風力的大?。?，重復步驟4、5，記錄升力和阻力。

在以上活動的實施過程中，學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新

STEAMS專題案例中的每一個項目都要為學生留出足夠的想象空間，以激發學生思維的發散性和開放性，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習的必要部分。如在“殘疾人拐杖的創新設計與實踐”的案例中，要求為殘疾人呂山爺爺設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）。

學生受到以上方案的啟發，可以設想不同的結構，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。這一設計方案從科學原理到工程設計再到材料選取和工藝制作，都給學生提供了發揮想象的空間和創新的可能。無論學生采取哪種方案，都可利用表1所列出的評價量規進行評價。

七、著眼于面向未來的核心素養

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

參考文獻

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

（責任編輯 ? 郭向和）