高中生設計與智造能力評估及培養策略

【摘 要】本文立足于提升高中生技術素養，以培養會設計、能智造的高素質創新人才為目標，探索建立高中生設計與智造能力評估標準，通過對社團骨干的個案研究，從教、學、評一體化的角度，提出了開發多元課程、開展項目學習、統整評估標準等行之有效的教學策略。

【關鍵詞】設計與智造；能力評估；培養策略

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）06-039-04

研究背景

1.問題的提出

2019年，江蘇省無錫市第一中學成功申報了江蘇省基礎教育前瞻性教學改革實驗項目“設計與智造：統整理念下高中生學習方式的變革”。本項目擬解決的核心問題就是如何培養高中生的設計與智造能力，提升其技術素養[1]。經過三年多的教學實踐，我們在課程建設、師生發展方面取得了豐碩的成果。但是針對高中生在設計與智造學習過程中的創新能力評估及培養策略尚未形成，需要進行深入探討。

2.目的和意義

為了對學生的設計與智造能力進行系統地評估，筆者分析與借鑒了2017版課程標準中的相關技術學科學業質量評價標準，形成了設計與智造能力水平評估表，選擇我校機器人社團中頗具代表性的骨干學生進行個案研究，并試圖梳理相關培養策略，使本項目研究更具價值和借鑒意義。

研究方法

1.個案的選定

針對研究目標，筆者確定了無錫市第一中學iMakeit機器人社團的前后兩任社長周同學和郝同學為研究對象。他們在校期間分別獲得2019年度和2020年度江蘇省科技創新大賽一等獎，當時，正值我校設計與智造項目醞釀和推進之際。

2.研究方法

本個案研究的方法主要有實物分析法、文本分析法、訪談法和觀察法。

實物分析法和文本分析法的主要材料是這兩位學生在高中階段的設計作品及相關研究論文。他們是創客類競賽的積極參與者，高中期間設計和制作了多個作品，并多次獲得省市級獎勵。因此，對其實物作品與論文的文本分析，成為本研究的重要材料。這些材料的真實性和客觀性，使其成為筆者評估學生技術能力和素養的主要依據。

觀察法和訪談法基本是在日常的教學活動中潛移默化地進行。訪談法通過問答，了解學生的學習基礎、學習興趣和方法、知識積累路徑、能力發展過程等。觀察法主要應用于學生上課、社團活動及參加競賽時，對其學習態度、行為表現、活動參與度、動手能力、組織能力、表達能力等進行評估。

3.研究的設計

本研究采用的是質性研究方法，通過采集上述多方面材料和數據對學生的設計與智造能力進行評估，以期歸納出高中生設計與智造能力的培養策略。

設計與智造能力評估主要用于對學生的創新能力和技術素養進行全面地考量。其中，技術素養涵蓋了高中信息技術和通用技術兩門課程的核心素養?；诮y整理念，本項目組參考2017版高中信息技術和通用技術課程標準中的學業質量水平描述，制定了分級評估標準。

結果和分析

1.設計與智造能力水平分級描述

設計與智造能力水平（即技術素養水平）分為三個級別，分別對應全體高中生畢業時應達到的合格水平，特長學生發展的提高水平以及少數學生具有的拔尖水平。限于篇幅，表1給出了拔尖水平學生的指標描述表，每個指標以10分為滿分。學生得分由師生參考相關質量標準描述共同給出。

這張能力評估表具有一定的跨學科性，主要適用于技術創新類項目的教學評價。例如，我校開展的創意臺燈、紙橋、收納盒、創客作品、機器人作品等項目的總結性評價。這張能力評估表中的指標對學習過程的描述也有涉及，要求師生在項目學習中保留過程性資料，諸如項目學習手冊、研究性論文等印證材料。

2.教師參考評估表對學生能力進行評估

對周同學的評價依據是他的兩個主要作品及其論文《設計能夠識別金屬的垃圾回收系統》[2]、《助老助殘智能泳池升降機器人研究報告》。這兩個作品的主題來源于生活中的真實問題情境，充分體現了該同學對社會熱點問題的關注、強烈的技術意識和社會責任感。這兩個作品的設計與完成也反映出他對系統設計流程、技術思維方式和創新設計原理的掌握；使用各種圖表（結構圖、三視圖、流程圖等）形象表達設計思路的圖樣表達能力；權衡并選用合適的開源硬件及材料實現產品物化、迭代的能力；通過編程軟件、仿真軟件控制并測試系統功能的計算思維能力；針對研究中的問題進行基于網絡的數字化學習的能力?？傮w而言，周同學基本達到了第三層次的拔尖水平。

對郝同學的評價依據主要是他的作品和論文《模擬皮膚觸覺的柔性溫度壓力傳感器應用研究》。該作品的主題反映出該同學關注前沿科技（傳感技術、仿真機器人、人工智能等技術），具備較強的技術意識、創新意識和責任意識。該作品的設計過程也體現了他的跨學科（物理、化學、生物、技術等）學習能力以及比較綜合的產品設計與科研能力。例如，在溫度、壓力傳感器及封裝材料的選擇中，他建立了物理模型，運用有限元仿真技術進行評估和分析，這體現了其權衡決策、技術試驗、創新設計、方案優化等技術思想與方法；運用仿真軟件及多種圖表形象地闡述其設計思路和數據分析結果，也證明了其具有的可視化表達及抽象、分類和建模等技術思維能力。在繁忙的學習之余，他經常埋頭在實驗室里做實驗，整理和分析數據，具有很強的設計能力和專注刻苦的科研精神。郝同學的興趣比較多元，技術也比較全面，基本達到了第三層次的拔尖水平。此外，他在科技節組織的“機器人設計大賽”相當成功，機器人社團的同學們表現出很強的機器人搭建、軟硬件設計和開發能力。依據能力評價標準，提交參賽作品的同學也都達到了第二層次的提高水平。

通過使用評估表，筆者發現學生的關鍵能力和核心素養只有在解決真實問題的學習實踐活動中才能培養出來，而且最好能通過反映項目學習的過程性資料體現出來?！霸O計與智造”項目學習有一個清晰的目標是完成各類技術作品。在項目教學中，教師只要秉持教、學、評一體化的思路，始終圍繞教學目標開展教學和評價，就能提高教學的有效性和達成度。因此，“設計與智造”項目應繼續開展基于真實情境的項目學習，強調項目過程資料的保存和項目論文的撰寫，為后續的能力評估提供依據。

3.學生的自我發展評價

為了解這兩位同學在高中以前的科技基礎、高中階段的學習經歷，筆者擬定了訪談提綱，對他們做了訪談，下面是訪談問題及學生回答。

問題1：進入高中前，你在科技方面有哪些基礎？獲得過哪些獎項？

周同學：沒有科技基礎，只能說對科學類的活動比較感興趣，也未曾獲獎。

郝同學：一點基礎都沒有……

問題2：高一有沒有參加學校的暑期新生夏令營？

周同學：沒有參加，在外補習文化課。

郝同學：學習了C++程序設計，還補習了數學、化學競賽等。

問題3：高一有沒有選修校本創客類課程？

周同學：選修化學實驗、化學競賽。

郝同學：選修化學競賽、C++程序設計。

問題4：在高中信息技術課、通用技術課上學到了什么？印象最深的作品是什么？

周同學：在高中信息技術課上學了網站設計、Excel等辦公軟件的使用，滿意的作品是自己設計的個人網站，感覺排版還算好看。印象最深刻的是姜同學整天在我旁邊搗鼓一些我看不懂但大受震撼的東西，然后覺得這樣做科創的話也挺妙的，后來我們加入了機器人社團。

郝同學：通用技術課以手工制作為主，工程類的知識也有所拓展。印象最深當然是制作紙橋和臺燈啦。

問題5：如果省科技創新大賽一等獎成果算10分，那么有幾分是靠自己努力，有幾分靠導師指導，或者還有其他因素？

周同學：6分靠指導吧，畢竟當時沒有任何經驗，自己只是想了個方向，最終的設計方案、軟件使用等都是指導老師教的。當然也離不開自己的刻苦努力。

郝同學：9分靠自己，1分靠老師。在參加各種科技創新類比賽時，就有很多資源和得到許多指導。通過自主學習，個人能力就慢慢增強了。

問題6：請按你的學習先后順序整理一下你在高中學習過的知識模塊。

周同學：Arduino開源硬件、圖形化編程、3D建模SolidWorks、Python編程。

郝同學：C++程序設計、算法、數據結構、數據管理、圖像處理、電子工程（傳感器）、機器人設計制作、激光切割、3D打印等課程。

問題7：被錄取的本科院校是哪所？現在科研現狀及發展方向？

周同學：我2020年被香港中文大學（深圳）電子工程專業錄取，研究方向是微電子，大學一年級獲院長嘉許獎與學業獎學金，擔任學院文案助理，參與宣傳工作，目前在申請進入實驗室開展科研項目。

郝同學：我2021年被蘇州大學光電信息科學專業錄取，學習成績排名前十，獲多項獎學金，參與光電轉換與探測實驗室課題研究。

4.高中生設計與智造能力培養策略

（1）開發多層次、多模塊的相關課程體系，為學生的多樣化個性發展奠基

這兩位同學以優異的中考成績被錄取到我校，說明其初中文化基礎扎實，學習能力強。也許他們早就對科技有興趣，但沒有接受過任何專門培訓。因此可以斷定，他們在高中取得的成績和進步主要來自高中三年的努力，離不開學校、教師、家長的支持和指導。

我校的初高中銜接課、技術必修課、校本選修課、競賽課、社團活動和創新課題等多層次多模塊課程為學生的多樣化個性發展提供了多種路徑。在高一新生錄取的暑假就有科技夏令營，免費為學生開設編程、創客、機器人等銜接課程，為有興趣無基礎的孩子們奠定知識基礎。郝同學高一暑假學習C++編程，并在高一繼續學習了基于C++的算法和數據結構課程，這為后期的競賽活動、課題研究奠定了基礎。周同學起步較晚，受到同學的啟發和帶動，才加入機器人社團，積極參加各類創客、機器人比賽，在老師和自己的努力下，同樣取得了較大的進步和優良的成績。

（2）開展基于項目的“設計與智造”沉浸式深度學習，全面提升學生技術素養

我校技術課程的顯著特點就是以“設計與智造”為主線，以產品為目標，組織基于項目的沉浸式深度學習。周同學稱之為“目標導向的學習”。兩位學生共同的感受就是參加各類競賽學到的技能特別多。因為競賽都有明確的目標、具體的問題，其實就是一種有明確的目標導向、問題導向的項目學習。

項目學習的成功之處在于，用具有挑戰性的問題創造高階思維的真實情境，激發學生的學習內驅力，對學生明確提出了帶有問題系統分析、設計、創造等高階認知要求的項目任務，讓學生在強大的驅動性問題所產生的內驅力中去創造一個真實的產品。學生在完成作品的過程中，在對各種材料和文本的接觸中，再對照目標找出自己的薄弱環節進行低階跨學科學習，主動識記、檢索信息，組織、理解知識，建構完成產品所需要的知識網絡和關鍵技能。同時，學生還能在設計與智造的過程中，理解技術的本質，培養信息意識、技術意識和創新意識，形成嚴謹細致、精益求精、追求卓越的工作態度，從而提升技術素養。

（3）準確評估學生“設計與智造”能力水平，盡早發現和培養技術創新人才

我校采用上述分級評估表，從第二層次的特長學生中選拔有潛力的種子選手，采用導師制的方式對其加強培訓和指導，通過競賽和創新課題研究，迅速提升學生創新設計和物化智造能力，為成為未來的設計師和工程師奠基。特別是在備戰競賽的階段，師生都朝著一個共同的目標而努力，一起加班加點、動手動腦，學習效率特別高。另外，在學生入選江蘇省科技創新后備人才培養計劃后，省里為他們配備了一流大學的教授做導師，對其創新課題研究給予莫大的支持和幫助，使其動手能力和獨立研究能力提升更快。

以下是周同學的綜合素質自我評價，也是其對高中階段的學習收獲做總結：“2018年入選江蘇省創新后備人才后，為完成‘助老助殘智能泳池升降機器人項目，我每天晚上堅持1-2小時的研究學習，平時在午飯晚飯時間，甚至周末也經常泡在實驗室里。這段經歷讓我深知，科研絕非其表面所表現的那樣光鮮亮麗，探索之路必然充滿挫折和坎坷，但若心懷熱情與執著探索理念，收獲的將是解密未知的成就感，因而也更堅定了我的科研夢想。‘言必信，行必果。為達成投身科研的愿望，我已制定了目標規劃：本科階段盡力汲取知識并融會貫通，讓自己擁有廣博而扎實的基礎；碩士和博士階段選擇主攻領域深入研究，最終成為一名建設世界科技強國的參與者和推動者！”

周同學的自述說明，競賽和科研活動鍛煉和培育的是學生在復雜情境中解決問題的能力，這其中包含知識、思維、技能和態度價值觀的綜合培養。學生在有挑戰且有意義的學習實踐中，理解了知識的價值和意義，體驗了科研的艱辛與坎坷，堅定了科研的追求和夢想，真正提升了創新能力和綜合素養。

結論與啟示

綜上所述，這兩位同學的技術學習起點不分伯仲，學習路徑略有差異，但他們殊途同歸，都取得了不俗的科技創新成果。這些成績主要歸功于我校技術團隊在開發多元課程、開展項目學習、統整評估標準等方面的工作，這是我們回應時代和國家發展要求，培養技術創新人才的有效策略。

本文雖然是個案研究，但“設計與智造”項目面向的正是高中生群體中形形色色的獨特個體，學生設計與智造能力和素養的提高離不開內因和外因的相互作用，離不開師生的共同努力。了解優秀學生的能力結構和培養策略，有助于學校提高技術學科教學的導向性和針對性，對于提升技術學科教學質量和課程體系建構水平都有著重要的啟示和借鑒價值。

注：本文系2019年江蘇省基礎教育前瞻性教學改革實驗項目“設計與智造：統整理念下高中生學習方式的變革”的階段性成果

參考文獻

夏燕萍. 設計與智造——新課程背景下高中技術課程融合研究[J]，中國信息技術教育，2019（21）：8-10.

張祿，周靖皓. 設計能夠識別金屬的垃圾回收系統[J]. 中國信息技術教育，2019（Z3）：109-111.