高中生設(shè)計(jì)與智造能力評估及培養(yǎng)策略

【摘要】本文立足于提升高中生技術(shù)素養(yǎng)，以培養(yǎng)會設(shè)計(jì)、能智造的高素質(zhì)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，探索建立高中生設(shè)計(jì)與智造能力評估標(biāo)準(zhǔn)，通過對社團(tuán)骨干的個案研究，從教、學(xué)、評一體化的角度，提出了開發(fā)多元課程、開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)、統(tǒng)整評估標(biāo)準(zhǔn)等行之有效的教學(xué)策略?！娟P(guān)鍵詞】設(shè)計(jì)與智造；能力評估；培養(yǎng)策略研究背景1.問題的提出2019年，江蘇省無錫市第一中學(xué)成功申報(bào)了江蘇省基礎(chǔ)教育前瞻性教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“設(shè)計(jì)與智造：統(tǒng)整理念下高中生學(xué)習(xí)方式的變革”。本項(xiàng)目擬解決的核心問題就是如何培養(yǎng)高中生的設(shè)計(jì)與智造能力，提升其技術(shù)素養(yǎng)[1]。經(jīng)過三年多的教學(xué)實(shí)踐，我們在課程建設(shè)、師生發(fā)展方面取得了豐碩的成果。但是針對高中生在設(shè)計(jì)與智造學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新能力評估及培養(yǎng)策略尚未形成，需要進(jìn)行深入探討。2.目的和意義為了對學(xué)生的設(shè)計(jì)與智造能力進(jìn)行系統(tǒng)地評估，筆者分析與借鑒了2017版課程標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)技術(shù)學(xué)科學(xué)業(yè)質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，形成了設(shè)計(jì)與智造能力水平評估表，選擇我校機(jī)器人社團(tuán)中頗具代表性的骨干學(xué)生進(jìn)行個案研究，并試圖梳理相關(guān)培養(yǎng)策略，使本項(xiàng)目研究更具價(jià)值和借鑒意義。研究方法1.個案的選定針對研究目標(biāo)，筆者確定了無錫市第一中學(xué)iMakeit機(jī)器人社團(tuán)的前后兩任社長周同學(xué)和郝同學(xué)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(chuàng)新大賽一等獎，當(dāng)時(shí)，正值我校設(shè)計(jì)與智造項(xiàng)目醞釀和推進(jìn)之際。2.研究方法本個案研究的方法主要有實(shí)物分析法、文本分析法、訪談法和觀察法。實(shí)物分析法和文本分析法的主要材料是這兩位學(xué)生在高中階段的設(shè)計(jì)作品及相關(guān)研究論文。他們是創(chuàng)客類競賽的積極參與者，高中期間設(shè)計(jì)和制作了多個作品，并多次獲得省市級獎勵。因此，對其實(shí)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(shí)性和客觀性，使其成為筆者評估學(xué)生技術(shù)能力和素養(yǎng)的主要依據(jù)。觀察法和訪談法基本是在日常的教學(xué)活動中潛移默化地進(jìn)行。訪談法通過問答，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)興趣和方法、知識積累路徑、能力發(fā)展過程等。觀察法主要應(yīng)用于學(xué)生上課、社團(tuán)活動及參加競賽時(shí)，對其學(xué)習(xí)態(tài)度、行為表現(xiàn)、活動參與度、動手能力、組織能力、表達(dá)能力等進(jìn)行評估。3.研究的設(shè)計(jì)本研究采用的是質(zhì)性研究方法，通過采集上述多方面材料和數(shù)據(jù)對學(xué)生的設(shè)計(jì)與智造能力進(jìn)行評估，以期歸納出高中生設(shè)計(jì)與智造能力的培養(yǎng)策略。設(shè)計(jì)與智造能力評估主要用于對學(xué)生的創(chuàng)新能力和技術(shù)素養(yǎng)進(jìn)行全面地考量。其中，技術(shù)素養(yǎng)涵蓋了高中信息技術(shù)和通用技術(shù)兩門課程的核心素養(yǎng)。基于統(tǒng)整理念，本項(xiàng)目組參考2017版高中信息技術(shù)和通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平描述，制定了分級評估標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果和分析1.設(shè)計(jì)與智造能力水平分級描述設(shè)計(jì)與智造能力水平（即技術(shù)素養(yǎng)水平）分為三個級別，分別對應(yīng)全體高中生畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到的合格水平，特長學(xué)生發(fā)展的提高水平以及少數(shù)學(xué)生具有的拔尖水平。限于篇幅，表1給出了拔尖水平學(xué)生的指標(biāo)描述表，每個指標(biāo)以10分為滿分。學(xué)生得分由師生參考相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)描述共同給出。這張能力評估表具有一定的跨學(xué)科性，主要適用于技術(shù)創(chuàng)新類項(xiàng)目的教學(xué)評價(jià)。例如，我校開展的創(chuàng)意臺燈、紙橋、收納盒、創(chuàng)客作品、機(jī)器人作品等項(xiàng)目的總結(jié)性評價(jià)。這張能力評估表中的指標(biāo)對學(xué)習(xí)過程的描述也有涉及，要求師生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中保留過程性資料，諸如項(xiàng)目學(xué)習(xí)手冊、研究性論文等印證材料。2.教師參考評估表對學(xué)生能力進(jìn)行評估對周同學(xué)的評價(jià)依據(jù)是他的兩個主要作品及其論文《設(shè)計(jì)能夠識別金屬的垃圾回收系統(tǒng)》[2]、《助老助殘智能泳池升降機(jī)器人研究報(bào)告》。這兩個作品的主題來源于生活中的真實(shí)問題情境，充分體現(xiàn)了該同學(xué)對社會熱點(diǎn)問題的關(guān)注、強(qiáng)烈的技術(shù)意識和社會責(zé)任感。這兩個作品的設(shè)計(jì)與完成也反映出他對系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程、技術(shù)思維方式和創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理的掌握；使用各種圖表（結(jié)構(gòu)圖、三視圖、流程圖等）形象表達(dá)設(shè)計(jì)思路的圖樣表達(dá)能力；權(quán)衡并選用合適的開源硬件及材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(tǒng)功能的計(jì)算思維能力；針對研究中的問題進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化學(xué)習(xí)的能力?？傮w而言，周同學(xué)基本達(dá)到了第三層次的拔尖水平。對郝同學(xué)的評價(jià)依據(jù)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(yīng)用研究》。該作品的主題反映出該同學(xué)關(guān)注前沿科技（傳感技術(shù)、仿真機(jī)器人、人工智能等技術(shù)），具備較強(qiáng)的技術(shù)意識、創(chuàng)新意識和責(zé)任意識。該作品的設(shè)計(jì)過程也體現(xiàn)了他的跨學(xué)科（物理、化學(xué)、生物、技術(shù)等）學(xué)習(xí)能力以及比較綜合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yùn)用有限元仿真技術(shù)進(jìn)行評估和分析，這體現(xiàn)了其權(quán)衡決策、技術(shù)試驗(yàn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化等技術(shù)思想與方法；運(yùn)用仿真軟件及多種圖表形象地闡述其設(shè)計(jì)思路和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，也證明了其具有的可視化表達(dá)及抽象、分類和建模等技術(shù)思維能力。在繁忙的學(xué)習(xí)之余，他經(jīng)常埋頭在實(shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)，整理和分析數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)能力和專注刻苦的科研精神。郝同學(xué)的興趣比較多元，技術(shù)也比較全面，基本達(dá)到了第三層次的拔尖水平。此外，他在科技節(jié)組織的“機(jī)器人設(shè)計(jì)大賽”相當(dāng)成功，機(jī)器人社團(tuán)的同學(xué)們表現(xiàn)出很強(qiáng)的機(jī)器人搭建、軟硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)能力。依據(jù)能力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提交參賽作品的同學(xué)也都達(dá)到了第二層次的提高水平。通過使用評估表，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)只有在解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)實(shí)踐活動中才能培養(yǎng)出來，而且最好能通過反映項(xiàng)目學(xué)習(xí)的過程性資料體現(xiàn)出來?！霸O(shè)計(jì)與智造”項(xiàng)目學(xué)習(xí)有一個清晰的目標(biāo)是完成各類技術(shù)作品。在項(xiàng)目教學(xué)中，教師只要秉持教、學(xué)、評一體化的思路，始終圍繞教學(xué)目標(biāo)開展教學(xué)和評價(jià)，就能提高教學(xué)的有效性和達(dá)成度。因此，“設(shè)計(jì)與智造”項(xiàng)目應(yīng)繼續(xù)開展基于真實(shí)情境的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目過程資料的保存和項(xiàng)目論文的撰寫，為后續(xù)的能力評估提供依據(jù)。3.學(xué)生的自我發(fā)展評價(jià)為了解這兩位同學(xué)在高中以前的科技基礎(chǔ)、高中階段的學(xué)習(xí)經(jīng)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(xué)生回答。問題1：進(jìn)入高中前，你在科技方面有哪些基礎(chǔ)？獲得過哪些獎項(xiàng)？周同學(xué)：沒有科技基礎(chǔ)，只能說對科學(xué)類的活動比較感興趣，也未曾獲獎。郝同學(xué)：一點(diǎn)基礎(chǔ)都沒有……問題2：高一有沒有參加學(xué)校的暑期新生夏令營？周同學(xué)：沒有參加，在外補(bǔ)習(xí)文化課。郝同學(xué)：學(xué)習(xí)了C++程序設(shè)計(jì)，還補(bǔ)習(xí)了數(shù)學(xué)、化學(xué)競賽等。問題3：高一有沒有選修校本創(chuàng)客類課程？周同學(xué)：選修化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)競賽。郝同學(xué)：選修化學(xué)競賽、C++程序設(shè)計(jì)。問題4：在高中信息技術(shù)課、通用技術(shù)課上學(xué)到了什么？印象最深的作品是什么？周同學(xué)：在高中信息技術(shù)課上學(xué)了網(wǎng)站設(shè)計(jì)、Excel等辦公軟件的使用，滿意的作品是自己設(shè)計(jì)的個人網(wǎng)站，感覺排版還算好看。印象最深刻的是姜同學(xué)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(chuàng)的話也挺妙的，后來我們加入了機(jī)器人社團(tuán)。郝同學(xué)：通用技術(shù)課以手工制作為主，工程類的知識也有所拓展。印象最深當(dāng)然是制作紙橋和臺燈啦。問題5：如果省科技創(chuàng)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(dǎo)師指導(dǎo)，或者還有其他因素？周同學(xué)：6分靠指導(dǎo)吧，畢竟當(dāng)時(shí)沒有任何經(jīng)驗(yàn)，自己只是想了個方向，最終的設(shè)計(jì)方案、軟件使用等都是指導(dǎo)老師教的。當(dāng)然也離不開自己的刻苦努力。郝同學(xué)：9分靠自己，1分靠老師。在參加各種科技創(chuàng)新類比賽時(shí)，就有很多資源和得到許多指導(dǎo)。通過自主學(xué)習(xí)，個人能力就慢慢增強(qiáng)了。問題6：請按你的學(xué)習(xí)先后順序整理一下你在高中學(xué)習(xí)過的知識模塊。周同學(xué)：Arduino開源硬件、圖形化編程、3D建模SolidWorks、Python編程。郝同學(xué)：C++程序設(shè)計(jì)、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)管理、圖像處理、電子工程（傳感器）、機(jī)器人設(shè)計(jì)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(xiàn)在科研現(xiàn)狀及發(fā)展方向？周同學(xué)：我2020年被香港中文大學(xué)（深圳）電子工程專業(yè)錄取，研究方向是微電子，大學(xué)一年級獲院長嘉許獎與學(xué)業(yè)獎學(xué)金，擔(dān)任學(xué)院文案助理，參與宣傳工作，目前在申請進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展科研項(xiàng)目。郝同學(xué)：我2021年被蘇州大學(xué)光電信息科學(xué)專業(yè)錄取，學(xué)習(xí)成績排名前十，獲多項(xiàng)獎學(xué)金，參與光電轉(zhuǎn)換與探測實(shí)驗(yàn)室課題研究。4.高中生設(shè)計(jì)與智造能力培養(yǎng)策略（1）開發(fā)多層次、多模塊的相關(guān)課程體系，為學(xué)生的多樣化個性發(fā)展奠基這兩位同學(xué)以優(yōu)異的中考成績被錄取到我校，說明其初中文化基礎(chǔ)扎實(shí)，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)。也許他們早就對科技有興趣，但沒有接受過任何專門培訓(xùn)。因此可以斷定，他們在高中取得的成績和進(jìn)步主要來自高中三年的努力，離不開學(xué)校、教師、家長的支持和指導(dǎo)。我校的初高中銜接課、技術(shù)必修課、校本選修課、競賽課、社團(tuán)活動和創(chuàng)新課題等多層次多模塊課程為學(xué)生的多樣化個性發(fā)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(fèi)為學(xué)生開設(shè)編程、創(chuàng)客、機(jī)器人等銜接課程，為有興趣無基礎(chǔ)的孩子們奠定知識基礎(chǔ)。郝同學(xué)高一暑假學(xué)習(xí)C++編程，并在高一繼續(xù)學(xué)習(xí)了基于C++的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，這為后期的競賽活動、課題研究奠定了基礎(chǔ)。周同學(xué)起步較晚，受到同學(xué)的啟發(fā)和帶動，才加入機(jī)器人社團(tuán)，積極參加各類創(chuàng)客、機(jī)器人比賽，在老師和自己的努力下，同樣取得了較大的進(jìn)步和優(yōu)良的成績。（2）開展基于項(xiàng)目的“設(shè)計(jì)與智造”沉浸式深度學(xué)習(xí)，全面提升學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)我校技術(shù)課程的顯著特點(diǎn)就是以“設(shè)計(jì)與智造”為主線，以產(chǎn)品為目標(biāo)，組織基于項(xiàng)目的沉浸式深度學(xué)習(xí)。周同學(xué)稱之為“目標(biāo)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)”。兩位學(xué)生共同的感受就是參加各類競賽學(xué)到的技能特別多。因?yàn)楦傎惗加忻鞔_的目標(biāo)、具體的問題，其實(shí)就是一種有明確的目標(biāo)導(dǎo)向、問題導(dǎo)向的項(xiàng)目學(xué)習(xí)。項(xiàng)目學(xué)習(xí)的成功之處在于，用具有挑戰(zhàn)性的問題創(chuàng)造高階思維的真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，對學(xué)生明確提出了帶有問題系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、創(chuàng)造等高階認(rèn)知要求的項(xiàng)目任務(wù)，讓學(xué)生在強(qiáng)大的驅(qū)動性問題所產(chǎn)生的內(nèi)驅(qū)力中去創(chuàng)造一個真實(shí)的產(chǎn)品。學(xué)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(biāo)找出自己的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行低階跨學(xué)科學(xué)習(xí)，主動識記、檢索信息，組織、理解知識，建構(gòu)完成產(chǎn)品所需要的知識網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵技能。同時(shí)，學(xué)生還能在設(shè)計(jì)與智造的過程中，理解技術(shù)的本質(zhì)，培養(yǎng)信息意識、技術(shù)意識和創(chuàng)新意識，形成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、精益求精、追求卓越的工作態(tài)度，從而提升技術(shù)素養(yǎng)。（3）準(zhǔn)確評估學(xué)生“設(shè)計(jì)與智造”能力水平，盡早發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)技術(shù)創(chuàng)新人才我校采用上述分級評估表，從第二層次的特長學(xué)生中選拔有潛力的種子選手，采用導(dǎo)師制的方式對其加強(qiáng)培訓(xùn)和指導(dǎo)，通過競賽和創(chuàng)新課題研究，迅速提升學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和物化智造能力，為成為未來的設(shè)計(jì)師和工程師奠基。特別是在備戰(zhàn)競賽的階段，師生都朝著一個共同的目標(biāo)而努力，一起加班加點(diǎn)、動手動腦，學(xué)習(xí)效率特別高。另外，在學(xué)生入選江蘇省科技創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)計(jì)劃后，省里為他們配備了一流大學(xué)的教授做導(dǎo)師，對其創(chuàng)新課題研究給予莫大的支持和幫助，使其動手能力和獨(dú)立研究能力提升更快。以下是周同學(xué)的綜合素質(zhì)自我評價(jià)，也是其對高中階段的學(xué)習(xí)收獲做總結(jié)：“2018年入選江蘇省創(chuàng)新后備人才后，為完成‘助老助殘智能泳池升降機(jī)器人項(xiàng)目，我每天晚上堅(jiān)持1-2小時(shí)的研究學(xué)習(xí)，平時(shí)在午飯晚飯時(shí)間，甚至周末也經(jīng)常泡在實(shí)驗(yàn)室里。這段經(jīng)歷讓我深知，科研絕非其表面所表現(xiàn)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(zhí)著探索理念，收獲的將是解密未知的成就感，因而也更堅(jiān)定了我的科研夢想?！员匦?，行必果。為達(dá)成投身科研的愿望，我已制定了目標(biāo)規(guī)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(shí)的基礎(chǔ)；碩士和博士階段選擇主攻領(lǐng)域深入研究，最終成為一名建設(shè)世界科技強(qiáng)國的參與者和推動者！”周同學(xué)的自述說明，競賽和科研活動鍛煉和培育的是學(xué)生在復(fù)雜情境中解決問題的能力，這其中包含知識、思維、技能和態(tài)度價(jià)值觀的綜合培養(yǎng)。學(xué)生在有挑戰(zhàn)且有意義的學(xué)習(xí)實(shí)踐中，理解了知識的價(jià)值和意義，體驗(yàn)了科研的艱辛與坎坷，堅(jiān)定了科研的追求和夢想，真正提升了創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)。結(jié)論與啟示綜上所述，這兩位同學(xué)的技術(shù)學(xué)習(xí)起點(diǎn)不分伯仲，學(xué)