通用技术高考设计题中STEM教学理念的渗透

詹鹰

摘 要：通用技术课程是STEM教学理论的实践平台。通过STEM理论对STEM教育的强国目标及国内发展进行思考，以2018年4月份浙江省通用技术高考第15题设计题为例，阐述STEM教育的核心特征，即多学科综合、趣味性、体验性、情境性以及协作性。从STEM理念之视角阐释高中通用技术课堂的情境化教学及学生综合素养的培养。

关键词：STEM教育理念;通用技术;STEM教育的核心特征;多学科综合

一、浙江省通用技术课程是STEM理论的实践平台

在笔者28年教学经历中，先后任教了科学、数学、技术，而自身的大学专业又是机械工程（轻工机械），一直认为这些仅仅是人生简单而孤立的多学科教学，而最近学习和思考STEM教育教学理念，告知我事实并非如此。

首先，STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程

（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，注重多学科的有机组合及交叉后的侧重。因为不是简单叠加，所以能更好培养受教育者的综合素质，从而激发其创新的动力，也从而提升其实践能力。笔者以为，浙江省通用技术课程是该教育教学理念最好的开展平台之一。

其次，STEM教育教学的重点在通用技术课程中体现在学生以下四个领域素养的提升中。第一，科学素养，即掌握科学知识，理解认识自然、改造自然的过程，同时对违背科学的臆想给予批判，例如对永动机的设计、水变油的命题，可以运用科学定理做出否定的结论。第二，技术素养，即运用、处理、掌握技术的能力以及评估自身技术限制的素养。第三，工程素养，即对技术设计、工程设计后期的制作环节的领悟、对技术设计制作方案优化的素养。第四，数学素养，即洞察、明确、表述和处理各种状况时牵涉数学内容的素养。例如，投入产出比的数学建模能力，发现问题的洞察力，明确问题价值、解决处理方案的推演力。

最后，STEM教育教学在通用技术课程上的目标是培养受教育者的STEM综合能力。在目前全球化、知识即经济的变革时代，只有具备STEM综合能力的人，才能够赢得先机。STEM综合能力是指受教育者在科学、技术、工程和数学以及相关联的范畴里，个体认识自然、改造自然的能力，其是集科学素养、技术素养、工程素养和數学素养于一体，要求受教育者在对知识的充分理解和运用的基础上，将断章碎片化的知识点进行综合处理，并能够从不同角度对不同领域的不同对象进行全面探究的综合能力。它是一个有机的整体，具有特定的外延和组合。

中国STEM教育教学理念的雏形，也许可以追溯到20世纪八十年代。在笔者大学求学期间，教育部就提出要培养综合性人才，甚至在机械系里，会细化到“机电一体化”的提法，也许这就是改革开放30多年来我们国家竞争力超越对手的重要因素。2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划》中明确指出，有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEM教育、创客教育等新教育模式，培养学生的技术意识、信息意识与创新意识，养成数字化学习思考习惯，具备重视技术规范、信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养。

如果大框架地去分析浙江省通用技术课程，其涵盖了基础工科的两大基本领域：机械和电子;包含了现代三大理论，即系统论、控制论、信息论之二。在通用技术课堂中，讲金工淬火，会涉及《金属热处理》;讲结构，会涉及《工程力学》;讲强度，会涉及《材料学》;讲JN6201，会涉及《电子工程》……所以，通用技术课程本身就具备多学科、跨学科、超越学科体系的综合性特征。可以说，高中通用技术课程是STEM教育教学理论实践的最佳平台。

二、STEM教育的核心特征在浙江省通用技术高考设计题中的渗透

渗透是潜移默化，是润物细无声，是一种更容易被受教育者接受的方式，其内容也更容易被转化成受教育者的内在技能。STEM教育教学，是以整合多学科综合素养为前提，以灵活迁移的方式解决真实世界的问题。笔者将借助浙江省2018年4月通用技术高考第15题设计题，阐述STEM教育的核心特征，即多学科综合、趣味性、体验性、情境性、协作性，及其在浙江省通用技术高考设计题中的渗透。

2018年4月通用技术高考第15题设计题（题意）：小明要设计一个装置，把自行车支撑起来作为室内健身器使用。设计要求如下：

（1）能稳定支撑自行车，后轮转动时自行车保持不动;

（2）后轮转动时最好有一定的阻力，以提高锻炼效果;

（3）结构牢固可靠;

（4）材料自选。

（一）多学科综合的特征

把知识体系按学科分类有助于分类后的模块教学，然而，这往往不能够反映真实世界的多样性和趣味性，也往往容易偏颇或者导致某一领域的盲人摸象。因此，分科教学在科技及工程高度发达的中国早显现出弊端。为此，理工科教育出现了增加综合学科，局部取消分科，进行多学科整合的教育趋势。例如2019年交大就新增了AI专业，它就是整合了《机械》《计算机》《电子控制》《大数据处理》等多学科。STEM教育教学的应运而生，其中多学科综合是它最重要的核心特征。多学科综合在此考题中得到了高度体现。首先，考题中“后轮转动时最好有一定的阻力，以提高锻炼效果”，涉及物理的摩擦阻力学、链传动和动力学，在这里考生需要考虑到采用橡胶棒与后轮胎的摩擦产生阻力，以实现提高锻炼的效果。其次，“能稳定支撑自行车，后轮转动时自行车在原地保持不动”，要求考生思考工程力学中的稳定性和结构强度;而结构强度又会涉及材料学，而材料的选择又必须要求满足结构强度的要求。所以，考生要考虑选择角钢为支架材料，或者为了进一步美观，可以对角钢进行喷漆等表面处理，也可以选择不锈钢材料。然后，尺寸上，支撑结构的高度尺寸必须与自行车后轮半径350配合，其支撑结构的合理尺寸将再一次从STEM理念的跨学科性这一核心特征展开，否则细节上会导致装置的多处设计不符合要求，例如，数学上的演算：架空对支架的高度尺寸计算（支架总高度要大于350，因为车后轮半径为350）;数学计算用于支撑后轮轴的槽口宽及深度。但是，若支架总高为600，那又将是过高，因为过高将影响锻炼时的重心高度，从而降低稳定性这一技术学科要求。所以最终比较合理的高度为400左右。最后，要求结构牢固可靠，为了防止装置损坏地面，要求考生将所学技术知识合理运用，能够想到用强度较大的膨胀螺栓把装置固定在混凝土的地面上。

综合以上分析，此设计题几个关键点无不体现STEM教育教学理念的多学科综合特征。题目要求学生分析题干要求后能想到用橡胶棒与后轮胎的摩擦产生阻力，选择角钢或者不锈钢作为支撑材料，还要为此支撑架设计合理的尺寸，并能够想到用膨胀螺栓将装置固定在混凝土地面，最后要求考生将自己的设计用草图形式呈现。

（二）趣味性、体验性、情境性及协作性的特征

“自行车支撑起来作为室内健身器”是一个与学生的生活场景存在相关性的现实问题，设计改造结构，增加其功能，是有趣的，同时也具有挑战性。这道高考题提出问题和解决问题的设计，激发了学生内在的探究动机，而一旦问题得以解决，学生也会有成就感，因此考题本身具备趣味性。

STEM理念的体验性，可以从两个层面来分析。第一借助自我学习和教师讲授获取对应的抽象知识，即“师傅带进门”;第二凸显在受教育者的动手动脑、自我思考及参与体验层面上，即“修行在自己”。STEM教学提供的体验，是以学生在第一层面掌握的数理、科学、技术、工程等知识的基础上来认知实际问题，采取发现、建模、创新、设计，并体验性地解决问题。故，STEM教育的体验性特征是参与、体验，是自我的不断强化，既获得结果性知识，又习得蕴含于项目之中用来处理解决问题、获取体验性知识的全面素养。这对其一生的学习都有莫大的帮助和启发，体验为之，难者易也。此考题“将自行车改造成室内健身器”，若作为情境式教学的主题，也将使学生收获STEM之综合素养的全面提高。

人类社会是一个群体性协作的社会。STEM教育提倡协作，注重群体间互相合作，互相启发，以及头脑风暴，从而促成群体性知识的建立。STEM教学课题通常来自真实生产与生活，而真实任务中待解决的问题，通常需要合作，需要集思广益，需要与他人交流及讨论。建构主义指出，学习环境的四大要素包括“情境”“协作”“会话”和“意义建构”。我们可以设想，STEM教育的协作性特征会有两个重要的外部特征，即在学习思考和解决问题过程中的“协作”和“会话”。其策略可以以小组为单位，协同发现问题、明确问题、收集资料、提出设想、验证设计、评价设计过程。最后以小组成员的共同表现为主体，而不以某一个人的主观认知实施独立评价。

三、结语

高中通用技術课程设立于2006年，和其他传统高考学科相比，显得年轻，因此有些方面不完善。在纳入省新高考选考科目之前，其作为一门基础性学科的重要性没有得到学校层面足够的重视。而现在浙江省作为唯一将技术课程纳入高考选考科目的省份，正是看到了基础技术学科对未来人才之STEM综合素养高要求的作用，这体现了顶层领导对未来社会人才需求的高瞻远瞩。以“元学科”为核心阐述的STEM理念，其跨越科学、技术、工程和数学等学科领域，其课题存在于我们真实世界中，各要素之间相互不可或缺，彼此紧密联系。在一线教师实施STEM教育教学理念的实践中，重点不再是学科知识点的灌输，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程和数学等学科相互关联的知识来认识问题，分析问题，并解决问题，从而实现受教育者应用多学科知识解决实际问题能力得到提高等教育目标。

编辑 王彦清