工业4.0背景下提高中学生创新能力的探索

湛振弟

摘要：本文从工业4.0对传统制造业的影响入手，分别从更新观念，领悟工业4.0的智能制造对人才创新能力提出的新要求;考虑工业4.0对人才创新能力的要求，合理进行通用技术场室的建设、教学载体的选择;合理选择通用技术教学实施的项目，有助于培养出符合工业4.0本质的个性化创新人才;工业4.0的实现，能对学生创新能力实施有效评价等几个方面，论述工业4.0理念对通用技术教学的影响以及应对的措施。

关键词：工业4.0通用技术 创新能力

未来社会的发展取决于我们拥有怎样的人才。人才的培养需要教育的支撑，需要课程的落实。2003年国家实施新一轮课改时，增加了通用技术课程，目的就是为了培养适应社会发展的人才。2017课标修订提出通用技术课是一门立足实践，注重创造、体现科技与人文相统一的课程，并将创新设计作为通用技术学科的五大核心素养之一，重点突显出在通用技术课培养创新能力的任务与要求。

通用技术的目标之一就是要为未来培养更多的人才。因此用工业4.0相关理念指导通用技术课程的建设，有助于创新人才的培养和课程的健康发展。

一、更新观念，领悟工业4.0的智能制造对人才创新能力提出的新要求

在18世纪以前，大多数家庭是以家庭小作坊的方式进行生产，以自己的手工艺来养活自己和家人，过着自给自足的生活。学成一技之长，就可以以技养家，并且可以世代相传。几千年来形成的这种观念在人们脑海中根深蒂固，并一直持续影响至今，所以现在还有部分人提出要充分利用通用技术课，来强化学生技能的学习。对此，我也有过切身的体会，在通用技术课刚开设初期，曾有安排学生锯木块、锯铁片的活动。学生积极投入，但一节课下来累得满身大汗，才能锯出一小块形状。后来引进了电锯、机床等新设备，大大降低了对体力、技能的要求。这让我认识到人类的技能会被机器代替，机器追使很多人必须进行职业转移，并且这种转移速度会越来越快。农业机械化大生产促使很多农民走进工厂成为工人，而工厂的流水线生产方式和近年快速发展的人工智能技术，又把工人从工厂里解放出来，他们又需要寻找新的工作。工业4.0的智能制造，会进一步削弱对人技能的要求，进而强化对产品的设计，强化人的创新能力。这是社会发展对人才的创新能力提出了新的要求。

国家主席习近平指出，我国要在科技创新方面走在世界前列，必须在创新实践中发现人才、在创新活动中培育人才、在创新事业中凝聚人才，必须大力培养造就规模宏大、结构合理、素质优良的创新型科技人才。这是国家发展对人才的创新能力提出了新的要求。

工业4.0对人才的结构和能力也提出了要求：不仅要拥有分析处理问题的能力，要具备跨学科的学习能力和系统解决问题的能力，还应具备以信息化素养为首的综合能力。尤其是对数学、信息、科学和工程方面的素质要求大大增加。这是对创新能力要求的进一步明确和要求，与国家和社会对人才的要求相一致。

作为引领高中学生进入技术之门的课程

通用技术的教师，是培养适应工业4.0人才的入门的领路人，在思想和方法上要适应时代的变化，甚至要有超前的意识。要加强学习，认真领悟课标与教材，理论联系实际，了解当前技术发展的趋势，及时更新自己的育人观念，重视学生创新能力的培养，才能培养更多未来需要的复合型创新人才。

二、考虑工业4.0对人才创新能力的要求，合理进行通用技术场室的建设、教学载体的选择

在通用技术教学过程中，我曾有过两次不同的尝试。一次我給学生提供做无线寻迹小车的材料是电路板和电子元件，学生需要通过焊接的方式来组装，预计给学生两节课来完成，因为焊接技能的限制，结果非常不理想，到预定的时间没有一半同学完成。另一次则把材料中的电路板换成面包板和导线，学生连接电路不受焊接技能的限制，效果比预期的要好很多，绝大部分同学一节课就可以完成了。很明显第二次选择的载体能让学生更高效完成电路连接，更加方便、灵活地进行电路设计的学习。相比焊接技能，电路设计的能力更符合工业4.0的要求，也更不容易被机器代替。

良好的教育环境、合适的教学载体，有利于创新活动的开展和创新能力的培养。工业4.0要求我们要具有创新实验室。然而创新实验室应该怎么配备相关设备每间学校甚至每个老师都会有不同的思考，但有几点原则我们必须要把握：

1.要围绕教学目标的有效达成来选择合理的设备或材料;

2.要根据学校的实际和特色，与学生生活紧密结合;

3.要有利于设计能力、综合能力、创新能力的培养;

4.要能体现当前技术发展的方向;

5.要根据地方特色，因地制宜。

根据以上的原则，以前劳技课用的金工室、木工室，过于强调单一的技能和单一的村料，会限制学生创新能力的培养，导致创新的形式和活力不足，不能满足通用技术教学的要求。根据当前技术发展的形式，工业4.0不管网络化还是数字化，最前端都将是智能化，但所有的这些都将离不开传感器。因此通用技术教学实施载体，我们首先考虑的就是要加强云计算平台、虚拟现实、人工智能、知识工作自动化等软件，以及工业机器人、传感器、3D打印、智能物流（AGV）、数据采集器、工业交换机等硬件的建设。尤其传感器、互联设备、电子设备等应成为通用技术教学和实验室配备的首选并且这些材料或元件，来源多样，类型多样、成本低廉、加工简单、功能丰富，更加适合学生应用在他们的设计作品中。

三、合理选择通用技术教学实施的项目，有助于培养出符合工业4.0本质的个性化创新人才

工厂的产品，都是以项目化的形式进行生产和管理的，也许我们曾以为，工厂生产出来的产品，都是干篇一律的。然而工业4.O的本质，就是通过数据流动自动化技术，从规模经济转向范围经济，以同质化规模化的成本，构建出异质化定制化的产业。这说明工业4.O的本质强调个性化，个性化恰恰体现通用技术要求的创新设计。

项目化不止存在于企业或工厂，项目化对培养综合型创新人才的诸多优点，也被不断的引入到教育领域中。项目化学习是通过学生对完整、系统的项目加以完成，以此实现教学任务的一种教学方法。通用技术的课标建议必修一模块“教学实施的全过程可以采取大项目加辅助案例的形式”。必修二模块“可以采用大概念引导大项目的方式进行项目设置”。可见项目化是通用技术课程实施的必然选择。

项目内容的选择是项目教学的关键，直接决定着人才培养的效果和质量。对于流程的设计这部分内容，我曾尝试用过有两个项目。一个是组装弹簧圆珠笔，一个是为校运会设计一个决出铅球前八名的比赛方案。经过对比我们发现，组装弹簧圆珠笔几乎只能按部就班，最后结果都是干篇一律;而对于铅球比赛是投完一次就测一次成绩、还是先标点后测量，选择什么样的测量工具等问题，学生有更多的思考空间，最后每个学生提供的方案都不尽相同。显然铅球比赛项目，更能进行创新设计，更符合工业4本质要求，更有利于学生个性和创新能力的培养。

课标提供了一些项目供我们参考使用，但我认为这些例子之间的联系不大，不能将必修1和必修2的内容有效串接起来。项目千千万，好的项目要突显通用技术重创新设计的特点，能突显学生的个性化，有利学生创新能力的培养。在教学项目的选取时我们可以参考以下原则：项目目标明确、项目可操作性强，在项目的学习中学生能理解知识的建构和亲历技术过程，同时要兼顾我们本地区、本区域的民俗、习俗和文化特点。

在实际教学中，我做了如下尝试，考虑到我校地处岭南水乡，桥梁众多，区内拥有广汽汽车研发中心、思科智慧城等高科技的产业园和研究中心。我校希望能有效借助相关的社会力量，构想出通过桥梁承重比赛、汽车模型制作赛、汽车模型竞速赛等一个个小项目，把路、桥、车结合起来，形成一个关于交通的大主题，把课程的设计、工艺、材料选择、测试、优化、结构、流程、系统、控制的多方面知识有机联系起来。项目融合了课标要求与DBL（Disign-Based Learning基于设计的学习）和PBL（Project-Based Learning基于项目的学习）。通过这个项目的实施，项目主题与学生的生活密切相关，搭建了实际知识应用场景，让学生以实际问题为切人点，以技术课标为知识范围，关注社会、关注生活，真正实现学以致用。项目以学生为中心，以教材为辅助，让学生因需而学，老师应求而教，优化了传统的师生学习模式。实现了工程、技术、科学、艺术、数学、人文等学科的跨学科综合学习，通过在不同项目的设计并完成过程中，学习并运用通用技术的课标知识，提高学生的设计能力，创新能力和综合性技术应用能力，实现培养创新人才的目标。

四、工业4.0的实现，能对学生创新能力实施有效评价

学校现行采用纸笔考试为主的评价方式最受人诟病的地方在于一是评价只能反映结果，不能体现过程;二是着重反应理论知识而不利于呈现动手和实操的能力;三是结果是统一的标准化答案，缺乏对个性创意的评价。而这些却正是通用技术评价的核心和精华所在，所以很多人极力反对用现行的这种评价模式对通用技术进行评价。缺乏有效的评价，就不能有效地推动课程实施、调动学生积极参与。

工业4.0借助生产过程的数字化、网络化，能很好实现精细化的过程管理和结果管理，用其互联、互通的智能生产模式，生产出一个个充满个性的产品。而我们对学生的评价为什么不能反应过程、能力，和个性化？归根到底，就是因为我们缺乏有效的数据，因此要改变只以纸笔考试进行评价的模式，核心就要是将过程进行数字化。借助工业4.0的实现方法，我们可以把学生的活动过程进行数字化记录。这是也有探索先例可参考的。现在初中中考的实验考查，就是使用数字化的实验考试系统，通过系统可对操作过程进行录像，实验的过程的各种数据可通过系统的自带传感器进行收集、或手动把数据输入系统中，从而实现数字化。用过Photoshop的老师都知道，Photoshop操作的每一个步骤，都会形成一个历史记录，这是软件自带的过程性记录功能。很多软件都有这样的功能，利用这些功能，实际上可以把学生的思维过程进行数字化呈现洧了数据，就能实现网络化洧数据、有网路再进行过程性、个性化、精准性的评价就不是难事了。

每一个过程都能得到有效的跟踪，每一個有个性的作品都能得到合理的评价，学生的创新能力就能得到激发。所以要对学生创新能力实施有效评价，我们需要借助工业4.0指引。

五、结束语

工业4.0是一种理念，一种标准，也是一种新技术革命。深入学习工业4.0，有助于促进通用技术课程健康、良性发展。工业4.0的建设在路上，通用技术课程的发展也在路上，还有很多问题，需要我们不断去探索，去研究。我们期待能用工业4.0引领通用技术获得更好地发展，同时期待通过通用技术能为工业4.0培养更多优秀人才，从而促进我国科技发展更快、更好！

参考文献

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