“双新”背景下高中通用技术学生活动设计与实践——以“桥梁结构的优化与改进”为例

◎ 陈 希 管文川 赵 杰

根据教育部《关于做好普通高中新课程、新教材实施工作的指导意见》的文件精神，上海市高中通用技术学科于2021年9月全面实施新教材。“双新”（新课程新教材）的实施给通用技术学科的教学提出了更高的要求。本文将基于活动理论，对教学中的学生活动尝试分类，并以“桥梁结构的优化与改进”活动为例，探索学生活动设计及课堂教学策略。

一、活动理论视角下的教学设计

《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《2020修订版课标》）中通用技术课程的定义为：以提高学生的学科核心素养为主旨，以设计学习、操作学习为主要特征，是一门立足实践、注重创造、体现科技与人文相统一的课程。这就明确了教学主体是学生，教学方法以活动形式展开，即以学生活动为中心的教学方式。［1］

活动理论是建立在马克思主义哲学基础上的心理学理论，是分析普遍存在于人类社会的各种活动的描述性理论。活动理论强调实践活动，重视对人的心理发展作社会历史性的研究。［2］活动理论为分析教学设计提供了新的视角，也为探讨学习创新和课程教学改革提供了理论借鉴。［3］基于活动理论，教学设计需要关注的重点落到了活动的目的，活动的核心要素（主体、共同参与者、操作对象），中介物（工具、规则、分工），活动结构及活动实施效果上。

二、教学活动分类及教学策略

依据普通高中通用技术教材设置的学习内容，一般可以将学习活动划分为五类，分别为理论学习活动、设计表达活动、加工制作活动、技术试验活动和评价交流活动。教师针对不同类型的学习活动，应采用不同的教学策略。

（一）理论学习活动

理论知识的学习储备是学生进行其他学习活动的基础。传统的理论知识教学方法往往采用讲授法，但在通用技术学科中，应不拘泥于传统讲授法，建议可以采用收集案例资料和数据分析探讨，或是针对某个问题进行探讨、辨明是非真伪以获取知识的方法，抑或是以学案为载体进行探究学习。然而，无论是采用何种教学方法，理论知识的教学都须做好事先的知识梳理，在课堂中应及时监测反馈学生的学习情况，使学生内化知识，培养学生的技术意识。

（二）设计表达活动

设计表达活动旨在提高学生的图样表达和创新设计能力，这类活动往往要遵循学生设计方案形成的规律，因而有效的实施策略为：①组织学生依据学习目标设计问卷调查，明确分工和任务要求；②引导学生梳理主要问题，分析比较可行方案；③提供参考资料及优秀案例借鉴，助力学生尝试设计；④组织学生交流并完善方案。

（三）加工制作活动

加工制作活动重在培养学生从创意到产品实现的物化能力。将导学案引入加工制作类活动，能够提高技术实践的有效性。根据加工制作任务，教师可以通过导学案为学生提供学习资源，如图片、视频或实物样品案例。同时，教师通过导学案明确任务设置，如制作的材料、工具限制等，学生在导学案中记录分工及制作中遇到的问题等。导学案在加工制作类活动中作为一份引领性文件，整体调控学生实践过程，指导制作成果的实现。

（四）技术试验活动

技术试验是通用技术课程的重要组成部分，是培养学生技术探究能力的重要载体，也是实现创新设计的重要途径和方法。它是发现问题、探究规律、深化知识、优化技术的重要环节。根据通用技术学科必修教学内容的特点，按照试验目的可以把技术试验分为“试验探究”和“试验优化”。试验探究以形成科学概念为目的，在教学中采用以建构主义理论为基础，在学生原有知识和经验的基础上，引导学生通过技术试验主动探索，发现其中的规律，构建科学概念的教学方式。试验优化则采用以建构主义和“做中学”理论为基础，以技术试验为手段，以观察、数据收集、分析为主旨，以优化设计方案为目的的教学方式。在技术试验活动中，学生应结合试验撰写完整的技术试验报告，从而达到活动目的，形成工程思维。

（五）评价交流活动

《2020修订版课标》要求积极发挥课堂学习评价促进学生发展的引导作用。在课堂中准确、及时的评价交流活动，有助于学生知识技能的掌握和思维能力的提升。评价交流活动的设计与实施可以采用课堂与课后结合的模式，课堂评价应设置能使学生快速判断有和无的量标，课后评价内容可更详实、客观。教师在评价表设计的过程中，要梳理课堂活动细节，提取明显的特征，使得判断依据尽可能明确。评价的实施应采用学生自我评价与相互评价结合的方式，其中自我评价的内容关注活动过程，相互评价的内容侧重结果。

三、课例设计

利用活动理论作为分析框架［2］，结合上述不同教学活动的应对策略，笔者对人教版《通用技术（必修）——技术与设计2》第一单元“结构及其设计”第三节“结构的设计”的分课时内容“桥梁结构的优化与改进”进行教学设计。

（一）单元设计概述

《通用技术》必修2第一单元“结构及其设计”的单元设计以“桥梁结构设计”为载体，采用大项目大任务的教学组织方式，总课时数为六个课时。每课时安排如表1所示。

表1 《通用技术》必修2第一单元分课时安排

学生在本单元要完成的任务为：为幸福村建造一座桥梁，给村民带去接触广阔世界的发展机遇，为全面实现小康社会出一份力。学生在课堂上通过资料（场地情况、村民需求、国家/行业设计标准等）阅读，讨论，辩论等方式充分理解该课堂情境，对桥梁结构进行选型，并对桥梁结构（模型）的尺寸限制、测试方式（竖向2 kg静载悬挂于桥梁下层）等要求达成课堂共识，形成具体的设计任务书。

在本单元前三个课时中，学生以习得结构相关的基本知识为主。后三个课时学生利用所学知识，围绕“桥梁结构设计”任务，经历结构设计的一般过程（见图1），巩固知识与技能，全面提升技术意识、创新设计、工程思维、图样表达、物化能力五大学科核心素养。

图1 结构设计的一般过程

（二）教学内容分析及活动载体选择

“桥梁结构的优化与改进”为本单元的最后一课时，学生已具有结构相关的基础知识储备，围绕“桥梁结构设计”任务经历了结构设计一般过程的前三个环节（见图1），完成了桥梁结构的设计、制作与测试。本节课将进入设计一般过程中的“优化与改进”环节。结构的优化与改进既是结构设计一般过程的最后一环，又是工程问题迭代优化的一个新起点。要实现桥梁结构的优化，必将再次经历一遍方案制订、模型制作和测试等过程。

桥梁结构是一个相对复杂的系统。各小组对结构与强度相关知识的理解和应用侧重又有所不同，在前置环节中各小组间的实物作品呈现出了高度的离散化的趋势，结构优劣程度差异较大。若在优化环节组织各小组在自己结构模型的基础上进行实践，那么基础结构的差异，会拉开小组间优化和实施的难度，导致学生的课堂表现难以被比较和评价。

然而，在设计与制作过程中，各小组均针对同一情境，有着相似的测试标准（尺寸合规、施加特定荷载后是否仍能保持结构的安全性及形变限制等），课堂学生评价环节存在很多共性的特征可以被提取，实现有效的活动效果和学习效果度量。因此，本节课采用固定教学起点的做法，聚焦于一个有代表性的学生作品，学生应用之前所学知识与技能，从多种角度对该特定的不良结构进行强度上的优化，体验优化改进的过程，感受解决工程问题是一个不断迭代优化的过程，进一步提高物化能力和工程思维。

（三）学习者分析

通过本单元前几节课的学习，学生掌握了结构的一般分类、结构稳定性和强度的影响因素，能进行简单结构的受力分析，并且围绕“桥梁结构设计”这一任务经历了结构设计一般过程的前三个环节，学会了应用结构设计的一般过程对问题进行分析、设计、制作最终解决真实情境下真实问题的方法。本节课之前每组学生的结构模型都完成了加载测试，在测试过程中，学生发现了各自结构所存在的问题与不足，结合测试情况进行了反思。

（四）活动工具与资源

制作材料：某组典型的桥梁结构复制品、限定规格与数量的桐木条、502胶水、塑料扎带。

制作工具：美工刀、剪刀、砂纸、钢尺、切割垫板。

辅助工具：具有投屏功能的屏幕、专业软件、多媒体资源、加载设备、砝码、位移计。

（五）活动过程及目标

结构的优化与改进既是结构设计的一般过程的最后一环，又是工程问题迭代优化的一个新起点。因此，本节课活动经历优化方案制订、模型制作和测试等过程，包含了设计表达活动、加工制作活动、技术试验活动、评价交流活动的组合。

1. 环节1：复习导入

【活动目的】通过交流分享结构的改进设想，提炼结构优化的一般方法。

【活动内容】学生根据上节课各自小组桥梁结构承重测试情况，结合影响结构强度的因素，交流对结构的反思改进设想，提炼结构优化的一般方法，如调整结构体系、改变构件的横截面形状、加强节点的连接、替换材料等。

2. 环节2：结构优化方案的制订（设计表达活动）

融资的“高山”——资金链困住不少企业。以江苏省为例，因为融资机制不合理，融资的中间环节多、成本高，导致江苏省80%以上的民营企业融资面临重重难题，不少民营企业的老板折戟在“资金链”上。其他不发达省份的融资难，更是可想而知。

【活动目的】基于模拟试验结果，能够分析影响结构优化的因素，从而制订优化方案，增强运用工程思维解决实际技术问题的能力。

【活动内容】明确本节课需要优化的桥梁结构模型——一个具有代表性的学生作品，仔细观察该结构的承重测试情况，描述导致结构破坏的主要形变方向；明确结构优化目标（能够承受跨中2 kg竖向荷载），基于桥梁结构的力学计算结果及承重测试结果，结合结构优化的一般方法，制订桥梁结构的优化方案，在导学案的桥梁结构三视图上进行标注；交流桥梁结构的优化方案。

3. 环节3：优化方案修改与优化结构制作（加工制作活动）

【活动目的】依照优化方案桥梁结构的制作过程，提高物化能力与团队协作能力。

【活动内容】根据方案交流过程中发现的不足与问题，进一步完善结构优化方案；依据优化方案，使用限定的材料（木材横截面、长度均有限制）及工具进行桥梁结构的加工制作；小组间进行相互评价，填写课堂评价表中相应的他评内容。

4. 环节4：结构优化的展示与测试（技术试验活动）

【活动内容】结合优化方案图样介绍小组结构优化的重点；对优化后的桥梁结构进行承重测试，观察试验现象、记录试验数据，撰写试验报告及课堂评价表中自我评价内容。

5. 环节5：课堂小结与作业布置

【活动目的】通过优化与改进桥梁结构，进一步理解和应用影响结构强度的多个关键因素进行设计和制作，完整体验结构设计的一般过程，理解解决结构设计问题是一个不断迭代优化的过程。

【活动内容】总结结构优化的方法：调整结构体系、改变构件的横截面形状、加强节点的连接、替换材料。教师布置作业：完成课后评价表，根据各组桥梁结构的力学计算结果，结合结构优化的方法，进一步优化结构。

（六）活动评价

本节课采用课堂和课后相结合的评价方式。课堂的评价交流贯穿于整个活动过程中，各小组对自己在各个环节中的表现进行自我评价，对其他小组的设计图样和实物作品的呈现结果进行相互评价。依据《2020修订版课标》课程内容要求及学业质量要求、《上海市高级中学通用技术学科教学基本要求（试用本）》、“技术与设计1”模块第二章的设计分析评价表、“技术与设计2”模块第一章的模型评价表示例，结合活动内容和活动载体的特征，本节课设计课堂和课后评价工具表见表2与表3。课堂的自评和他评内容设置为能快速判断有和无的量标（见表2）。课后评价侧重客观描述，帮助学生回顾实践过程，总结实践经验，启发思考（见表3）。

表2 活动评价表（课堂）

表3 活动评价表（课后）

四、反思与结语

（一）基于真实情境，落实立德树人，选择活动项目

《2020修订版课标》建议“技术与设计2”模块可以采用大概念引导大项目的方式进行项目设置。活动项目的设置首先应能落实立德树人的根本任务。本课例所在的单元大项目设计为“修路造桥助发展——桥梁结构设计”，它源于真实情境：全面建成小康社会，最艰巨的任务是脱贫攻坚，最突出的短板在农村和山区，交通运输则是短板中的短板，是制约贫困地区发展的最大瓶颈，请各组建设团队为幸福村设计建造一座桥梁，给村民带去接触广阔世界的发展机遇。项目主题的设计立足于“全面实现小康社会”的时代大背景，引导生活于大城市的学生关注到农村山区的困境，激发学生的民族使命感。通过对“桥梁”载体的深入学习，让学生感受“中国桥”的实力与魅力，向学生渗透“中国桥”背后逢山开路、遇水架桥的奋斗精神，提升学生的民族自豪感。

其次，活动项目的选取应因地制宜，结合真实情境，设置结构不良问题。“桥梁结构”项目情境包含的诸多结构不良问题，如桥的选址、桥的跨度和宽度的确定、桥的选型等，都需要学生利用已有知识经验、收集资料等补充并使之结构化。学生通过对情境的复杂性和不确定性进行分析，进一步明确需要解决的问题，并设计方案、制作模型、测试、再优化。在此过程中提升学生解决真实问题的综合能力。

最后，活动项目的设计还应易于学生操作。“桥梁结构”项目在学生完成选址、确定尺寸、结构选型后，设置了“各组团队制作桥梁结构模型，村委组织方案比选”的情境，把建造桥梁的任务简化为设计制作桥梁模型的任务。学生在初中已掌握简易木工的加工制作，用桐木、502胶水等材料制作桥梁结构模型易于达成目标。在结构测试方案上，采用在桥梁下层跨中悬挂2kg的竖向静力荷载方式，较桥梁实际的受力形式过于简化。根据学情，可以增加试验方案的难度，如改为模拟车辆行驶的移动荷载，从而进一步提高学生的思维层次。

（二）立足学生视角，辅以导学案，设计学生活动

本次课程改革倡导以学生为中心的学习方式，改革的重点和难点是学习方式的变革，其核心就是要在教学中完全突出学生的主体地位。要实现这样的转变，首先在教学活动的设计阶段，就要从学生立场出发，明确学习目标，结合学科特征和学生特点，设置合适的学习活动，尝试从学生视角考虑活动的可行性，准备活动工具，制定活动规则，分配活动时间，分析活动中可能出现的困难及解决方案。本课例在活动方案编写过程中，始终以学生为第一视角设计活动目的和活动内容。

其次，利用导学案辅助学生活动。在以学生为主的课堂上，教师的“戏份”被压缩。教师可以借助导学案给学生提供学习资源、明确学习目标和学习任务。同时，学生将活动的所想所得记录于导学案，有助于知识与技能的习得和经验方法的积累。本课例中，配合学生活动各个环节设计了导学案，导学案给学生提供了待优化结构的测试破坏图、力学分析结果，明确了结构优化的目标、可利用的材料和工具等信息，学生在导学案中绘制优化方案草图、撰写试验报告。评价表也通过导学案呈现给学生，让学生可以对照评价内容进行活动实践。

最后，课堂活动以学生活动为主，教师只作为引领者和辅助者。本课例教学实践中，学生活动占整堂课的70%左右时间。这样的课堂组织形式，有助于课堂时间的把控。教师在课堂上实现了“减负”，工作重心从“台前”转到“幕后”。在“幕后”，教师需要花更多的时间和精力去设计学生活动的各个环节，准备学生在活动中可能产生的问题及应对策略，给学生搭好“学习支架”，确保在课堂内实现学习目标。