高中技术融合课程中学生高阶思维培养的实证研究

【摘 要】高阶思维是高素质创新人才综合素养的核心，本研究以“大项目”方式整合学习内容，构建技术融合课程，形成“设计与智造”的典型学习方式，引导学生在经历项目学习的过程中发展高阶思维。以“创意小灯”项目为例，实证研究其培养效果，数据结果分析表明技术融合课程中学生的计算思维、工程思维、设计思维等高阶思维能力都有显著提升，学习效果更佳。

【关键词】融合课程;高阶思维;计算思维;工程思维;设计思维

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）09-066-04

高中信息技术和通用技术作为技术教育的载体，是素质教育的基本组成部分，对于落实立德树人根本任务、实施国家创新驱动战略具有重要的作用。但是，通过前期问卷调查和访谈，高中学生的计算思维和工程思维发展相当薄弱，主观上轻视技术课程的学习，进一步加剧了相关高阶思维培养的缺失。因此，如何有效地在技术课程教学实践中培养学生计算思维、工程思维等高阶思维成为急需解决的问题。

技术融合课程中的高阶思维培养策略

孙宏志等人认为高阶思维的发展蕴含在完成复杂任务或解决劣构问题的过程之中[1]。因此，本研究拓宽了计算思维和工程思维的培养路径，不再将计算思维的培养局限于信息技术课程教学甚至编程教学中，也不再将工程思维的培养局限于通用技术课程教学中，而是将计算思维分解为分析思维、合作思维、创造力、算法思维以及问题解决能力等五个方面的能力，将工程思维分解为系统分析能力、创造能力、比较权衡能力、系统评估能力等四个方面的能力，探索技术融合课程中这些高阶思维能力的培养策略。基于此，在深度分析通用技术与信息技术新课标和新教材的基础上，以“大项目”方式整合学习内容，构建技术融合课程——“设计与智造”课程体系，并引入设计思维模式重构项目实施过程，形成了“设计与智造”的典型学习方式，按照“项目设计—项目实施—项目反思”的项目实践过程构建了教师和学生两个维度的活动，引导学生在经历建构与合作的项目学习过程中，形成全面的、生成性的、开放的项目成果，并在连续、发展的学习评价中不断发展自己的计算思维、工程思维、设计思维等高阶思维能力（图1）。其中，引入的设计思维是发展新工科创新教育的一种非常有效的思维模式，它以人为本地对复杂问题进行创新性解决，是对复杂问题的多元化求解和方案优化，是以流程的形式来培养高阶思维的[2]。

学习成效与高阶思维培养实证分析

1.研究对象与实验

为了验证本研究提出的技术融合课程中“设计与智造”典型学习方式的学习效果，以及高阶思维能力培养的状况，设计了如下教学实验：选取学校高一新入学的两个教学班，这两个班入学平均成绩、男女生比例相当，均没有接触过技术融合课程。对照班学生采用传统的项目式学习方式进行学习，即按照通用技术课本中设计的一般过程开展创意小灯的项目学习;而实验班学生采用“设计与智造”典型学习方式开展项目学习，将三维设计、创意编程等信息技术相关学习内容与通用技术中设计的一般过程63b0d3e4cbc10f20ccae3c74267945cb相融合，并引入设计思维工具，制定配套的项目学习手册，为学生设计作品提供脚手架。在正式进入项目学习之前，两个班都填写相关前测问卷，经过一个大项目的设计后（为期10周，每周2课时），再次填写相关后测问卷，通过前后测的问卷数据、过程性的项目资料和最终的小灯成品，对比分析两种学习方式的学习成效，以及“设计与智造”典型学习方式对于学生高阶思维能力的培养效果。数据的录入管理和统计分析采用SPSS26统计软件。

2.研究工具

计算思维问卷：采用由 Korkmaz，Cakr 和 Özden 开发的“计算思维技能水平量表”。该量表总共包括 22个题目，所有题目选项均以李克特5点量表的形式呈现，其中，1代表“非常同意”，5代表“非常不同意”，分值对反向题按逆向处理，即按5-1分进行赋值。本问卷的信度为0.946，效度为0.925，具有良好的信效度。

工程思维问卷：采用南京师范大学编制的《普通高中学生工程思维状况调查问卷》来评价学生工程思维能力水平，共14题，其中系统分析包含4道题，创造能力包含3道题，比较权衡能力包含4道题，评估能力包含3道题。每题计1分，正确则为1分，反之为0分。本问卷的信度为0.894，效度为0.86，具有良好的信效度。

设计思维评价中，研究者最常使用的是混合评价法和调查访谈法，而调查访谈法中包括调查参与者对设计思维的看法、课程体验与满意度、自我效能感、问题解决过程、21世纪技能、创造力发展等[3]。本研究使用创造性人格量表和自我效能感量表来评价设计思维的发展。

创造性人格量表：采用美国明尼苏达大学托兰斯编制的“你属于哪一类人”创造性人格量表，量表由 20 道单选题组成，量表中选择“是”为 1 分，选“否”不计分。本量表的信度为0.867，效度为0.817，具有良好的信效度。

自我效能感量表：自我效能感是对自己是否能够成功地实现某一成就的自信程度[4]。该量表由13个题目组成，以李克特5点量表的形式呈现，分为个人和群体两个维度[5]，其中“非常同意”为1分，“非常不同意”为5分。本量表的信度为0.959，效度为0.934，具有良好的信效度。

3.结果分析

在开展项目学习之前，对两个班的问卷数据进行独立样本T检验，分析结果显示实验班和对照班的学生在计算思维、工程思维、设计思维等方面均不存在显著差异（t=0.425，p=0.672>0.05;t=0.261，p=0.795>0.05;t=0.068，p=0.946>0.05;t=-1.084，p=0.281>0.05）。

（1）不同学习方式下学生计算思维培养的差异分析

对计算思维问卷的后测数据进行分析，统计出学生项目学习后的得分，结果显示实验班的计算思维平均得分低于对照班，说明进行项目学习后，实验班学生的计算思维水平高于对照班。再结合前测得到的学生计算思维水平数据，分别进行实验班前后测数据的配对样本T检验、对照班前后测数据的配对样本T检验（表1），结果显示，实验班前后测数据T检验的Sig<0.05，差异显著，说明采用“设计与智造”典型学习方式对于提高学生的计算思维具有一定的积极作用;对照班的配对样本T检验结果，其T检验Sig>0.05，没有显著差异，说明传统的项目学习方式对于学生的计算思维没有明显的促进作用。

（2）不同学习方式下学生工程思维培养的差异分析

对工程思维问卷的后测数据进行分析，统计出学生项目学习后的得分，结合前测得到的学生工程思维水平得分，分别进行实验班、对照班前后测数据的配对样本T检验（表2）。在问卷后测结果中，实验班的工程思维水平平均得分高于对照班，说明进行项目学习后，实验班学生的工程思维水平高于对照班;对实验班和对照班的工程思维前后测数据进行配对样本T检验，T检验Sig=0.000<0.05，差异均显著，说明两种学习方式对于提高学生的工程思维都具有积极作用。为了检验两种不同学习方式对学生工程思维水平的影响作用，对两个班的工程思维问卷后测数据进行独立样本T检验（表3），发现方差齐性检验Sig=0.933>0.05、独立样本T检验0.01<Sig<0.05，差异比较显著，可以认为相对于传统项目学习方式，“设计与智造”典型学习方式对提升学生的工程思维作用更大。

（3）不同学习方式下学生设计思维培养的差异分析

对学生进行项目学习后的创造性人格量表数据进行分析发现，实验班的创造性人格平均得分比对照班高，说明实验班学生的创造性人格水平高于对照班。再结合前测得到的创造性人格量表数据，对实验班、对照班分别进行配对样本T检验（表4），结果表明，实验班的T检验Sig=0.000<0.05，差异显著，说明“设计与智造”典型学习方式对于提升学生的创造性具有积极作用;对照班MCrY0Qbvl3CmWaAJdGD5oi7+BLk4zOac5msSVbRQdwQ=的T检验Sig=0.812>0.05，没有显著差异，说明传统的项目学习方式对于学生的创造性没有明显的促进作用。

对实验班、对照班的自我效能问卷前后测数据进行配对样本T检验（表5），结果显示，实验班的平均得分低于对照班，说明实验班的自我效能感水平较高;实验班配对样本T检验的Sig=0.011<0.05，差异显著，说明“设计与智造”典型学习方式对于提升学生的项目学习自信心具有积极作用;对照班配对样本T检验的Sig=0.692>0.05，没有显著差异，说明传统的项目学习方式对于学生自信心没有明显的促进作用。

（4）不同学习方式下学习成效的差异分析

学生的学习成效从过程性项目资料与最终作品两个方面来评价。过程性项目资料以学生的项目学习手册的形式收集，手册中包括设计要求、设计分析、方案构思方法、方案权衡、方案呈现、模型制作、作品评价（包括自评、学生互评、教师评价等）、作品反思等模块，两个班的不同之处在于，实验班的方案构思、方案权衡等模块都嵌入了设计思维的工具，如九宫格思考法、“世界咖啡”法、KANO模型等，而对照班按通用技术课本内容实施教学。从手册的填写情况可以看出，实验班的草图设计、三视图呈现、方案呈现、作品反思等普遍优于对照班。最终在作品的评价中，实验班的优秀率高达37%，对照班的优秀率是20%，实验班的设计作品中不乏3D打印、激光切割作品，其创意程度、完成度更高，自我评价也更好。综上分析，可以明显地发现，实验班的学习效果优于对照班。

研究结论与建议

本研究以“大项目”方式整合通用技术与信息技术等技术学科内容，构建技术融合课程，形成了“设计与智造”的典型学习方式，并以“创意小灯”项目为例，实证研究技术融合课程中学生计算思维、工程思维、设计思维等高阶思维能力的培养效果。基于以上理论与数据分析结果，我们可以得到以下结论。

首先，“设计与智造”学习方式能有效提升学生的高阶思维能力。具体体现为：“设计与智造”学习方式对于学生的计算思维、工程思维和设计思维等高阶思维培养都有显著的促进作用;传统的项目学习方式只对工程思维培养具有促进作用，对计算思维和设计思维均没有明显的效果;而工程思维培养方面，“设计与智造”学习方式也显著优于传统项目学习方式;采用“设计与智造”学习方式的学生作品更具有设计感与创新性，其阶段性成果（设计要求、设计草图、设计方案等）格式更规范、形式更丰富。由此可见，高中技术融合课程对于学生高阶思维的培养具有明显优势，后期应进一步丰富“设计与智造”课程体系，开发更多的融合大项目。

其次，项目学习手册能有效地支撑学生的项目学习。本研究中的大项目历时较长，难度较大，如果项目实施不当，很容易导致学生学习积极性下降、畏难情绪严重、理论知识与项目实践脱节等问题。因此，本研究设计了极具针对性的项目学习手册，以支撑学生的学习活动。利用学习手册，可以将“创意小灯”大项目按设计过程，分解成一个个小环节，包括形成设计要求、设计分析、构思方案、权衡方案、设计草图、呈现方案、制作模型、方案评价、项目反思等。每一个分解的小环节难度并不大，用时0.5～3课时不等，结束后都有阶段性任务，学生按照每一个小环节的引导，最终完成大项目的作品。学习手册中也加入了电路原理等基本知识，方便学生课后查阅，改变以往项目学习中学习资料散乱，或者没有学习资料支撑的问题。因此，后期每一个大项目都可以考虑开发相配套的项目学习手册，以支撑学生的项目学习。

目前，本研究中数据分析还相当笼统，只是对比了不同项目学习方式后思维培养的差异性，但对于各高阶思维中不同的能力维度具体培养效果如何，设计思维的引入对于技术融合课程中学生计算思维、工程思维培养的影响效果，不同的项目类型对于学生高阶思维能力培养有无不同等问题都没有深入探讨。在未来的研究中，笔者将继续探讨上述问题，以期更好地指导“设计与智造”课程体系的构建，进一步完善“设计与智造”学习方式，更切实地提升学生的高阶思维能力。

注：本文是2019年江苏省基础教育前瞻性教学改革实验项目——“设计与智造：统整理念下高中生学习方式的变革”的阶段性成果;江苏省教育科学“十三五”规划2020年度立项课题“基于计算思维的高中生设计与智造的项目化实践研究”（课题批准文号：D/2020/02/283）阶段性成果;江苏省教育科学“十三五”规划2018年度青年专项重点资助课题“江苏省高中STEM教育基地实验项目的设计与实践研究”（课题批准文号：C-a/2018/02/19）阶段性成果

参考文献

孙宏志，解月光，张于. 核心素养指向下高阶思维发展的表现性评价设计[J]. 电化教育研究. 2021（9）：91-98.

张月香. 指向思维培育的技术课程项目化实践[J]. 中国信息技术教育. 2021（8）：38-40.

王志军，严亚玲. 教育领域设计思维评价： 模型、工具与方法[J]. 开放教育研究，2021（5）：34-43.

张鼎昆，方俐洛，凌文辁. 自我效能感的理论及研究现状[J]. 心理学动态，1999（1）： 39-43+11.

梁小帆. 基于关联主义学习理论的创客教育模式设计和应用研究[D]. 石家庄： 河北师范大学，2018.