基于计算思维的高中生设计与智造项目化实践研究

【摘 要】通过整合高中技术课程模块与内容，开发“设计与智造”系列项目，以项目学习为主开展“设计与智造”教学实践，引领学生在实践体验中综合运用数字化工具解决实际问题，从而提升学生的计算思维，培养会设计、能智造的高素质技术创新人才。

【关键词】计算思维；设计与智造；项目化学习

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2023）012-069-03

党的二十大报告指出，教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。青少年科技拔尖创新人才培养作为基础性工程，将直接影响到国家综合实力的提升。高中阶段是青少年科技拔尖创新后备人才培养的关键时期，为实现国家高水平科技自立自强，培养更多领跑关键领域的科创人才，我国《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》将计算思维作为重要思维能力融入学科核心素养之中，重点关注学生高阶思维的培养。那么，计算思维培养如何融入教学设计之中？计算思维教学如何实施、怎样评价？其典型的学习方式又是什么呢？这都是本研究将重点探讨的问题。

基于计算思维的设计与智造项目化开发

本研究采用“设计与智造”项目化学习培养学生的计算思维。学生的项目成果，不管是电子的或是实物作品，都可以视为产品，所有产品都离不开“设计”，传统产品需要“制造”，智能产品则需要“智造”，[1]在项目实践过程中，学生像设计师、工程师、程序员一样思考与实践，实现“做中学、用中学、创中学”，在“设计与智造”的过程中学会设计与智造产品，发展计算思维。本研究基于多轮项目开发的探索与实践，提炼出“设计与智造”项目化开发路径（图1），指导项目的持续生成与迭代。

1.项目前期筹备

项目前期筹备工作较为繁琐，但它是后续项目设计与实施的基石。第一步，教师需要梳理通用技术和信息技术的必修、选择性必修、选修等新教材，将有逻辑关系的相关内容进行整合，为大项目的开发奠定基础。鉴于目前小学、初中阶段技术类课程实施状况参差不齐的现状，第二步是对我校高一新生进行随机抽样访谈与调研，了解学生所具备的相关知识及技能，明晰学习难度，激发一些具有创新性的项目主题。完成以上两项准备工作后，第三步为确定项目主题，并对其进行可行性研究，明确教学目标、实施形式等。最后，制定“设计与智造”项目方案，它是项目设计、项目实施、项目反思评价与迭代优化的依据，由于“设计与智造”项目均为跨学科主题项目，成果多数是实物产品，其筹备、设计、实施等情况比较复杂。因此，方案制定需要详尽细化，包括项目的整体规划、组织形式、实施场地布置、教具制作要求、评价与反馈要求、资料整理归档，以及项目耗材、设备器材等后勤保障工作要求。

2.项目中期设计

预设项目成果，以结果为导向，反向设计项目内容，围绕“预设项目成果—实现预设项目成果—评估项目产出”这条主线展开项目设计。针对预设的项目成果，创设项目情境，其创设强调真实性、密切联系学生实际生活，激发学生的项目实践内驱力。为实现预设的项目成果，设计学习手册，学生的学习手册具备三个功能：第一，将大项目分解成若干小环节，降低实践难度；第二，在学习手册中加入项目基础知识与技能操作要领，便于学生碰到难点时查阅，支撑学生项目实践；第三，便于过程性资料收集、整理与归档，既是项目生成性成果，也是过程性评价的依据。因此，作为学生项目实践脚手架的学习手册，设计应极具针对性，每个项目都有自己独特的学习手册。最后，设计评价方案评估项目产出，其评价方案突出全面性、过程性，通过学习手册等过程性资料、项目产品成果、计算思维调查问卷的前后测数据等客观反映学生的学习质量，全面评价学生计算思维、技术素养的培养效果。

3.项目后期实施

设计思维作为以人为本的创新方法论，从理解人的需求出发，面向真实情境的问题解决，通过一定的工具和方法，综合应用多学科知识，最终形成创新的问题解决方案[2]。而“设计与智造”项目是围绕作品产出展开的，设计思维的真实性、综合性、创新性等特点为“设计与智造”项目化实施提供了新的思路。因此，在项目后期实施过程中，本研究引入设计思维流程，让学生经历共情用户需求、明确项目问题、创新设计方案、建立模型或原型、测试评估等环节，最终完成项目的设计与智造，在整个过程中分阶段细化落实培养学生的计算思维能力。每个设计环节都提供相应的设计思维工具支撑学生的创意生成，如“创意小灯”项目中，共情用户需求时使用同理心地图精准定位设计痛点，明确问题时使用“世界咖啡”式会谈，创新设计方案时使用九宫格思考法、头脑风暴法等进行方案构思，使用KANO模型进行方案权衡，测试评估时使用场景模拟、反馈图等工具。

4.项目反思迭代

项目开发环环相扣，在项目开发的全过程都要注意反思与总结，分析项目设计和实施过程中的不足之处，并制定项目修改方案，不断积累成功经验，思考项目的生长性，强化项目的开放性，完成项目的可持续迭代更新，以支撑学生的个性化学习与发展。

基于上述开发路径，经过三年的积累，本研究形成了“设计与智造”项目体系，包括“技术与设计”“数据与计算”“智能制造”“媒体设计”四个模块，每个模块包含若干项目。其中“技术与设计”和“数据与计算”系列项目是基础模块，为后续项目课程奠定知识和技能基础，熟悉设计思维工具，初步掌握解决项目问题的范式，教师引导的比重更多；而“智能制造”和“媒体设计”系列项目更强调学生的自主性，多由学生主导完成项目实践，深度培养学生的计算思维。

基于计算思维的设计与智造项目化典型学习方式

计算思维的培养不应局限于信息技术课程教学，计算思维的培养也不应是大而化之、笼而统之的，将其细化，分解融入到项目实践过程中，才能切实培养学生的计算思维。因此，本研究将计算思维细化为问题分析与分解能力、抽象与转化能力、算法思维能力以及评估与概括能力这四个方面的能力，融入项目实践的各环节，有针对性地进行培养，探索“设计与智造”系列融合项目的典型学习方式，按照“项目设计—项目实施—项目反思”的实践过程构建了教师和学生两个维度的活动，教师活动起到引导、支撑作用，引导学生在经历自主建构项目成果的过程中，系统地架构自己的知识与技能体系，像设计师、程序员一样思考与实践，深度培养计算思维，提升技术素养，成长为会设计、能智造的高素质技术创新人才。以下以“可分类垃圾桶”项目为例，梳理设计与智造典型学习方式，介绍计算思维细化培养心得。

1.项目设计

在项目设计模块，教师根据预期项目成果——可分类垃圾桶模型，创设真实项目情境。“2019年7月1日，正式施行生活垃圾分类，那有没有适用垃圾分类的垃圾桶？你家里垃圾分类怎么处理的？你们小区、我们学校的垃圾桶是什么样的？”通过创设与学生生活联系紧密的项目情境引导学生去思考，理解、分析项目问题，在这个过程中培养学生的问题分析与分解能力。

根据项目主题，学生有针对性地学习项目资源包，掌握简单木工、金工等加工工艺，了解传感器、控制板、简单电路设计与制作、算法设计等技能，为项目实施做好准备。

2.项目实施

共情需求——垃圾桶的使用对象包括扔垃圾的人和清理垃圾的人两大类，学生缺乏公共卫生清理的生活经验，需要观察、体验、调研才能全面客观地了解真实使用需求，再结合垃圾分类的新需要，采用同理心地图这一设计思维工具，帮助学生精准定位产品使用痛点，如方便更换垃圾袋、便于清理垃圾桶、隔绝味道、智能开合盖、智能分类等。

明确问题——学生根据产品使用痛点，得出真正需要解决的问题，即可形成较为明确的可分类垃圾桶设计要求。

以上两个环节可以有效培养学生的抽象与转化能力，将头绪杂乱的现实问题抽象转化为可被解决的问题模型，得到确切的设计目标。

设计方案——针对设计要求，利用头脑风暴法、九宫格思考法等设计思维工具辅助进行创新方案设计，用三视图、机械加工图等设计图样将外观设计方案呈现出来，用电子电路图、算法设计等将智能控制功能设计出来，包括垃圾智能分类、智能开合盖、自动更换垃圾袋等。

建立模型——根据创新设计方案，利用热熔胶枪、美工刀、手锯、电烙铁等简单工具，对木板、瓦楞纸、传感器、控制板、电子元器件等材料进行加工处理，建立作品模型。

以上两个环节可以培养学生算法思维能力。

测试评估——对照设计的一般原则与设计要求，测试项目作品是否实现智能控制功能、结构是否稳固、是否便于清洁等。若没有实现，再返回重新设计与制作。最后展示交流，分享成功与失败经验，并能将这些经验迁移应用至新项目设计中。此环节可以培养学生概括与评估能力。

3.项目反思

项目反思模块中，教师对项目开发与实施的整个过程进行反思、总结与延伸，以促进新项目的迭代更新。学生反思总结项目实施过程中的经验教训，并在教师引导的项目主题上进行拓展，发挥主观能动性，自主设计项目主题，实现具有开放性的、个性化的学习，深度发展计算思维。

基于计算思维的设计与智造项目实施效果

经过三年的项目实践，学生的计算思维、设计思维等高阶思维能力得到显著提升，核心素养全面发展。教师团队不断提高教学能力、教研能力、项目开发能力等，保障“设计与智造”项目体系顺利开展。随着实践的深入，总结生成彰显学校特色的高中技术整合方法和经验，带动区域协同发展。

1.设计智造，培养学生计算思维

经过“设计与智造”的项目化培养，学生的计算思维得到显著提升。从学习手册、最终作品、计算思维问卷调查等多角度对学生的计算思维培养进行全面评估，发现学生的计算思维各方面能力都得到发展，特别是问题分析与分解能力和抽象转化能力，他们的项目作品更具创意，自我评价也更高。

2.教学相长，塑造创新教师团队

为更好地开展“设计与智造”项目化探索，本研究通过专家引领、专题研讨、名师示范、课例研究、教师培训、资源共建共享等措施，提高教师团队的项目开发与实施能力、创新能力、教研能力等，促进教育团队共同成长。

3.建设品牌，扩大学校辐射影响

总结提炼项目开发路径、设计与智造典型学习方式，形成项目案例集，生成彰显学校特色的技术融合育人方法和经验，使其值得借鉴、可以推广。通过承办中美基础教育课程与教学交流会等大型活动，展示分享经验，扩大学校辐射影响力。

注：本文系江苏省教育科学“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”（课题编号：D/2020/02/283）阶段性成果；江苏省普通高中课程基地项目“像工程师一样实践：普通高中工程整合课程基地”阶段性成果

参考文献

夏燕萍， 钟柏昌. 高中技术课程“一线、双主、三维、四块、五阶段”融合模式研究[J]. 中小学教材教学， 2022（12）.

陈鹏，黄荣怀．设计思维： 从创客运动到创新能力培养[J]. 中国电化教育， 2017，（9）：6-12．

编 辑：王晓波