高中生设计与智造能力评估及培养策略

【摘要】本文立足于提升高中生技术素养，以培养会设计、能智造的高素质创新人才为目标，探索建立高中生设计与智造能力评估标准，通过对社团骨干的个案研究，从教、学、评一体化的角度，提出了开发多元课程、开展项目学习、统整评估标准等行之有效的教学策略。【关键词】设计与智造；能力评估；培养策略研究背景1.问题的提出2019年，江苏省无锡市第一中学成功申报了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”。本项目拟解决的核心问题就是如何培养高中生的设计与智造能力，提升其技术素养[1]。经过三年多的教学实践，我们在课程建设、师生发展方面取得了丰硕的成果。但是针对高中生在设计与智造学习过程中的创新能力评估及培养策略尚未形成，需要进行深入探讨。2.目的和意义为了对学生的设计与智造能力进行系统地评估，笔者分析与借鉴了2017版课程标准中的相关技术学科学业质量评价标准，形成了设计与智造能力水平评估表，选择我校机器人社团中颇具代表性的骨干学生进行个案研究，并试图梳理相关培养策略，使本项目研究更具价值和借鉴意义。研究方法1.个案的选定针对研究目标，笔者确定了无锡市第一中学iMakeit机器人社团的前后两任社长周同学和郝同学为研究对象。他们在校期间分别获得2019年度和2020年度江苏省科技创新大赛一等奖，当时，正值我校设计与智造项目酝酿和推进之际。2.研究方法本个案研究的方法主要有实物分析法、文本分析法、访谈法和观察法。实物分析法和文本分析法的主要材料是这两位学生在高中阶段的设计作品及相关研究论文。他们是创客类竞赛的积极参与者，高中期间设计和制作了多个作品，并多次获得省市级奖励。因此，对其实物作品与论文的文本分析，成为本研究的重要材料。这些材料的真实性和客观性，使其成为笔者评估学生技术能力和素养的主要依据。观察法和访谈法基本是在日常的教学活动中潜移默化地进行。访谈法通过问答，了解学生的学习基础、学习兴趣和方法、知识积累路径、能力发展过程等。观察法主要应用于学生上课、社团活动及参加竞赛时，对其学习态度、行为表现、活动参与度、动手能力、组织能力、表达能力等进行评估。3.研究的设计本研究采用的是质性研究方法，通过采集上述多方面材料和数据对学生的设计与智造能力进行评估，以期归纳出高中生设计与智造能力的培养策略。设计与智造能力评估主要用于对学生的创新能力和技术素养进行全面地考量。其中，技术素养涵盖了高中信息技术和通用技术两门课程的核心素养。基于统整理念，本项目组参考2017版高中信息技术和通用技术课程标准中的学业质量水平描述，制定了分级评估标准。结果和分析1.设计与智造能力水平分级描述设计与智造能力水平（即技术素养水平）分为三个级别，分别对应全体高中生毕业时应达到的合格水平，特长学生发展的提高水平以及少数学生具有的拔尖水平。限于篇幅，表1给出了拔尖水平学生的指标描述表，每个指标以10分为满分。学生得分由师生参考相关质量标准描述共同给出。这张能力评估表具有一定的跨学科性，主要适用于技术创新类项目的教学评价。例如，我校开展的创意台灯、纸桥、收纳盒、创客作品、机器人作品等项目的总结性评价。这张能力评估表中的指标对学习过程的描述也有涉及，要求师生在项目学习中保留过程性资料，诸如项目学习手册、研究性论文等印证材料。2.教师参考评估表对学生能力进行评估对周同学的评价依据是他的两个主要作品及其论文《设计能够识别金属的垃圾回收系统》[2]、《助老助残智能泳池升降机器人研究报告》。这两个作品的主题来源于生活中的真实问题情境，充分体现了该同学对社会热点问题的关注、强烈的技术意识和社会责任感。这两个作品的设计与完成也反映出他对系统设计流程、技术思维方式和创新设计原理的掌握；使用各种图表（结构图、三视图、流程图等）形象表达设计思路的图样表达能力；权衡并选用合适的开源硬件及材料实现产品物化、迭代的能力；通过编程软件、仿真软件控制并测试系统功能的计算思维能力；针对研究中的问题进行基于网络的数字化学习的能力。总体而言，周同学基本达到了第三层次的拔尖水平。对郝同学的评价依据主要是他的作品和论文《模拟皮肤触觉的柔性温度压力传感器应用研究》。该作品的主题反映出该同学关注前沿科技（传感技术、仿真机器人、人工智能等技术），具备较强的技术意识、创新意识和责任意识。该作品的设计过程也体现了他的跨学科（物理、化学、生物、技术等）学习能力以及比较综合的产品设计与科研能力。例如，在温度、压力传感器及封装材料的选择中，他建立了物理模型，运用有限元仿真技术进行评估和分析，这体现了其权衡决策、技术试验、创新设计、方案优化等技术思想与方法；运用仿真软件及多种圖表形象地阐述其设计思路和数据分析结果，也证明了其具有的可视化表达及抽象、分类和建模等技术思维能力。在繁忙的学习之余，他经常埋头在实验室里做实验，整理和分析数据，具有很强的设计能力和专注刻苦的科研精神。郝同学的兴趣比较多元，技术也比较全面，基本达到了第三层次的拔尖水平。此外，他在科技节组织的“机器人设计大赛”相当成功，机器人社团的同学们表现出很强的机器人搭建、软硬件设计和开发能力。依据能力评价标准，提交参赛作品的同学也都达到了第二层次的提高水平。通过使用评估表，笔者发现学生的关键能力和核心素养只有在解决真实问题的学习实践活动中才能培养出来，而且最好能通过反映项目学习的过程性资料体现出来。“设计与智造”项目学习有一个清晰的目标是完成各类技术作品。在项目教学中，教师只要秉持教、学、评一体化的思路，始终围绕教学目标开展教学和评价，就能提高教学的有效性和达成度。因此，“设计与智造”项目应继续开展基于真实情境的项目学习，强调项目过程资料的保存和项目论文的撰写，为后续的能力评估提供依据。3.学生的自我发展评价为了解这两位同学在高中以前的科技基础、高中阶段的学习经历，笔者拟定了访谈提纲，对他们做了访谈，下面是访谈问题及学生回答。问题1：进入高中前，你在科技方面有哪些基础？获得过哪些奖项？周同学：没有科技基础，只能说对科学类的活动比较感兴趣，也未曾获奖。郝同学：一点基础都没有……问题2：高一有没有参加学校的暑期新生夏令营？周同学：没有参加，在外补习文化课。郝同学：学习了C++程序设计，还补习了数学、化学竞赛等。问题3：高一有没有选修校本创客类课程？周同学：选修化学实验、化学竞赛。郝同学：选修化学竞赛、C++程序设计。问题4：在高中信息技术课、通用技术课上学到了什么？印象最深的作品是什么？周同学：在高中信息技术课上学了网站设计、Excel等办公软件的使用，满意的作品是自己设计的个人网站，感觉排版还算好看。印象最深刻的是姜同学整天在我旁边捣鼓一些我看不懂但大受震撼的东西，然后觉得这样做科创的话也挺妙的，后来我们加入了机器人社团。郝同学：通用技术课以手工制作为主，工程类的知识也有所拓展。印象最深当然是制作纸桥和台灯啦。问题5：如果省科技创新大赛一等奖成果算10分，那么有几分是靠自己努力，有几分靠导师指导，或者还有其他因素？周同学：6分靠指导吧，毕竟当时没有任何经验，自己只是想了个方向，最终的设计方案、软件使用等都是指导老师教的。当然也离不开自己的刻苦努力。郝同学：9分靠自己，1分靠老师。在参加各种科技创新类比赛时，就有很多资源和得到许多指导。通过自主学习，个人能力就慢慢增强了。问题6：请按你的学习先后顺序整理一下你在高中学习过的知识模块。周同学：Arduino开源硬件、图形化编程、3D建模SolidWorks、Python编程。郝同学：C++程序设计、算法、数据结构、数据管理、图像处理、电子工程（传感器）、机器人设计制作、激光切割、3D打印等课程。问题7：被录取的本科院校是哪所？现在科研现状及发展方向？周同学：我2020年被香港中文大学（深圳）电子工程专业录取，研究方向是微电子，大学一年级获院长嘉许奖与学业奖学金，担任学院文案助理，参与宣传工作，目前在申请进入实验室开展科研项目。郝同学：我2021年被苏州大学光电信息科学专业录取，学习成绩排名前十，获多项奖学金，参与光电转换与探测实验室课题研究。4.高中生设计与智造能力培养策略（1）开发多层次、多模块的相关课程体系，为学生的多样化个性发展奠基这两位同学以优异的中考成绩被录取到我校，说明其初中文化基础扎实，学习能力强。也许他们早就对科技有兴趣，但没有接受过任何专门培训。因此可以断定，他们在高中取得的成绩和进步主要来自高中三年的努力，离不开学校、教师、家长的支持和指导。我校的初高中衔接课、技术必修课、校本选修课、竞赛课、社团活动和创新课题等多层次多模块课程为学生的多样化个性发展提供了多种路径。在高一新生录取的暑假就有科技夏令营，免费为学生开设编程、创客、机器人等衔接课程，为有兴趣无基础的孩子们奠定知识基础。郝同学高一暑假学习C++编程，并在高一继续学习了基于C++的算法和数据结构课程，这为后期的竞赛活动、课题研究奠定了基础。周同学起步较晚，受到同学的启发和带动，才加入机器人社团，积极参加各类创客、机器人比赛，在老师和自己的努力下，同样取得了较大的进步和优良的成绩。（2）开展基于项目的“设计与智造”沉浸式深度学习，全面提升学生技术素养我校技术课程的显著特点就是以“设计与智造”为主线，以产品为目标，组织基于项目的沉浸式深度学习。周同学称之为“目标导向的学习”。两位学生共同的感受就是参加各类竞赛学到的技能特别多。因为竞赛都有明确的目标、具体的问题，其实就是一种有明确的目标导向、问题导向的项目学习。项目学习的成功之处在于，用具有挑战性的问题创造高阶思维的真实情境，激发学生的学习内驱力，对学生明确提出了带有问题系统分析、设计、创造等高阶认知要求的项目任务，让学生在强大的驱动性问题所产生的内驱力中去创造一个真实的产品。学生在完成作品的过程中，在对各种材料和文本的接触中，再对照目标找出自己的薄弱环节进行低阶跨学科学习，主动识记、检索信息，组织、理解知识，建构完成产品所需要的知识网络和关键技能。同时，学生还能在设计与智造的过程中，理解技术的本质，培养信息意识、技术意识和创新意识，形成严谨细致、精益求精、追求卓越的工作态度，从而提升技术素养。（3）准确评估学生“设计与智造”能力水平，尽早发現和培养技术创新人才我校采用上述分级评估表，从第二层次的特长学生中选拔有潜力的种子选手，采用导师制的方式对其加强培训和指导，通过竞赛和创新课题研究，迅速提升学生创新设计和物化智造能力，为成为未来的设计师和工程师奠基。特别是在备战竞赛的阶段，师生都朝着一个共同的目标而努力，一起加班加点、动手动脑，学习效率特别高。另外，在学生入选江苏省科技创新后备人才培养计划后，省里为他们配备了一流大学的教授做导师，对其创新课题研究给予莫大的支持和帮助，使其动手能力和独立研究能力提升更快。以下是周同学的综合素质自我评价，也是其对高中阶段的学习收获做总结：“2018年入选江苏省创新后备人才后，为完成‘助老助残智能泳池升降机器人项目，我每天晚上坚持1-2小时的研究学习，平时在午饭晚饭时间，甚至周末也经常泡在实验室里。这段经历让我深知，科研绝非其表面所表现的那样光鲜亮丽，探索之路必然充满挫折和坎坷，但若心怀热情与执着探索理念，收获的将是解密未知的成就感，因而也更坚定了我的科研梦想。‘言必信，行必果。为达成投身科研的愿望，我已制定了目标规划：本科阶段尽力汲取知识并融会贯通，让自己拥有广博而扎实的基础；硕士和博士阶段选择主攻领域深入研究，最终成为一名建设世界科技强国的参与者和推动者！”周同学的自述说明，竞赛和科研活动锻炼和培育的是学生在复杂情境中解决问题的能力，这其中包含知识、思维、技能和态度价值观的综合培养。学生在有挑战且有意义的学习实践中，理解了知识的价值和意义，体验了科研的艰辛与坎坷，坚定了科研的追求和梦想，真正提升了创新能力和综合素养。结论与启示综上所述，这两位同学的技术学习起点不分伯仲，学