高中通用技术跨学科项目式教学研究

摘要

以STEAM教育理念及通用技术课程标准为指导，将项目式学习与跨学科学习进行有机整合，进而把解决实际问题的项目作为学习主线，最终构建高效的通用技术跨学科项目式教学模式。为验证教学模式的有效性，以“智能防疫洗手器的制作”项目为例展开教学实践，发现此类项目是培养学生综合运用跨学科知识解决真实问题能力的有效教学手段之一。

Graphical abstract

关键词

STEAM教育 / 高中通用技术 / 核心素养 / 跨学科 / 项目式教学 / 智能防疫洗手器

高中通用技术是一门注重实践操作的课程，然而其实践操作并非单方面的动手操作，因此新课标修订时凝练出以技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力为代表的学科核心素养^［1］。《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》^［2］明确指出：通用技术的学习情境创设，应当立足于具体技术实践活动，面向现实世界中的真实问题，采用项目学习、主题学习等整合式学习方式^［3］。

新课标提倡的教学方式，体现出以学生为中心的教育理念，这一理念与基于特定主题项目，且综合运用多学科知识动手完成项目，从而培养学生跨学科创新思维与实践能力的STEAM教育理念相得益彰^［4］。因此，将STEAM教育理念与高中通用技术跨学科项目式教学有机融合，就能在新课标框架下构建高中通用技术新型教学模式，从而为广大同行提供有益的教学参考。

1 跨学科项目式教学的意义

跨学科项目式教学，对于学生的综合素养发展、创新能力培养和学习动力提升均具有重要的意义^［5］。

1.1 创设真实情境，激发学习动机

传统的学科教学常常让学生感到学习内容与实际生活脱节，缺乏实际应用的体验。然而，创设真实情境后，项目式教学就为学生提供了一个更贴近现实的学习环境。在这种环境下，学生能够将学习与实际问题相结合，解决复杂的颇富挑战性的任务。这使得学习变得更加有意义和具体，易于激发起学生的学习兴趣和动机。

学生在项目中扮演真实角色，面对真实问题，感受到解决问题的紧迫性和挑战性。学生会感到他们的学习不仅仅是为了应付考试，更具有解决实际问题和改善现实生活的价值，这种情感上的认同会激发起他们更深层次的学习动机。

1.2 打破学科壁垒，促进知识迁移

传统的学科教学往往将知识划分为独立的学科领域，学生在学习过程中难以将不同学科的知识进行有机结合和应用；而跨学科项目式教学通过创设真实情境，将不同学科的知识与技能融合在实践项目中，促进了学科之间的交叉和融合。跨学科并不以“跨”为目的，学科之间并非简单的叠加关系，而是基于解决问题的需求，将多个学科自然而有机地融合起来^［6］。在解决实际问题的过程中，学生需要将已学的知识与技能应用到新的情境中。在这种知识迁移能力培养的背景下，学生能够将一个领域学到的知识与技能迁移到其他领域，并将不同领域的知识进行结合和应用，从而达到提升学习效率的目的。

1.3 培养创新思维，落实核心素养

传统的学科教学往往只关注知识的传授，缺乏对知识习得以后如何应用的关注，这直接导致学生经常采用死记硬背的机械学习方式，所学知识变成了无法应用于实际的死知识；而跨学科项目式教学通过项目的设计和实施，使学生面临各种挑战和难题，需要运用已有的知识与技能，提出新的解决方案和创意。通过跨学科项目式教学，教师不仅帮助学生加深了对知识的理解，还提高了他们的创新思维和解决问题的能力。同时，学生通过团队合作和沟通等手段，提升了自身的合作能力和沟通能力。这些能力和素养的提升，将为学生未来的学习、工作和生活奠定坚实的基础，有助于使他们成为具有创新精神和综合素养的全面发展的人才。

2 跨学科项目式教学的设计

2.1 立足学科本位，确定项目主题

从学科内涵看，通用技术比其他学科更贴近现实世界，它整合了各学科的知识与技能，可用于解决真实世界的问题，从而培养学生的高阶思维能力。然而，要想实现通用技术学科的教育价值，并且达到核心素养的培养目标，传统的教学方式显然并不适合^［7］。通用技术学科的特殊性，决定了其教学情境应该紧密联系现实生活，以技术实践活动为基础。现实问题的复杂性、不确定性和非结构性，决定了教学主题的设定需要考虑问题的开放性、综合性和层次性。学生在解决问题时，需要运用已有的知识和经验来明确问题，制订相应的解决方案，设计技术实验，分析数据，优化方案，并最终创作出完整的作品^［8］。

例如，笔者在执教通用技术必修一时，围绕“新冠疫情防控”这一真实情境，师生共同确定“智能防疫洗手器的制作”项目主题。这个项目主题基于学生的发展规律、生活经验和能力水平，只要鼓励学生主动思考、积极交流和团结协作，学生一般都会在课堂上积极主动地学习，从而践行课标倡导的“做中学、学中做”的理念^［2］。

2.2 以大概念统领，设计教学单元

传统的教学设计遵循教材章节的顺序，主要关注如何有效地讲授每节课的教学内容。虽然这种方法能够实现知识与技能的传授，但学生所获得的往往是孤立的、点状的知识，这使得他们在面对真实世界中问题的挑战时往往无所适从，自然难以满足学科核心素养培养的需求^［7］。因此，在进行通用技术跨学科项目式教学设计时，笔者以“智能防疫洗手器的制作”项目为主线，对教材各章节知识点进行重构（表1），以期实现知识点、学科核心素养与项目的完美融合。

笔者通过“智能防疫洗手器的制作”这个项目主线，使分散在各个任务群中的碎片知识（如工具、材料、工艺、图样等），以及设计、制作、测试等技能与方法，集中应用到一个具体的项目实践中。在完成项目阶段性任务的过程中，这些代表具体知识与技能的碎片化概念被不断地建构、连接、迁移和应用，并以学科核心概念和跨学科概念的方式加以结构化，实现了从传统的零散课时向结构化单元的转变^［9］。单元化的项目教学消除了部分知识之间的隔阂，构建起了一个更为完整的知识体系。学生在获取知识与技能的同时，能够扩展和深化学习的层次和范围，有效推动了学科核心素养的落地。

3 跨学科项目式教学的实施

3.1 创设真实情境，发现并明确问题

学生通过新闻媒体及学校卫生教育，了解到正确洗手是预防新冠感染传播的有效措施，同时学习了疾控中心推出的七步洗手法。然而，课间活动中依然存在这样的问题：用手按压洗手液有交叉感染的风险，而且不少学生在搓手时未达到七步洗手法建议的时长。于是，教师结合拍摄的校园洗手场景照片引导学生思考——目前，校园生活中的洗手环节存在什么问题，如何才能有效解决这些问题。由此，师生进入项目主题：设计一款智能防疫洗手器，以便确保师生的健康。

3.2 组建合作小组，制订设计方案

项目的总体任务是设计并制作一款智能防疫洗手器，即洗手器在人手靠近且到达一定距离时可自动挤出洗手液，同时面板上的计时器实时显示搓手的时长，从而帮助师生科学合理地洗手。任务明确之后，作品方案的设计关键在于构思。

一个全面的构思过程不仅是分析、构思、权衡、比较、优化等思维活动相互映衬的过程，同时是学生批判性思维、创造性思维等能力不断发展、提升的过程^［10］。在这个阶段，学生可以采用“头脑风暴”的方式讨论作品的解决方案、设计需求和设计限制。最终，通过全方位的综合考虑，学生将其想法以构思草图及设计流程图的形式展现出来，形成作品的设计方案。在此过程中，教师需要密切关注学生可能遇到的问题，并从众多方案中筛选出可行的设计方案。在教师的引导下，学生进一步细化项目内容，明确具体任务，以便为项目的实施做好充分的准备。

3.3 学科交叉融合，设计并制作作品

智能防疫洗手器的制作过程是整个项目的关键环节，该环节主要由结构设计、电路设计、程序设计和系统集成4个子环节组成。笔者引导学生采用小组协作的方式进行探究，综合运用多个学科知识实施本组的设计方案。在学生的创作过程中，笔者及时提供必要的技术支持，把控各组成员的协作进程，确保每位学生都能积极地参与到作品的设计之中，享受创新和协作带来的乐趣。

（1） 结构设计。合理的结构是智能防疫洗手器得以实现的基础。在进行结构设计时，需要结合通用技术知识考虑装置的强度、稳定性、适用性、安全性和耐久性等要素，同时要确保洗手器成本合理且具有良好的人机关系。在这个过程中，各小组成员分工合作，利用信息技术教室电脑上的AutoCAD、SolidWorks、3D One等建模软件进行仿真模拟（图1）。在建模过程中，需要关注模型材料的选择和工艺标准的设定，同时要合理规划模型的内部空间，以便容纳Arduino单片机及锂电池等电子元件。

（2） 电路设计。智能防疫洗手器的硬件主要由Arduino单片机、超声波传感器、直流电机驱动板、直流电机、舵机和锂电池组成。在电路设计环节，各小组成员分工协作，将开源硬件知识与物理电学知识相融合。在交叉学科理论指导下，按照构思方案进行设计实践，实现锂电池为直流电机和舵机供电，同时确保Arduino控制系统与超声波传感器、直流电机及舵机的有效连接。

（3） 程序设计。电路设计完成后，学生用数据线将Arduino单片机与电脑连接，就能进行智能防疫洗手器控制程序的开发设计。在该环节中，各小组成员除了利用信息技术编写程序外，还要借助数学知识计算计时面板指针旋转角度与时间的关系，从而确保用户洗手时凸轮旋转至特定角度时能挤出洗手液，同时计时面板指针从0°旋转到180°的用时刚好为七步洗手法所建议的时长。

（4） 系统集成。待智能防疫洗手器的核心功能实现后，学生即可完成智能防疫洗手器的组装流程；组装时，可依据通用技术流程的知识作为指导，合理安排串行工序与并行工序，继续优化流程，以便提高组装效率；组装后，可以借助美术知识进行美学修饰，如对作品涂色或绘制七步洗手法的图解并将其粘贴在作品上。实践证明，技术与艺术的相互融合，能将作品有效提升到新的高度。

3.4 测试作品功能，迭代并完善成果

待智能防疫洗手器组装完成后，小组成员可以对各个功能模块进行检验性测试，然后根据测试情况评估、分析智能防疫洗手器存在的问题。作品的评估主要基于两个依据：首先，参照通用技术课本上的7个设计原则进行评估，如装置是否经济、实用、美观，是否遵循道德、技术规范以及可持续发展原则；其次，根据预设的模块功能设计目标进行评估，如超声波传感器的距离设置是否合适，直流电机的力度是否足以带动凸轮按压出洗手液等。

对智能防疫洗手器进行测试及评估后发现，该洗手器仍然存在设计上的缺陷和不足。对此，师生可围绕结构、材料、功能、外观等因素对作品进行有针对性的优化，以便提升智能防疫洗手器的使用效果。

3.5 展示分享作品，实施多元评价

展示分享环节是STEAM教育理念的重要环节，也为各小组介绍、展示本组作品提供了交流平台。作品的介绍、展示可参照企业产品发布会的形式进行，每组组成专业的汇报团队，分工协作，即作品介绍、作品演示和PPT播放等均由专人负责。团队成员从设计理念、工作原理、作品功能等方面对本组作品进行介绍，同时阐述制作过程中作品迭代完善的历程及未来的优化方案。通过作品的展示、分享，学生的沟通表达能力得到锻炼、提升，同时在思维的碰撞过程中又产生新的灵感，有效促进学生高阶思维的发展。

为了更好地贯彻大单元教学设计理念，落实“立德树人”的根本任务，跨学科项目式教学应当改变以考试结果作为唯一评价标准的机制，将其转变为过程性评价与结果性评价并重的多元化评价机制。评价过程持续贯穿于整个项目式教学的始终，教师不再是唯一的评价者，学生的自我评价和互相评价应占据评价的主体部分。为此，教师应向学生提供“智能防疫洗手器设计评价表”（表2），借此引导其进行自我评价和互相评价。

评价的维度包括设计过程中的方案设计、材料选择、工具使用、小组协作情况，以及设计成果的创新性、实用性、技术性和美观性等指标。采取多元化的评价指标，有助于将评价由选拔淘汰机制转变为激励导向机制，学生不仅能够发现自身的优势及不足，也能够明确今后优化和提升的方向，有效促进每个学生全面发展。

4 总结与展望

在新课程改革的大背景下，以STEAM教育理念和学科核心素养为基础，对通用技术的跨学科项目式教学进行了深入探讨，并依托“智能防疫洗手器的制作”项目进行了教学实践。通过跨学科项目式教学，笔者对通用技术学科教学内容进行了有效重塑，将碎片化的课时知识整合为结构化的教学单元，进一步帮助学生强化了新旧知识之间的关联，凸显了知识的连贯性。在“智能防疫洗手器的制作”的跨学科学习过程中，学生综合运用多学科知识与技能，在设计作品解决实际问题的同时，为疫情防控贡献一份力量，增强了他们的社会责任感。全程的多元化评价方法，科学、合理地评估了学生在项目中的表现，充分调动了学生的主观能动性，从而在跨学科项目实践中进一步促进了通用技术学科核心素养的落地。

参考文献

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基金资助

福建省教育科学“十四五”规划2023年度立项课题“基于科学教育的通用技术跨学科项目式教学研究”(FJJKZX23-485)