STEAM 理念下高中通用技术教学中设计创造力的培养*——以《开环控制系统的工作过程》为例

杨荣良|浙江省绍兴市高级中学

习近平总书记在党的二十大报告中强调“必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力”，这表明党中央把“人才强国战略、创新驱动发展战略”作为一项重大而长期的任务摆在国家发展的核心位置，而设计创造力是实现此战略的根本突破点。《普通高中通用技术课程标准（2017 年版2020 年修订）》指出，要发展学生的学科核心素养，着力培养“技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力”等方面的素养。由此可见，培养学生的设计创造力，是进一步深化新课改的内在需求。高中通用技术是培养和发展学生设计创造力的重要课程。

设计创造力是设计者在进行新颖且实用的产品设计时所具备的一项高级、复杂的心理认知能力。这种能力的培养需要多学科配合，要求学生创造性地运用知识解决学习和现实生活中的诸多问题［1］。而STEM教育能打破学科之间的壁垒，进行科学、技术、工程和数学等多学科协调配合，最终帮助学生构建完整的知识体系［2］。它以问题解决的形式创设结合社会和生活的教学情境，助力学生提升解决问题和创新应用能力，发展设计创造力。STEAM（STEM 的扩展）理念为高中教育培养和发展学生的设计创造力提供了理论和实践依据。

一、STEAM 理念下高中通用技术教学中设计创造力培养的流程

根据高中阶段对学生设计创造力培养的要求，结合具体教学实践，笔者将STEAM理念融入高中通用技术课程之中，面向全体学生开展以情境导入、任务引领、问题解决为导向的主题式学习。其教学流程按准备、实施、改进、反思4 个环节展开，能实现完整的闭环管理，体现课堂教学的流畅性和完整性。从教学实践效果上看，它以培养学生设计创造力为出发点，契合STEAM理念，能充分发挥高中通用技术教学的优势。其教学流程和设计创造力的培养如图1所示。

图1 STEAM理念下高中通用技术教学设计创造力培养的流程

二、STEAM 理念下高中通用技术教学中设计创造力培养的实践案例

下面以苏教版普通高中教科书《通用技术》必修《设计与技术2》第四单元第二节《开环控制系统的工作过程》为例，谈谈STEAM理念下高中通用技术教学的实施。

（一）明确学习内容和任务

【情境展示】为了给家里增添一些自然的气息，小李同学买了一盆绿植，刚开始他把绿植照顾得非常好，但是过了一段时间，由于忙于学业而经常忘记浇水，绿植逐渐枯萎了，现在再去补救也无济于事。既然不能让枯死的植物起死回生，那我们能不能利用所学知识帮助小李设计一种控制系统，从而避免此类情况再次发生？

明确任务和主题：让学生分组讨论后提问，综合各组建议，提出设计“土壤湿度报警系统”（能及时提醒小李浇水）。由此让学生明确要学的内容，并板书课题：“开环控制系统的工作过程——土壤湿度报警系统的设计与制作”。

设计意图：创设以上真实情境，引出STEAM项目活动的作用在于：一是构建学习任务与学生经验之间的联系，引导学生有效地解决实际问题；二是促进知识、技能和经验之间产生连接，促使学生对身边的技术世界进行深入的思考；三是激发学生的学习动机和兴趣，培养和发展学生的技术意识和创新设计等方面的学科核心素养。

（二）教学活动过程

课前笔者组建了8个合作学习小组，每组确定1 人为组长，准备好各组的学案和探究活动可能会用到的器材等。

1.准备环节：归纳知识，遴选任务资源和工具

（1）知识准备和归纳。先让各组学生回顾第三单元“系统及其设计”中系统分析的“框图模型”，然后在学案中补充“土壤湿度报警系统”的输入—输出模型，补画完整的框图模型如图2所示。

图2 输入—输出框图模型

笔者提示：如果由大脑作出决策判断，湿度偏低时，大脑发出指令，用手按下开关，灯光被点亮（LED灯作报警器），这就是一个简单的土壤报警系统的人工控制过程。然后要求各组根据所描述的报警系统工作过程，在学案上完善该控制系统的最简框图模型。根据各组汇报，提炼出如图3所示的人工控制过程框图模型。

图3 土壤湿度报警系统人工控制过程框图模型

通过提问，笔者加以适当引导，从学生口中得出如下控制系统的概念和相关知识。

控制系统：通过若干环节来实现控制功能构成的装置称之为控制系统。

开环控制系统：我们设计的报警系统的输入量和输出量，一个是土壤湿度高低，另一个是LED 灯熄灭与发光，二者一一对应，且LED灯的亮灭不会影响控制。这种控制方式为开环控制系统，也就是说，控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响。

开环控制系统的框图：在开环控制系统中，我们把土壤湿度偏低看作输入量，把大脑看作控制器，把人手、开关看作执行器，把人手动作（按下开关）看作控制量，把LED 灯看作被控对象，把LED 灯发光的状态看作输出量。将这些部分连在一起，就构成了开环控制系统的框图。

笔者再作适当解释：输入量是外界给系统的一个物理量，控制器是一个具备决策、判断、指挥的元器件或装置，执行器是执行相应动作的元器件，控制量是执行器输出的信号，被控对象是所要控制的装置和生产过程，输出量是控制系统所要控制的量。

（2）任务资源和工具遴选。接下来，笔者让学生利用前面学习的电子电路和面包板知识（在学习控制系统前作了适当介绍），把刚才的报警系统改为自动控制，要求各组根据学案的提示考虑需要选择哪些器材，并完成学案中该系统的自动控制工作框图。

综合各组反馈，所需器材为：检测湿度的湿度传感器，作为控制器、执行器的电路和元器件以三极管和可变电阻器为主，报警器（LED 灯），面包板、导线和电源。自动控制框图模型如图4所示。

图4 土壤湿度报警系统自动控制框图模型

设计意图：结合情境案例的分析，通过提问、讨论和归纳，让学生总结出开环控制系统的相关知识，符合学生最近发展区的认知规律和新课程教学理念。帮助学生学会运用所学的知识与技能，进行方案构思、图样表达，提升独立思考、遴选资源以及运用工具解决问题的能力，培养科学素养和精神。

2.实施环节：小组协作探究，完成制作并测试

笔者组织各小组进行下面的探究实践活动。

【探究1】要求每组根据学案中提供的报警电路图，利用课桌抽屉内的器材和工具搭建好土壤湿度报警系统，并完成以下任务。

a.每组将搭建好的电路接上电源，分别比较湿度传感器在空气中和浸入水中两种情形下，LED灯发光的状态，并记录现象。

b.每组将湿度传感器擦干后，插入装了等量干沙土的杯子中，用滴管吸取适量的水，滴加至沙土中，利用滴管上的刻度，记录到LED灯完全熄灭时，滴入水的总量，以毫升为计量单位，并将数据填入表格，同时观察滴加水的过程中LED灯的现象。

在学生进行探究活动期间，笔者观察各小组活动情况并作适当引导，提醒学生一些注意事项等，时间控制在8分钟内。

设计意图：让学生综合运用各学科知识，经历电路搭建和测试探究实践活动、完善知识体系等环节，使其在探究、合作的氛围中培养和提高运用知识解决问题的能力，提升工程思维、创新设计、图样表达、物化能力等方面的素养，实现通用技术学科核心素养的综合发展。

3.改进环节：测试展示，完善系统方案

在8分钟探究活动后，笔者让各小组选定两位代表上台展示a 和b 的测试过程，并把b测试中LED 灯熄灭时滴入水的总量填写在黑板指定位置。

测试结果显示：a 测试过程中，传感器在空气中，LED 灯发光，浸入水中，LED 灯熄灭，每组都相同；但b 测试过程中，不同组LED 灯熄灭时滴入等量干沙土中水的总量不同。由此，笔者引导学生探究以下两个问题。

【探究2】（控制电路探究）为什么不同组在灯光熄灭时在等量沙土中滴入水的总量不同？

【探究3】（被控对象探究）采用灯光报警有什么缺陷？有没有更好的报警方式？

对于探究2，笔者引导各小组分析电路中的元器件，通过调节控制电路，满足不同控制目标和控制条件的要求：将湿度传感器插入土壤中保持不变，电路中有一个可变电阻Rp，将螺丝刀插入白色部分的十字凹槽中，旋转旋钮，尝试调节可变电阻Rp，观察LED灯产生的现象（随着可变电阻的调节，亮暗程度发生变化）。综合各组回答结果（可变电阻Rp阻值设置不同），进一步指出可变电阻Rp是用来改变报警时设定的湿度值，而根据不同绿植的湿度需要可设定相应值。

对于探究3，笔者综合各小组建议，提出可以采用类似洗衣机等电器的发声提醒方式，然后让每组从所给器材中找出发声报警器（蜂鸣器），并更换被控对象，即将LED 灯更换成有源蜂鸣器，进行测试体验。

设计意图：此环节能体现STEAM 教育的核心（面向每个学生，鼓励全体学生积极参与，真正做到关注每个学生的发展），引导学生在实践中培养和提高实践技能、审美能力、创新设计、工程思维等方面的素养，以及乐思善学的精神。

4.反思环节：巩固知识与技能，完善认知

反思环节是学生回顾学习活动，讨论整个控制系统设计和测试的过程，如“在这次学习活动中学到了哪些知识？应用了哪些技术？设计的‘土壤湿度报警系统’是否满足设计要求？能否再进一步优化”等。笔者引导学生结合生活经验思考如何进一步优化设计方案，并提出如下问题让学生课后思考。

课堂延伸：我们设计的“土壤湿度报警系统”只是提醒小李，最终还是要他自己去浇水。但小李忙于学业可能顾不上浇水，能否帮他设计一种自动浇水的土壤湿度控制系统（湿度低于设定值浇水，达到便停止浇水的控制系统）？

最后，笔者引导各小组学生根据“土壤湿度报警系统”设计体验，回顾这节课所学的有关开环控制系统的组成和控制工作框图等知识。

设计意图：通过反思，学生可以深化对问题的理解，优化思维过程，揭示问题本质，巩固和提高所学的知识与技能。这能培养和提高学生的批判质疑精神、勤于反思的优秀品质，从而让学生能正确地认识自己，实现自我完善。

综上，设计创造力是人才的核心竞争力，是国家以创新驱动发展战略的根本突破点。STEAM教育为学生设计创造力的培养提供了机遇。作为培养学生设计创造力的重要课程，高中通用技术要更多地结合STEAM理念开展教育和教学工作，为培养有理想、会设计、能动手、善创造的社会主义建设者和接班人作出贡献。