跨学科项目中设计能力评价工具的研制与实践_张桂凤.pdf

45【STEM教育研究】创新人才教育The Education of Innovative Talents2023年2月Feb,2023 No.1第1期跨学科学习是利用学科知识进行现实生活的观察和问题解决。在跨学科项目中关注学生的设计能力，是培养学生创新精神、促进其深度学习的有效措施。研制科学的跨学科项目设计能力评价工具以评促学，可助力学生深度学习和能力生成。一、跨学科项目中的设计能力跨学科项目是指以项目为教学载体，在真实问题解决过程中，合理应用其他学科的知识、理论、方法等，拓展学生的认知边界，形成多元思维，最终使某一复杂问题得以解决的真实项目。跨学科项目比学科项目更强调知识的综合应用、思维的深度发展以及成果的文化内涵。通过跨学科项目学习，可以把将来学生可能的创新实践活动在教学阶段提前体验。凡是有目标的创新活动，在实施前必须先有创意和构思、设想与计划。设计实际上是提出创意，设定目标，并且通过计划与规划指导实施，满足和引领多样的物质和精神需求的各类创新活动1。创新是设计的灵魂。设计是创新的起点，是基于问题进行创新性方案构思的一系列问题解决过程，是所有行动的第一步。在跨学科项目中关注培养学生的设计能力，是指导学生深度学习的有效措施。参照工程师在解决具体技术工程问题时，往往将方案构思与图样表达进行一体化考虑的工作习惯，本文跨学科项目中的设计能力是指学生发现和明确问题的能力，并基于现实约束条件为具体问题提供兼具创新性和可操作性解决方案的能力，即设计能力=发现明确问题能力+创新性方案构思能力+符合技术规范的图样表达能力。设计是创新的起点，创新是设计的灵魂。在跨学科项目中关注培养学生的设计能力，是指导学生深度学习的有效措施。设计能力包含发现明确问题能力、创新性方案构思能力以及符合技术规范的图样表达能力。对学生跨学科设计能力的评价可从评价目标、评价内容、评价关键要素等方面研制评价工具，并在课堂教学中实施。三个课堂实例分析证明，研制的设计能力评价工具能有效促进学生深度学习和能力生成。跨学科项目；设计能力；评价工具张桂凤，北京市海淀区教师进修学校通用技术教研员，北京教育学院“STEM 教育与创客教育课程实践研究”卓越教师工作室成员（北京 100097）。【摘 要】【关 键 词】【作者简介】跨学科项目中设计能力评价工具的研制与实践*张桂凤*本文系北京市教育科学“十四五”规划 2022 年度一般课题“基于核心素养的高中通用技术学科表现性评价的实践研究”（课题编号：CDDB22330）研究成果。46二、跨学科项目中设计能力评价的构建学生进行方案设计时，需要掌握多种类型的知识，科学合理地运用发散性思维和创造性思维，通过自身具备的学科知识进行判断思考和创新设计。教学中，教师可以通过研制评价工具，以评导学、以评促学，培养学生的设计能力。设计能力表现在设计过程中，需要通过学生在具体任务中的实际表现加以推测。跨学科项目中应该测评什么样的学习内容？什么样的行为或表现能揭示设计能力建构？在构建设计能力评价框架前，需要明确这些问题。（一）设计评价目标设计能力的培养离不开思维的进阶。在学习中，学生往往经历几个阶段的思维跨越。第一个阶段是思维发散、收敛的过程，源于问题的提出和界定。经过提出问题、分析问题、界定边界等，最终明确问题。第二个阶段是思维变通迭代的过程，源于创意方案的形成。深入调研分析后，个人或团队经过深度思维，形成创意和明确的方案。第三个阶段是思维转化呈现的过程，源于图样的表达，将确定的方案转化成符合科学认知与工程专业需要的准确的图样表达。学生的设计能力需要创新思考，创新思考需要建立在已有知识和经验上。借鉴创新素养的要素解构（包括创新人格、创新思维和创新实践）2，结合跨学科学习的情境性、协作性、设计性等特征3，本文将设计能力评价目标分为知识、思维、行为、态度四个维度。知识层面侧重知识网络，体现跨学科的迁移应用；思维层面侧重创新，体现发散、辐合和重组；行为层面侧重设计，体现方案的可行性和图样的可操作性；态度层面侧重功能价值，体现设计习惯和情感等。由此，从知识上升至思维，从思维实施到行为，从行为转化成态度，充分发挥跨学科项目在创新设计方面的独特作用和价值（见表 1）。表 1 设计能力评价目标的框架目标维度目标要求掌握设计的一般方法和图样表达的相关知识等，整合和综合运用跨学科知识、方法和观念形成基本的方案设计具有用户思维，围绕问题进行思维发散，形成多种设计思路。比较不同环节、不同方案，平衡各种因素，作出权衡取舍。根据设计需求，通过“设计测试迭代”，对模型/原型进行改进和完善。能用技术语言表达“平面立体”之间的思维转换能运用技术语言分析特定用户需求。能用讲故事的方式描述用户真实需求，明确需要解决的问题。能根据设计对象和现有条件制订解决问题的一个或多个方案。能绘制规范的设计图纸，表达设计方案能结合社会文化因素，领悟创新设计的丰富内涵。对设计表现出兴趣和自信，具有良好的人机观念、设计习惯、合作意识以及积极参与创新设计的愉悦情感知识层面思维层面行为层面态度层面（二）设计行为表现和观测点从 普通高中通用技术课程标准（2017 年版）中找到创新设计的概念界定、内涵表述与学业质量水平要求，从中筛查出所有与学习内容有关的描述，形成文档。根据课程目标以及跨学科项目对创新能力培养的要求，梳理文档中的内容要求，有外显行为描述的内容保留并整合。没有明显行为特征的内容进行补充外显，形成行为表现，在行为表现的描述中，抽离出关键要素（即观测点），便于展开评价。在知识、思维、行为和态度的框架下，根据相近性原则将各项条目进行归组。以思维层面为例，思维层面主要聚焦发散思维、辐合思维、重组思维的外在表现和行为。发散思维侧重能沿着不同的方向进行思考，从多个角度寻求解决问题的途径，从发现问题和构思方案的数量进行观测；辐合思维侧重能根据一定目的，将多种思路和各种信息梳理聚焦，进行系统分析与推理，求得有效的解决方案，从问题的归纳界定和方案的明确细化程度进行观测；重组思维侧重能根据需要，把已有的几种事物（或者其部分）进行重新整合，生成新的、具有更优功能效果的新事物，从构思方案转化成技术图样的规范科学角度进行观测（见下页表 2）。三、跨学科项目中设计能力评价的实践本文以发现明确问题、创新性方案构思、图样表达为例，依据上文提到的目标框架，结合具体能力构建评价目标，将行为表现融入评价内容，围绕观测点设计相关任务或活动，有意识47引发学生创新设计的行为发生。设计评价目标时，可根据侧重点不同，重点关注某些评价维度的设计和落实，但不要忽略态度层面的评价引导，否则很难区分与传统知识能力层面的评价，不足以体现当前素养导向的评价与指导。态度是创新动机和内驱力的表现，学生是否愿意投入精力做创新设计直接影响知识、思维和行为层面的实效。表 2 设计能力思维层面评价的内容和行为表现框架目标维度思维层面发散：发现问题的数量是否充足辐合：问题的归类是否合理辐合：问题界定的结论与设计任务是否明确发散：问题解决的构思方案是否多元辐合：构思方案是否明确和细化重组：构思方案是否用图样规范表达提出或发现：能敏锐发现问题或从不同角度挖掘潜在问题识别或转化：从不同问题中能选择识别技术工程类问题，或将问题加工转化成技术工程类问题分析并定义：能明确问题的内容和价值，分析问题解决的条件及实现的可行性，明确解决问题受到的主客观限制条件和风险，确定问题解决的目标和应达到的标准构思并迭代：构思与问题解决相关的多种方案，能比较权衡，整体研判，从诸多构思方案中形成一个解决问题的设计方案。通过制作试验完善的过程，进行方案调整确定转化并表达：能将方案构思转化为规范的设计图样，将标准件、功能部件等落实细化，列出方案所需的材料、资料、仪器、设备、空间等资源行为表现观测点（一）发现与明确问题教学一般从问题开始，在这部分教学中，学生经常因为提不出问题或没有任何新想法而苦恼，需要教师铺设台阶和提供助力。以“发热处理小助手”跨学科项目为例，教师设计了复杂真实的现实情境：以婴幼儿发热时的护理问题为例，经医生专业诊断后，在发热症状康复周期中，日常家庭如何更好进行婴幼儿发热护理？为了让学生发散思维，发现更多问题，更好地归纳整理问题，教师可以让学生运用能助力思考、分析、定义问题的分析方法和工具，随后引导学生对问题进行分类整理，根据整理结果分析和设计发热小助手的功能与性能，在发现问题的起点，将思维进行可视化表达（见图 1-1、下页图 1-2）。图 1-1 用整理问题型鱼骨图分析问题用药过量不了解科学的应对措施心情焦虑，不知所措药物治疗物理降温关于体温滥用抗生素量不确定婴幼儿是否需就医婴幼儿发热处理的困难希望打吊针怕耽误病情不配合吃药去医院拿药不方便去医院交叉感染需要检测体温检测体温太累测体温不配合测体温不准确监测体温太累降温贴效果差降温贴易过敏父母擦拭很累酒精擦拭易中毒孩子不配合，着凉温水擦拭湿衣被以目标为导向，通过具体可视可测的行为表现，去评价学生发散思维和辐合思维的活跃程度和外显效果，教师及时指导和干预，使学习深度发生（见下页表 3）。（二）方案构思构思设计方案阶段是激发学生创造力的阶段，学生通过分析人、物、环境等要素之后，进行创造性构思。这一阶段尽可能先采用学生擅长的方式去绘制草图激发学生的设计意愿，最大程度呈现学生原始的构思方案。以“哥德堡装置的设计与制作”跨学科项目为例，该项目本质上是一个信息传递系统的设计。明确问题本质后，48进行系统的分析设计，包括触发信号的结构或方法、信号传递的结构以及传递信号的形式等。教师引导学生分析技术问题，发散思维，尽可能提出多种解决问题的办法（见图 2）。图 1-2 用对策型鱼骨图分析和设计产品表 3“发现与明确问题”教学评价设计图 2 学生构思解决方案评价目标评价内容观测点指导必须权威药物为国家推荐提供科学指导提供常用药物、辅助服药装置与指导说明新型检测温装置新型物理降温装置指导应全面指导说明权威如何减轻父母们在处理婴幼儿发热时的负担？可视、可听可视可听科普过度医疗的危害科普过度用药的危害科普哪些情况可自行用药无二次着凉风险婴幼儿易接受不湿衣被可控温水循环测量准确电子式测温传感器可穿戴显示与传感器分离了解用户特定需求和要解决的主要技术问题（思维层面）能够运用技术语言分析特定需求，明确需要解决的技术问题（思维层面）具有参与技术创新设计的愉悦情感（态度层面）用心领会，有同理心，理解预设情境中的困扰问题，能够独立思考，在鱼骨图中分类罗列出 7 条以上父母们遇到的困难能将鱼骨图填写完整，思维缜密，考虑全面，解决所有罗列的困难，功能及性能描述准确能相互分享解决思路，倾听他人想法、建议，耐心解释他人疑问，接受他人建议，拥有乐观、积极、进取的合作态度，始终对发现问题和解决方案存有好奇心，帮助小组达成目标发散思维聚合思维聚合思维手动、按钮、杠杆、自动触发信号结构或方法斜面、滑轮、杠杆、摆锤传递信号结构或方法哥德堡装置旗子、灯、击鼓、烟雾传递信号的类型在方案构思过程中，学生会根据系统目标分析设计的约束条件，如系统装置合理的尺寸大小、信号一旦发出就不受人的干扰、信号需要在系统内连续传递等。有的学生在构思方案时，采用冰的融化导致天平发生倾斜作为触发装置，用小球作为传递信号，通过转轴、斜面、滑轮、杠杆等传递结构，达到用刀片切割气球，发出声音作为信号输出。有的学生想利用哥德堡装置实现升旗的效果。在信号传递系统的设计中，学生自然会用到物理、数学、机械、化学等多学科知识，考虑能量的损耗与转换，考虑方案的现实可行性，在试验迭代过程中分析每个系统的组成、相互关系，计算比对整体效果，比较权衡出最终的设计方案。教师通过设计评价，引导学生从跨学科概念“结构与功能的理解（知识层面），比较权衡中的系统思维和极限思维的落实（思维层面），设计过程中学生灵活思考、勤于假设、勇于尝试的外在表现（态度层面）”进行创新设计教学与评价（见下页表 4）。（三）图样表达图样表达是产品创新设计中非常重要的阶49段。方案构思是一种战略规划，而工程实施必须产生符合科学认知与专业技术的工程图样，有了完整的图