高中技術融合課程中學生高階思維培養的實證研究

【摘 要】高階思維是高素質創新人才綜合素養的核心，本研究以“大項目”方式整合學習內容，構建技術融合課程，形成“設計與智造”的典型學習方式，引導學生在經歷項目學習的過程中發展高階思維。以“創意小燈”項目為例，實證研究其培養效果，數據結果分析表明技術融合課程中學生的計算思維、工程思維、設計思維等高階思維能力都有顯著提升，學習效果更佳。

【關鍵詞】融合課程;高階思維;計算思維;工程思維;設計思維

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）09-066-04

高中信息技術和通用技術作為技術教育的載體，是素質教育的基本組成部分，對于落實立德樹人根本任務、實施國家創新驅動戰略具有重要的作用。但是，通過前期問卷調查和訪談，高中學生的計算思維和工程思維發展相當薄弱，主觀上輕視技術課程的學習，進一步加劇了相關高階思維培養的缺失。因此，如何有效地在技術課程教學實踐中培養學生計算思維、工程思維等高階思維成為急需解決的問題。

技術融合課程中的高階思維培養策略

孫宏志等人認為高階思維的發展蘊含在完成復雜任務或解決劣構問題的過程之中[1]。因此，本研究拓寬了計算思維和工程思維的培養路徑，不再將計算思維的培養局限于信息技術課程教學甚至編程教學中，也不再將工程思維的培養局限于通用技術課程教學中，而是將計算思維分解為分析思維、合作思維、創造力、算法思維以及問題解決能力等五個方面的能力，將工程思維分解為系統分析能力、創造能力、比較權衡能力、系統評估能力等四個方面的能力，探索技術融合課程中這些高階思維能力的培養策略。基于此，在深度分析通用技術與信息技術新課標和新教材的基礎上，以“大項目”方式整合學習內容，構建技術融合課程——“設計與智造”課程體系，并引入設計思維模式重構項目實施過程，形成了“設計與智造”的典型學習方式，按照“項目設計—項目實施—項目反思”的項目實踐過程構建了教師和學生兩個維度的活動，引導學生在經歷建構與合作的項目學習過程中，形成全面的、生成性的、開放的項目成果，并在連續、發展的學習評價中不斷發展自己的計算思維、工程思維、設計思維等高階思維能力（圖1）。其中，引入的設計思維是發展新工科創新教育的一種非常有效的思維模式，它以人為本地對復雜問題進行創新性解決，是對復雜問題的多元化求解和方案優化，是以流程的形式來培養高階思維的[2]。

學習成效與高階思維培養實證分析

1.研究對象與實驗

為了驗證本研究提出的技術融合課程中“設計與智造”典型學習方式的學習效果，以及高階思維能力培養的狀況，設計了如下教學實驗：選取學校高一新入學的兩個教學班，這兩個班入學平均成績、男女生比例相當，均沒有接觸過技術融合課程。對照班學生采用傳統的項目式學習方式進行學習，即按照通用技術課本中設計的一般過程開展創意小燈的項目學習;而實驗班學生采用“設計與智造”典型學習方式開展項目學習，將三維設計、創意編程等信息技術相關學習內容與通用技術中設計的一般過程63b0d3e4cbc10f20ccae3c74267945cb相融合，并引入設計思維工具，制定配套的項目學習手冊，為學生設計作品提供腳手架。在正式進入項目學習之前，兩個班都填寫相關前測問卷，經過一個大項目的設計后（為期10周，每周2課時），再次填寫相關后測問卷，通過前后測的問卷數據、過程性的項目資料和最終的小燈成品，對比分析兩種學習方式的學習成效，以及“設計與智造”典型學習方式對于學生高階思維能力的培養效果。數據的錄入管理和統計分析采用SPSS26統計軟件。

2.研究工具

計算思維問卷：采用由 Korkmaz，Cakr 和 ?zden 開發的“計算思維技能水平量表”。該量表總共包括 22個題目，所有題目選項均以李克特5點量表的形式呈現，其中，1代表“非常同意”，5代表“非常不同意”，分值對反向題按逆向處理，即按5-1分進行賦值。本問卷的信度為0.946，效度為0.925，具有良好的信效度。

工程思維問卷：采用南京師范大學編制的《普通高中學生工程思維狀況調查問卷》來評價學生工程思維能力水平，共14題，其中系統分析包含4道題，創造能力包含3道題，比較權衡能力包含4道題，評估能力包含3道題。每題計1分，正確則為1分，反之為0分。本問卷的信度為0.894，效度為0.86，具有良好的信效度。

設計思維評價中，研究者最常使用的是混合評價法和調查訪談法，而調查訪談法中包括調查參與者對設計思維的看法、課程體驗與滿意度、自我效能感、問題解決過程、21世紀技能、創造力發展等[3]。本研究使用創造性人格量表和自我效能感量表來評價設計思維的發展。

創造性人格量表：采用美國明尼蘇達大學托蘭斯編制的“你屬于哪一類人”創造性人格量表，量表由 20 道單選題組成，量表中選擇“是”為 1 分，選“否”不計分。本量表的信度為0.867，效度為0.817，具有良好的信效度。

自我效能感量表：自我效能感是對自己是否能夠成功地實現某一成就的自信程度[4]。該量表由13個題目組成，以李克特5點量表的形式呈現，分為個人和群體兩個維度[5]，其中“非常同意”為1分，“非常不同意”為5分。本量表的信度為0.959，效度為0.934，具有良好的信效度。

3.結果分析

在開展項目學習之前，對兩個班的問卷數據進行獨立樣本T檢驗，分析結果顯示實驗班和對照班的學生在計算思維、工程思維、設計思維等方面均不存在顯著差異（t=0.425，p=0.672>0.05;t=0.261，p=0.795>0.05;t=0.068，p=0.946>0.05;t=-1.084，p=0.281>0.05）。

（1）不同學習方式下學生計算思維培養的差異分析

對計算思維問卷的后測數據進行分析，統計出學生項目學習后的得分，結果顯示實驗班的計算思維平均得分低于對照班，說明進行項目學習后，實驗班學生的計算思維水平高于對照班。再結合前測得到的學生計算思維水平數據，分別進行實驗班前后測數據的配對樣本T檢驗、對照班前后測數據的配對樣本T檢驗（表1），結果顯示，實驗班前后測數據T檢驗的Sig<0.05，差異顯著，說明采用“設計與智造”典型學習方式對于提高學生的計算思維具有一定的積極作用;對照班的配對樣本T檢驗結果，其T檢驗Sig>0.05，沒有顯著差異，說明傳統的項目學習方式對于學生的計算思維沒有明顯的促進作用。

（2）不同學習方式下學生工程思維培養的差異分析

對工程思維問卷的后測數據進行分析，統計出學生項目學習后的得分，結合前測得到的學生工程思維水平得分，分別進行實驗班、對照班前后測數據的配對樣本T檢驗（表2）。在問卷后測結果中，實驗班的工程思維水平平均得分高于對照班，說明進行項目學習后，實驗班學生的工程思維水平高于對照班;對實驗班和對照班的工程思維前后測數據進行配對樣本T檢驗，T檢驗Sig=0.000<0.05，差異均顯著，說明兩種學習方式對于提高學生的工程思維都具有積極作用。為了檢驗兩種不同學習方式對學生工程思維水平的影響作用，對兩個班的工程思維問卷后測數據進行獨立樣本T檢驗（表3），發現方差齊性檢驗Sig=0.933>0.05、獨立樣本T檢驗0.01<Sig<0.05，差異比較顯著，可以認為相對于傳統項目學習方式，“設計與智造”典型學習方式對提升學生的工程思維作用更大。

（3）不同學習方式下學生設計思維培養的差異分析

對學生進行項目學習后的創造性人格量表數據進行分析發現，實驗班的創造性人格平均得分比對照班高，說明實驗班學生的創造性人格水平高于對照班。再結合前測得到的創造性人格量表數據，對實驗班、對照班分別進行配對樣本T檢驗（表4），結果表明，實驗班的T檢驗Sig=0.000<0.05，差異顯著，說明“設計與智造”典型學習方式對于提升學生的創造性具有積極作用;對照班MCrY0Qbvl3CmWaAJdGD5oi7+BLk4zOac5msSVbRQdwQ=的T檢驗Sig=0.812>0.05，沒有顯著差異，說明傳統的項目學習方式對于學生的創造性沒有明顯的促進作用。

對實驗班、對照班的自我效能問卷前后測數據進行配對樣本T檢驗（表5），結果顯示，實驗班的平均得分低于對照班，說明實驗班的自我效能感水平較高;實驗班配對樣本T檢驗的Sig=0.011<0.05，差異顯著，說明“設計與智造”典型學習方式對于提升學生的項目學習自信心具有積極作用;對照班配對樣本T檢驗的Sig=0.692>0.05，沒有顯著差異，說明傳統的項目學習方式對于學生自信心沒有明顯的促進作用。

（4）不同學習方式下學習成效的差異分析

學生的學習成效從過程性項目資料與最終作品兩個方面來評價。過程性項目資料以學生的項目學習手冊的形式收集，手冊中包括設計要求、設計分析、方案構思方法、方案權衡、方案呈現、模型制作、作品評價（包括自評、學生互評、教師評價等）、作品反思等模塊，兩個班的不同之處在于，實驗班的方案構思、方案權衡等模塊都嵌入了設計思維的工具，如九宮格思考法、“世界咖啡”法、KANO模型等，而對照班按通用技術課本內容實施教學。從手冊的填寫情況可以看出，實驗班的草圖設計、三視圖呈現、方案呈現、作品反思等普遍優于對照班。最終在作品的評價中，實驗班的優秀率高達37%，對照班的優秀率是20%，實驗班的設計作品中不乏3D打印、激光切割作品，其創意程度、完成度更高，自我評價也更好。綜上分析，可以明顯地發現，實驗班的學習效果優于對照班。

研究結論與建議

本研究以“大項目”方式整合通用技術與信息技術等技術學科內容，構建技術融合課程，形成了“設計與智造”的典型學習方式，并以“創意小燈”項目為例，實證研究技術融合課程中學生計算思維、工程思維、設計思維等高階思維能力的培養效果。基于以上理論與數據分析結果，我們可以得到以下結論。

首先，“設計與智造”學習方式能有效提升學生的高階思維能力。具體體現為：“設計與智造”學習方式對于學生的計算思維、工程思維和設計思維等高階思維培養都有顯著的促進作用;傳統的項目學習方式只對工程思維培養具有促進作用，對計算思維和設計思維均沒有明顯的效果;而工程思維培養方面，“設計與智造”學習方式也顯著優于傳統項目學習方式;采用“設計與智造”學習方式的學生作品更具有設計感與創新性，其階段性成果（設計要求、設計草圖、設計方案等）格式更規范、形式更豐富。由此可見，高中技術融合課程對于學生高階思維的培養具有明顯優勢，后期應進一步豐富“設計與智造”課程體系，開發更多的融合大項目。

其次，項目學習手冊能有效地支撐學生的項目學習。本研究中的大項目歷時較長，難度較大，如果項目實施不當，很容易導致學生學習積極性下降、畏難情緒嚴重、理論知識與項目實踐脫節等問題。因此，本研究設計了極具針對性的項目學習手冊，以支撐學生的學習活動。利用學習手冊，可以將“創意小燈”大項目按設計過程，分解成一個個小環節，包括形成設計要求、設計分析、構思方案、權衡方案、設計草圖、呈現方案、制作模型、方案評價、項目反思等。每一個分解的小環節難度并不大，用時0.5～3課時不等，結束后都有階段性任務，學生按照每一個小環節的引導，最終完成大項目的作品。學習手冊中也加入了電路原理等基本知識，方便學生課后查閱，改變以往項目學習中學習資料散亂，或者沒有學習資料支撐的問題。因此，后期每一個大項目都可以考慮開發相配套的項目學習手冊，以支撐學生的項目學習。

目前，本研究中數據分析還相當籠統，只是對比了不同項目學習方式后思維培養的差異性，但對于各高階思維中不同的能力維度具體培養效果如何，設計思維的引入對于技術融合課程中學生計算思維、工程思維培養的影響效果，不同的項目類型對于學生高階思維能力培養有無不同等問題都沒有深入探討。在未來的研究中，筆者將繼續探討上述問題，以期更好地指導“設計與智造”課程體系的構建，進一步完善“設計與智造”學習方式，更切實地提升學生的高階思維能力。

注：本文是2019年江蘇省基礎教育前瞻性教學改革實驗項目——“設計與智造：統整理念下高中生學習方式的變革”的階段性成果;江蘇省教育科學“十三五”規劃2020年度立項課題“基于計算思維的高中生設計與智造的項目化實踐研究”（課題批準文號：D/2020/02/283）階段性成果;江蘇省教育科學“十三五”規劃2018年度青年專項重點資助課題“江蘇省高中STEM教育基地實驗項目的設計與實踐研究”（課題批準文號：C-a/2018/02/19）階段性成果

參考文獻

孫宏志，解月光，張于. 核心素養指向下高階思維發展的表現性評價設計[J]. 電化教育研究. 2021（9）：91-98.

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