STEAM 理念下高中通用技術教學中設計創造力的培養*
——以《開環控制系統的工作過程》為例

楊榮良|浙江省紹興市高級中學

習近平總書記在黨的二十大報告中強調“必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力”，這表明黨中央把“人才強國戰略、創新驅動發展戰略”作為一項重大而長期的任務擺在國家發展的核心位置，而設計創造力是實現此戰略的根本突破點。《普通高中通用技術課程標準（2017 年版2020 年修訂）》指出，要發展學生的學科核心素養，著力培養“技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達和物化能力”等方面的素養。由此可見，培養學生的設計創造力，是進一步深化新課改的內在需求。高中通用技術是培養和發展學生設計創造力的重要課程。

設計創造力是設計者在進行新穎且實用的產品設計時所具備的一項高級、復雜的心理認知能力。這種能力的培養需要多學科配合，要求學生創造性地運用知識解決學習和現實生活中的諸多問題［1］。而STEM教育能打破學科之間的壁壘，進行科學、技術、工程和數學等多學科協調配合，最終幫助學生構建完整的知識體系［2］。它以問題解決的形式創設結合社會和生活的教學情境，助力學生提升解決問題和創新應用能力，發展設計創造力。STEAM（STEM 的擴展）理念為高中教育培養和發展學生的設計創造力提供了理論和實踐依據。

一、STEAM 理念下高中通用技術教學中設計創造力培養的流程

根據高中階段對學生設計創造力培養的要求，結合具體教學實踐，筆者將STEAM理念融入高中通用技術課程之中，面向全體學生開展以情境導入、任務引領、問題解決為導向的主題式學習。其教學流程按準備、實施、改進、反思4 個環節展開，能實現完整的閉環管理，體現課堂教學的流暢性和完整性。從教學實踐效果上看，它以培養學生設計創造力為出發點，契合STEAM理念，能充分發揮高中通用技術教學的優勢。其教學流程和設計創造力的培養如圖1所示。

圖1 STEAM理念下高中通用技術教學設計創造力培養的流程

二、STEAM 理念下高中通用技術教學中設計創造力培養的實踐案例

下面以蘇教版普通高中教科書《通用技術》必修《設計與技術2》第四單元第二節《開環控制系統的工作過程》為例，談談STEAM理念下高中通用技術教學的實施。

（一）明確學習內容和任務

【情境展示】為了給家里增添一些自然的氣息，小李同學買了一盆綠植，剛開始他把綠植照顧得非常好，但是過了一段時間，由于忙于學業而經常忘記澆水，綠植逐漸枯萎了，現在再去補救也無濟于事。既然不能讓枯死的植物起死回生，那我們能不能利用所學知識幫助小李設計一種控制系統，從而避免此類情況再次發生？

明確任務和主題：讓學生分組討論后提問，綜合各組建議，提出設計“土壤濕度報警系統”（能及時提醒小李澆水）。由此讓學生明確要學的內容，并板書課題：“開環控制系統的工作過程——土壤濕度報警系統的設計與制作”。

設計意圖：創設以上真實情境，引出STEAM項目活動的作用在于：一是構建學習任務與學生經驗之間的聯系，引導學生有效地解決實際問題；二是促進知識、技能和經驗之間產生連接，促使學生對身邊的技術世界進行深入的思考；三是激發學生的學習動機和興趣，培養和發展學生的技術意識和創新設計等方面的學科核心素養。

（二）教學活動過程

課前筆者組建了8個合作學習小組，每組確定1 人為組長，準備好各組的學案和探究活動可能會用到的器材等。

1.準備環節：歸納知識，遴選任務資源和工具

（1）知識準備和歸納。先讓各組學生回顧第三單元“系統及其設計”中系統分析的“框圖模型”，然后在學案中補充“土壤濕度報警系統”的輸入—輸出模型，補畫完整的框圖模型如圖2所示。

圖2 輸入—輸出框圖模型

筆者提示：如果由大腦作出決策判斷，濕度偏低時，大腦發出指令，用手按下開關，燈光被點亮（LED燈作報警器），這就是一個簡單的土壤報警系統的人工控制過程。然后要求各組根據所描述的報警系統工作過程，在學案上完善該控制系統的最簡框圖模型。根據各組匯報，提煉出如圖3所示的人工控制過程框圖模型。

圖3 土壤濕度報警系統人工控制過程框圖模型

通過提問，筆者加以適當引導，從學生口中得出如下控制系統的概念和相關知識。

控制系統：通過若干環節來實現控制功能構成的裝置稱之為控制系統。

開環控制系統：我們設計的報警系統的輸入量和輸出量，一個是土壤濕度高低，另一個是LED 燈熄滅與發光，二者一一對應，且LED燈的亮滅不會影響控制。這種控制方式為開環控制系統，也就是說，控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響。

開環控制系統的框圖：在開環控制系統中，我們把土壤濕度偏低看作輸入量，把大腦看作控制器，把人手、開關看作執行器，把人手動作（按下開關）看作控制量，把LED 燈看作被控對象，把LED 燈發光的狀態看作輸出量。將這些部分連在一起，就構成了開環控制系統的框圖。

筆者再作適當解釋：輸入量是外界給系統的一個物理量，控制器是一個具備決策、判斷、指揮的元器件或裝置，執行器是執行相應動作的元器件，控制量是執行器輸出的信號，被控對象是所要控制的裝置和生產過程，輸出量是控制系統所要控制的量。

（2）任務資源和工具遴選。接下來，筆者讓學生利用前面學習的電子電路和面包板知識（在學習控制系統前作了適當介紹），把剛才的報警系統改為自動控制，要求各組根據學案的提示考慮需要選擇哪些器材，并完成學案中該系統的自動控制工作框圖。

綜合各組反饋，所需器材為：檢測濕度的濕度傳感器，作為控制器、執行器的電路和元器件以三極管和可變電阻器為主，報警器（LED 燈），面包板、導線和電源。自動控制框圖模型如圖4所示。

圖4 土壤濕度報警系統自動控制框圖模型

設計意圖：結合情境案例的分析，通過提問、討論和歸納，讓學生總結出開環控制系統的相關知識，符合學生最近發展區的認知規律和新課程教學理念。幫助學生學會運用所學的知識與技能，進行方案構思、圖樣表達，提升獨立思考、遴選資源以及運用工具解決問題的能力，培養科學素養和精神。

2.實施環節：小組協作探究，完成制作并測試

筆者組織各小組進行下面的探究實踐活動。

【探究1】要求每組根據學案中提供的報警電路圖，利用課桌抽屜內的器材和工具搭建好土壤濕度報警系統，并完成以下任務。

a.每組將搭建好的電路接上電源，分別比較濕度傳感器在空氣中和浸入水中兩種情形下，LED燈發光的狀態，并記錄現象。

b.每組將濕度傳感器擦干后，插入裝了等量干沙土的杯子中，用滴管吸取適量的水，滴加至沙土中，利用滴管上的刻度，記錄到LED燈完全熄滅時，滴入水的總量，以毫升為計量單位，并將數據填入表格，同時觀察滴加水的過程中LED燈的現象。

在學生進行探究活動期間，筆者觀察各小組活動情況并作適當引導，提醒學生一些注意事項等，時間控制在8分鐘內。

設計意圖：讓學生綜合運用各學科知識，經歷電路搭建和測試探究實踐活動、完善知識體系等環節，使其在探究、合作的氛圍中培養和提高運用知識解決問題的能力，提升工程思維、創新設計、圖樣表達、物化能力等方面的素養，實現通用技術學科核心素養的綜合發展。

3.改進環節：測試展示，完善系統方案

在8分鐘探究活動后，筆者讓各小組選定兩位代表上臺展示a 和b 的測試過程，并把b測試中LED 燈熄滅時滴入水的總量填寫在黑板指定位置。

測試結果顯示：a 測試過程中，傳感器在空氣中，LED 燈發光，浸入水中，LED 燈熄滅，每組都相同；但b 測試過程中，不同組LED 燈熄滅時滴入等量干沙土中水的總量不同。由此，筆者引導學生探究以下兩個問題。

【探究2】（控制電路探究）為什么不同組在燈光熄滅時在等量沙土中滴入水的總量不同？

【探究3】（被控對象探究）采用燈光報警有什么缺陷？有沒有更好的報警方式？

對于探究2，筆者引導各小組分析電路中的元器件，通過調節控制電路，滿足不同控制目標和控制條件的要求：將濕度傳感器插入土壤中保持不變，電路中有一個可變電阻Rp，將螺絲刀插入白色部分的十字凹槽中，旋轉旋鈕，嘗試調節可變電阻Rp，觀察LED燈產生的現象（隨著可變電阻的調節，亮暗程度發生變化）。綜合各組回答結果（可變電阻Rp阻值設置不同），進一步指出可變電阻Rp是用來改變報警時設定的濕度值，而根據不同綠植的濕度需要可設定相應值。

對于探究3，筆者綜合各小組建議，提出可以采用類似洗衣機等電器的發聲提醒方式，然后讓每組從所給器材中找出發聲報警器（蜂鳴器），并更換被控對象，即將LED 燈更換成有源蜂鳴器，進行測試體驗。

設計意圖：此環節能體現STEAM 教育的核心（面向每個學生，鼓勵全體學生積極參與，真正做到關注每個學生的發展），引導學生在實踐中培養和提高實踐技能、審美能力、創新設計、工程思維等方面的素養，以及樂思善學的精神。

4.反思環節：鞏固知識與技能，完善認知

反思環節是學生回顧學習活動，討論整個控制系統設計和測試的過程，如“在這次學習活動中學到了哪些知識？應用了哪些技術？設計的‘土壤濕度報警系統’是否滿足設計要求？能否再進一步優化”等。筆者引導學生結合生活經驗思考如何進一步優化設計方案，并提出如下問題讓學生課后思考。

課堂延伸：我們設計的“土壤濕度報警系統”只是提醒小李，最終還是要他自己去澆水。但小李忙于學業可能顧不上澆水，能否幫他設計一種自動澆水的土壤濕度控制系統（濕度低于設定值澆水，達到便停止澆水的控制系統）？

最后，筆者引導各小組學生根據“土壤濕度報警系統”設計體驗，回顧這節課所學的有關開環控制系統的組成和控制工作框圖等知識。

設計意圖：通過反思，學生可以深化對問題的理解，優化思維過程，揭示問題本質，鞏固和提高所學的知識與技能。這能培養和提高學生的批判質疑精神、勤于反思的優秀品質，從而讓學生能正確地認識自己，實現自我完善。

綜上，設計創造力是人才的核心競爭力，是國家以創新驅動發展戰略的根本突破點。STEAM教育為學生設計創造力的培養提供了機遇。作為培養學生設計創造力的重要課程，高中通用技術要更多地結合STEAM理念開展教育和教學工作，為培養有理想、會設計、能動手、善創造的社會主義建設者和接班人作出貢獻。