跨學(xué)科創(chuàng)新視角下創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合*

高云峰 師保國

(1. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084； 2. 首都師范大學(xué)心理學(xué)系，北京 100048)

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跨學(xué)科創(chuàng)新視角下創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合*

高云峰1師保國2

(1. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084； 2. 首都師范大學(xué)心理學(xué)系，北京 100048)

在跨學(xué)科創(chuàng)新視角下，創(chuàng)客教育與STEAM教育存在諸多共通之處，可以相互補充。創(chuàng)客教育是STEAM教育實施的有效手段，STEAM教育是創(chuàng)客教育的必要補充，二者結(jié)合可以對人才培養(yǎng)產(chǎn)生良好效果。創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合策略包括開設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化入門課程、學(xué)習(xí)以“創(chuàng)客三件套”為核心的系列創(chuàng)客課程，以及完成大型實景項目。在跨學(xué)科創(chuàng)新目標(biāo)的引領(lǐng)下，創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合必將能夠為當(dāng)前的教育教學(xué)改革帶來積極的思路。

跨學(xué)科創(chuàng)新；創(chuàng)客教育；STEAM教育；融合

跨學(xué)科(cross-disciplinary)也稱交叉學(xué)科，被人們視為前沿科學(xué)的生長點與高新技術(shù)的發(fā)源地(師昌緒，1997)。從科學(xué)發(fā)展史來看，許多重大的發(fā)明創(chuàng)造都源自于不同學(xué)科的互育融合(Koestler, 1964)。例如，蘭德斯坦納(Landsteiner)憑借發(fā)現(xiàn)A、B、O三種血型特征在血液研究領(lǐng)域脫穎而出而獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)及生理學(xué)獎，與其原先的化學(xué)學(xué)科背景密不可分；凱庫勒(Kekulé)在有機化學(xué)領(lǐng)域因發(fā)現(xiàn)苯環(huán)結(jié)構(gòu)與碳原子為四價原子而著名，這些思想與其早期對建筑的興趣與了解有關(guān)(Sawyer，2013)?？梢哉f，跨學(xué)科是人類進行創(chuàng)新的重要途徑之一。

近幾十年來，國內(nèi)外教育界先后涌現(xiàn)出兩種現(xiàn)象，它們均與跨學(xué)科創(chuàng)新有關(guān)。一個是STEAM教育，另一個則是創(chuàng)客教育(Maker Education)。STEAM教育強調(diào)整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和人文藝術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容，將知識的獲取、方法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過程進行有機的統(tǒng)一(黃曉，李揚，2014)，對培養(yǎng)學(xué)生的問題解決和綜合能力具有重要價值。創(chuàng)客教育則重視讓學(xué)生運用多種學(xué)科知識及數(shù)字化工具，通過開展行動、分享與合作將創(chuàng)意作品化，為開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)提供了新的有效途徑。以往研究表明，STEAM教育與創(chuàng)客教育在概念起源、教育目標(biāo)、教育內(nèi)容、教育過程以及師生關(guān)系等方面存在一定的差異(楊曉哲，任友群，2015)。但從跨學(xué)科創(chuàng)新的視角來看，二者又存在著諸多共通之處，在教育實踐過程中可以相互補充。隨著當(dāng)前越來越多的教育工作者開始同時關(guān)注STEAM教育和創(chuàng)客教育，我們認(rèn)為有必要對二者相互支持的關(guān)系進行梳理，并結(jié)合我們前期已經(jīng)開展的教學(xué)實踐對STEAM教育與創(chuàng)客教育的融合策略進行探討。

一、STEAM教育與創(chuàng)客教育融合的前提

“STEAM”一詞源自于“STEM”(Science，Technology，Engineering，Mathematics)。這一提法首次出現(xiàn)于1986年美國國家科學(xué)委員會的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報告中。在這一概念中，Science(科學(xué))是反映自然、社會、思維等客觀規(guī)律的知識體系；Technology(技術(shù))是解決問題的工具、方法和經(jīng)驗的總稱；Engineering(工程)是運用科學(xué)原理和技術(shù)手段創(chuàng)造人工物體的學(xué)問；而Mathematics(數(shù)學(xué))則是研究數(shù)量關(guān)系和空間形式的一門科學(xué)?？茖W(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間存在著相互支撐、相互補充和共同發(fā)展的關(guān)系，在實際問題解決過程中它們也是相互交叉和滲透，以整合方式起作用的。從應(yīng)用知識解決現(xiàn)實問題的角度，對這些學(xué)科不宜獨立分割、強調(diào)分科教學(xué)，而應(yīng)該作為整體統(tǒng)一考慮。尤其是考慮到“STEM”更多偏重于科學(xué)工程等方面，加入“Arts”(人文藝術(shù))演變?yōu)椤癝TEAM”則成為了STEM教育發(fā)展的必然趨勢。

STEAM不僅綜合了多種學(xué)科的知識，更是融合了不同學(xué)科所蘊涵的實踐活動、精神內(nèi)涵和價值觀，可以認(rèn)為是一種多元學(xué)科文化的融合創(chuàng)新。這種跨學(xué)科的教育思路強調(diào)打破學(xué)科邊界，使學(xué)生運用科學(xué)、工程、人文藝術(shù)等多門學(xué)科知識解決真實生活情境中的問題，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，歷來受到國際社會的高度關(guān)注。2006年，時任美國總統(tǒng)的布什在國情咨文中公布《美國競爭力計劃》，提出了培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才是美國在知識經(jīng)濟時代的教育目標(biāo)之一，是提升國家在全球范圍內(nèi)競爭力的關(guān)鍵。2009年，美國國家科學(xué)委員會致信給時任總統(tǒng)奧巴馬，公開明確指出國家的經(jīng)濟繁榮和國土安全要求美國保持科學(xué)、技術(shù)的世界領(lǐng)先和指導(dǎo)地位，而高等教育階段之前的STEM(STEAM)教育則是實現(xiàn)這一目標(biāo)的保障，是國家最重要的任務(wù)之一。

雖然STEAM教育近年來開始傳入國內(nèi)并逐步被大力提倡，但是各地的實施大多尚停留在理念的層面。主要原因包括兩個方面：(1)培養(yǎng)路徑不夠明晰。STEAM教育是為了更好地引導(dǎo)學(xué)生打破原有學(xué)科知識體系的束縛，倡導(dǎo)教師在教學(xué)過程中更好地進行多學(xué)科融合，鼓勵學(xué)生采用跨學(xué)科問題解決的方法。但國內(nèi)目前各學(xué)段教育受學(xué)科分割與考試進階的影響，學(xué)科間的相互滲透和結(jié)合不夠，缺乏明晰的培養(yǎng)路徑，學(xué)生綜合素養(yǎng)和跨學(xué)科思維能力不佳。(2)缺乏專業(yè)化的師資力量。在STEAM教學(xué)中，學(xué)生是積極主動的參與者，獨立自主地參與整個項目，或是在小組協(xié)作中共同學(xué)習(xí)多元學(xué)科的綜合知識；而教師在此過程中則更多地扮演教學(xué)設(shè)計者、活動組織者、知識講授者和學(xué)習(xí)引導(dǎo)者等角色(楊曉哲，任友群，2015)。除了教師的多元化角色，還需要不同教師間相互配合，共同引導(dǎo)學(xué)生完成某個具體項目等，這些都對師資提出了較高的要求。現(xiàn)實情況是，國內(nèi)教育領(lǐng)域的師資專業(yè)背景相對單一，實際操作經(jīng)驗少，特別是在工程領(lǐng)域方面存在比較明顯的短板。如何在學(xué)校教育中通過改革課堂、教學(xué)、教材等方面建立切實有效的培養(yǎng)路徑，提供具有跨學(xué)科背景的專業(yè)化師資，是當(dāng)前推進STEAM教育所面臨的重要問題。

創(chuàng)客教育的興起與創(chuàng)客運動的發(fā)展密切相關(guān)。創(chuàng)客一詞源自于英文單詞“Maker”，直譯為“制造某種東西的人”。創(chuàng)造Web 2.0概念的互聯(lián)網(wǎng)先驅(qū)，O'Reilly公司副總裁Dougherty(2011)把那些愿意通過動手實踐，努力將各種想法轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實的群體稱為“創(chuàng)客”。Anderson(2012)在《創(chuàng)客：新工業(yè)革命》一書中進一步將“創(chuàng)客”描述為運用數(shù)字化工具和多種制造工具(例如3D打印機)在屏幕上進行設(shè)計并且制造產(chǎn)品的人，他們還會通過互聯(lián)網(wǎng)與他人分享創(chuàng)意成果，將互聯(lián)網(wǎng)文化與合作精神融合于整個制造過程中。由于創(chuàng)客運動的帶動，創(chuàng)客教育的實踐正在國內(nèi)悄然興起，日漸蓬勃。創(chuàng)客教育強調(diào)行動、分享與合作，注重與新科技手段相結(jié)合，可以讓學(xué)生通過教育，實現(xiàn)一個完整的工程訓(xùn)練過程，學(xué)生不再只是知識的消費者而同時也是生產(chǎn)者，學(xué)校也不再只是知識傳播的空間而轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫嵺`應(yīng)用和創(chuàng)造為中心的場所，因此這一教育模式逐漸發(fā)展為跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新途徑。

從活動角度而言，創(chuàng)客教育的特征可以歸納為“造物”和“分享”。(1)造物。造物的重要表現(xiàn)，是指從原材料開始創(chuàng)新，即不是拼裝各類半成品，并且要防止教學(xué)玩具化的傾向。在這個意義上，是要通過鼓勵學(xué)生進行創(chuàng)造，在創(chuàng)造過程中有效地使用未經(jīng)加工的原材料以及數(shù)字化工具(如開源硬件、3D打印、激光切割機、小型車床等)培養(yǎng)學(xué)生動手實踐的能力，讓他們在實踐學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)問題、探索問題、解決問題，最終將自己的想法作品化，并具備獨立的創(chuàng)造思維與解決問題的綜合能力。(2)分享。分享的基礎(chǔ)和意義在于群體創(chuàng)新，這與教育的目標(biāo)高度一致。學(xué)習(xí)本身是一個過程，而學(xué)習(xí)成果的轉(zhuǎn)化是更為重要的。一方面是要讓學(xué)習(xí)分享到實踐中、人群中，另一方面是要讓學(xué)習(xí)成為社會創(chuàng)新的源動力。因此，要用分享帶動群體性創(chuàng)新。

建設(shè)創(chuàng)客空間與開展各類創(chuàng)客活動是當(dāng)前創(chuàng)客教育實踐的兩大熱點，一些學(xué)校在這些方面做了有益的探索。例如清華大學(xué)航空航天學(xué)院的“卡魅”實驗室在北京中學(xué)、北京小學(xué)、北師大二附中等長期開設(shè)的科技制作課程，再如溫州中學(xué)的“互動媒體技術(shù)”、“Arduino創(chuàng)意機器人”課程等(王旭卿，2015)。在這些教學(xué)活動中，學(xué)生們通過自己動手設(shè)計、制作、“玩中創(chuàng)”等環(huán)節(jié)激發(fā)了創(chuàng)新精神，培養(yǎng)了創(chuàng)造能力，同時也提升了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等STEAM綜合素養(yǎng)。但放眼全國，對于創(chuàng)客教育目前在國內(nèi)還沒有形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼n程體系和有效的教學(xué)實施策略，大量創(chuàng)客空間的開設(shè)與創(chuàng)客活動的開展只是停留在形式上。針對這一情況，有研究指出，創(chuàng)客教育不能流于在中小學(xué)推廣小發(fā)明小創(chuàng)造的形式，而應(yīng)是推進跨學(xué)科知識融合的STEAM教育，在幫助學(xué)生夯實科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識的基礎(chǔ)之上，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神與實踐能力，促進創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型人才的成長(余勝泉，胡翔，2015)。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，創(chuàng)客教育因何才能與STEAM教育有機融合？

二、STEAM教育與創(chuàng)客教育融合的機制

如前所述，STEAM教育強調(diào)跨學(xué)科融合，鼓勵學(xué)生運用科學(xué)與人文等多個學(xué)科解決真實情境中的問題；創(chuàng)客教育的重點在于通過數(shù)字化工具，促使學(xué)生將創(chuàng)意作品化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)?？梢姡瑒?chuàng)客教育中有一部分含有跨學(xué)科的STEAM教育內(nèi)容，而STEAM教育也有與創(chuàng)客教育交叉的模塊。二者既有共同之處，也有明顯互補的地方，恰好可以融合互育。

(一)創(chuàng)客教育是STEAM教育實施的有效手段。眾所周知，傳統(tǒng)教育過程中存在分科教育的弊端，學(xué)科阻隔不利于探索真實情境中的問題，STEAM的融合式教育改變了傳統(tǒng)的教育模式。但STEAM教育在經(jīng)過一段時間后，出現(xiàn)了新的問題，即在強調(diào)跨學(xué)科整合的同時對原創(chuàng)性和創(chuàng)新性重視不足?，F(xiàn)在伴隨著創(chuàng)客運動在全球的蓬勃開展，STEAM教育有了新的依托。對于STEAM來說，創(chuàng)客教育是最好的抓手：數(shù)字化設(shè)備極大提升了動手實踐的效率，使學(xué)生有時間進行多種嘗試，甚至包括允許學(xué)生進行試錯。此外，創(chuàng)客教育的造物樂趣還可以激發(fā)學(xué)生的探索熱情。通過引導(dǎo)，讓學(xué)生利用多學(xué)科、跨學(xué)科知識處理問題，也讓分享文化下的群體協(xié)同創(chuàng)新成為合作學(xué)習(xí)的最好注解。

(二)STEAM教育是創(chuàng)客教育的必要補充。創(chuàng)客教育需要綜合運用多學(xué)科的知識, 好的創(chuàng)客作品背后離不開跨學(xué)科的支撐。例如，設(shè)計一個遠程控制裝置，就需要涉及到基本的科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程學(xué)知識。如果這個控制裝置要美觀大方，則還需運用到工藝美術(shù)相關(guān)的知識。因此，跨學(xué)科對開展創(chuàng)客教育來說是必要的前提與保障。在這方面，以跨學(xué)科、趣味性、情境性、體驗性及協(xié)作性等為特征的STEAM理念是“Maker”扎根教育的保證(余勝泉，胡翔，2015)。畢竟，STEAM教育的本質(zhì)就是在眾多孤立的學(xué)科中建立一座新的橋梁，從而為學(xué)生提供整體認(rèn)識世界的機會，通過把科學(xué)、技術(shù)等四個領(lǐng)域?qū)W科知識和技能的教學(xué)整合到一種教學(xué)范例中，使學(xué)生學(xué)習(xí)的零碎知識變成一個相互聯(lián)系、相互統(tǒng)一的整體。這樣就避免了傳統(tǒng)教學(xué)中各學(xué)科知識割裂、不利于學(xué)生綜合解決實際問題的弊端，有利于學(xué)生形成跨學(xué)科的綜合素養(yǎng)(葉兆寧，楊元魁，2015)。特別是STEM發(fā)展到STEAM，或者進一步發(fā)展到STEMx(x代表的是計算機科學(xué)、計算機思維、調(diào)查研究、創(chuàng)造與革新、全球溝通、協(xié)作及其他不斷涌現(xiàn)的21世紀(jì)所需的知識與技能)后，STEAM教育的跨學(xué)科特性和優(yōu)勢越來越明顯，它已經(jīng)不再單單是培養(yǎng)學(xué)生的科技理工素養(yǎng)的一種教育，而是以科技理工素養(yǎng)為核心、兼具人文藝術(shù)素養(yǎng)的完整的人的教育(袁剛，沈祖蕓，2016)。從這一意義上，STEAM教育是創(chuàng)客教育的重要基礎(chǔ)，能夠為創(chuàng)客教育所實現(xiàn)不了的功能提供必要補充。

(三)兩種教育結(jié)合產(chǎn)生良好效果?；诳鐚W(xué)科創(chuàng)新的視角，碎片化、條塊化的知識正在被整體學(xué)習(xí)和混合學(xué)習(xí)代替，填平舊經(jīng)驗和新問題之間的鴻溝需要的時間也越來越短暫。從STEAM教育到創(chuàng)客教育，學(xué)習(xí)的邊界日益模糊?？傮w來看，二者的結(jié)合可以有兩種思路：一是借助創(chuàng)客教育來培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)，目標(biāo)是通過解決實際問題，培養(yǎng)跨學(xué)科應(yīng)用人才。二是借助STEAM理念來開展創(chuàng)客教育，目標(biāo)是通過造物，培養(yǎng)有創(chuàng)新能力的人。本質(zhì)上兩種想法并不矛盾，完全可以合二為一，甚至可以概括為“STEAM為本，創(chuàng)客為用”的教育思路，體現(xiàn)了兩種教育對跨學(xué)科創(chuàng)新所帶來的巨大優(yōu)勢。接下來要問的問題是，如何才能在教育實踐中真正實現(xiàn)創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合？

三、創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合策略

近幾年來，我們在北京中學(xué)、北京小學(xué)、清華附中、北師大二附中等多所學(xué)校開展了基于群體創(chuàng)新空間的創(chuàng)客教育活動，并積累了一些經(jīng)驗。根據(jù)這些經(jīng)驗，在學(xué)校中借助創(chuàng)客教育培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)，或者基于STEAM教育理念進行創(chuàng)客教育，從具體操作上大體可以分為以下三個步驟。

第一步，開設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化入門課程。在這個階段，我們并不急于要求將創(chuàng)客的眾多課程全部展開，而是非常有必要先開設(shè)一門入門課程，這樣做的考慮是基于：一是帶來創(chuàng)客體驗。讓學(xué)生從傳統(tǒng)的加工設(shè)備遷移到數(shù)字化設(shè)備中來，體驗數(shù)字化設(shè)備帶來的高效率和方便試錯等好處，讓學(xué)生將主要精力集中在“設(shè)計”上，而不是之前的“加工過程”；二是降低創(chuàng)客門檻。學(xué)術(shù)界已經(jīng)有明確結(jié)論，男女性別差異會導(dǎo)致空間想象能力的較大差異，但在平面想象能力方面差異不大。因此我們有必要在入門課程上盡量降低男女差異對課程的影響，帶動全體學(xué)生參與到課程當(dāng)中。以我們開設(shè)多年的“卡魅”科技制作課為例，該課程采用一種“降維”設(shè)計的思想，用二維方式模擬三維作品(從簡單的桌椅到復(fù)雜的月球車、無輪小車等，見圖1和圖2)，這樣的設(shè)計、制作思路對于男女生接受起來基本無差別，有利于每一名學(xué)生的學(xué)習(xí)與實踐；三是開展學(xué)科融合。在入門課程中就將基礎(chǔ)的物理、數(shù)學(xué)、科學(xué)及二維空間建構(gòu)和機械等知識融入課程，可以培養(yǎng)學(xué)生良好的STEAM素養(yǎng)和學(xué)習(xí)習(xí)慣。

圖 1 “卡魅”科技制作課上的簡單桌椅 圖 2 “卡魅”科技制作課上的月球車

第二步，學(xué)習(xí)以“創(chuàng)客三件套”為核心的系列創(chuàng)客課程。在標(biāo)準(zhǔn)化入門課程之后，學(xué)生們將進入到以“創(chuàng)客三件套”為核心的創(chuàng)客課程體系中進行學(xué)習(xí)，以準(zhǔn)備下一步的“造萬物”。這里所說的創(chuàng)客三件套包括激光切割機、3D打印機和開源硬件。世上萬物，總結(jié)起來由軟件+硬件組成，換種說法，從專利描述的角度來說，就是結(jié)構(gòu)單元+邏輯單元。比如一個會唱歌的杯子，就是由杯體加上控制電路板以及內(nèi)置的軟件組成。激光切割機和3D打印機可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能，開源硬件可以實現(xiàn)邏輯單元功能，這也就是為什么這三種設(shè)備就具備了“造萬物”的理論可能。當(dāng)然，創(chuàng)客“造萬物”只是一種形象的說法，實際實驗室里造的是“原型”，真正的產(chǎn)品涉及很多工藝，很多流程，還是需要工廠生產(chǎn)。

從教育的角度，“創(chuàng)客三件套”實際對應(yīng)著三門課程。在這一課程體系中，我們應(yīng)將可能用到的各個知識點按“S””T”“E”“A”“M”分別描述，進行講解，同時也注重不同學(xué)科的知識交叉跨越、融會貫通。由于這些課程涵蓋材料、工程、物理、機械、空間建模、軟件和電子等多學(xué)科基礎(chǔ)知識，并將激光切割機、3D打印機、開源硬件平臺，甚至手繪掃描儀、刻字機、雕刻機和UV打印機等數(shù)字化設(shè)備的使用全部融入課程中，因此最終真正實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新的STEAM素養(yǎng)。這里舉一個作者給中學(xué)生設(shè)計的具體課程實例：《幸運之草》。

中學(xué)STEAM課程實例：《幸運之草》

教學(xué)目標(biāo)：讓學(xué)生加深理解數(shù)學(xué)與物理的關(guān)系，設(shè)計制作盡可能簡單的裝置，畫出指定的圖案。

教學(xué)過程：

(1)問題導(dǎo)入：首先寫出如下所示的一個數(shù)列，讓學(xué)生討論并找規(guī)律。

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, ……

這是數(shù)學(xué)中的斐波那契數(shù)列，學(xué)生一般很快就找到了規(guī)律。然后讓學(xué)生尋找隱藏在該數(shù)列背后的數(shù)值：相鄰的2個數(shù)相除，有什么規(guī)律？學(xué)生們很快會發(fā)現(xiàn)除數(shù)趨近于0.618，黃金分割值！

再轉(zhuǎn)到植物方面。很多植物在生長的過程中為了能最佳地利用空間(億萬年進化的結(jié)果)，每片葉子和前一片葉子之間的角度是222.5度(圖3)，這個角度稱為“黃金角度”，因為它和整個圓周360度之比是黃金分割值0.618。

圖3 三葉草

既然斐波那契數(shù)列和植物生長都與黃金分割數(shù)有關(guān)，那植物與斐波那契數(shù)列有什么關(guān)系呢？如果我們稍微注意一下，會發(fā)現(xiàn)自然界中的大部分植物的葉子或花瓣通常是3、5、8等數(shù)目。例如人類在太空中培養(yǎng)的第一顆植物，就是13瓣的菊花！

也許你聽過尋找幸運草的故事--找到四葉草就會得到幸福。四葉草的四片葉子分別表示：真愛(love)，健康(health)，名譽(glory)，財富(riches)。有理由認(rèn)為三葉草是自然界優(yōu)化的結(jié)果，而四葉草可能只是變異的結(jié)果(這可以成為另一個研究問題)。三葉草很容易找到，而四葉草在自然界中只有百萬分之一的概率，很難被找到。既然四葉草很難被尋找到，為什么我們不能自己創(chuàng)造？

(2)確定目標(biāo)：今天我們的目標(biāo)，就是設(shè)計出一種簡單的裝置，可以畫出四片花瓣。

自然界中真實的四葉草(圖4)輪廓比較復(fù)雜，我們用數(shù)學(xué)中的“四葉玫瑰線”(圖5)來代替“四葉草”。需要考慮兩個問題：

圖4 四葉草 圖5 數(shù)學(xué)上的四葉玫瑰線

戰(zhàn)略問題：四葉玫瑰線能否用簡單的裝置畫出來？

戰(zhàn)術(shù)問題：各部分的尺寸和畫筆位置如何確定？

(3)講授原理：接下來作者會介紹四葉玫瑰線的方程(r=acos2θ)，讓學(xué)生從數(shù)學(xué)和物理的角度理解這個方程(下面只給出部分公式)。

在直角坐標(biāo)中上式為

利用三角公式后有

對學(xué)生而言，學(xué)過三角函數(shù)，到這一步?jīng)]有問題。但是他們不知道這些公式有什么物理意義，這時要利用啟發(fā)式的方式，讓學(xué)生意識到，物體做圓周運動時，就有(x=rcosθ，y=rsinθ)的形式，從而意味著四葉玫瑰線實際上由兩個圓周運動組成。

(4)動手探究：獲得原理知識之后，具體兩個圓的大小、筆放置的位置仍需要學(xué)生進行探究(圖6)。學(xué)生根據(jù)自己的理解，設(shè)計制作裝置，然后利用作者開發(fā)的卡魅平臺做出道具(圖7)。通常一開始發(fā)現(xiàn)畫出的結(jié)果不正確。沒有關(guān)系，我們在STEAM課程中，允許學(xué)生試錯和修改。最后很多學(xué)生可以畫出完美的四葉草！

圖6 學(xué)生在進行探究、討論 圖 7 學(xué)生做出道具進行嘗試

教學(xué)反思：

本次課程，既教育學(xué)生如何把不同學(xué)科的知識融會貫通，更教育學(xué)生要自己創(chuàng)造幸福。過程中把科學(xué)、技術(shù)與人文有機地融合在一起。前半段以教師為中心，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考、領(lǐng)悟?qū)W科知識；后半段以學(xué)生為中心，讓學(xué)生討論、設(shè)計和計算，把自己的理解在設(shè)計中反饋出來。學(xué)生在短短的90分鐘(2節(jié)課)中，通過學(xué)習(xí)知識、設(shè)計、制作、試錯、修改，最終達到目標(biāo)，從而完整地體驗了STEAM教學(xué)的精髓。

課程是創(chuàng)客教育的生命線，課程設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與否，課程質(zhì)量的優(yōu)劣與否，都直接影響到學(xué)習(xí)者的興趣，直接關(guān)乎創(chuàng)客教育的最終質(zhì)量。創(chuàng)客教育中課程設(shè)置的出發(fā)點，應(yīng)該是面向現(xiàn)實應(yīng)用的，學(xué)生根據(jù)自己需求提出的。只有讓人萌生興趣的課程，才可能讓學(xué)習(xí)者擺脫傳統(tǒng)課程的“陰云”，拓展新的思路和看法。此外，在課程實施過程中還要特別注意避免一些情況，如在課程中教會了學(xué)生做一些作品，但是沒有教學(xué)生處理問題的方法和手段；或者只注意教技術(shù)，忽略背后的科學(xué)和數(shù)學(xué)知識。如果處理得不好，學(xué)生在經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)曲線并不能按照預(yù)期一直向上走，而是出現(xiàn)了明顯的拐點。換言之，一些學(xué)生去年會做一些東西，到了今年還是只會做這個東西，無法持續(xù)突破自己。這其中的重要原因就是基礎(chǔ)學(xué)科知識的欠缺，比如物理和數(shù)學(xué)，限制了學(xué)生能力的進一步提升。因此，這也提示創(chuàng)客教育不應(yīng)急功近利，只顧眼前效果，而應(yīng)以STEAM教育為土壤，放眼于學(xué)生綜合素養(yǎng)的長遠發(fā)展。

第三步，完成大型實景項目。在課程學(xué)習(xí)之后，學(xué)生還可以參加“平衡大師”、“手機吊冰箱”和“月球戰(zhàn)車”等三個大型實景項目的實訓(xùn)，目的在于讓學(xué)生通過項目導(dǎo)向式學(xué)習(xí)，進一步獲得工程項目開發(fā)的生命周期知識，為日后的各類創(chuàng)新實踐活動提供有力支撐。這里強調(diào)的項目特點有兩個：一個是“大型”，二個是“實景”。實景中遇到的問題遠超過課桌上的題目，每一個實景問題都是綜合性的，需要跨學(xué)科知識才能解決的；而大型活動并非是小活動的比例放大版，它會衍生出無數(shù)新的問題，對于知識的融合有巨大貫通作用。此外，有一定體量或者環(huán)節(jié)的問題必定會涉及到E(工程)的問題，否則的話，再難的事情，如果只需要一步就可以實現(xiàn)，那只能算T(技術(shù))，而不是E(工程)。我們特別強調(diào)以E為核心的綜合實踐，在STEAM里面，E起到提綱挈領(lǐng)的作用，凡涉及到工程問題，那必定包含其他技術(shù)、科學(xué)和數(shù)學(xué)方面的問題，但反過來卻未必。所以我們把對于E的學(xué)習(xí)和實踐放在第三階段。如，通過“3+3”定制化模式(3門課程+3個項目)的教育，可以打造實現(xiàn)一條完整的創(chuàng)新者成長發(fā)展路徑，這使得原本枯燥無味、循規(guī)蹈矩的制作課變得更具有自主性、協(xié)作性和趣味性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)所需的知識、能力、視野以及品質(zhì)。

需要補充的是，創(chuàng)客教育中獲得創(chuàng)新能力不是終點。在完成項目開發(fā)后，還要進行分享開發(fā)體驗，甚至實施“反哺”活動，成為其他學(xué)生的導(dǎo)師，完成學(xué)習(xí)者自身的進一步提升，這才是基于STEAM理念的創(chuàng)客教育最終應(yīng)收獲的成果。

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(責(zé)任編輯 陳振華)

10.16382/j.cnki.1000-5560.2017.04.005

北京市創(chuàng)新實驗室基金；北京市社科基金一般項目“多元文化經(jīng)驗對創(chuàng)造性的促進效應(yīng)研究”(14JYB015)。