設計思維：促進STEM教育與創(chuàng)客教育的深度融合

王佑鎂 郭靜 宛平 趙文竹

[摘 要] STEM教育和創(chuàng)客教育的融合是未來教育變革的重要方向，設計思維作為一種培養(yǎng)學習者創(chuàng)造性解決問題的方法或工具，可以促進兩種教育形態(tài)的深度融合。文章通過概念分析與案例研究，厘清了STEM教育和創(chuàng)客教育各自的特征屬性及異同點，剖析了學校推進過程中存在的現(xiàn)實問題與融合需求，提出設計思維作為創(chuàng)新思維方法，連接并促進STEM教育和創(chuàng)客教育的有效融合，構建了設計思維深度融合模型，并結合實踐案例進行應用闡釋，提出若干應用方法和策略，以此為各級各類學校開展STEM教育、創(chuàng)客教育、綜合實踐課程的設計和實施提供思路。

[關鍵詞] 設計思維； STEM教育； 創(chuàng)客教育

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A

[作者簡介] 王佑鎂（1974—），男，江西吉安人。教授，博士，主要從事數(shù)字化學習，數(shù)字青年、創(chuàng)客教育研究。E-mail：wangyoumei@126.com。

一、問題的提出

為了能夠在未來的全球經(jīng)濟競爭中獲得有利地位，各國紛紛制定學生核心素養(yǎng)發(fā)展框架，以培養(yǎng)學生的問題解決、應對挑戰(zhàn)和實踐創(chuàng)新的能力?！?1世紀的學習目標框架”中明確提出了學生學習目標的三個維度，包括創(chuàng)造性思維、批判性思維、解決問題與策略[1]。《2017地平線報告（基礎教育版）》提到，未來1～2年內驅動基礎教育應用技術的關鍵要素包括“STEM學習的興起”，強調多學科、跨學科等術語，將校內課程與現(xiàn)實世界結合，從一種新的視角讓學生通過探索自主地、創(chuàng)造性地解決問題[2]。2016年，我國正式發(fā)布包括“文化基礎、自主發(fā)展、社會參與”三模塊十八維度的《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》；2018年，教育部發(fā)布關于《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版）》，強調將創(chuàng)客教育和STEM教育顯著地融入課程體系中。創(chuàng)客教育和STEM教育將成為當下教育變革的“關鍵詞”，成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實踐能力的最佳路徑之一。而在現(xiàn)實中，學?，F(xiàn)有課程體系如何適應學生創(chuàng)造能力發(fā)展需求，豐富多彩的創(chuàng)客教育與STEM教育如何轉型并且與學科教學融合，是當下學校教育改革面臨的重要問題。

二、STEM教育與創(chuàng)客教育深度融合的基礎

（一）STEM教育的跨學科整合特性

1986年，美國國家科學委員會在《本科的科學、數(shù)學和工程教育》報告中首次提出STEM （Science， Technology， Engineering， Mathematics） 的概念[3]。之后，美國學者格雷特·亞克門（Georgette Yakman）又提出STEAM概念，其中，A不僅指藝術，還指美（Fine），語言（Language）、人文（Liberal）、形體（Physical）藝術等含義[4]。STEM本身是為美國學生對理工科知識逐漸失去興趣而設立的，旨在培養(yǎng)跨學科解決問題的高端人才[5]。作為一種學習知識的新方式，STEM教育以項目式學習為實施流程，將科學、技術、工程、藝術及數(shù)學等學科知識綜合應用于學科教育，旨在推動技術驅動的教學創(chuàng)新[6]。

余勝泉教授總結了STEM教育的特點：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等[7]。通過跨學科整合教學，STEM 教育強調解決真實問題，強調知識與能力并重，強調創(chuàng)新與創(chuàng)造力培養(yǎng)，注重知識的跨學科遷徙及其與學習者之間的關聯(lián)。STEM教育不僅僅指幾門學科知識的簡單融合，更是將多門學科知識融會貫通應用于學生感興趣的項目中，或是解決他們生活中遇到的問題。這要求學生對知識的掌握不能僅僅停留在記憶、理解的初級認知階段，而必須上升到分析、應用、遷移的高級階段。研究表明，這種跨學科學習知識的方式更能激發(fā)學生的學習興趣[8]。

（二）創(chuàng)客教育的創(chuàng)新思維特性

“創(chuàng)客”（Maker）產生于西方20世紀60年代的DIY文化，泛指那些勇于創(chuàng)新，努力將自己的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實的人[9]。創(chuàng)客運動倡導自己動手或與他人合作制造產品，是一場全球性的技術和創(chuàng)新學習革命，對世界教育產生了重要而深遠的影響[10]。作為創(chuàng)客文化與教育結合的產物，創(chuàng)客教育本質上是一種素質教育，強調基于學生興趣、以項目學習的方式、使用數(shù)字化工具，倡導造物并鼓勵分享，目的在于培養(yǎng)跨學科解決問題能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力[11]。

從內涵上看，創(chuàng)客教育是一種貫穿終生的、面向全人發(fā)展的，培養(yǎng)個體DIY、分享精神與創(chuàng)造能力的教育取向[12]。Martinez S.和Staler G.認為，新工具、新材料和新技術的出現(xiàn)，可以讓每一位學習者都有可能成為真正的創(chuàng)造者，有必要在中小學推進創(chuàng)客教育。對中小學來說，創(chuàng)客教育可以彌補中小學教育體制中創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足等問題[13]。創(chuàng)客教育可以實現(xiàn)一種學習知識的新方式：利用數(shù)字技術、綜合運用跨學科知識、動手創(chuàng)造人工制品，從而學習和掌握面向真實問題的解決過程和方法，培養(yǎng)和提升創(chuàng)意設計能力、團隊合作能力、問題分析與解決能力和實踐創(chuàng)新能力[14]。當前，創(chuàng)客教育以新興科技為技術基礎，以創(chuàng)客空間重構學習環(huán)境，以創(chuàng)造性實踐活動為主要學習過程，融合了建構主義學習理論、基于問題的學習、項目學習法、自主學習等多種教育理念，真正實現(xiàn)了“做中學”[15]。

（三）STEM教育與創(chuàng)客教育深度融合的需求

綜上分析，STEM教育和創(chuàng)客教育在理念、培養(yǎng)目標、認知方式等方面既有區(qū)別又相互關聯(lián)。在起源上，STEM教育是起源于美國高等教育領域發(fā)現(xiàn)理工人才學習興趣衰減而提出的一種戰(zhàn)略，后來逐步遷移至基礎教育領域，形成一種跨學科學習方式，目的是為學生的學科知識學習服務；創(chuàng)客教育產生于社會化的DIY文化，教育者將其引入教育教學體系中，目的是為提升學生的動手能力和創(chuàng)新能力服務。在過程上，STEM教育是以學科知識為基礎，以項目式教學為學習方式，教師組織學生參與的形式進行；創(chuàng)客教育本身不強調學科知識，主要強調動手制作，一般是以學生發(fā)起、教師支持的形式進行。在學習產出上，STEM教育主要強調跨學科知識的掌握，不在乎是否使用工具或有無作品產出；創(chuàng)客教育不強調對學科知識的學習，但過程中一定會用到工具并有作品產出。由此可見，STEM教育強調整合不同學科領域的內容，將知識獲取、方法探究與創(chuàng)新生產的過程進行有機統(tǒng)一，對培養(yǎng)學生的問題解決和綜合能力具有重要價值；創(chuàng)客教育則重視讓學生運用多種學科知識及數(shù)字化工具，通過開展行動、分享與合作將創(chuàng)意作品化，為學生創(chuàng)新能力發(fā)展提供了有效途徑[16]。

同時也發(fā)現(xiàn)，STEM教育主要注重學科課程之間的融合，促進學生對綜合知識的學習，構建跨學科的、綜合的課程體系，這就決定了STEM課程設計大多是圍繞著學科知識而展開；雖然相比于單科課程的學習，STEM課程能更有效地促進知識的相互鏈接，方便回憶提取，但一定程度上只是培養(yǎng)了學生對知識的記憶與理解能力，對于未來人才的核心競爭力——批判性思維、創(chuàng)新思維、問題解決能力和創(chuàng)造力關注較少；而創(chuàng)客教育強調學習者綜合利用身邊資源和相關知識，動手將自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實，但在實施過程中可能存在著過分強調動手能力而忽略了學科知識學習的特點，這不利于學生的持續(xù)發(fā)展。因此，在學校教育中，深度融合STEM教育和創(chuàng)客教育，對于培養(yǎng)學生核心競爭力更加重要。研究者認為，創(chuàng)客教育正是STEM教育戰(zhàn)略的延伸與拓展[17]。通過深度融合，兩者可以相互促進，以螺旋式上升的形式促進學生對知識的記憶和理解，同時，培養(yǎng)學生的批判性思維、創(chuàng)新思維、問題解決能力、創(chuàng)造能力和動手能力。

那么如何促進兩者的深度融合呢？通過提取STEM教育與創(chuàng)客教育的要素特質，創(chuàng)新思維成為融合兩者的可能中介。近幾年，設計思維（Design Thinking）成為風靡歐美中小學的一種創(chuàng)造力培養(yǎng)方法，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力具有重要作用。運用設計思維解決問題的過程，既需要豐富全面的科學文化知識，也需要運用各種工具動腦、動手創(chuàng)造原型，直到最終形成成品，這對于融合STEM教育和創(chuàng)客教育而言，無疑是一個非常合適的可能工具或方法。

三、設計思維作為STEM教育與創(chuàng)客教育

深度融合的中介

（一）設計思維的內涵

在西蒙（Simon）看來，人工科學與自然科學的一個重要差別就是人工科學離不開人的設計，要將人工的與自然的進行融合，離不開人的思維[18]。這可以視為設計思維（Design Thinking）觀念的雛形。1987年，哈佛設計學院Peter Rowe在Design Thinking一書中正式提出設計思維的概念。1991年，David Kelley創(chuàng)立了IDEO，把設計思維應用到商業(yè)領域中。2004年，David Kelley創(chuàng)辦了設計學院（Institute of Design at Stanford），開設設計思維課程，正式引入教育領域。

不同學者對設計思維的理解不同。有學者認為，設計思維是通過提供恰當?shù)乃季S支架及方法支持，引導學習者從定義問題開始，逐步掌握創(chuàng)意構思、原型迭代、測試等一系列創(chuàng)新方法技能，最終實現(xiàn)問題的創(chuàng)新解決或產品的創(chuàng)新設計[19]。也有學者認為，設計思維旨在運用創(chuàng)造性的方法，盡可能地滿足終端用戶的需求[20]。IDEO總裁兼首席執(zhí)行官蒂姆·布朗（Tim Brown）說：設計思維是一種以人為本的創(chuàng)新方式，它提煉自設計師積累的方法和工具，將人的需求、技術可能性以及對商業(yè)成功的需求整合在一起，同時，他指出，不能把設計思維簡單地看作是一種分析式思考，它是一種靈感、構思、實施的過程。概括起來，設計思維就是一套以人為本的解決問題的方法論，這種方法論強調解決問題要從人的需求出發(fā)，多角度地尋求創(chuàng)新解決方案，并創(chuàng)造更多的可能性。從創(chuàng)新能力發(fā)展的角度看，若將這一思維方式轉變?yōu)橐环N教學方式或學習模式，那將對學生核心素養(yǎng)發(fā)展具有重要意義，同時，為學校的學科教學提供一種新途徑的可能性。

（二）設計思維的流程

設計思維作為一種培養(yǎng)學習者創(chuàng)造性解決問題的方法或工具，在具體操作層面，許多學者開發(fā)出不同的模型。設計思維的最初模型是由西蒙建立的線性模型，包含分析、綜合、評價三個階段，布朗提出的模型在線性的基礎上加上了循環(huán)模式，包含啟發(fā)（Inspiration）、構思（Ideation）和實施（Implementation）三個階段[21]；IDEO公司提出的設計思維模型包括發(fā)現(xiàn)（Discovery）、解釋（Interpretation）、構思（Ideation）、實驗（Experiment）、評估（Evaluation）五個階段[22]；英國設計協(xié)會提出了雙鉆模型，包含發(fā)掘/調研（Discover /Research）、定義/歸集（Define/Synthesis）、前進/構思（Develop/ Ideation）、交付/實現(xiàn)（Deliver /Implementation）四個階段[23]。

目前采用最廣泛的是由斯坦福設計研究院開發(fā)的EDIPT 模型，包含同理心（Empathize）、需求（Define）、創(chuàng)想（Ideate）、原型（Prototype）、測試（Test）五個階段。階段一為同理心（Empathize），也稱為“共情”，要求設計者站在應用者的角度思考，通俗來講，就是換位思考，以此來獲得對某種客體的共通感，確保產出的成果符合應用者的需求。該階段常用的方法有觀察、傾聽、調查等，目的是深入了解用戶，收集盡可能多的信息。階段二是需求（Define），在收集大量信息的基礎上，精確定義用戶的需求，使需求具有可操作性，以方便下一階段尋找可行的解決方案。階段三為創(chuàng)想（Ideate），這一階段是著手解決問題的關鍵，根據(jù)上階段形成的需求，盡可能多地提出各種解決問題的方法，打破慣性思維，最常用的方法是“頭腦風暴”法。階段四是原型（Prototype），該階段要求做出粗糙、簡單的產品或產品中的特定功能的原始模型，用于測試上一階段提出的解決方案，也為不斷迭代提供一個可供參照的原始作品雛形。原型可以是一個具體的產品模型，也可以是一個小規(guī)模的環(huán)境或過程的簡單模擬。階段五為測試（Test），這個階段，我們會使用實現(xiàn)的產品原型，或模擬環(huán)境來嚴格測試問題是否得到解決，需求是否得到滿足。這個階段非常重要，一些想法可能會在這個過程中被重新定義，甚至發(fā)現(xiàn)新的問題。需要注意的是，該思維模型的五個階段是非線性關系，使用者可以在任何時間段重復整個過程或是某些特定的階段。

（三）設計思維、STEM教育與創(chuàng)客教育的內在聯(lián)系

為了辨析設計思維與STEM教育和創(chuàng)客教育的關系，結合任友群等學者的觀點[4]，表1從多個維度梳理了三者之間的內在關聯(lián)。從表中可看出，STEM教育和創(chuàng)客教育具有融合的基礎和趨向，設計思維可以作為一種方法來優(yōu)化兩者的深度融合過程。從內容基礎方面，STEM提供學科知識，創(chuàng)客提供創(chuàng)意想法，設計思維提供實施流程，三者結合共同作用于學習者的學習過程。

四、STEM教育與創(chuàng)客教育

深度融合的設計思維模型

（一）設計思維與STEM教育的要素融合

安德森等人于2001年對布魯姆教育目標分類體系進行了修訂，其中“認知過程”由初級認知到高級認知分為：識記、理解、運用、分析、評價和創(chuàng)新[24]。從認知過程來看，STEM教育強調對學科知識的掌握，即要求學生認知處在識記、理解、運用的初級階段，學生的整個學習過程是由教師來主導的，忽視了學生高級認知的發(fā)展；STEM教育本身強調運用綜合知識解決真實問題，配合設計思維系統(tǒng)和完整的流程與對應方法可以達到較好的效果，具體融合見表2。

（二）設計思維與創(chuàng)客教育的要素融合

與STEM教育相比較，創(chuàng)客教育強調學生的實踐創(chuàng)新與作品創(chuàng)作過程，即要求學生的認知處在分析、評價、創(chuàng)新的高級階段，這一定程度上會忽視學生初級認知的發(fā)展。因此，創(chuàng)客教育過程中學生完成作品創(chuàng)作這種比較復雜的任務，需要幫助學生在完成任務之前獲得先決知識與技能，需要提前掌握相關工具與方法，也稱為“使能”（Enabling）技能[25]。卡羅（Carroll）等人也對設計思維整合于K12課堂進行了深入的探索研究，結果表明，設計思維可以為學生提供一套切實可用的思維方法，能有效培養(yǎng)學生的想象力及創(chuàng)造力自信[26]。

（三）設計思維融合模型的建構

實際上，根植于創(chuàng)客文化的創(chuàng)客教育可參考的理論和實踐都比較少，而STEM卻有著廣泛的研究基礎，因而，創(chuàng)客教育要借鑒STEM教育發(fā)展的實例[27]。STEM教育強調跨學科整合解決問題，以基于項目的學習掌握知識，但整個項目是由教師主導的，很難發(fā)揮學生的主動性，STEM教育也需要創(chuàng)客教育將學生的認知從初級認知向高級認知階段發(fā)展。兩者相互融合，共同為學生學習打造良好的學習生態(tài)系統(tǒng)，如何將兩者融合成為一個整體是值得思考的問題。

設計思維作為一種方法促進STEM教育與創(chuàng)客教育的深度融合，需要對三者之間諸多要素的密切關系進行分析和整合，從而設計一系列程序步驟和配套的工具資源，形成一個完整、可操作的動態(tài)系統(tǒng)。STEM教育與創(chuàng)客教育相互融合的過程，可以借用太極圖式來代表，陰陽互動表征創(chuàng)客教育和STEM教育的深度融合，設計思維為兩者深度融合的連接器和驅動力，連接著偏重初級認知的STEM教育和偏重高級認知的創(chuàng)客教育相互結合，而且作為一種方法論驅動兩者所支持的跨學科、創(chuàng)新性學習過程，外圈是設計思維驅動下的兩者融合的項目式學習設計過程，如圖1所示。

設計思維作為整個模型的內核，以方法中介形式為STEM教育與創(chuàng)客教育融合搭起橋梁，實現(xiàn)STEM教育、設計思維與創(chuàng)客教育的共同發(fā)展。模型的外圈顯示項目式學習的基本要素。在目標/項目上可整合為：解決學科教學與生活中遇到的問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在實施過程中，教師可將問題精確定義或將問題項目化，合理設計學生要達成的具體可操作性目標。在使能/工具方面，教師從需要解決的問題著手，逐步倒推每個學習環(huán)節(jié)學生可能用到的先決知識與技能，即STEM教育中每個學科可能用到的知識。在設計/方案環(huán)節(jié)，教師啟發(fā)學生尋求更多可能解決問題的方案，并將所有方法一一列出，主要是集體思維的匯集。學生可運用上一階段學習的各科知識，跨學科思考對策，解決問題。在這個過程中，學生和教師對每種可能解決的方法抱有寬容和接納的態(tài)度，不作任何批評。在原型/作品環(huán)節(jié)，教師可將學生異構分組，每組學生經(jīng)過深度的思考和激烈的爭論，選出若干可能解決的方案畫出草圖，制作原型。原型可為看得見的實物，像創(chuàng)客教育中的成果產出，也可為小規(guī)模的環(huán)境或過程的簡單模擬，用于測試上一階段提出的解決方案。在評價/反思環(huán)節(jié)，通過使用實現(xiàn)的產品原型或模擬環(huán)境來嚴格測試問題是否得到解決，需求是否得到滿足。反思運行中存在的問題和改進的方向，以期獲得更加理想的效果。

五、設計思維融合模型的應用與案例

（一）設計思維融合模型的應用

設計思維之所以能夠促進STEM教育與創(chuàng)客教育的融合，是因為設計思維本身即是一種完整的問題解決過程，也是一種合理的探究學習方法。完整的問題解決過程是指學生在學習到知識后可以運用在實際創(chuàng)作中，產出原型，它是一個完整的、線性思維與非線性思維的連續(xù)統(tǒng)，在使用設計思維設計教學時，每一個環(huán)節(jié)都可以進行升級迭代，可以根據(jù)教學目標的側重來迭代或升級任何過程；合理的方法是指良好的設計思維能幫助教學設計者跳出思維的局限，尋得教學設計與社會和教育變革發(fā)展的契合點。因此，可將設計思維應用于STEM教育與創(chuàng)客教育中以優(yōu)化教學過程，重新設計新技術環(huán)境下的新興課程。每個環(huán)節(jié)的含義、要求、方法與操作見表4。

（二）應用案例闡述

為了進一步說明設計思維在STEM教育與創(chuàng)客教育深度融合中的實踐應用，本研究以設計“未來之車”為課例，闡述一個為期兩個月的課程安排，教師把此次課程中涉及的跨學科知識點整理出來并列出知識清單，作為學生制作“未來之車”的“腳手架”，也作為教學目標的一部分。課程力求讓學生充滿激情和動力，以及帶著明確的學習目標去開啟學習旅程，并以成品產出的形式來展示他們的學習成果，最終會綜合評價挑選出一個優(yōu)秀的小組給予豐厚的獎勵，課程以小組的形式進行，案例見表5。

運用設計思維工具指導STEM教育和創(chuàng)客教育融合開展，是一種嶄新的課程安排思路和形式，也是一種新穎的教學模式，可以讓教師教學有激情，學生學習有動力，此外，該模型的運用既讓學生掌握了必備的跨學科知識，也讓學生鍛煉了批判性思維和創(chuàng)新思維，提高了動手能力、創(chuàng)新能力和問題解決能力。

六、結論與建議

本文提出利用設計思維來優(yōu)化STEM教育與創(chuàng)客教育，促進兩者的深度融合，為學校落實核心素養(yǎng)以及促進創(chuàng)新實踐教育提供了一種思路，有利于完善學習者認知過程、彌補創(chuàng)客教育和STEM教育不足、優(yōu)化教學流程；針對當前學校不同類型的學科教學或者課程活動設置和實施現(xiàn)狀，應該積極融合設計思維、創(chuàng)客教育或者STEM教育，漸進式推動學科融合與設計思維嵌入，相關策略與建議如下：

（一）以設計思維重構學科教學流程

積極改進教學設計，將設計思維、創(chuàng)客教育與STEM教育的理念加入課程設計中，提高學生的課堂參與度，有條件實施項目式教學。項目式學習是一種與現(xiàn)實相結合的實踐方式，能使學生更有效率地掌握學科知識（Subject Core Knowledge），并在此過程中培養(yǎng)學生的社會情感技能（Social-emotional Skills）[28]。設計思維本身就以項目為中介，在項目中學習知識，解決問題。因此，項目式學習流程可與設計思維結合，重新思考課堂教學設計。

（二）整合設計思維更新STEM教育及創(chuàng)客教育流程

以設計思維的過程與方法為流程整合STEM學習及創(chuàng)客教育。在同理心環(huán)節(jié)，學生和教師共同發(fā)現(xiàn)真實生活中的工程項目、技術產品，確保設計的項目符合學生的興趣和能力；在需求環(huán)節(jié)，要求學生深度參與項目的調查，與教師共同協(xié)商精確定義問題需求；在創(chuàng)想環(huán)節(jié)，采用頭腦風暴等方法，生成可能解決的方案，優(yōu)化項目中的產品并形成草圖；在原型環(huán)節(jié)，要制作出解決方案的模型，模型材料可為紙質、3D打印或黏土等，方便測試和迭代；在測試環(huán)節(jié)，以小組模擬、展示、角色扮演等各種方式測試是否符合需求。整個過程反復循環(huán)，直至達到滿意的解決方案。

（三）聚合設計思維、STEM與創(chuàng)客教育以改革綜合實踐活動課

綜合實踐活動課是我國當前課程改革中提出的一種新的課程形態(tài)。我國部分學校的創(chuàng)客教育和STEM教育是以綜合實踐活動的形式開設。綜合實踐活動課強調學生運用所學知識，通過實踐體驗，增強探索精神和創(chuàng)新意識，這些方面與設計思維的目標指向吻合，聚合設計思維的流程和理念，連接STEM教育與創(chuàng)客教育的特質，對于學校開展綜合實踐活動課程具有重要的促進意義。

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