創(chuàng)客教育和STEM教育的2020展望

謝作如

近些年興起的教育名詞中，最難以區(qū)分的莫過于創(chuàng)客教育、STEM教育和STEAM教育了。它們名稱雖然不一樣，但彼此之間關(guān)系非常緊密。它們擁有很多共同的標(biāo)簽，如跨學(xué)科學(xué)習(xí)、綜合學(xué)習(xí)、項目式學(xué)習(xí)等。在一些大會和論壇中，演講嘉賓常常會糾結(jié)于創(chuàng)客教育、STEM教育和STEAM教育三者之間的辨析，讓一線教師無所適從。2019年7月，我應(yīng)中國教育技術(shù)協(xié)會的邀請，在“第七屆中日教育技術(shù)學(xué)研究與發(fā)展論壇”上，做了題為《中國STEM教育的現(xiàn)狀與發(fā)展》的演講。為了更加清晰地梳理和歸納，我選擇用STEM教育涵蓋了創(chuàng)客教育、STEAM教育等，即用STEM教育來指代泛化的跨學(xué)科學(xué)習(xí)領(lǐng)域。這一兼籌并顧的做法得到了與會專家等的一致認(rèn)可。對一線教師來說，叫什么名字并不重要，重要的是跨學(xué)科學(xué)習(xí)的發(fā)展方向。

方向之一：融入國家課程

國家課程是跨學(xué)科學(xué)習(xí)的最重要陣地。2016年，小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，隨后，高中修訂版本的課程標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。小學(xué)科學(xué)中出現(xiàn)了“技術(shù)與工程領(lǐng)域”，高中信息技術(shù)課程和通用技術(shù)也多處出現(xiàn)了創(chuàng)客教育和STEAM教育這些名詞。信息技術(shù)課程在必修模塊增加了涉及硬件的內(nèi)容，還增加了“開源硬件項目設(shè)計”這一選修模塊。除此之外，高中數(shù)學(xué)課標(biāo)的核心素養(yǎng)中增加了數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)分析。其中，數(shù)學(xué)建模是指在實際情境中從數(shù)學(xué)的角度發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，分析問題、構(gòu)建模型，確定參數(shù)、計算求解，檢驗結(jié)果、改進(jìn)模型，最終解決實際問題。高中數(shù)學(xué)課標(biāo)中的D類課程，由“美與數(shù)學(xué)”“音樂中的數(shù)學(xué)”“美術(shù)中的數(shù)學(xué)”“體育運動中的數(shù)學(xué)”四個專題組成。在高中數(shù)學(xué)課標(biāo)給出的教學(xué)與評價案例中，還可以找到多個經(jīng)典的STEM案例。

案例：測量學(xué)校內(nèi)、外建筑物的高度項目

【案例來源】高中數(shù)學(xué)課標(biāo)

【目的】運用所學(xué)知識解決實際測量高度的問題，體驗數(shù)學(xué)建?；顒拥耐暾^程。組織學(xué)生通過分組、合作等形式，完成選題、開題、做題、結(jié)題四個環(huán)節(jié)。

【情境】給出下面的測量任務(wù)：①測量本校的一座教學(xué)樓高度;②測量本校的旗桿的高度;③測量學(xué)校院墻外的一座不可及但學(xué)校操場上可以看得見的物體的高度。

2017年10月，教育部發(fā)布了《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》（以下簡稱《綱要》）?！毒V要》明確指出，“從小學(xué)至高中設(shè)置綜合實踐活動并作為必修課程”，強調(diào)學(xué)生通過實踐，增強探究和創(chuàng)新意識，發(fā)展綜合運用知識的能力。三年級以上要一周兩節(jié)課，鼓勵“有條件的學(xué)?？梢越ㄔO(shè)專用活動室或?qū)嵺`基地，如創(chuàng)客空間等”?？梢姡瑹o論是課標(biāo)還是綱要，都為創(chuàng)客教育和STEM教育的實施留下了很大的空間。

方向之二：倡導(dǎo)創(chuàng)意物化

“創(chuàng)意當(dāng)實現(xiàn)”是創(chuàng)客教育的第一驅(qū)動力，繼承了來自全球性創(chuàng)客運動和創(chuàng)客文化中近乎信仰的精神內(nèi)核?！霸煳铩币恢笔莿?chuàng)客活動的主要形式和核心特征，也是創(chuàng)客教育的重要“產(chǎn)出”性評價指標(biāo)?！毒V要》則直接將“創(chuàng)意物化”作為綜合實踐活動課程的四大目標(biāo)之一，這是對創(chuàng)客教育“創(chuàng)意當(dāng)實現(xiàn)”核心精神的總結(jié)和提煉。STEM教育尤其強調(diào)真實世界的學(xué)習(xí)，而“造物”一定是基于真實世界的學(xué)習(xí)。通過“造物”，自然而然地將創(chuàng)客空間、開源硬件、數(shù)字化工具等要素連接起來?？梢赃@么說，“造物”為教師提供了一種更容易把握的STEM教育方向。而數(shù)字化工具的介入，則使STEM教育活動更能體現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的特點，凸顯出數(shù)學(xué)和科學(xué)的重要性。

與“造物”相關(guān)的數(shù)字化工具有哪些？除了最常見的計算機外，還有開源硬件、3D打印機、激光切割機、CNC等。STEM教育重視“物化”的學(xué)習(xí)成果，創(chuàng)客教育則更加重視在“物化”過程中學(xué)科知識的應(yīng)用，這樣二者都可以得到更好的發(fā)展?！毒V要》的附件中，提供了一系列的綜合實踐活動主題及其說明，值得借鑒和推廣。

案例：三維趣味設(shè)計

【案例來源】設(shè)計制作活動（信息技術(shù)）推薦主題及其說明

【主題說明】了解三維設(shè)計的基本思路，理解三維設(shè)計的應(yīng)用，用三維建模軟件設(shè)計一些與學(xué)習(xí)、生活相關(guān)的物品，親歷在綜合情境下運用多種技術(shù)實現(xiàn)個性化、定制化產(chǎn)品研發(fā)的過程。學(xué)會利用技術(shù)解決真實問題，并初步感受文化創(chuàng)意產(chǎn)品的傳播規(guī)律。

案例：體驗物聯(lián)網(wǎng)

【案例來源】設(shè)計制作活動（信息技術(shù)）推薦主題及其說明

【主題說明】通過常見的開源硬件和電子模塊，利用免費的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)，搭建各種物聯(lián)網(wǎng)作品，如校內(nèi)氣象站、小雞孵化箱等項目，體驗物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。理解物聯(lián)網(wǎng)的原理，熟悉常見的傳感器編程方法，掌握物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)某Ｒ姺椒?，培養(yǎng)參與科學(xué)研究的興趣，提升綜合素質(zhì)。

方向之三： 面向高階思維

布盧姆將認(rèn)知領(lǐng)域的教育目標(biāo)分為知識、領(lǐng)會、運用、分析、綜合、評價等六個由低到高的層次，其中分析、綜合、評價通常被稱為高階思維能力。相對來說，因為升學(xué)考試的壓力，單一學(xué)科在培養(yǎng)高階思維能力方面往往不盡如人意。創(chuàng)客教育關(guān)注“培養(yǎng)學(xué)生綜合跨學(xué)科解決問題能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力”，STEM教育則關(guān)注在“雜亂無章”的學(xué)習(xí)情境中強調(diào)學(xué)生的實踐能力與問題解決能力。跨學(xué)科學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力最重要的途徑，絕對不能忽視。

要培養(yǎng)高階思維能力，活動主題的選擇不能滿足于簡單的科技制作、手工制作，捏橡皮泥、剪紙飛機之類的活動雖然很好，但與學(xué)科知識的融合不夠緊密，很難培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。我在《中國信息技術(shù)教育》雜志上已經(jīng)連續(xù)刊登了一些學(xué)習(xí)案例，如用正弦函數(shù)實現(xiàn)呼吸燈效果、基于距離差的方向跟蹤、用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探究一天氣溫分布等，值得參考。只有讓學(xué)生在活動中得到思維的挑戰(zhàn)，并因此愛上學(xué)習(xí)，創(chuàng)客教育和STEM教育才有可能被家長接受，得到可持續(xù)發(fā)展。

案例：用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探究一天中什么時候最熱

【案例來源】《中國信息技術(shù)教育》2019年第9期

【案例描述】“一天中什么時候最熱，什么時候最冷？”是一個經(jīng)典的問題。雖然中學(xué)地理課本中已經(jīng)提供了答案，但這一結(jié)論畢竟不是通過動手實踐、探究所得到的結(jié)果。搭建一個簡易的氣溫采集裝置，定時記錄一天中的氣溫變化情況，然后分析這些數(shù)據(jù)，就能驗證這一答案。在開源硬件項目“虛谷物聯(lián)”的支持下，定時采集數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程采集室外的氣溫，都不是很困難。這種探究活動不僅可以培養(yǎng)學(xué)生動手解決問題的能力，還可以培養(yǎng)“用數(shù)據(jù)說話”的意識。

方向之四：關(guān)注未來科技

孜孜探索各種新技術(shù)是創(chuàng)客們的重要特征。作為全國中小學(xué)電腦制作活動創(chuàng)客項目的評委，這幾年我能夠強烈感受到，隨著技術(shù)門檻的不斷降低，很多新技術(shù)逐步出現(xiàn)在學(xué)生的創(chuàng)客作品中。2018年，在作品中用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的學(xué)生還是鳳毛麟角，2019年則超過了半數(shù)。同時，人工智能的門檻也在降低，學(xué)生創(chuàng)客作品的智能化程度越來越高。

國務(wù)院于2017年7月發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，要求“實施全民智能教育項目”，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育?！毒V要》的附件中提供了多個涉及物聯(lián)網(wǎng)、機器人和數(shù)據(jù)探究方面的主題活動。高中信息技術(shù)課標(biāo)中人工智能已經(jīng)作為一個獨立的模塊出現(xiàn)，必修模塊中則出現(xiàn)了關(guān)于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的描述。一些省市出臺的推進(jìn)人工智能教育的方案中，往往會建議要和國家課程融合，即成為創(chuàng)客教育、STEM教育的一個重要主題。

案例：將人工智能教學(xué)納入信息技術(shù)、科學(xué)、綜合實踐活動課程

【案例來源】河南省教育廳關(guān)于推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育的通知

【案例描述】按照《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》關(guān)于實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程的要求，各級教育行政部門發(fā)揮體制機制創(chuàng)新優(yōu)勢，將中小學(xué)人工智能課程納入?yún)^(qū)域教育發(fā)展規(guī)劃、學(xué)校教學(xué)計劃，確保課程開設(shè)制度化、實施教學(xué)規(guī)范化;將人工智能教學(xué)納入信息技術(shù)、科學(xué)、綜合實踐活動課程，在不增加教師、學(xué)生負(fù)擔(dān)的同時，秉承自愿原則，融合推進(jìn)。

正因為認(rèn)識到“技術(shù)”的重要性，美國國家科學(xué)基金會才會將“SMET”改為“STEM”。無論是物聯(lián)網(wǎng)還是人工智能，都是一個跨學(xué)科領(lǐng)域，涉及了很多個學(xué)科。更新學(xué)習(xí)工具，從傳統(tǒng)工具到數(shù)字工具，再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)，創(chuàng)客教育和STEM教育中可以研究的方向越來越多，能融合的學(xué)科知識也就越來越多。

方向之五：認(rèn)同開源文化

聯(lián)合國教科文組織的第三次教育報告——《反思教育》中提出：教育是公益事業(yè)，是全球公共品。報告認(rèn)為，從“共同利益”的角度看，個人的“好日子”固然重要，人類共同擁有美好生活也很重要，并希望通過社會集體努力，讓知識的創(chuàng)造、控制、獲取、認(rèn)證和運用向所有人開放，即從公益的角度，強調(diào)了開源文化的重要性。

無開源，不創(chuàng)客。開源文化是創(chuàng)客運動的基因，也是精神支柱。選擇開源硬件，意味著教育裝備的低價，不足數(shù)萬的創(chuàng)客器材，就足以支撐一系列課程的開展，這對西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)和農(nóng)村學(xué)校有著重要的意義。選擇開源硬件，也意味著教育裝備的標(biāo)準(zhǔn)化，不同企業(yè)之間的器材可以通用，并與國際接軌。不同學(xué)校、不同教師開發(fā)的課程也因為“開源”而彼此分享，形成大的課程庫。從全國層面看，缺乏師資和課程資源，是影響創(chuàng)客教育和STEM教育后續(xù)發(fā)展的最大瓶頸，而“開源”能夠有效解決這一困境。

回顧2012年，正是因為找不到更多適合中小學(xué)的STEM教育資源，才意外發(fā)現(xiàn)創(chuàng)客空間和創(chuàng)客運動。因為“創(chuàng)客的創(chuàng)意往往是天馬行空的，充滿創(chuàng)造力的”，他們的作品常常沒有市場價值，但很有教育價值。這就是我們倡導(dǎo)“創(chuàng)客教育”的“初心”。不忘初心，方得始終。一線教師發(fā)起的開源硬件項目——“虛谷計劃”得到了眾多企業(yè)和教師的支持。

案例：中國開源硬件的夢與路

【案例來源】《中國信息技術(shù)教育》2018年第20期

【案例描述】虛谷計劃是一個包含硬件和軟件的開源教育項目，由一線教師聯(lián)合高校、創(chuàng)客空間和創(chuàng)客企業(yè)共同發(fā)起，其核心硬件為“虛谷號”和“掌控板”。目前，虛谷計劃旗下有虛谷號、掌控板、樂造模塊和虛谷物聯(lián)四個開源教育項目。虛谷計劃的目標(biāo)有三：一是設(shè)計適合教育的開源硬件;二是讓教師和企業(yè)各自做擅長的事;三是讓中國教育資源與全世界共享。

結(jié)語

融入國家課程、倡導(dǎo)創(chuàng)意物化、面向高階思維、關(guān)注未來科技、認(rèn)同開源文化，與其說這是對創(chuàng)客教育、STEM教育的展望，還不如說是我們對跨學(xué)科學(xué)習(xí)領(lǐng)域的深切期望。2020年，我們希望不再有人糾結(jié)于創(chuàng)客教育、STEM教育和STEAM教育的概念辨析。放下爭論，攜手發(fā)展，一起柔軟改變教育，才是這一代教育人最需要努力的方向。