面向創(chuàng)造力培養(yǎng)的跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A論文編號(hào)：1674-2117（2025）14—0065-04

背景

為突破傳統(tǒng)學(xué)科課程局限，全面提升學(xué)生核心素養(yǎng)與創(chuàng)新性解決問(wèn)題的能力，教育部在《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》中明確規(guī)定，各學(xué)科需安排不少于 10% 的課時(shí)用于跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，以強(qiáng)化課程的協(xié)同育人功能。跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，引導(dǎo)學(xué)生整合多學(xué)科知識(shí)分析解決問(wèn)題，促進(jìn)不同學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通，從而形成創(chuàng)新性的認(rèn)知與解決方案。以詹澤慧提出的C-STEM教育模式為例，該框架以中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承為導(dǎo)向，從培養(yǎng)方式與能力發(fā)展兩個(gè)維度構(gòu)建ETIC學(xué)科融合教育框架，顯著提升了學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)效果。由此可見(jiàn)，跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)對(duì)創(chuàng)新精神的培育具有重要的促進(jìn)作用。

問(wèn)題的提出

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，但在實(shí)施過(guò)程中面臨諸多困境，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

第一，跨學(xué)科協(xié)同路徑模糊。學(xué)科知識(shí)的割裂是制約跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)發(fā)展的主要障礙之一?？鐚W(xué)科主題學(xué)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)模糊，其在操作范式和實(shí)踐路徑上尚未達(dá)成共識(shí)，在理論基礎(chǔ)和實(shí)踐方法上仍需進(jìn)一步明確和標(biāo)準(zhǔn)化，因此，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)要關(guān)注跨學(xué)科培養(yǎng)的目標(biāo)性、學(xué)科現(xiàn)象的情境性，優(yōu)選適切的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的主題，理解學(xué)科知識(shí)的耦合性。2

第二，評(píng)價(jià)方式單一。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系往往側(cè)重于單一學(xué)科的成就，難以有效評(píng)估跨學(xué)科項(xiàng)目的成果和學(xué)生創(chuàng)造力的提升。跨學(xué)科教學(xué)需要建立多元化的評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)內(nèi)容涵蓋創(chuàng)造力要素，如問(wèn)題解決能力、計(jì)算思維等，并采用多種評(píng)價(jià)手段和工具，如觀察法、作品分析、自我評(píng)價(jià)和同伴互評(píng)、標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造力測(cè)試工具等。

創(chuàng)造力培養(yǎng)與跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)融合

創(chuàng)造力是一個(gè)多維度的概念，創(chuàng)造性思維是創(chuàng)造力的核心，它體現(xiàn)了個(gè)體在創(chuàng)造過(guò)程中的具體表現(xiàn)。美國(guó)心理學(xué)家吉爾福特（J.P.Guilford）是這一觀點(diǎn)的代表人物。他將創(chuàng)造性思維分為四個(gè)維度，即流暢性（產(chǎn)生大量想法的能力）、靈活性（從不同角度思考問(wèn)題的能力）、獨(dú)特性（產(chǎn)生新穎想法的能力）和精細(xì)性（深入思考細(xì)節(jié)的能力）。創(chuàng)造力還包括創(chuàng)造性的過(guò)程即個(gè)體在創(chuàng)造活動(dòng)中所經(jīng)歷的一系列階段和步驟。這個(gè)過(guò)程可能包括問(wèn)題的識(shí)別、想法的產(chǎn)生、方案的評(píng)估和實(shí)施等計(jì)算思維的形成。

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)通過(guò)整合不同學(xué)科的知識(shí)與方法，能夠有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維并提升其創(chuàng)新能力。將跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)結(jié)合，有助于發(fā)掘?qū)W科間的交叉點(diǎn)，促進(jìn)多學(xué)科知識(shí)的有機(jī)整合與相互支撐。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生能夠在真實(shí)情境中綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題，從而培養(yǎng)其核心素養(yǎng)與綜合能力。由此可見(jiàn)，跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在創(chuàng)造力培養(yǎng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其通過(guò)多學(xué)科知識(shí)與方法的融合，為學(xué)生拓展了廣闊的思維發(fā)展空間。

面向創(chuàng)造力培養(yǎng)的跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建

本研究以“可視化植物智慧管家系統(tǒng)”的開(kāi)發(fā)為案例，開(kāi)展跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)知識(shí)在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的應(yīng)用，致力于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中的具體難題。該項(xiàng)目基于學(xué)生的日常經(jīng)驗(yàn)，融合多學(xué)科的知識(shí)與技能，并借助數(shù)字設(shè)備和智能技術(shù)，通過(guò)精心規(guī)劃和執(zhí)行項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)將學(xué)術(shù)知識(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)對(duì)生活挑戰(zhàn)的實(shí)踐能力。本項(xiàng)目面向_4～6 年級(jí)的學(xué)生，既是一次培養(yǎng)創(chuàng)造力的跨學(xué)科主題探索活動(dòng)，也是一次跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)。

為有效開(kāi)展項(xiàng)目，本研究以李克東等人提出的STEM教育5EX跨學(xué)科學(xué)習(xí)模型為基礎(chǔ)，面向創(chuàng)造力四要素—冒險(xiǎn)性、好奇心、挑戰(zhàn)性、想象力進(jìn)行教學(xué)模式設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)以真實(shí)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生用科學(xué)探索的方法和工程技術(shù)制作來(lái)解決問(wèn)題。李克東將該模式分為五個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：第一個(gè)環(huán)節(jié)是進(jìn)入情境與提出問(wèn)題活動(dòng)（EQ）；第二個(gè)環(huán)節(jié)是探究學(xué)習(xí)與數(shù)學(xué)應(yīng)用活動(dòng)（EM）；第三個(gè)環(huán)節(jié)是工程設(shè)計(jì)與技術(shù)制作（ET）；第四個(gè)環(huán)節(jié)是知識(shí)拓展與創(chuàng)意設(shè)計(jì)活動(dòng)（EC）；第五個(gè)環(huán)節(jié)是多元評(píng)價(jià)與學(xué)習(xí)反思活動(dòng)（ER）。操作方案的具體實(shí)施步驟如圖1所示。

跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式的課堂實(shí)踐

1.基于真實(shí)情境確定項(xiàng)目主題

筆者通過(guò)前期的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，超過(guò) 90% 的學(xué)生可以清晰感知到周圍的智能設(shè)備越來(lái)越多，并表現(xiàn)出濃厚的興趣。另外，通過(guò)人工智能課程五年級(jí)上冊(cè)第2課《智能家庭生活》、第4課《智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)》，五年級(jí)下冊(cè)的《我的智能房間》，科學(xué)課五年級(jí)下冊(cè)《植物的生長(zhǎng)》等的學(xué)習(xí)，五年級(jí)的學(xué)生開(kāi)始逐漸接觸物聯(lián)網(wǎng)?；谏鲜鰧W(xué)情，師生分析了社會(huì)對(duì)家庭園藝農(nóng)業(yè)和智能家居的需求，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行資源評(píng)估，確保項(xiàng)目實(shí)施的可行性。通過(guò)一系列的課堂活動(dòng)，師生共同確定了將“可視化植物智慧管家系統(tǒng)”作為研究主題。這個(gè)過(guò)程既激發(fā)了學(xué)生的參與熱情，也為他們提供了發(fā)揮實(shí)踐創(chuàng)新能力和踐行社會(huì)責(zé)任感的機(jī)會(huì)。

2.分析項(xiàng)目制訂實(shí)驗(yàn)方案

本項(xiàng)目意圖開(kāi)發(fā)一個(gè)可視化智能植物管家系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照等，以確保植物健康生長(zhǎng)。

（1）需求分析

為了深入理解用戶的種植習(xí)慣和需求，本研究組織學(xué)生從實(shí)際生活場(chǎng)景出發(fā)，進(jìn)行生活觀察與市場(chǎng)調(diào)研。學(xué)生將通過(guò)咨詢長(zhǎng)輩的直接經(jīng)驗(yàn)，以及在電商平臺(tái)搜索現(xiàn)有植物管家的功能和用戶評(píng)價(jià)，來(lái)探究哪些功能最受消費(fèi)者歡迎。在分析中，學(xué)生將識(shí)別出項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)所在，并探討需要改進(jìn)的領(lǐng)域，如擴(kuò)展病蟲(chóng)害識(shí)別與可視化預(yù)警，以更好地滿足家庭園藝需求。

（2）功能定義

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理種植這一功能，首先，需要通過(guò)外部傳感器獲取當(dāng)前光照數(shù)據(jù)、溫度濕度數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、蟲(chóng)害數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)怎么獲得？如何判定什么樣的條件補(bǔ)光？自動(dòng)灌溉？自動(dòng)通風(fēng)？其次，為了實(shí)現(xiàn)AI防蟲(chóng)害，需要確認(rèn)：如何獲取AI模型？能否運(yùn)用算法訓(xùn)練蟲(chóng)害數(shù)據(jù)？最后，需要確認(rèn)：如何部署模型并且對(duì)種植物進(jìn)行實(shí)時(shí)分析？以問(wèn)題簇為導(dǎo)向形成思維導(dǎo)圖和流程圖，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。

（3）技術(shù)選型

本研究使用可兼容外部傳感器來(lái)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，選擇穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的主控板來(lái)控制外部設(shè)備，在做高精度蟲(chóng)害的目標(biāo)檢測(cè)時(shí)建議使用行空板進(jìn)行復(fù)雜模型訓(xùn)練。

3.項(xiàng)目實(shí)施

（1）遷移學(xué)科知識(shí)，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)解決生活問(wèn)題

該項(xiàng)目通過(guò)將人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，讓學(xué)生實(shí)踐開(kāi)發(fā)植物智慧管家系統(tǒng)。主要內(nèi)容包括：運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)工具套件實(shí)現(xiàn)智能澆水、補(bǔ)光、通風(fēng)等自動(dòng)化控制功能；利用天氣API掌握當(dāng)前天氣情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)；采用SIOT服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)與匯聚，實(shí)現(xiàn)種植環(huán)境參數(shù)的采集、處理與分析，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，找到最優(yōu)的環(huán)境搭建方案。

（2）系統(tǒng)搭建及功能設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)植物智慧管家系統(tǒng)，運(yùn)用木棒、透明PVC片材、熱熔膠槍搭建框，運(yùn)用美術(shù)知識(shí)設(shè)計(jì)外觀，運(yùn)用科學(xué)知識(shí)連接電路。使用的編程套件有行空板、掌控板、擴(kuò)展板、光線傳感器、溫濕度傳感器、繼電器、水泵等。通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

（3）感受萬(wàn)物互聯(lián)中的計(jì)算邏輯，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力

學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)使用主控板、MQTT網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、可視化、yolo等核心軟硬件技術(shù)，分析每個(gè)系統(tǒng)、軟硬件在信息系統(tǒng)中的作用，感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備運(yùn)行原理。

（4）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，用yolo神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法解決瓶頸

前期雖然進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集，但種植物的種類不夠豐富，這可能會(huì)影響模型的泛化能力。因此，決定采用開(kāi)源數(shù)據(jù)集進(jìn)行補(bǔ)充，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的標(biāo)注，將圖片中的蟲(chóng)害區(qū)域標(biāo)注出來(lái)。在完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備后，使用yolo算法進(jìn)行模型的訓(xùn)練。通過(guò)這一過(guò)程，不僅豐富了訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多樣性，還顯著提升了模型在識(shí)別不同種類植物時(shí)的準(zhǔn)確性和魯棒性，有效解決了原有的瓶頸問(wèn)題。

（5）目標(biāo)檢測(cè)辨好壞，破解種植真問(wèn)題

使用標(biāo)注好的數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)損失函數(shù)評(píng)估模型性能，并通過(guò)反向傳播算法不斷調(diào)整模型參數(shù)，以獲得最佳權(quán)重。然后將訓(xùn)練好的模型轉(zhuǎn)換為能夠在K210上運(yùn)行的格式，如K210支持的KModel格式。將轉(zhuǎn)換后的模型部署到K210主控板上，并進(jìn)行必要的配置和測(cè)試，確保模型能夠正常運(yùn)行。

（6）外觀迭代搭建模型，美化設(shè)計(jì)展示數(shù)據(jù)

為了加裝繼電器、水泵以及外觀考慮，學(xué)生對(duì)作品的整體模型進(jìn)行美化設(shè)計(jì)，用木棒、熱熔膠、雪糕棒和PVC塑料薄膜搭建植物種植環(huán)境，綠植下方鋪上營(yíng)養(yǎng)土模擬土壤，頂棚粘貼溫濕度傳感器、光線傳感器、風(fēng)扇模塊和LED模塊，主控板區(qū)域使用激光切割機(jī)把各個(gè)面裁切出來(lái)，再手工拼裝，背部留有線纜進(jìn)出口。軟件中利用天氣API和MQTT訂閱功能，通過(guò)SIOT服務(wù)器收發(fā)數(shù)據(jù)，展示數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化。

4.落實(shí)評(píng)價(jià)機(jī)制，以評(píng)促學(xué)（如圖2）

（1）診斷性評(píng)價(jià)

診斷性評(píng)價(jià)是利用Bebras國(guó)際計(jì)算思維題目進(jìn)行測(cè)量，獲取學(xué)生思維情況。

（2）過(guò)程性評(píng)價(jià)

在方案實(shí)施過(guò)程中采用記錄作品不足的自評(píng)和“反思迭代一再設(shè)計(jì)一優(yōu)化”的階段性反饋?zhàn)鳛檫^(guò)程性評(píng)價(jià)。

（3）作品成果評(píng)價(jià)

教師點(diǎn)評(píng)，并邀請(qǐng)有園藝種植經(jīng)驗(yàn)的教師、長(zhǎng)輩體驗(yàn)并給出點(diǎn)評(píng)。

（4）準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

通過(guò)前后測(cè)樣本判斷學(xué)生創(chuàng)造力四要素的表現(xiàn)。量表采用李克特5點(diǎn)評(píng)分法，隨機(jī)抽取1個(gè)班級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)試，一致性檢驗(yàn)系數(shù)，回收有效問(wèn)卷38份。計(jì)算出Cronbach系數(shù)值為0.737，表明問(wèn)卷具有良好的信度。既往研究認(rèn)為，Cronbach'sa 系數(shù)大于0.7，可認(rèn)為條目之間的一致性較好。通過(guò)樣本前后測(cè)數(shù)據(jù)配對(duì)t檢驗(yàn)，創(chuàng)造力中挑戰(zhàn)性t值為-2.260，自由度（df）為77，指標(biāo)達(dá)顯著性差異水平（P值 lt;0.05 ，表示在項(xiàng)目實(shí)踐中學(xué)生創(chuàng)造力個(gè)別指標(biāo)得到顯著提升。

結(jié)論

1.總結(jié)

本項(xiàng)目旨在通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段，為家庭植物養(yǎng)護(hù)提供智能化解決方案。其集成了自動(dòng)通風(fēng)、溫濕度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)澆水、蟲(chóng)害識(shí)別等核心功能，滿足了用戶對(duì)智能植物養(yǎng)護(hù)的基本需求。項(xiàng)目從需求調(diào)研到最終產(chǎn)品部署，經(jīng)歷了多個(gè)階段的深入研究和精心設(shè)計(jì)，在面對(duì)數(shù)據(jù)種類不足等問(wèn)題時(shí)，積極尋找解決方案，展現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)的應(yīng)變能力和創(chuàng)新思維。

本研究還將李克東教授的5EX模型應(yīng)用到項(xiàng)目中，為項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了許多指導(dǎo)，結(jié)合定量評(píng)價(jià)，本項(xiàng)目方案實(shí)現(xiàn)了由理論指導(dǎo)到實(shí)證研究的完整閉環(huán)。

2.反思與展望

① 數(shù)據(jù)隱私和安全：在本項(xiàng)目中，植物的生長(zhǎng)使用了攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，這就帶來(lái)了以下問(wèn)題：系統(tǒng)是否妥善處理了用戶數(shù)據(jù)？是否采取了足夠的安全措施來(lái)保護(hù)用戶隱私？

② 增加更多創(chuàng)新功能：不同種植要求的植物所需的農(nóng)業(yè)環(huán)境不同，后續(xù)可將種植物分開(kāi)進(jìn)行精細(xì)化管理，根據(jù)植物的生長(zhǎng)周期和需求，自動(dòng)調(diào)整環(huán)境參數(shù)；除了蟲(chóng)害，還可增加檢測(cè)識(shí)別種植物營(yíng)養(yǎng)狀況等功能。

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