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謝作如:創客教育和STEM教育的展望

近些年興起的教育名詞中,最難以區分的莫過于創客教育、STEM教育和STEAM教育了。它們名稱雖然不一樣,但彼此之間關系非常緊密。它們擁有很多共同的標簽,如跨學科學習、綜合學習、項目式學習等。在一些大會和論壇中,演講嘉賓常常會糾結于創客教育、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,我應中國教育技術協會的邀請,在“第七屆中日教育技術學研究與發展論壇”上,做了題為《中國STEM教育的現狀與發展》的演講。為了更加清晰地梳理和歸納,我選擇用STEM教育涵蓋了創客教育、STEAM教育等,即用STEM教育來指代泛化的跨學科學習領域。這一兼籌并顧的做法得到了與會專家等的一致認可。對一線教師來說,叫什么名字并不重要,重要的是跨學科學習的發展方向。

謝作如:創客教育和STEM教育的展望

方向之一:融入國家課程

國家課程是跨學科學習的最重要陣地。2016年,小學科學課程標準發布,隨后,高中修訂版本的課程標準發布。小學科學中出現了“技術與工程領域”,高中信息技術課程和通用技術也多處出現了創客教育和STEAM教育這些名詞。信息技術課程在必修模塊增加了涉及硬件的內容,還增加了“開源硬件項目設計”這一選修模塊。除此之外,高中數學課標的核心素養中增加了數學建模和數據分析。其中,數學建模是指在實際情境中從數學的角度發現問題、提出問題,分析問題、構建模型,確定參數、計算求解,檢驗結果、改進模型,最終解決實際問題。高中數學課標中的D類課程,由“美與數學”“音樂中的數學”“美術中的數學”“體育運動中的數學”四個專題組成。在高中數學課標給出的教學與評價案例中,還可以找到多個經典的STEM案例。

案例:測量學校內、外建筑物的高度項目

【案例來源】高中數學課標

【目的】運用所學知識解決實際測量高度的問題,體驗數學建模活動的完整過程。組織學生通過分組、合作等形式,完成選題、開題、做題、結題四個環節。

【情境】給出下面的測量任務:

①測量本校的一座教學樓高度;②測量本校的旗桿的高度;③測量學校院墻外的一座不可及但學校操場上可以看得見的物體的高度。

2017年10月,教育部發布了《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》(以下簡稱《綱要》)。《綱要》明確指出,“從小學至高中設置綜合實踐活動并作為必修課程”,強調學生通過實踐,增強探究和創新意識,發展綜合運用知識的能力。三年級以上要一周兩節課,鼓勵“有條件的學校可以建設專用活動室或實踐基地,如創客空間等”。可見,無論是課標還是綱要,都為創客教育和STEM教育的實施留下了很大的空間。

方向之二:倡導創意物化

 “創意當實現”是創客教育的第一驅動力,繼承了來自全球性創客運動和創客文化中近乎信仰的精神內核。“造物”一直是創客活動的主要形式和核心特征,也是創客教育的重要“產出”性評價指標。《綱要》則直接將“創意物化”作為綜合實踐活動課程的四大目標之一,這是對創客教育“創意當實現”核心精神的總結和提煉。STEM教育尤其強調真實世界的學習,而“造物”一定是基于真實世界的學習。通過“造物”,自然而然地將創客空間、開源硬件、數字化工具等要素連接起來。可以這么說,“造物”為教師提供了一種更容易把握的STEM教育方向。而數字化工具的介入,則使STEM教育活動更能體現跨學科學習的特點,凸顯出數學和科學的重要性。

與“造物”相關的數字化工具有哪些?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”的學習成果,創客教育則更加重視在“物化”過程中學科知識的應用,這樣二者都可以得到更好的發展。《綱要》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:三維趣味設計

【案例來源】設計制作活動(信息技術)推薦主題及其說明

【主題說明】了解三維設計的基本思路,理解三維設計的應用,用三維建模軟件設計一些與學習、生活相關的物品,親歷在綜合情境下運用多種技術實現個性化、定制化產品研發的過程。學會利用技術解決真實問題,并初步感受文化創意產品的傳播規律。

案例:體驗物聯網

【案例來源】設計制作活動(信息技術)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,利用免費的物聯網云服務,搭建各種物聯網作品,如校內氣象站、小雞孵化箱等項目,體驗物聯網的應用。理解物聯網的原理,熟悉常見的傳感器編程方法,掌握物聯網信息傳輸的常見方法,培養參與科學研究的興趣,提升綜合素質。

方向之三:面向高階思維

布盧姆將認知領域的教育目標分為知識、領會、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,因為升學考試的壓力,單一學科在培養高階思維能力方面往往不盡如人意。創客教育關注“培養學生綜合跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力”,STEM教育則關注在“雜亂無章”的學習情境中強調學生的實踐能力與問題解決能力。跨學科學習是培養學生的高階思維能力最重要的途徑,絕對不能忽視。

要培養高階思維能力,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,但與學科知識的融合不夠緊密,很難培養學生的高階思維。我在《中國信息技術教育》雜志上已經連續刊登了一些學習案例,如用正弦函數實現呼吸燈效果、基于距離差的方向跟蹤、用物聯網技術探究一天氣溫分布等,值得參考。只有讓學生在活動中得到思維的挑戰,并因此愛上學習,創客教育和STEM教育才有可能被家長接受,得到可持續發展。

案例:用物聯網技術探究一天中什么時候最熱

【案例來源】《中國信息技術教育》2019年第9期

【案例描述】“一天中什么時候最熱,什么時候最冷?”是一個經典的問題。雖然中學地理課本中已經提供了創客作品答案,但這一結論畢竟不是通過動手實踐、探究所得到的結果。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,然后分析這些數據,就能驗證這一答案。在開源硬件項目“虛谷物聯”的支持下,定時采集數據和遠程采集室外的氣溫,都不是很困難。這種探究活動不僅可以培養學生動手解決問題的能力,還可以培養“用數據說話”的意識。

方向之四:關注未來科技

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

國務院于2017年7月發布了《新一代人工智能發展規劃》,要求“實施全民智能教育項目”,在中小學階段設置人工智能相關課程,逐步推廣編程教育。《綱要》的附件中提供了多個涉及物聯網、機器人和數據探究方面的主題活動。高中信息技術課標中人工智能已經作為一個獨立的模塊出現,必修模塊中則出現了關于人工智能和物聯網的描述。一些省市出臺的推進人工智能教育的方案中,往往會建議要和國家課程融合,即成為創客教育、STEM教育的一個重要主題。

案例:將人工智能教學納入信息技術、科學、綜合實踐活動課程

【案例來源】河南省教育廳關于推進中小學人工智能教育的通知

【案例描述】按照《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》關于實施全民智能教育項目,在中小學階段設置人工智能相關課程的要求,各級教育行政部門發揮體制機制創新優勢,將中小學人工智能課程納入區域教育發展規劃、學校教學計劃,確保課程開設制度化、實施教學規范化;將人工智能教學納入信息技術、科學、綜合實踐活動課程,在不增加教師、學生負擔的同時,秉承自愿原則,融合推進。

正因為認識到“ 技術”的重要性,美國國家科學基金會才會將“SMET”改為“STEM”。無論是物聯網還是人工智能,都是一個跨學科領域,涉及了很多個學科。更新學習工具,從傳統工具到數字工具,再結合物聯網、人工智能技術,創客教育和STEM教育中可以研究的方向越來越多,能融合的學科知識也就越來越多。

方向之五:認同開源文化

聯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,是全球公共品。報告認為,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,讓知識的創造、控制、獲取、認證和運用向所有人開放,即從公益的角度,強調了開源文化的重要性。

無開源,不創客。開源文化是創客運動的基因,也是精神支柱。選擇開源硬件,意味著教育裝備的低價,不足數萬的創客器材,就足以支撐一系列課程的開展,這對西部欠發達地區和農村學校有著重要的意義。選擇開源硬件,也意味著教育裝備的標準化,不同企業之間的器材可以通用,并與國際接軌。不同學校、不同教師開發的課程也因為“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,是影響創客教育和STEM教育后續發展的最大瓶頸,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的STEM教育資源,才意外發現創客空間和創客運動。因為“創客的創意往往是天馬行空的,充滿創造力的”,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“創客教育”的“初心”。不忘初心,方得始終。一線教師發起的開源硬件項目——“虛谷計劃”得到了眾多企業和教師的支持。

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,由一線教師聯合高校、創客空間和創客企業共同發起,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四個開源教育項目。虛谷計劃的目標有三:一是設計適合教育的開源硬件;二是讓教師和企業各自做擅長的事;三是讓中國教育資源與全世界共享。

結語

融入國家課程、倡導創意物化、面向高階思維、關注未來科技、認同開源文化,與其說這是對創客教育、STEM教育的展望,還不如說是我們對跨學科學習領域的深切期望。2020年,我們希望不再有人糾結于創客教育、STEM教育和STEAM教育的概念辨析。放下爭論,攜手發展,一起柔軟改變教育,才是這一代教育人最需要努力的方向。

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