美国创客教育教材分析

闫寒冰 单俊豪

摘要：在“大众创业、万众创新”的大背景下，创客教育被作为一种有助于培养学生创新精神与创造能力的重要教育模式引入到中小学教育之中。而作为这种教育模式重要载体的教材，则是彰显创客教育品质的重要标志。教材中所含纳和传递的教育理念与教学模式，将在很大程度上影响创客教育的人才培养实效。研究表明，我国创客教育的相关教材有较强的“技术本位”倾向，而在思维品质与创造能力的提升上均缺乏应有作为。为此，该文以美国INTEL ENGAGE项目推出的“Design and Discovery”（简称为DD）教材为例，从该教材的教学目标、教学内容、教学方法、教学活动四个维度，对DD教材进行定量与定性相结合的分析，得出该教材具有教学目标多元化、注重能力导向；教学内容实用化、注重创客原生领域的知识挖掘；教学活动多样化、关注创客常态化的运作模式；采用基于项目的学习与基于设计的教学方法，聚焦学生过程性知识习得四个层面的分析结论，并以此做基础为我国的创客教材研发提供建设性意见。

关键词：创客教材；教材分析；创客教育

中图分类号：G434 文献标识码：A

一、引言

学者们对于创客教育的表述有不同的角度。如我国学者杨现民指出：创客教育是一种融合信息技术，秉承“开放创新、探究体验”教育理念，以“创造中学”为主要学习方式和以培养各类创新性人才为目的的新型教育模式；华东师范大学教授祝智庭认为：广义上，创客教育是以培育大众创客精神为导向的教育形态；狭义上的创客教育是一种以培养学习者，尤其是青少年学习者的创客素养为导向的教育模式。又如美国“创客教育行动”（MEI）（2014）直接指出：创客教育旨在通过校内教育与校外教育连接，推动创客空间建设以发展各种创客项目，激发孩子们的兴趣、信心和创造力，让每一个孩子成为创客。

以上表述虽然用语不同，但都直接或间接地提到创客教育是通过一定的过程来培养参与者的创客素养，而要实现这一目标，需要一套完整的、系统的课程体系，这对于创客教育的开展起着举足轻重的作用。在实践层面，温州中学谢作如老师设计了一整套Arduino创意编程课，通过对开源硬件Arduino的创意编程提升学生的创客素养；北京景山中学吴俊杰老师将Scratch作为创客教育的教学载体，学生通过模块化的编程方式自由发挥创意，完成创客作品。在理论研究层面，陈刚认为，创客课程的内容应基于真实问题的内容生成，创客课程的主要学习方式是基于设计的合作学习，应以“单元设计”和“表现性评价”取代“课时主义”和“成就检测”成为新的课程设计和教学评价的核心理念；王辞晓等人通过实验研究法提炼出创客教育课程实践过程中应注意的问题：根据学生的编程基础设置不同的难度梯度，同时加强对知识针对性的讲解和辅导。

作为创客课程的物化载体，创客教材也备受关注。目前我国针对中小学的创客教育教材大多通过一系列开源电子产品项目制作的形式培养学生的动手能力和编程能力，而Arduino、树莓派、Scratch、3D打印机等多元化的编程和设计环境也为中国的创客教育教材提供了丰富的教学资源。然而，美中不足的是，大多数创客教育教材的编写者过分关注开源电子设备操作使用方面的教材研发，而忽略了学生在整个学习过程中创客素养的培养。祝智庭教授认为：创客素养是指创造性地运用各种技术和非技术手段，通过团队协作发现问题、解构问题、寻找解决方案、并经过不断的实验形成创造性制品的能力，在实践过程中也需要注重对学习者人际沟通、团队协作、创新问题解决、批判性思维和专业技能等多方面能力的培养。可见，创客素养并非单纯局限在培养学生灵活使用各种开源技术的能力，更是一种集合创新性、社会性、综合性，以“全人”教育为培养目标的多元化素养。创客教材既需要开源电子软件和硬件等新技术作为创作基础，更需要多元化的教学方法和活动，以便在教学中培育学习者多元化的创客素养。

本文通过研究INTELENGAGE项目出品的“Dedgn and Discovery”（以下简称DD）教材的教学目标、教学内容、教学方法及教学活动，总结该教材的设计与研发经验，旨在为我国创客教材研发工作提供可行性建议。

二、研究設计

INTEL ENGAGE的DD教材通过鼓励学生的工程类动手及设计活动，来提升他们在科学工程方面的知识和问题解决技巧。这一教材非常适合在课外时间开展动手活动的非正式学习。本文作者亲自体验了该教材的主体教学模块，并作为英特尔项目专家团队成员深度研讨了该教材在中国创客教育中应用的价值。

本研究所涉及到的教材分析方法主要参考华南师范大学课程教材研究所高凌飚于2001年发表的一篇《教材分析评估的模型和层次》学术论文。该文提炼的教材分析模型吸取了国际上教材分析的成功案例，如：英国的苏萨克斯方案、美国休斯顿大学察贝塔等人提出的理科教材分析程序方案，具有较高的借鉴与引用价值。结合对DD教材的具体分析，本文拟从教学目标、教学内容、教学方法、教学活动四个维度，对DD教材进行定量与定性相结合的分析。

教学目标层面主要解释该教材在知识层面、技能层面、情感层面对学生的多元化培养规划。教学内容层面主要挖掘教材所蕴含的各类知识及知识体系的科学性、讨论知识与学生认知水平的适切程度，同时归纳知识问的内在联系。教学方法层面聚焦教材所依托的知识传递方式和教学理论以及相应理论的教学应用。教学活动层面主要通过量化的方法考察DD教材采用的活动丰富性。

三、研究结果——描述性分析

（一）教材概述

DD是美国INTEL ENGAGE项目推出的一套免费的动手探究式科学教材。该教材已经成功应用于美国很多中小学的课外拓展活动、夏令营素质拓展活动以及少数常规课堂教学活动中，取得了不错的教学反响。该教材通过项目学习，为11～15岁的青少年构建有意义的项目和问题情境，学生置身于项目中，以“小工程师”的角色感受和学习基础性的产品设计和工程学知识；运用创新思维工具培养学生创新思考能力；通过大量的动手实践和反复思考构建一套系统的、富有创造性的问题解决方案；通过一系列系统、迭代的教学活动赋予学生工程学领域相关的科学知识以及良好人际沟通能力和表达能力。该教材所采用的教学方法和教学活动充分体现了美国实用主义教育家杜威提出的“做中学”思想，学生在丰富的实践中实现知识到能力的有效转化。该教材聚焦学习、实践、创造、创新的创客培养过程，其教学方式和理念符合创客教育的培养目标，可作为美国创客教育教材的范本进行分析。

（二）教材教学目标分析

1.知识目标

DD教材选取了物理学和工程学中的基础性、实用性知识，旨在为学生思考、设计、创作的过程铺垫理论性知识。

2.技能目标

技能目标主要从动手操作性技能、思维技能、社会性技能三方面考量。

动手操作性技能指学生在实验操作和实践过程中获得的经验性和操作性知识的能力。在DD教材中，学生的实验探究活动和实践操作活动非常频繁，为操作性技能的目标实现提供了充分的空间。

思维技能是指学生有效运用创新思维的能力。在DD教材中，有关创新思维的工具嵌入学习活动之中，使思维技能的锤炼得以实现。

关于社会性技能的定义可谓众说纷纭，美国心理学家桑代克认为，社会技能是处理人与人之间相互交往的能力，包括正确认识自己和他人、了解社会规范、与人和谐相处的能力；另一种定义认为社会技能是与他人沟通、理解他人、结交朋友、表现出被众人接受的行为、自我表达、处理问题、根据所处社会环境行事并与他人建立良好关系的能力。以上两个颇具代表性的定义共同体现了学生的社会性技能表现在人际沟通、人前表达、处理问题、完成规范化社会活动四方面。DD教材摒弃传统的讲授式教学方法，将丰富的教学活动引入课堂中。通过小组讨论增强学生的人际沟通能力；通过定期的组内和班级展示活动提升学生的人前表达能力；将学生置身于问题情境中以增强学生处理问题的能力；通过户外调查活动以规范学生的社会化活动。

3.情感目标

DD教材旨在通过实用性强的教学内容、多元化的教学方法和多样化的教学活动给予学生生活中体验知识、设计作品、收获能力的乐趣，传递反复迭代、精益求精的设计态度，让学生爱上设计、爱上创新、爱上生活。

（三）教材架构与内容分析

1.教材架构

该教材被分为6个模块：Understanding the Design Process（理解设计过程）、Engineering Fundamentals（工程学基础）、Thinking Creatively（创意思考）、Making，Modehng，and Materializing（模型制作与作品实物化）、Prototyping（产品原型制作）、Final Presentation（终极报告）。6个模块又下设18个小环节，每个小环节又分为3～4个具体活动，具体内容架构详如下表所示。

通过分析发现，DD教材是以“工程类作品设计”为核心，围绕工程类作品设计流程展开，以灵感与创意启蒙一作品的结构与功能设计一作品的迭代反馈与研发为主线进行教学内容的铺设与逻辑展开。

2.教学内容

DD教学内容以产品设计的10个环节作为主线进行设计与铺陈，知识内容包含学科知识和思维知识两个层面。

（1）学科知识层面

以产品设计的十步流程为主线推进学科知识内容，主要围绕工程学与物理学基础性内容展开。其中物理学内容包括电学和力学两部分。电学内容涵盖：电路的基本组成要素，电路的三种状态：通路、短路、断路，欧姆定律，八段数码管的使用；力学内容涵盖：力与功的概念，认识简单机械与复杂机械，机械设备中能量的存储与转化。工程学知识内容覆盖较广，包含材料性质及选取，复杂机械系统的不同层次结构，产品模型与原型的概念区分与设计。

（2）思维知识层面

主要涵盖两种创新思考方式：Scamper创意思维法、Activity Map创意挖掘法。教材以具体问题情境为教学脚手架，将两种创意思考方式融入学生创意灵感挖掘和思考的过程中，从思维层面提升学生的发散思维和创新能力。

（四）教材教学活动分析

该教材的一大亮点是将知识融入丰富的课堂及课外活动中，学生通过小组协作、动手实践等活动形式获取多元化技能。通过分析DD教材教师手册的所有教学活动分析，归纳出了除教师提问活动和学生思考回答问题外最主要的八种活动。分别是：小组讨论活动、户外实践活动、交流展示活动、实验探究活动、动手实践活动、调查研究活动，课堂观察活动、课堂阅读活动。以计数统计的方式对各种活动出现的频次进行统计，发现该教材中采用的八种活动方式一共出现161次。出现频次最多的是小组讨论活动（65次）和动手实践活动（26次），分别占总活动次数的41%和16%。活动出现频次和占比详如图1所示。

通过量化的活动数据能够直观地看出：DD教材的活动采取多样化模式。活动的多样化有助于学生多元能力的培养。大量的小组讨论活动能够给予学生发表自己意见的机会，同时培养学生聆听他人意见，取长补短的学习态度；动手实践活动将相对抽象的概念实物化、具体化，让学生直观感受和理解物理和工程学知识；交流展示活动分为组间交流和班级交流，学生需要将自己的想法和设计通过语言、概念图的方式呈现给其他同学，在一次次展示中不断磨练自己在人前讲话的能力；实验探究活动旨在让学生通过实验的方式掌握知识，同时掌握实验探究的基本方法，为日后的设计研究工作打下基础；课堂观察活动主要锻炼学生的观察能力和对事物细节与特点的把控能力；调查研究活动和户外实践活动将学生放置在社会大环境下，通过观察社会环境中的事物和与陌生人的沟通提升学生的社会能力；DD教材在每个环节都为学生提供了丰富的延伸阅读文章，学生通过阅读文章进行自学活动，提升学生的自学能力。

（五）教材教学方法分析

DD教材的另一亮点在于与教材内容相适应的教学方法。统观整本教材，DD教材最突出的两种教学方法是基于项目的教学和基于设计的教学。

1.基于项目的教学

基于项目的教学将学生放置在一个有意义的项目环境中，旨在让学生通过对一个特定项目的问题发现、问题分析和问题解决来实现教学目的。DD教材采用的项目式教学法特别关注学生的个性化选择。该教材首先将学生的创新思维激发出来，让学生自行确定专属项目，在整个学习过程中都围绕着自己的项目展开知识探索，这种个性化的项目式学习法能够让学生的创造力得到最大化提升；同时，项目的个性化会引发知识的多元化，因此学生在交流过程中也能够学到除自己项目外的更多知識。

2.基于设计的教学

基于设计的教学，是一项以学习目标为准则基于项目的教学活动。基于设计的教学流程包括：给出挑战性任务或问题，发散学生思维——思维整合，将所学知识回忆并整合，设计符合要求的作品——迭代性设计，让学生明确设计是一个迭代的过程，需要再通过新获得的信息对作品加以修改和再设计。DD教材开篇就告诉学生产品设计的十个环节，从灵感挖掘到成果展示完全符合基于设计的教学流程。同时，该教材的第十二节“模型的规划和测试”中专门用来启发学生产品设计是一个迭代的过程，需要根据新的信息随时优化自己的作品；在第7节“3R问题识别理论”中，也将学生对Revisit（重新回顾）、Research（调查）、Refine（精炼）的认知作为教学目标，旨在让学生通过迭代设计的思想不断完善自己的作品。

四、研究结论

通过对DD教材的研究，笔者认为DD教材在以下几个方面有突出的特点。

（一）设置适恰的学习目标，体现创客教育独特价值

DD教材将工程设计创造相关的专业知识习得，操作性技能、社会化技能、设计思维技能的锤炼，以及对创新创意的热爱、对设计作品精益求精的态度养成设为重要教育目标，与创客教育的追求高度吻合，将创客教育和信息技术、通用技术、社会实践等基础教育中的已有教学科目明确地区分出来，体现出创客教育在人才培养上独有的特质与价值。

（二）选取实用学习内容，有效衔接学习和生活

该教材对学科知识的选取遵循三个原则：实用性原则、操作性原则、生活化原则。实用性原则体现在该教材所选取的学科知识均与教学主线紧紧拟合，没有过多的繁杂的概念辨析和复杂计算，更关注这些知识在学生的实际设计过程中能否派上用场；丰富的实验操作是该教材知识学习的前提，体现了学生在实验环境中感知知识的操作性原则；该教材是以项目的方式开展教学，问题情境的生活化也使得知识与生活的距离感减弱，学生能够置身于真实的生活情境中学习知识、解决问题，折射出知识内容的生活性原则。

（三）融合基于项目的学习与基于设计的学习，聚焦过程性习得和迭代创作

DD教材采用的教学方法扎根于项目实现过程中的问题解决和设计实现过程中的方法习得。教学方法的选取充分考虑了教学活动多样化和教学内容生活化的特点，做到因地制宜。作为一本注重开放性与创新素养习得的创客教材，上述两种方法的有机融合能够让学生置身于问题思考与作品设计之中，在相关理论知识和思维方法的引导下一步步地解决问题，在不断收获和重构知识和技能的过程中培养学生精益求精的产品创作素养。

（四）重视体验、探究与合作，通过常态化创客活动的带入促进学生素养提升

对于真正的创客而言，他们的活动模式中总是离不开体验、探究与合作，而在DD教材中，丰富的学习活动与常态化创客活动有很多相似之处。这些活动注重学生的真实世界体验，强调“做中学”；注重学生对于未知问题的探究，强调在探究过程中的方法习得；注重学生们在体验与探究过程中的沟通、交流与合作，帮助学生在完成任务的过程中培养社会性技能。学习与工作活动的相似状态，可以让学生真正像一个创客那样去思考与行动，从而获得创客素养的提升。

五、对中国创客教材编写的建议

我国的创客教育发展尚处于萌芽阶段，虽然各地都在大力推进创客教育的实施进程，但与发达国家相比仍欠火候。作为创客教育实施的重要载体，教材的编制决定了创客教育的教学思路和发展轨迹，而我国目前“技术本位”的教材设计方式，在创客素养的培育方面有较多缺憾，需要从理念、内容、模式、活动等多方面予以提升。通过上述对DD教材的分析，笔者总结出一些值得中国创客教材编写者借鉴的建议。

（一）从生活与专业两个维度设计问题情境

1.从生活出发设置问题情境，培养学生基于生活的问题解决能力

传统教材更注重对知识的概念性引入，常将知识从具体情境中抽离出来。而这种方式使学生缺少机会将知识与具体的问题情境联系起来，因而难以做到学以致用。创客教育的理念核心在于创意和制造。创意制作的终极目标是为生活服务，因此更需要以实际问题创设教学情境，支持学生综合运用各学科知识解决实际问题，与生活相关的创客情境将有助于学生认识知识的价值、提升问题解决能力，特别适合生活经验不够丰富的低年级学生。

2.从原生专业出发设置情境，培养学生专业领域的知识涉猎

美国的创客教材更注重学生专业知识和技能的培养，这更有利于学生发现自己的兴趣所在，从而为未来走人社会打下基础。DD教材将工程设计原生领域的知识融入到初中学生的创客教材中，问题情境多从产品需求出发，要求学生利用所学知识设计满足需求的产品，如图2所示。这种“功利性”的问题情境能够从社会需求层面给学生提供学习内驱力。相对于从生活问题出发，基于产品化的情境设置更能让学生认知自我兴趣，獲取与社会工作接轨的专业领域知识。这种专业性较强的知识情境更适合已经有一定的生活经验和知识储备，同时对自己未来的人生有一定规划的高年级学生。

（二）构建“创意—学习—研究—创作”的迭代设计教学模式

1.创意思维工具有效嵌入

创意思维是创客教育的灵魂所在，因而，相应工具的嵌入对学生创意思维的挖掘和拓展起着举足轻重的作用。事实上，当前作用于学生创意思维能力提升的工具体系已比较成熟，除DD教材中使用的Scamper法，Activity Map法外，还有头脑风暴法、九宫格法、KJ法、世界咖啡、六顶帽子、KANO法、同理心地图、五问法等。当然这些工具，如果仅仅是抛给学生是不会达到有效应用的，还需要通过灵感挖掘、工具应用（包括讲解、示范、讨论与试用）和活动实践等一系列有意为之的教材活动设计，才使学生能够真正地掌握这些思维方法，开拓设计思路。

2.学习内容注重生活化和融合性

目前，我国出版的创客教材过于关注技术的操作与使用，将内容锁定在各种开源硬件和软件使用的操作知识上。在这种状态下，即使教材设计过程中体现了技术与生活的联系，学生的焦点依然会被新技术产生的巨大冲击力夺走。因此，创客教材在设计的过程中应当合理平衡新技术的使用，为学生搭建知识与实际生活的纽带，关注学生在生活中体验和建构知识的过程。

3.科学的研究方法渗入教学过程

一套科学完整的研究方法能够给予学生正确的思维方式，让学生以“科学家”的身份进入学习过程。上文提到低年级的创客教材应该围绕生活问题展开内容设计，而与生活息息相关的研究方法通常有调查研究法、实验操作探究等基础性、实用性强的研究方法。而针对高年级（初高中）应将控制变量法、对照实验法，以及一些专业原生领域特有的研究方法引入到创客教材中。

4.迭代设计思想助力学生形成精益求精的创客精神

教材给予学生的不仅仅是知识的铺陈，更需要传递一种精神和价值观。迭代设计思想是创客教育中的典型设计思想，它指出一个产品设计过程不可能按照直线形式去实现，而需要通过调查访谈等方式不断地改善产品的质量，实现产品的更新换代。创客教育中引人迭代设计思想能够警醒学生，创造过程是一个循环的过程，需要带着精益求精的品质不断地完善自己的作品，实现作品的逐级优化。具体教学模式流程图如图3所示。

（三）注重融入基于设计的学习与个性化主题，体现创客教育的核心素养

1.整合基于设计的学习，强化创客特有素质的培养

基于项目的学习是基础教育领域长期关注和推崇的教育方法，在创客教育中的应用也有较多的示例可以参照。而基于设计的学习对教育领域的研究与实践者而言较为陌生，更需得到足够的关注与应用。因为基于设计的学习特别适合于创客教育中作品的设计属性，更能够体现创客特色，有助于创客特有素质的培养。

2.融通多种资源，支持学生个性化主题的选择

在创客教育中，为了某种知识、技能或软硬件的学习，学生们可以模仿教师的操作，完成主题固定的作品——但这只能作为创客学习的初级阶段。作为创客而言，创意与创新是必须关注的素质，因而学生自选主题进行创造是教材中必须要涉及的内容。基础性知识与通用的思维方法可以帮助学生们进行个性化主题的思考，但也需要从多种渠道为学生提供开放的资源。因此，高质量的网络资源、相关的组织、机构、社团等社会资源，特别是获得相应线索的搜索技能也应通过教材这个载体提供给学生。

（四）以学生实际认知水平为基础，打造连贯而不失差异化的特色创客教材

1.考虑认知差异，实现创客教材的梯度化设计

目前我国针对特定年龄层编写的创客教材数量几乎为零。传统教材能够把握学生的认知规律，组织符合学生认知发展水平的知识内容编写教材。创客教育作为一种新型的教学模式，更应该关注学生的认知发展规律，以学生知识储备水平为标准制定教学大纲。笔者认为，创客教师在研发创客教材时，应谙熟各年级理科知识体系和课标要求，从而制定出符合学生认知规律的创客教学大纲。

2.关注地域差异，实现创客教材的本土化设计

我国幅员辽阔，不同地域存在着不同的自然和人文环境。创客教师在编制教材时应注意将地域性的特色生活背景和文化背景融入其中，使生活的元素人情入境，使作品的耗材易寻易用，充分体现本土化特色。例如，东北地区的冬天寒冷多雪，让学生研制小型除雪设备，就是充满“地方味道”的项目设计；农村地区麦秸多，制作稳定桥梁结构时，就不需用牙签，而是可以就地取材用麦秸。融入地方特色的创客教材兼具本土化与个性化，不但有應用上的便利性，也有助于引发学生的感情共鸣，唤起热爱家乡的正能量。

六、结语

本文通过对DD教材的多元分析，以“Design and Discovery”为例，挖掘出美国创客教材在教学目标、教学内容、教学活动、教学方法四个方面的特色。继而，综合国内外创客教育的相关理论研究，提炼出针对我国创客教材开发的本土化建议，包括教材内容专业化、实用化、本土化，以项目活动为教学外驱力，推进学生利用创新思维制作个性化创客作品的迭代设计与学习进程。在创客教育日趋流行的今天，创客教育研究者应早日脱离“技术本位”的思维模式，将真正提升学生创客素养的知识与活动融入创客教材中，用以培养技术支撑下的创新型人才。