STEM＋创客教育的中小学SM教学模式研究

刘繁华，李 克，肖名望，齐天翔

（华南师范大学教育信息技术学院，广东 广州510631）

一、问题的提出

我国一直将人才培养放在国家战略的地位予以高度重视。“互联网+教育”的背景下，人才被赋予新的阐释，人才培养开辟了新的实现路径。《教育信息化“十三五”规划》在“主要任务”中提出，“有条件的地区要积极探索信息技术在众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力”[1]。2016年，《中国学生发展核心素养》在北京师范大学发布，实践创新位列其中[2]。STEAM教育和创客教育俨然成为“互联网+教育”时代下探索人才培养的新途径。然而，在推动STEM教育和创客教育的进程中，存在缺乏有效的教学方式[3]、学科孤立的实践倾向[4]、教学模式研究较少[5]等问题。因而，将STEM教育与创客教育相结合，研究中小学的SM教学模式具有重要的理论意义和实践价值。

二、相关研究述评

STEM教育与创客教育均被视为人才培养的有效路径。由于两者具有较多的共同性，逐渐被结合研究。美国更是将“STEM教育+创客教育”放在国家战略的位置予以实施。研究者开始探索STEM教育融合创客教育的教学模式。例如，王旭卿[6]认为创客教育是深化STEM教育的方式，提出了面向STEM教育的创客教育模式。傅骞等[7]从学习目标和学习方式的角度出发，将STEM教育应用模式分为验证、探究、制造和创造四种类型。其中，制造类和创造类的STEM教育应用模式本质上就是STEM和创客教育相结合的应用模式。现有研究多是跨学科课程、资源与实物创造的简单组合，结合STEM教育和创客教育的教学模式研究较少。因而，本研究将STEM教育与创客教育相融合，实现优势互补，构建STEM+创客教育的中小学SM教学模式，对中小学人才培养、课程实践具有重要的价值意义。

三、小学SM教学模式的理念

1.STEM教育与创客教育结合的必要性与优势

STEM 是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)各学科首字母的缩写，[8]多被界定为一种教学理念和课程组织形式，强调打破学科壁垒，实现跨学科整合。创客教育是在创客运动催生下的新的教育形态。迄今为止，学术界还未对创客教育进行统一的界定。本文认为创客教育是“做中学”、DIY、“基于创造的学习”、“项目教学法”等教学理念与3D打印技术、开源软件等新技术有效融合的产物，是信息时代下创新教育新的表征形式。

有许多研究者将STEM教育与创客教育进行比较分析。本文认为比起一味区分二者的差异，更应推动两者的融合，这才是发展STEM教育和创客教育，培养创新人才的关键所在。STEM教育与创客教育结合的优势主要体现在以下四个方面。

兴趣层面。有研究指出STEM教育停滞不前的原因是学生缺乏对STEM教育的兴趣[9]。创客运动具有激发创新激情与个人内在驱动力的潜能，二者结合能够有效激发学生的学习兴趣。

知识层面。难度系数大、复杂程度高的任务往往涉及跨学科知识。因而，在创客教育中，STEM是作为创意实现的知识基础而存在。此外，创意产品的产出作为做中学成果的高级表现形式，更有利于跨学科知识的深度理解和内化。

能力培养层面。中小学阶段STEM知识无疑对中小学生未来的发展起关键作用，创新能力作为21世纪人才的必备技能之一，其重要性不言而喻。两者的有效融合将推动学生高阶思维能力、实践操作能力、创新能力的全面提高。

人才培养层面。21世纪创新人才应该具备创新意识、创新思维和创新能力。以造物为主的创客教育培养的仅仅是学生的创新能力，创客教育需要与学科教学相结合，融入教育体系[10]。学科教学的发展趋势——STEM教育，当仁不让地成为与创客教育相融合的对象。可以说，STEM教育与创客教育的融合才能真正实现人才培养的愿景。

2.STEM教育+创客教育的SM模式理念

（1）活动内容跨学科

STEM教育的跨学科不是仅局限于课程，而是指课程、资源、内容、活动主题等多方面的跨学科融合。因而，在STEM教育+创客教育的中小学SM模式中，设计包含多学科知识，丰富、连贯的活动项目，实现课程、资源、内容和活动等多方面的跨学科融合。

（2）课程设置灵活化

采用SM模式进行学习时，课程教学涉及的是跨学科知识，多使用研究性学习、项目式学习等方式，围绕项目活动展开。因此，课程的时长、跨度会因项目本身的难度、特点而改变。所以课程的实施地点、周期以及课的时长要根据所选项目灵活设置。

（3）教学方式项目化

STEM教育注重将学生置于知识发生的真实场景进行学习[11]。项目学习也强调问题、项目的真实性。同时为了发挥学生的创意，教师所设计的问题需要是劣构型问题。因此，在SM模式中，学生采用项目学习、基于设计的学习等方式，围绕情境性、真实性、劣构型的项目、活动、问题展开学习。

（4）教学过程迭代化

基于工程设计的STEM课程要求学生在工程循环过程中，不断地发现问题，优化设计，寻找最佳的问题解决方案[12]。创客将创意转化为创意制品，需要经历设计迭代的过程。SM教学模式强调学生在多次的小组讨论、协作学习中不断构思创意，在迭代设计中形成和完善创意制品。

（5）教学成果实物化

创客教育强调实物产出，富有创意的人造制品是创客教育成果最直接的表现形式。因而，中小学SM教学模式强调学生围绕项目活动，展开基于创造的学习，在实践创造中实现跨学科知识的融合，最终形成自己的创意制品。

（6）实物创造数字化

3D打印、机器人等现代信息技术的使用是创客教育区别于其他时期创新教育的显著标志，具有一定的时代特性。中小学SM教育强调将创意产品的数字化特征，让学生借助机器人、3D打印、Arduino等软硬件，创造自己的作品。

（7）评价多元化

无论是STEM教育，还是创客教育，都更加关注学生的学习过程。中小学SM模式的评价方式注重过程性评价，强调对学生探究实践过程、协作学习过程和创造过程的观察与评价。由于中小学SM强调创意制品的产出，因此还应关注对学生人造制品的评价。

四、SM教学模式的理论分析

1.SM模式的理论基础

SM模式的理论基础包括创新教育理论、项目学习理论和建造主义学习理论。创新教育理论明确了SM模式的价值取向和教学目标，项目学习理论规划了SM模式的基本教学流程走向，建造主义学习理论支持并强化了SM模式的理念特色。

（1）项目学习理论

项目学习源于杜威“做中学”的教育理念，后被教育研究者发展为基于项目的学习方法[13]。基于项目的学习（PBL）是以学生为中心的教学法，涉及一种动态的课堂教学方式[14]，学生需要通过长时间地调查一个复杂的疑问、挑战或难题，并不断对其回应，进行学习[15]。有研究者指出真实问题和人工制品是项目学习区别于基于问题的学习的关键特征。项目学习、数字工具、实物创造被视为创客教育的核心特征。由此可见，创客教育和项目学习具有较高契合度。

（2）创新教育理论

创新教育就是根据创新原理,以培养学生具有一定的创新意识、创新思维、创新能力以及创新个性为主要目标的教育理论和方法[16]。创新教育是与人的创造本质相一致的教育，它能有效地促进人的发展与创造，最大限度地开发人的创造潜能[17]。我国学者大都将创客教育与创新教育相结合，将创客教育视为创新人才培养的重要路径，通过创客教育培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。

（3）派珀特建造主义学习理论

Seymour Papert在西方被誉为“创客运动之父”。派珀特的建造主义理论认为“学习是通过创造可分享的事物的行为来进行知识的建构”[18]Mcgrath认为派珀特建造主义学习理论就是皮亚杰建构主义学习理论与数字工具/程序（乐高、logo、Scratch）相结合的产物[19]。 由此可见，派珀特建构主义学习理论与创客教育在问题解决、数字化和实物创造三方面是相契合的。

2.SM教学模式的教学过程分析

根据上述分析，可知SM模式中的教学过程是以项目化学习过程为基础，结合SM的教学理念特色而形成的。目前国内外较为知名的项目学习模型的主要核心观点如表1所示。

表1 项目学习模型[20]

综上所述，项目学习的基本流程为情境创设、主题概述、计划制定与实施、成果分享和评价反馈。由于SM模式面向的是跨学科的项目实践，因而学生在进行创意实践活动前需要学习相关的跨学科知识，并能够初步应用；在SM模式中，创意从形成到产出并非一蹴而就，是需要经历循环迭代的过程。因而，根据项目学习的基本过程，结合SM教育的基本理念特色，本文认为SM模式的基本教学过程包括情境创设，主题概述、（跨学科）知识习得、实验活动、任务概述、计划制定、设计迭代、分享创意和评价反馈八个环节。

（1）情境创设

教师讲述或提出与学生真实生活相关联的事例、问题，并借助视频、动画、音乐等多媒体资源展现出来，创设情境，激发学生学习兴趣，引出跨学科项目所涉及的知识主题。学生在教师的引导下产生共鸣。

（2）知识习得

这里所学习的知识为跨学科项目涉及的学科基础知识，为实践应用做准备。教师要定义基本概念，讲解基础知识，介绍工具的组成部分与功能。学生则学习基本概念。

（3）实验活动

实验活动所涉及的知识是较上一阶段更为复杂的学科知识，会应用于之后的跨学科项目实践中。本阶段，教师需要将这些复杂知识转换为彼此相关联的小步骤实验活动。同时总结学生进行跨学科项目实践时可能遇到的障碍或问题，然后将这些障碍或问题转化为实验探究活动，使学生根据任务单内实验步骤，找到问题解决方案。学生明确任务与问题，按照学习任务单的实验步骤进行，观察并记录实验现象，回答预设问题，总结并写下实验结论。

（4）（跨学科）项目概述

教师阐述跨学科项目的内容、要求、涉及的材料，项目完成所需的知识与能力，所交的作品形式等内容。学生明确要解决的问题。

（5）制定计划

小组制定初步的实施计划，并进行分工，然后协作形成初步的设计蓝图。教师全程指导，为学生提供网站、视频、文本等相关的学习支持材料，优秀范例和评价标准。

（6）设计迭代

设计迭代的过程实质上是“数字制造—创意形成—修改设计”的循环过程。此阶段，学生根据设计的初步蓝图进行首次实物创造，在制造中形成创意，再次探究、修改、创造，循环往复，最终形成自己的创意制品。老师监控学生学习过程，并给予及时的帮助。

（7）创意分享

学生产出创意作品后，以小组为单位汇报小组的任务安排、创意制品的设计思路及形成过程。教师与学生依据评价标准对学生的创意制品进行评价，并指出修改意见。

（8）评价反馈

学生根据修改意见，进行二次创作，优化创意制品。

根据知识的生成过程，可以将SM模式的教学过程可以分为 “知识习得与应用”、“知识创造”、“分享反馈”三个阶段。“情境创设”、“知识学习”和“实验活动”属于“知识习得与应用”阶段，“（跨学科）项目概述”、“制定计划”和“设计迭代”属于知识创造阶段，“创意分享”和“评价反馈”属于“分享反馈”阶段。由于SM模式面向的是跨学科项目实践，因而综合项目包含的每一门学科知识都要经过 “知识习得与应用”阶段。每门学科的知识并非完全独立、依次学习，可能某一时间段会同时学习两门或多门学科的内容。但同一门学科的知识学习与知识应用是相连的。当跨学科项目所包含的所有学科知识均已学习且得到应用后，学生开始进行跨学科项目实践，实现“知识创造”。最后，在“分享反馈”阶段进行创意分享和评价反馈。具体如图1所示。

图1 SM教学过程

五、SM模式的构建

1.SM模式的构建过程

教学模式是指在一定的教育思想、教学理论和学习理论指导下，在一定的教学环境和资源的支持下，教与学活动中各要素之间的稳定关系和活动进程的结构形式[21]。因而，SM模式是由创客教与学活动、创客教学环境构成。SM教学模式如图2所示。

图2 SM教学模式

根据创客教学过程及理念特点，本文认为创客教学环境在创客教学中主要有以下作用。

（1）创设情境

支持发布音乐、视频、动画等多媒体文件，辅助教师创设情境。

（2）任务分析与计划构想可视化

借助思维导图、概念图、绘图软件等工具，帮助学生更好地理解任务内容，明确应该解决的问题及需要具备的能力。然后据此，设计解决方案，并借助上述思维可视化工具将计划构想表示出来。

（3）发布创客学习支持资源

教师根据学生的信息素养，结合教学主题内容，为学生提供专题学习网站、微课、软件工具等资源。

（4）交流协作

根据主题内容及任务完成所需要的时间周期，学生可能需要到校外采集数据、放假期间参加相关展览和活动、与专家进行远程协作等。因此，创客学习环境应该支持支持线上、线下随时随地交流讨论，以及远程协作。同时，借助云协作技术，实现支持组内资源共享、方案共撰、创意分享、记录协编等协作活动。

（5）记录任务完成全过程

学生通过拍照上传或撰写阶段性成果，包括计划方案、首次产出的作品、制造中形成过程记录创意形成、修改的过程。

（6）创意产出

创意产出工具根据创客活动主题内容而异。例如，Scratch、Arduino等编程软件以及3D打印机、机器人、激光切割机等工具套件等。

（7）成果展示

支持设计方案、创意制品、形成过程等成果过程的多样化展示方式。

（8）评价反馈

支持发布评价量规，以及整个学习过程的形成性评价和最终成果的评价等。

六、案例分析

“电子纺织”[22]是Kafai等人设计的课程模块，属于预修高中计算机科学课程的内容。课程每周举行两次，每次65分钟，为期10周（共19次课）。课程包括两个知识学习与应用项目和一个设计项目。具体的课程实施模式如图3所示。

图3 “电子纺织品”课程模块

知识习得与应用阶段（第1-5次课）：首先，教师展示创作的示例项目来引进“电子纺织品”，然后用初学者项目作品向学生介绍缝制有关的知识。接着，学生学习“简单电子电路和起动器导电缝合项目”（第1-3次课）。最初教师简要回顾电力知识。学生使用鳄鱼夹、电池、开关和1个LED组装简单的电路，然后学习如何缝制导线，创建第一个软电路。接着学生成对或组成小组进行一系列简单的电路调试活动。接下来的第4-5次课，学生学习“编程与Arduino和LilyPad ProtoSnap板”项目。教师演示如何使用Arduino编程软件编程电子电路，说明编程语言的语法以及程序的编译和执行方式。之后学生参考代码示例，成对地编写程序。

知识生成阶段：此阶段，学生要完成“电子纺织品”设计项目。第6-8次课，学生要完成基本电子纺织品的设计方案，并进行设计咨询。期间，教师介绍计算电路图。学生规划自己的设计，之后课程教员或专家研究小组成员单独与学生会面，帮助完善学生的设计图。第9-18次课，学生通过制作、编码和调试，设计电子纺织品。有关代码概念的简短课程分散在学生个人项目工作期间进行，更复杂的编码概念视学生情况引入。之后，学生们迭代地测试和调试他们的设计。

分享反馈阶段：学生将展示和解释他们在课堂上的电子纺织品的设计理念和作品。

七、总结

本研究从人才培养角度出发，指出要促进STEM教育和创客教育的相互融合。依托创新教育理论、项目学习理论和建造主义学习理论等科学理论，从教与学活动和教学环境两方面出发，构建了SM模式，并提出了SM模式的实施策略。有助于推动创客教育与STEM教育的实践应用，为人才培养提出新的路径。之后，研究者将以中小学为实践基地，开展相关的实证研究，以检验模式的有效性，并逐步完善。

[1]中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知[EB/OL].[2017-12-9].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A16/s3342/201606/t20160622269367.html.

[2]核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊,2016,(10):1-3.

[3]Caglar F,Shekhar S,Gokhale A,et al.Cloudhosted simulation-as-a-service for high school stem education[J].Simulation Modelling Practice and Theory,2015,58:255-273.

[4]Suchman E L.Changing academic culture to improve undergraduate STEM education[J].Trends in microbiology,2014,22(12):657-659.

[5]杨晓彤,谢幼如,钟如光.网络空间支持的中小学创客教学模式研究[J].电化教育研究,2017,(01):101-107.

[6]王旭卿.面向STEM教育的创客教育模式研究[J].中国电化教育,2015(8):36-41.

[7]傅骞,刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育,2016(4):71-78.

[8]范燕瑞.STEM教育研究[D].上海：华东师范大学,2011.

[9]Caglar F,Shekhar S,Gokhale A,et al.Cloudhosted simulation-as-a-service for high school stem education[J].Simulation Modelling Practice and Theory,2015,58:255-273.

[10]何克抗.论创客教育与创新教育[J].教育研究,2016(4):12-24.

[11]余胜泉,胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究,2015,21(4):13-22.

[12]朱丽娜.STEM教育发展研究与课程实践[D].东南大学,2016.

[13]Krajcik J S,Blumenfeld P C.Project-based learning[M].na,2006.

[14]Dewey J.Education and Experience,1938/1997[J].New York.Touchstone.

[15]Lee H J,Lim C.Peer evaluation in blended team project-based learning:What do students find important?[J].Educational Technology&Society,2012,15(4):214-224.

[16]朱永新,杨树兵.创新教育论纲[J].教育研究,1999(8):8-15.

[17]徐辉.创新教育的理论及其哲学、人类学基础[J].教育研究,2001(1):10-14.

[18]埃里卡·哈尔弗森,金伯利·谢里登,陈卫东,等.教育中的创客行动[J].现代远程教育研究,2015(3):3-8.

[19]McGrath,D..Prosem B-III Theory[EB/OL].[2017-12-9].http://www2.educ,ksu.du/faculty/McGrathD/Spring00/Mindstorms.htm.

[20]黄明燕,赵建华.项目学习研究综述——基于与学科教学融合的视角[J].远程教育杂志,2014,(02):90-98.

[21]李克东.教育技术学研究方法[M].北京:北京师范大学出版社,2003.

[22]Kafai Y,Fields D,Searle K.Electronic textiles as disruptive designs:Supporting and challenging maker activities in schools[J].Harvard Educational Review,2014,84(4):532-556.