从创客到STEM的信息科技课程进阶解析

【摘 要】本文以“设计制作智能井盖防丢器”项目为例，解析从任务驱动的创客教育到项目式学习的STEM教育，为信息科技类课程的进阶提供有效的实施途径。

【关键词】创客教育;STEM教育;任务驱动;项目式学习;问题解决

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）07-073-03

中小學信息科技类课程，是首当其冲承担社会和时代变迁角色的改革先锋。以“设计制作智能井盖防丢器”项目为例，剖析信息科技类课程表象目标和本质目标的翻转过程，探索教学实施变革过程和教学效果达成过程的变化，为信息科技类课程的进阶提供有效的实施途径。

关注创意物化的信息科技类创客课程

创客教育是“崇尚个性制造，注重现代工具使用，乐于互联网共享和众筹生产传播”的创客精神与学校教育结合的产物。最先是由一批具有创客精神的信息技术、科技辅导员、劳动教育与通用技术以及科学和少量其他学科教师推动和落实的，这些学科的课程我们统称为信息科技类课程。在“设计制作智能井盖防丢器”项目里，关注创意物化的创客教育教学实施过程如下。

第一步，创设情境，确定问题。教师提供窨井盖应用场景及丢失后的种种危险的素材，了解井盖作用及丢失的危害，由此导入制作智能井盖防丢器课程学习，确定本课程目标任务：动手制作一个井盖防丢器。

第二步，围绕目标任务的技术进阶。一个典型的任务驱动进阶课程如图1所示。初级课程通过拆解简单防丢器，将其组装并应用到充当井与井盖的模型上（实际可能是一个盒盖和盒子）;进阶课程引入物联网概念，通过手机APP实现远程监控井盖状况的功能。高阶课程引入网络架构概念，构建井盖感应装置、上行感应信号、控制中心、下行预警通知等网络系统;拓展课程可以利用北斗卫星定位系统来构建井盖数字化电子监控系统;提升课程可以是智慧城市井盖监管服务系统。在任务驱动下，崇尚应用技术创新造物的创客课程沿着“智能井盖防丢器—物联网井盖防丢器—北斗卫星导航井盖防丢器—智慧城市井盖监管服务系统”这条技术线，不断增加技术难度和深度，在技术升级中完成课程内容的进阶。或者沿着“智能井盖防丢器—爱心伞追踪系统—智慧路灯—智慧灯杆—智能垃圾箱”这条创意创造线，在不断拓宽的应用功能中完成课程内容的进阶。

第三步，分享交流，效果评价。整个过程教师关注的是学生是否掌握了用新兴信息技术通过创意物化成功制作智能井盖防丢器，创设情境的作用更多的是一个兴趣激发点，师生专注于创造一个防丢器，而不去想是哪里的井盖、什么井盖、什么原因导致井盖丢失等问题，缺失了确定的科学问题或者工程技术问题，对产品的衡量标准也就局限在教室而不能放之于某个真正的问题场，也就失去了系统化思考问题解决方案的机会。结果很容易陷入小发明、小制作和小创新产品的思维定势，学习过程经常简化为一个技术或工具的模仿学习过程，最后全班形成同质化单一作品。

美国进步主义教育家克伯屈关于学习目标的论述很好解释了上述结果出现的原因，“项目式学习强调真实问题解决的目标，如果目标已经消亡，仍要求学生完成那些已经开展的活动，那么，项目就变成了任务，有时候仅仅变成一个差事和苦力活”[1]。如何在有限的课时中，找到信息技术学习与动手实践、个性化创新创造与解决真实情境问题之间的平衡，突破小发明小创造瓶颈，培养学生系统性、批判性高阶思维，是信息科技类教师亟待解决的实际问题之一。

关注系统化真实问题解决的信息科技类STEM课程

STEM跨学科整合的教育理念和项目式学习方式的引入，为突破这一困境提供了可能。STEM教育以学生为中心、跨学科整合、解决真实情境问题、培养批判性思维和创新创造能力为特征，重视综合性创新人才培养。

仍以“设计制作智能井盖防丢器”为例，STEM项目式学习课程设计，表象目标是完成科学探究任务和工程实践任务，给出问题解决的合理方案或产品。本质目标是问题解决能力、创新创造能力的培养，载体是技术和知识。具体过程简述如下。

第一步，提出并确定科学问题，给出猜想和假设。这一过程对于学生系统化思考问题非常重要，但是常常被忽略。提出问题的“好坏”直接决定问题是否能够被解决。过于复杂和广泛的提问可能无法得到解决，需要剥离并留下核心问题。这一步可通过前期准备、创设真实情境、共情活动、科学调查、头脑风暴、确定工程问题来完成。

前期准备：需要科学、系统、富有建设性地解决问题，在设计课程的时候，教师首先通过学习储备丰富的相关领域知识，然后通过有目的地挑选转变成学生项目学习前导阅读材料，了解该领域陈述性知识。对于制作智能井盖防丢器项目，教师要收集、学习、整理诸如窖井的功能、形状、布局、材料、标准等资源，并筛选部分作为学生阅读材料，设计阅读指导性问题和阅读辅助支架等[2]。

创设真实情境：窨井盖是现代城市中重要的公共基础设施，市政、通信、燃气、电力、交管、国防等应用场景都与其相关。但井盖丢失、损坏、侧翻、雨天冲走，或遭偷盗，不仅公共财产损失，还给行人生命安全造成隐患。

共情活动：为了提出问题，课程开始先设计一个共情活动，预备项目学习的背景知识，为后续的问题解决做情感铺垫和知识准备。共情活动可以是各种井盖丢失毁坏后造成的危险事件的调查、角色扮演、阅读等，达到由井盖丢失问题引发的人文关怀，进而提出需要解决的问题。

科学调查：通过调查研究、观察分析等科学方法，探究井盖丢失现象背后的真问题。

头脑风暴：在知识和情感储备基础上，开展头脑风暴，鼓励学生提出问题，并初步回答可能的解决方案。通过一系列问题引领达到高阶思维与实际问题的联结，同时初步给出可行的工程技术解决方案。

确定工程问题：针对井盖容易丢失的表面现象，必须通过调查分析，获悉井盖丢失的根本原因，并逐一寻求破解之法。例如，调查得知井盖丢失两个相互关联的因素是铸铁的井盖可以卖废品和贫困人口为眼前生存偷卖井盖获利。继而发现破解脱贫问题不是学生一下子可以解决的，所以首先将要解决的问题定位为井盖更换为不可回收材质制造和防丢问题解决。

第二步，確定工程任务评价的标准指标，设计挑战问题。工程任务的评价指标非常重要，它承担着最终的评价和引导学生学习的过程。挑战性问题能够让学生直面困难，引发学生主动搜索解决问题所需要的各种知识资源，并通过探究活动、创造活动、实践活动、展示活动、交流活动等来完成工程任务。

发布工程任务：解决某小区、某校园等的具体井盖问题，除了和前面类似的“主动监测、及时报警、信息联动、易安装、低功耗、低成本”等任务要求外，还需要考虑小区、校园等地段的不同特点进行设计，以培养具体真实情境下解决问题的能力。教师指出可参考关于井盖的现有标准，根据自己选定的井盖真实应用场景，制定自己项目的井盖验收标准。

设计挑战问题：坎特指出，基于项目的学习法是在科学知识构建之前，学习者必须有一个理由来学习，然后从记忆中创建语境，整合新学到的知识，最终达到完全理解。挑战性任务的实质在于激起学生强烈的思维活动，通过思维活动促进外部知识与内部认知结构之间产生实质性的互动，从而促进认知结构的不断发展。同时，要能够根据评价标准，设计“有趣、有疑、有劲、有用、能玩、能做、能用、能辩、能演”的工程挑战任务[3]。

第三步，依据标准，设计方案。这一过程要依据STEM的科学探究和工程实践流程开展，如图2所示[4]。一是科学探究追根朔源，二是工程实践解决问题方案，三是技术应用确定方案，包括确定工具、技术及材料。科学探究和工程实践都要借助一定的工具来完成，这就是技术。

从技术纵深和真实需求衍生出各种项目式学习课例，例如：“能喊救命会报警的智能井盖”“为城区窨井盖配上‘千里眼’”“智慧水务—让智能井盖来解决‘夺命井盖’问题”“可监测液位的智能窨井盖设计制作”“设计制作机械锁无线防盗电子锁井盖”“设计制作定位电子地图智能锁井盖”，皆是基于真实情境问题解决的STEM项目式学习，会让信息科技和学生生活实际问题紧密链接，在了解和体验最前沿技术的同时，利用技术、发展技术解决问题的意识也会增强，促进学生学习科学、使用技术、应用数学，通过一个个工程项目解决问题的实现，增强学习兴趣，加深知识掌握，达到信息科技类课程本质目标和表象目标的双达成，对于学术成绩也有明显的提升作用。

第四步，实施方案，修改方案，反复迭代。如图2所示，STEM项目式学习是一个不断迭代优化的过程。遵循“明确的目标、多样的过程、开放的结果”的原则，兼顾各方要素，形成开放的解决方案。

第五步，解决问题，评价效果，分享交流。按照前面设定的真实情境问题的科学和工程标准，评价学生作品。呈现方式可以是论文、工作坊、展台等形式。

第六步，项目学习拓展。除了类似的技术拓展，还可向人文艺术领域拓展。例如可以为学校、小区等井盖综合考虑环境、用途等要素，设计相应的井盖文化。

结  论

“设计制作智能井盖防丢器”项目从关注创意物化到关注系统化问题解决的进阶路径可以看出，STEM项目式学习遵循“共情活动—领域知识准备—调查研究—观察分析—科学探究—方案设计—工程实践—测试—应用”的路径，以真实世界问题探究活动为基础，以学生为中心，融入了科学或数学的课程，包含工程设计过程，让学生能够模仿真正的科学家与工程师的工作，使学生有机会运用科学与工程学知识来解决生活中的实际问题。更重要的是，学生将会发现，正是科学、工程学这样的创造性活动塑造着我们的世界。最终达到以核心素养为导向，以培养学生思维能力和创新能力为目标，以信息技术软硬件一体自动化智能化解决问题为抓手的“动手做，做中学，学中思，思中创”系列信息科技类STEM进阶课程。

注：本文系北京市教育科学“十三五”规划重点课题“中小学教师基于信息技术开展跨学科教学的能力框架和提升策略研究”（课题批准号：CDAA19067）研究成果之一

参考文献

威廉·H·克伯屈. 教学方法原理[M]. 北京：人民教育出版社，1991.

于晓雅. 指向高阶思维的STEM教师培训模式例析[J]. 中小学教师培训， 2021（5）：6.

严育洪. 做挑战性任务，给教学装上强效“驱动程序”[J]. 新课程研究（上旬刊）， 2016（10）：12-16.

Yu， Xiaoya， Xingran Guo. Case study on “STEM+computational thinking”education model in Chinese K-12 schools[J]. Journal of Science Education， 2018（19）：163-177.