科创教育与学科教育创新

【摘 要】如何有效地发挥学科教育的育人功能，对于落实新课程标准、培养创新人才具有重要意义。本文分析了学科教育创新经历从计算机辅助教学到“整合”，再从STEAM教育和创客教育到科创教育的不同阶段，提出了泛在感知与普适计算环境下学科教育创新的S-3PBL科创教育模式，旨在培养创新人才。

【关键词】普适计算;科创教育;S-3PBL;模式创新

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）08-007-03

随着“新时代”的到来，以互联网技术融合为典型特征的第四次工业革命正在深度影响政治、经济、科技、文化和生活的各方面。随着计算技术及人工智能技术的发展，计算逐步实现自动化，一些简单重复的职业或仅对数据进行分析的职业将有很大可能被人工智能取代。为了适应未来高度复杂的人机共生环境，为了实现国家的高质量发展，必须实施创新驱动战略，培养面向未来的卓越人才。科学教育经历了三个发展阶段，即科学知识教学、科技教育和科创教育，未来主流教学方式将由知识讲授型转向科创项目式学习型。

现代科学教育的兴起与发展

1957年，苏联第一颗人造地球卫星发射后，引发了各国对科学技术发展的追求，掀起了第一次以学科知识为本位的全球性科学教育改革浪潮。1972年，工业革命带来的环境污染和生态破坏等严重威胁到人类生存的问题，使人们开始认识到了应该将技术要素纳入科学教育之中，STS（科学Science、技术Technology、社会Society）教育受到关注。1986年，美国发布《本科的科学、数学和工程教育》报告，标志着STEM（科学Science、技术Technology、工程Engineering、数学Mathematics）教育开始兴起，STEM教育强调科学、工程、技术、数学领域内知识与技能的整合，重视现实问题的解决。2001年，开始出现基于互联网、喜欢创意、秉持变创意为现实和开源共享理念的创客（Maker）群体，创客教育萌发，数字化学习、基于信息技术的整合、现代科学的第三种形态（计算）与数字技能都开始受到关注。2011年，美国总统奥巴马推出新版《美国创新战略》，以“创新教育运动”加强STEM教育，来促进美国的经济增长和国际竞争力增强，这一举措极大地推进了STEM教育创新的研究和发展。

2015年，李克强总理参观了深圳柴火创客空间，在“大众创业、万众创新”的背景下，我国教育更加重视创新人才培养。与此同时，创客教育得到迅速的本土化发展，而 STEM教育经本土化成为STEAM教育，其中A在我国语境中为“人文性（Arts）”。2016年，邹晓东博士提出STEAM教育应将“人文性（Arts）”提前而成为A-STEM教育，既突出人文性，又具有德育性，符合我国国情与社会主义核心价值观，同时注重对于学生科学素养与问题解决能力的培养。2022年，我国《义务教育科学课程标准（2022年版）》中明确指出，要以科学思维、科学探究和实践能力、科学态度与社会责任的培养为重点，促进学习能力、创新能力的发展。在科学教育中培养学生的科学素养、实践能力和创新能力成为必然趋势，科学教育进入到第三阶段——科创教育。

我国科学教育进入科创教育阶段

科创教育是我国特有的科学教育新阶段。所谓科创教育就是一种技术密集型探究式实践的科学教育活动，科创教育的宗旨是培养创新人才。STEAM教育（也可称为A-STEM教育）强调理科工程思维的现实问题驱动性与跨学科整合性，创客教育强调数字化创造能力培养。而科创教育是一种科学教育，受到STEAM教育与创客教育的影响，既强调实践探究与问题解决，又重视创造能力培养，肩负着培养未来创新人才的使命。

物理、化学等科学学科教育创新是科创教育的重要场域，现代学科教育出现了新的形态——计算。比如，现代物理教育包括实验物理教育、理论物理教育和计算物理教育，其中所谓计算物理教育是指以普适计算和物理学为载体，以提升学生核心素养和创新力为目标开展的跨学科教育活动[1]。因此，可以从泛在感知和普适计算环境下开展科创教育实践开始，深入探索如何充分发挥学科育人功能的问题。北京师范大学项华教授及其团队在近二十年的教学实践中，先后开设“信息技术与中学物理教学整合”“物理现代教育技术研究”和“A-STEM创客教育与教学”课程，聚焦学科应用教学和创新型人才培养，将物理教育、信息技术、人文学科、工程加工、创新创业等内容进行融合，探索出了一种学科教育创新方法——S-3PBL科创教育模式。

S-3PBL科创教育模式

在学科教育中如何贯彻科创教育理念，培养创新型人才呢？S-3PBL科创教育模式为科创教育实施提供了一种方法，弥补了科学教育的跨学科性、实践性不足的问题。S-3PBL科创教育模式是在项目式学习和问题式学习的基础上发展而来的，相较于传统教学模式，具有学习情境真实、学习内容综合、学习方式多样、学习手段数字化等特征。项目式学习（Project-Based Learning）是未来主流的教学方式，是以真实项目为基础，要求学生运用多种方法和技能解决一系列问题，进而完成最终项目的一种教学模式。问题式学习（Problem-Based Learning）起源于西方20世纪60～70年代的医学教育领域，是一种情境化的、以学生为中心的教学方法。前者强调作品制作的综合能力培养，而后者强调问题解决能力培养。随着第四次工业革命以及智慧社会的到来，聚焦创新人才培养，又发展出基于产品驱动的项目式学习（Product-Based Learning），进一步增强学生的参与度。于是，S-3PBL科创教育模式应运而生，包括三种变式：问题驱动式科创教育模式、项目驱动式科创教育模式和产品级作品驱动式科创教育模式，分别适用于学科概念教学、综合能力培养和创新创业教育等教学场景。

S-3PBL科创教育模式下的学科教学问题来自于学科课程内容或真实的社会性问题，其实施过程需要学科理论工具、数字化工具和实物工具的支持，合作、交流、共享的精神贯穿于全部教学环节。其中理论工具主要指学科专业知识和经验;数字化工具主要指传感技术、计算机技术和通信技术，具体包括LaserMaker、3D One和WU-Link等;实物工具主要指创客加工制造工具与设备，具体包括激光切割机与3D打印机等。这三种工具分别对应科学素养中的理论素养、数据素养和实验素养。采用S-3PBL科创教育模式，可以全面提升学生的科学探究能力和科学素养水平。

下面分别介绍S-3PBL科创教育的三种变式。

变式一：问题驱动式科创教育模式（S-3PBL-1）

问题驱动式科创教育模式主要是基于问题或者“问题链条”的非线性“抛锚式”教学结构，将学习设置于复杂、有意义的问题环境中，让学习者通过团队分工合作来解决真实性问题，在解决问题的过程中完成对知识的学习和问题解决技能的培养。教师提出复杂有意义的问题，启发学生进行微探究、微设计、微观察、微造物、微展示等，各个环节可以灵活调整顺序或进行删减，在实物工具、学科理论工具、数字化工具的支持下进行，以教师微讲授为主导，把控教学节奏，适用于物理学、医学、语言学、数学等逻辑性和结构性强的学科的知识学习。

变式二：项目驱动式科创教育模式（S-3PBL-2）

项目驱动式科创教育模式强调团体工程实践，是在调查现实需求的基础上，界定要解决的问题，确定产品或产品级作品任务，通过工程思维，不断设计与再设计方案，不断制造、调试、修改与迭代，满足用户需求，最终完成较为成熟的作品，并加以展示，产生个人或社会价值。各个环节在三种工具的支持下进行，教师通过微讲授主导，把控教学节奏。强调“学以致用”和“用以致学”，以及培养创新型人才。

变式三：产品级作品驱动科创教育模式（S-3PBL-3）

产品级作品驱动式科创教育模式是以产品或产品级作品作为驱动，学生像企业家一样组成创业团队，分析用户需求，综合考虑现实运用、课程标准和学生兴趣，灵活运用现代化工具将创意转化为真实产品，进行个性化生产和销售，解决现实世界中真实存在的问题。类似的，教师通过微讲授为学生提供一定的支持并把握节奏，整个流程同样需要三种工具支持。重点培养学生的同理心、工程思维及创新思维，其中同理心要求学生发现问题、发现需求;工程思维主要关注整个系统或流程各部分之间的优化与协调，以达到系统最优表现;创新思维要求学生发现解决问题的创新方法。学生需要综合培养这三种思维，以完成兼具创新、优化、高效特点的产品。

S-3PBL科创教育模式的课堂实施结构具备共性。以产品级作品驱动式科创教育模式在物理教育中的应用为例，该变式根据真实情境和用户体验确定产品需求，通过综合运用理论物理手段、数字化手段与实物手段来生产产品，培养学生的物理学科核心素养、计算素养与创新能力，并增强了物理教育的实践性。该变式主要包括七个环节：（1）明确企业愿景，学生自由组建创业小团队，角色分工参照企业职员结构，分为总经理、产品工程师、营销总监、设计总监、财务总监，以创业团队为抓手培养团队协作精神和集体荣誉感，将创新与创造价值相结合，让学生学会通过劳动应用知识创造财富。（2）升值低附加值产品练习，掌握数字化工具的使用方法。（3）教师为学生提供具体的目标领域，如物理教具产品、文创产品等，学生讨论确定具体的产品类型。（4）通过互联网搜索、用户访谈、产品案例分析等方式确定核心产品/服务，明确目标领域、客户群体、消费层次、产品特色、独到价值等，开发出“优、特、专”的产品。（5）制造与测试原型，在物理理论和数字化工具的支持下构建并测试模型。本环节的产品原型测试包括两个阶段，第一阶段原型测试指完成产品加工图纸设计后，在软件中模拟造物，并进行估价;第二阶段原型测试指实物加工，联系创客加工中心的老师在线演示加工过程，课堂视野从课内扩展到课外实际加工，突破校园课堂内技术及资源的限制，将线上的优势融入传统的线下课堂，还可以充分利用线上平台优势，吸引全国各地不同学科背景的教师、教研员参与，从自然科学学科到人文社会学科，无专业和年级限制。（6）通过课堂模拟产品发布会、校园集市活动、网络在线销售等环节进行产品销售，并根据用户使用反馈完成产品更新迭代。（7）反思产品价值，对最终成果进行路演展示，并申请发明专利，明确知识产权策略，与相关企业对接。针对设计理念、特色、技术要点等要素进行分享交流，加深学生对产品级作品驱动式科创教育模式的理解，并将问题解决、方案设计、产品制作等高阶认知策略和行为迁移到其余学科的学习中。需要注意，产品级作品驱动式科创教育模式关注的是学习过程和跨越一定时空的成长，应重点分享产品设计迭代流程和收获感悟。

从本质上讲，科创教育是科学教育的新阶段，是第四次工业革命的必然产物，对于人类生存与可持续发展、国家高质量发展和个人发展具有重大意义。本文提出的S-3PBL科创教育模式适用于所有学科教育创新，符合未来教育发展趋势，为一线教师提供了新的教学模式和经验。在学科教育创新中，往往需要依据具体社会性任务或者教学主要内容混合运用S-3PBL科创教育模式的三种变式开展跨学科教育活动，才能培养学生综合使用学科理论工具、实物工具或计算工具解决真实复杂问题的技能，增强学生的科技创新能力、科技创新精神和科技创新技能。

目前，面对新课标、新教材、新高考等基础教育改革，需要特别关注跨学科教育和综合使用学科理论手段、实物手段或计算手段解决真实复杂问题的技能培养，不断地完善S-3PBL科创教育模式，不断地积累实施经验。

注：本文系中国教育发展战略学会一般课题“新时代科创教育与学生创新能力发展方略研究”（课题编号：3003053）研究成果

参考文献

项华，曾子珉，刘靖怡.计算物理教育的逻辑起点、途径及未来图景[J]. 中小学信息技术教育，2022（Z1）.

中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）[M]. 北京： 北京师范大学出版社，2022.

作者单位：1.广东深圳市罗湖区教科院 2.北京师范大学物理学系