STEAM与创客教育整合课程体系研究——以小学科学为切入点 [复制链接]

   近年来，我国STEAM与创客教育获得快速发展，相应的技术环境业已基本成熟，但相关的优质课程、有效模式还相对比较欠缺，难以充分发挥这些技术环境的效能。课程是实施STEAM与创客教育的重要载体，没有优质的课程，就很难有优质的STEAM与创客教育。本研究通过在北京、深圳、湖北武汉、云南沧源等地开展STEAM与创客教育的实施现状调研，结合相关文献研究成果，认为当前STEAM与创客教育课程建设存在的问题主要有：

①软硬失调。

   一方面，STEAM课程大多是从以手工制作为特色的综合实践活动类课程发展而来，在内容上尚未重视工程实践的方式和流程。技术和工程离不开对硬件设备、器械的操作与使用，但在现有的STEAM课程实践中，技术和工程往往被弱化为吸管、纸张、胶带等简易的手工材料。由于材料的限制和手工操作的误差极易导致创作出来的产品粗糙，且成型后不支持多次修改，故无法做到持续的迭代优化，而迭代优化是工程实践不可缺少的环节。以上这些现象，暴露了STEAM在教学实践中没有充分利用技术工具、对工程实践过程不够重视等问题，这些问题可被称为偏“软”。

   另一方面，在学校教育中，创客教育与通用技术教育、信息技术教 育有密切联系，且在惯性的作用下，往往对技术环境比较关注，因而一些创客课程比较重视教给学生编程的规则、建模软件使用或控制机器人运动的方法等。至于如何整合多学科知识、利用技术工具解决真实情境下的复杂问题，学生并没有多少经验。更有甚者，一些标榜“做中学” 的创客课程在具体实施的过程中常常陷入有“做”无“学”的尴尬窘境。过分关注技术的炫酷、 缺乏科学的教育设计、缺乏基础性学科知识的融合注入，使得创客教育变成学校秀场，并出现了泡沫化苗头。之所以产生这些问题，很重要的一个根源在于创客课程没有将技术应用的多学 科知识背景融入课程设计。创客课程侧重软硬件技术操作、但对多学科知识融入不够等问题，可被称为偏“硬”。

②标准缺位。

  现阶段我国没有STEAM和创客教育的课程标准，课程设计者往往依据个人观念和经验来确定教学目标、选择教学内容、设计评价方式，这样产出的课程往往带有很强的主观性，在实施过程中容易造成学生成长、发展的偶然性和学习结果的不确定性。此外，由于课程编制没有依据或参照相关学科的课程标准，导致其难以融入学科日常教学，并被隔离在主流的学科教学之外，不利于常态化发展。

③不成体系。

  当前，STEAM课程和创客课程面临的共同问题主要有：各主题或各类型课程之间的联系不紧密，在知识结构上不成体系。正如杨彦军等指出，各级各类学校使用或开发的STEAM课程大多是校本课程，内容存在不同，尚未形成一套系统衔接各个学段的中小学STEAM课程体系——创客课程也存在类似的问题。目前，创客课程的开发还处于各级各类学校的自主动作和社会机构的商业探索阶段，各课程体系之间不具有衔接性与延续性，这样的课程使学生习得的创新技能与知识之间可能存在重合或割裂。

   此外，尽管有些课程在开发时考虑了学生的年级和认知水平，但不同年级的课程之间关联不强，低年级课程还不能为高年级课程的学习奠定必要基础。显然，零散的课程在教学实践中难以持续促进学生知识、能力和素养的提升。

STEAM与创客教育整合的可行性分析

1.目标相通为两者整合提供了方向指引

  STEAM 与创客教育虽然产生的背景不同、侧重点不同，但两者并非是完全不同的教育形态，而是有相通之处：两者均被认为是培养学生问题解决能力和“4C能力”的有效载体，即两者在问题解决能力和“4C能力”培养目标上具有一致性。具体来说，STEAM以人文为底蕴，将科学和数学相融合，并利用技术和工程促进问题解决；而创客教育提倡将创意想法转变为产品，从某种程度上来说这也是一个问题解决的过程。在培养学生的批判性思维、沟通能力、协作能 力方面，赵慧勤等认为基于STEAM理念开发的创客课程是培养“4C 能力”的重要教育载体。而在培养学生的创新创造能力方面，王旭卿认为，STEAM与创客教育的融合将带来中小学生创新意识培养和实践能力提升的新增长点。可以说，在能力目标导向下，STEAM与创客教育整合的方向变得更加清晰、明朗了。

2.两者特征与优势互补促进了问题调和  

  本研究认为，STEAM跨学科知识整合的特征和创客教育软硬件技术操作的优势相结合，恰好能调和彼此在实践过程中所面临的“软硬失调”问题：STEAM强调的多学科知识能够调和创客教育实践中存在的偏“硬”问题，而创客教育的技术实践能够调和STEAM实践中存在的偏 “软”问题。至于两者优势互补的潜能，孟红娟等认为STEAM与创客教育的整合一方面可以使脱胎于通用技术与信息技术教育的创客教育走进学科教学，实现信息技术与学科教学更进一步的跨学科融合；另一方面可以为STEAM教育提供一个有力的技术杠杆，使其在具有综合性的工程实践中真正实现跨学科教学。而王旭卿认为，创客教育的数字技术与文化氛围将丰富、优化STEM教育的内容和手段，STEM教育的跨学科综合理念、基于项目或问题的教学方法则将使创客活动更符合学校教育和人才培养的需求。

3.参照课标为两者常态化实施提供了有效依据

  STEAM与创客教育整合的最终目的，是实现两者在学校教育中的普及与常态化。在当前分科教学仍处于主导地位的情况下，STEAM与创客教育整合课程如何融入学科教学便成为了一个关键问题——这也就意味着STEAM与创客教育整合课程的设计与开发必须与具体的学科课程标准相结合。在此背景下，多学科课程标准成为了STEAM与创客教育整合课程设计时的重要参照，其中尤以我国的《义务教育小学科学课程标准》和美国的《下一代科学教育标准》（Next  Generation Science Standards）最为重要：前者倡导跨学科学习方式，建议教师在教学实践中贯彻STEM的教育理念，并对工程实践给予前所未有的关注；而后者从科学与工程实践、跨学科概念、学科核心知识三个维度阐明了对学习者在科学教育之学业行为表现上的期望，它是STEM教育长期实践的经验总结，并在“工程实践”的创新理念中彰显出了创客教育的浓郁特色。参照课程标准设计的整合课程不仅能与学校的学科课程内容相互补充、拓展学科教学的内容与方式，使其更易于纳入学科教学常态化开展，而且有助于扩大整合课程的知识点覆盖面。

面向小学科学构建 STEAM 与创客教育整合课程体系

1.整合课程体系新思路的提出  

  为解决STEAM与创客教育课程内容分散、不同年级的课程之间不具有衔接性与延续性等问题，本研究提出要构建STEAM与创客教育整合课程体系，思路如下：

  ①理想情况下，整合课程贯穿于不同学段，不仅能解决某一学段内不同年级之间的课程连贯性衔接性问题，而且能兼顾不同学段之间的课程延续性问题。但由于构建一个贯穿于小、初、高不同学段的课程体系是一项庞大的工程，难度太大，故本研究暂且聚焦于小学阶段的整合课程体系构建。

  ②考虑到在实践层面，目前仍然处于实验阶段的STEAM和创客教育难以在语、数、英等主科教学中常态化开展，而在科学学科教学中有较强的可操作性；加上从培养学生的问题解决能力这一角度出发，STEM教育理念能较好满足科学教育的目标，故本研究将科学学科作为STEAM与创客教育整合课程体系构建的切入点。最终，本研究确定了面向小学科学构建STEAM与创客教育整合课程体系的思路。

2.横向、纵向两个维度的确定  

  从实现课程体系之衔接性与延续性的角度出发，本研究提出从横向、纵向两个维度来设计STEAM与创客教育整合课程体系：

  ①横向维度关注如何将同一学段的STEAM知识与创客技术工具进行整合的问题，这就需要分别明确特定的STEAM知识领域和典型的创客技术环境，形成一个平面化且具有交叉性的课程网络，使同一学段的学生能利用创客技术工具，更好地学习STEAM知识。

  ②纵向维度关注如何依据不同学段学生的心理特征尤其是其认知特点，实现不同年级之间的整合课程在知识和技术层面的螺旋上升问题，这就需要参照学科课程标准和创客技术工具的难度分层，由浅入深地设计整合课程的内容，使不同年级的学生能够持续、进阶地学习多学科知识，并掌握创客技术工具的相关操作技能。

3.整合课程体系的设计

  根据上述STEAM与创客教育整合课程体系的思路，本研究从横向、纵向两个维度设计了面向小学科学的STEAM与创客教育整合课程体系。

（1）明确整合的知识领域与技术环境

  在 STEAM 知识领域方面，本研究以2017 年教育部印发的《义务教育小学科学课程标准》为主要参考，将科学内容划分为物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四大领域。而在创客技术环境方面，本研究依据 Martinez 等的观点，将典型的创客技术环境分为三种类型：

  ①制造技术（Fabrication），允许学生设计和建造真实世界的物质对象；在创客教育的实践中，3D 打印和激光切割都是其典型代表。

  ②物理计算（Physical Computing），是通过软硬 件对现实世界进行感知和交互的系统；在创客教育的实践中，有可编程机器人、树莓派、Arduino、 micro:bit、掌控板等。

  ③智能编程（Programming），是通过编程将抽象思维外显，以帮助学生学习；在创客教育的实践中，有Logo、C++、Java、Python、Kitten 等编程语言。智能编程和物理 计算的区别，主要在于智能编程是一种编程环境，不需要外接电子设备，作品形式是小游戏、小动画；而物理计算通过编程和外部电子设备交互，需要连接电子硬件、机器人等外部设备。

（2）明确整合的原则

  由前文可知，整合主要就是对STEAM学科知识领域和创客技术环境的整合，据此本研究将整合的原则确立为：整合课程需同时包含STEAM端的元素和创客端的元素，至于两端各包含多少种元素则不做限定。例如，整合课程既可以是STEAM 端的一个知识领域与创客端的一类技术环境的整合，也可以是STEAM端的三个知识领域与创客端的两类技术环境的整合。根据此原则，本研究对STEAM端的四个知识领域与创客端的三类技术环境进行了任意组合。按照如公式（1）所示的计算方法，本研究共得105 种组合。

  需说明的是，这105种组合只是一种大的分类框架下形成的组合，实际存在的组合数量远多于此。就创客技术环境而言，每一类下又包含多种具体的技术类型，如制造技术包括3D打印、激光切割等。另外，跨学科内容也并不局限于科学中的四大知识领域，同一年级的其它学科如数学、信息技术、通用技术等方面的知识也需要考虑，只是不作为本研究知识领域分类的依据。

（3）在整合的基础上加入年级水平

  本研究用X轴代表创客技术环境，且其下含的制造技术、物理计算、智能编程分别用X轴上的一个坐标表示；用Y轴代表STEAM知识领域，且其下含的物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程分别用Y轴上的一个坐标表示。由X轴和Y轴组合形成的平面，是在横 向维度上对课程知识领域与技术环境的整合。在此基础上，本研究加入年级水平，并用Z轴代 表知识和技术难度，且其下含的三个年级段分别用Z轴上的一个坐标表示，以实现纵向维度上的课程整合。由此，本研究构建了一个立体化的面向小学科学的STEAM与创客教育整合课程体系，如图 1 所示。

1.png(69.18 K)

2022/4/11 7:51:44

  考虑到不同年级知识和技术的难易程度，本研究将小学6个年级分为三个年级段，即一、二年级为低年级段，三、四年级为中年级段，五、六年级为高年级段。由图 1 可以看出，随着 年级段升高，知识和技术难度也在升高。就升级依据而言，知识难度的升级主要参考我国的《义务教育小学科学课程标准》和美国的《下一代科学教育标准》，这两个标准均根据不同年龄段学生的认知特征、各知识点在学科知识体系中的位置，面向不同年级安排相应的知识内容。而技术难度的升级，目前尚没有可供参考的相关技术标准，但可根据技术学习和使用的难易程度将其对应到不同年级段：容易学习、上手操作的技术对应到低年级段，学习和操作均有一定难度 的技术对应到中年级段，而学习难度大、操作起来困难的技术对应到高年级段。以制造技术中的3D打印为例，其实现方式有两种：一种是利用打印笔进行打印，这与利用彩笔作画相似，所画即所得，非常直观，操作也很简单，故学习和拓展的技术内容有限，可用于低年级段教学；另一种是利用建模软件先建模后打印，这需要学生具备一定的计算机软件操作基础和空间想象能力，而要想掌握建模软件的各种操作，就需要大量的学习，故能拓展的内容非常丰富，可用于高年级段教学。需注意的是，对每一种创客教育技术环境的学习和使用都要考虑学生已有的先验知识水平，按照从易到难的顺序逐步进阶。

STEAM与创客教育整合课程体系的实践应用

  本研究以促进核心素养发展的STEM系列课程为案例来源，从中挑选出8门较有代表性的、 面向小学科学的STEAM与创客教育整合课程案例（刊载这8门案例课程的教材均已由湖北科学技术出版社出版），具体如表1所示。在这8门案例课程中，有1门适用于小学一、二年级，有4门适应于小学三、四年级，有3门适应于小学五、六年级；课程的内容领域主要是物质科学，技术环境类型主要是物理计算。

1.png(80.52 K)

2022/4/11 7:51:44

结语

  本研究提出的STEAM与创客教育整合课程体系覆盖小学全学段，不仅可为小学学段整合课程的落地实施提供参考，而且可为初中、高中学段整合课程体系的设计提供指导。STEAM与创客整合课程体系以融合STEAM知识领域与创客技术环境为主要设计思路，有助于调和教育教学实践中STEAM偏重多学科知识传授而忽视工程实践、创客教育专注技术操作而忽视学科知识基础的问题。此外，STEAM与创客教育整合课程体系是参照相关的课程标准、分年级段而 设计，内含横、纵两个维度和X、Y、Z三条轴线，体现了课程体系的衔接性与延续性，并为课程开发者提供了一个知识与技术融合的指导框架和一套立体化、体系化的课程构建方法。但是，STEAM与创客教育整合课程体系的实践应用才刚刚开始，而大规模、标准化的课程实施效果测 评尚未进行。因此，下一步研究将开展系统化的测评工作，测量学生的学业表现、问题解决能力和“4C能力”；同时，将采用访谈和质性分析的方法收集师生反馈信息，从课程设计、教学支持、学习测评三个方面协同推进STEAM与创客教育课程的深度整合与落地实施。

文章来源：现代教育技术