理论一种整合创客和STEM的教学模型建构研究

创客—STEM教学设计以建构主义和创新理论为依据,以“做中学”为建构途径,基于设计型学习理念的项目式学习和体验式学习开展教与学活动,提升学生开放创新意识、多元创新思维、跨学科创新能力(如图1所示)。建构主义认为,学习是学生在具备“情境”“协作”“会话”“意义建构”四个因素的学习环境中,通过新旧知识与经验相互冲突、同化与顺应构建知识体系,强调学习的主动性。创新理论是对客观事物的改变、更新、创造,提倡开放创新与共同创新,形成创新生态和扩散环境,注重创新的能动性。创客STEM教育作为创新人才培养的教学策略,秉承建构主义与创新理论的核心思想,充分发挥学生学习的主动性与能动性,致力于使学生围绕情境问题,通过同伴互助,以新的视角和思维方式在实践中探究、在探究中学习、在学习中建构,使学生具备创新创造的素养与问题解决的能力。“做中学”作为建构主义和创新理论在教育中实施的方略,以设计型学习理念为基础的项目式学习和体验式学习(Experimental Learning)形式,依据情境产生的问题和项目参与实践创作,体验创作乐趣,成为开放式创新人才培养的主要教学模式。根据上述理论与实施路径构建创客空间中创客STEM教学模型,指导创客STEM课程教学,推动创客教育和STEM教育的发展。

 

本研究依据跨学科整合取向的STEM教育课程设计观,在建构主义与创新理论指导下,对面向主题的创客教育课程设计与SCS教学方法进行改进与整合,构建如图2所示的创客—STEM教学模型。该模型以创客空间为教学环境,以培养学生创新意识、创新思维、创新能力为教学核心,以生成性教学策略组织教学活动,在通过技术支持贯穿创客—STEM教育“协作性”“跨学科”“做中学”“创新性”四个核心特征基础上,根据项目式学习和体验式学习流程将教学过程模块化,既可以在宏观上指导创客课程教学设计,也可以在微观上组织创客课程教学活动,为中学开展创客相关课程提供有效的实施路径。

 

(一)基础知识学习

创客—STEM教学模式运用技术再现生活真实情境,以头脑风暴方式从情境中生成讲演项目,借助相应开源硬件与开发平台创作集体成品,在集体创造中学习知识,形成创客文化。基础知识学习过程以技术为教与学平台,强调学生作为创造者积极主动地获取知识,教师作为设计者、引导者应促进学生有效学习,为学生有效迁移创造奠定基础。

 

1.创设情境

创客—STEM教学情境通过技术再现生活场景以引起学生学习兴趣,刺激回忆原有认知中与之匹配的内容。情境创设需满足四个要素:首先,具有一定范围与边界,使学生能够创有所依,在教师呈现的情境中选择子集;其次,涵盖必要知识与技能,情境作为学习的文化环境应容纳创客—STEM教育核心知识与技能,使学生在情境中高效学习,在学习中培植文化;再者,包含多个侧面与角度,情境中各子集可以从不同层面呈现同一问题,培养学生跨学科、多视角审查问题的能力;最后,存在未解决的问题,未解问题是创新活动的开端,是创客—STEM教育教学活动的起点。学习情境在满足上述要求的前提下,可依托技术手段融入STEM相关学科内容,将学科知识与思维注入教与学情境,体现创客—STEM教育的专业化。

2.学生生成性项目

创客—STEM教学模式要求教师根据学生的期望和需求灵活选取教学内容、呈现方式与教学顺序,激发学生对学习的渴望与创造的热情。创客—STEM教学项目源于教师呈现的真实情境,学生基于情境不同角度以头脑风暴的方式分享创意,通过同伴协商与教师指引确定讲演核心知识所依托的创新项目。

3.教师讲演

创客—STEM教学模型以半开放式教学方式,在集体项目实施过程中运用信息技术和创客教育开源硬件讲授、演示项目实施方法与过程,在操作中使学生掌握核心知识内容,为抽象的知识提供运用情境与路径。在创客空间中,学生依据集体生成性项目,以头脑风暴的方式分享实施计划、确定最佳方案,教师根据设计方案讲解、演示,学生在同步模仿中掌握知识与技能。在讲演过程中,教师需根据学生学习情况及时调整项目难度与进度,针对性地讲解学生普遍存在的问题。在这一环节中,教师应注重培养学生创新思维和STEM素养,将STEM学科知识和思维方式融入项目设计和实施的各个环节,锻炼学生在知识学习过程中以多元化的新视角系统解决问题的能力。

(二)制定评价标准

创客—STEM教学模型强调以形成性评价方式评估学生的创新意识、创新思维和创新能力,通过学生自评、同伴互评、教师评价三方面客观考核学生的学习效果。量规作为连接教学与评价的桥梁,由师生协商,从创新意识、创新思维、创新能力三个模块细化评价指标,融入合作能力与STEM素养,关注学生的动态发展。这一环节需满足两个要素:一方面,量规必须紧密围绕创新意识、创新思维、创新能力的评价核心制定、修正和完善;另一方面,评价标准的建立要体现学生意愿,增强学生自我效能感。

(三)项目创作

创客—STEM教学模型通过确定创作项目来培养学生跨学科多元思维方式与创新意识,基于项目设计方案训练学生以科学思维设计项目实施过程、预测项目结果,提升学生科学素养与创新思维,在技术支持下实施设计方案锻炼学生综合运用数学、技术知识与思维解决问题的能力,促进创新能力的发展(如图4所示)。由上述三个子集组成的项目创作过程,既是工程思想的集中体现,也是创客素养与STEM素养有机融合培育创新人才的历练场。

 

1.确定创作项目

项目创作中学生自主确定创作项目,不同于知识学习中学生生成项目,后者强调以半开放式教学形式选择项目,注重知识与技能的学习;前者主张以开放式学习形式选取项目,侧重知识运用、能力提升与素养培养。学生创作内容既可以在操作方法与项目内容层面改进教师演示项目,也可以根据生活经验选择新的项目,通过组内协商与教师指引确定最终创作项目。教师作为引导者需对各小组选题进行可行性分析,根据小组基础创设不同难度的项目,使每位学生在学习中获得新知识与技能。

2.设计项目方案

学生以科学家的思维方式,依据所选课题构思实践方案,小组讨论优化设计方案,在教师启发下完善实施方案,并综合分析潜在方案的复杂程度、可行性、绩效等因素确定最佳方案。该过程通过自主设计方案培养其发散思维、直觉思维、逻辑思维,经由小组协商提升学生辩证思维与横纵思维水平,使创新思维与科学思维有机融合。

3.实施设计方案

该环节注重技术运用,强调学生在创客空间中综合运用信息技术与开源硬件交流协作将创意显现化。程序编写不仅考查学生基于技术知识与思维处理问题的娴熟程度,也锻炼学生应用数学知识与思维计算预测物理模型速度、距离、大小等程序参数的逻辑思维与纵向思维。模型构建是通过形象思维将抽象的物理设计转化为形象的实物作品,训练学生模型组建技术。程序测试通过局部迭代循环检验、修正程序编写与模型组建以提升创新能力。

4.成果展示与评价

成果展示以师生提问、小组解答的问—答形式展开,在全面感知小组作品的基础上,通过组内自评、组间互评和教师评价的多元主体参与对学生学习进行客观评价。其中,组内自评包含自我评价与同伴互评,针对成员创新意识、创新思维、创新能力相关指标及参与、贡献、合作、成果等方面进行综合评测;组间互评是对小组作品设计的新颖性、功能性两方面的评价;教师是对小组作品创新性及成员在创作过程中进步、参与等表现进行评估,三者按权重计算得出的成绩即为学生该项目的总成绩。

创客—STEM教学模型体现了学生是课堂的主体与中心,以学生的视角和期望制定教学内容、设计教学活动。该模型基于创客—STEM教育核心特征设计教学,注重技术在教与学过程中的引导、支持与变革作用,将STEM知识与素养、创客素养融入迭代探究的过程(如图5所示),使学生以专家思维思考解决问题的策略,形成专家思维模式。

创客—STEM教学模型在建构主义与创新理念的综合驱动下形成符合学生认知水平、认知过程的学习进程和包含目标、教学(教学策略、教学媒体)、评价的教学系统,通过技术创设连接教与学的学习资源并支持创造环境。知识是迸发灵感的前提,顺畅的开发过程必然以牢固的基础知识为保障,量规作为连接知识学习与项目创作的纽带,既是对前者演示项目的总结,也是对后者设计开发的展望,评价代表一轮创作的终点与下轮创作的起点,依据量规评价创作成品,通过部分间迭代循环修正、完善评价指标与产品制造流程。知识融于具体情境,学生依据情境自发生成项目符合其认知水平,教师按照学生思维方式演示创作项目,使学生在情境中培养创新意识与创新思维,在演练中学习知识与技能。项目创作是创客—STEM教学模式的核心,起始于确定创作项目,通过小组协商设计实施方案以指导产品创造的实践过程,通过模块间迭代循环锻炼学生科学系统思维与创新解决问题能力。在演练教授与创造学习过程中融入技术元素,增强创客—STEM教学模式内聚耦合度,达到培育学生开放创新意识、多元创新思维、跨学科创新能力的教学目标。

创客教育是信息技术在“互联网+”时代催生的新型教育形态,依托信息技术与开源硬件构建的创客空间,为学生实践操作、合作共享、创意创新营造开放可实施的环境,与STEM教育相融合使学生在创作中促进全人发展,已成为中小学信息技术课程变革的发展方向。目前,我国创客教育推进过程面临两大困境:一是将创客教育定位为产出创作成品,重点关注具有潜力的少数人,违背创客教育初衷;二是缺少创客课程开展的有效教学指导,传统讲授—模仿式实验课程形式阻碍提高学生创新能力,不符合创新人才发展标准。将STEM教育拆分为科学、技术、工程、数学的独立课程形式,不利于提升学生多视角、跨学科思维与问题解决能力。创客—STEM教学模式以建构主义和创新理论为指导思想,以“做中学”为连接桥梁,通过基于设计型学习理念的项目式学习和体验式学习实施方略,培养学生开放创新意识、多元创新思维、跨学科创新能力,既为创客教育和STEM教育在教学操作层面提供指导,也为创客教育成为面向全体学生的大众教育提供实现路径,使STEM教育跨学科的过程理念与创客教育创新的结果理念有机融合,促进过程学习与成品制作协调发展。在创客教育视野下,STEM教学运用技术手段培养学生创客素养与STEM素养,或将成为21世纪创新人才培养的重要方式。

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