基于STEM的大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)

吳永和　李若晨　王浩楠　張?zhí)鹛?/p>

摘要：跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力是21世紀(jì)學(xué)習(xí)的重要能力。我國目前已有各式比賽和項目為大學(xué)生實踐創(chuàng)新提供動力，日常學(xué)業(yè)為大學(xué)生實踐創(chuàng)新提供思想和技能基礎(chǔ)；相較于豐富的比賽和項目建設(shè)，國內(nèi)大學(xué)的日常課程建設(shè)中對學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究相對薄弱。如何設(shè)計具有可復(fù)制性的大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，目前成為高等教育研究者和實踐者熱議的話題。STEM教育注重過程和實踐，強調(diào)創(chuàng)新思維與能力，是培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的一種重要方式。結(jié)合STEM教育理念，將R語言與3D打印應(yīng)用于高等數(shù)學(xué)教學(xué)的探究實驗，驗證了計算機輔助工具及STEM教育實踐活動對大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)和學(xué)習(xí)興趣提升的正反饋作用，這為探究大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了有效的參考。

關(guān)鍵詞：STEM教育；跨學(xué)科；實踐創(chuàng)新；能力培養(yǎng)；實證研究

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-5195（2018）05-0077-10 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2018.05.009

一、引言

著名的“錢學(xué)森之問”對學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)造性人才的模式提出了嚴肅拷問。創(chuàng)新是一種發(fā)散性的高階思維能力，是國家和社會發(fā)展的核心動力（林金輝，1995）。跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力和問題解決能力是21世紀(jì)學(xué)習(xí)的重要能力（Fadel et al.，2012）。近幾年，跨學(xué)科實踐創(chuàng)新獲得相當(dāng)高的關(guān)注度，在心理、經(jīng)濟、數(shù)學(xué)及其他學(xué)科，已變成了最重要的研究方向（Abdulla et al.，2017）。高等教育被廣泛認為是推動創(chuàng)新的最重要途徑。1998年，聯(lián)合國教科文組織發(fā)布《21世紀(jì)的高等教育宣言》，將“創(chuàng)業(yè)技能和創(chuàng)業(yè)精神”作為高等教育的基本目標(biāo)。

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的有機整合，是一個多學(xué)科交融的領(lǐng)域，強調(diào)學(xué)生在“雜亂無章”的學(xué)習(xí)情境中獲得設(shè)計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力的提升（趙中建，2012）。美國將STEM教育作為國家的教育發(fā)展戰(zhàn)略，近30年的STEM教育經(jīng)驗表明，其為增強國家競爭力做出了突出貢獻。2015年政府工作報告中，李克強總理提出“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”，突顯國家對創(chuàng)新人才的迫切需求。STEM教育注重過程和實踐，強調(diào)創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)，其理念對培養(yǎng)大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力具有重要作用。結(jié)合STEM理念，將R語言與3D打印等計算機輔助工具應(yīng)用于高等數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，是對信息化技術(shù)與教學(xué)融合推動創(chuàng)新發(fā)展的有力探索。

二、研究概況

1.概念界定

創(chuàng)新能力從詞源上看，是指在原本一無所有的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造出新東西。美國心理學(xué)家麥金農(nóng)（Mackinnon，1965）認為真正的實踐創(chuàng)新能力應(yīng)當(dāng)同時滿足三個條件：新穎而不常見、適應(yīng)性或現(xiàn)實性、具有獨到的洞察力。美國心理學(xué)家戴維斯等（Davis et al.，1971）認為：創(chuàng)新能力是發(fā)展自己的天賦，使自己變成一個能發(fā)現(xiàn)新領(lǐng)域、創(chuàng)造新思想、解決疑難雜癥的有創(chuàng)新能力的人。德國心理學(xué)家海納特（1986）則認為，創(chuàng)新能力是一種能力、力量和才能。朱智賢在《心理學(xué)大詞典》中把創(chuàng)新能力定義為：“根據(jù)一定目的和任務(wù)，運用一切已知信息，開展能動思維活動，產(chǎn)生出某種新穎、獨特、有社會或個人價值產(chǎn)品的智力品質(zhì)，這里的產(chǎn)品是指以某種形式存在的思維成果。它既可以是一種新概念、新設(shè)想、新理論，也可以是一項新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品。” （朱智賢，1989）

所謂大學(xué)生的跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力，就是指大學(xué)生在各種類型的創(chuàng)造活動中，憑借個性品質(zhì)的支持，利用已有知識和經(jīng)驗，新穎而獨特地解決問題，產(chǎn)生出有價值的新思想、新方法和新成果的本領(lǐng)（金盛華，1992）。大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，就是一種在多學(xué)科融合下，對創(chuàng)造性思維、發(fā)現(xiàn)及解決問題的能力以及創(chuàng)造性想象力等方面的培養(yǎng)過程。

2.研究現(xiàn)狀

2015-2017連續(xù)3年的《地平線報告》高等教育版中，均將推進創(chuàng)新文化作為高等教育未來4-5年的長期發(fā)展趨勢之一（The New Media Consortium，2015；2016；2017）。如今，大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的焦點。理論層面，Chaffee（2001）提出了五種實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，包括構(gòu)建創(chuàng)造性環(huán)境、開發(fā)腦力資源、促發(fā)創(chuàng)新性靈感、預(yù)留創(chuàng)新思維沉淀時間以及跟蹤和把握創(chuàng)新靈感等；Jiang等以TRIZ理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了以知識型教學(xué)模式為基礎(chǔ)、以創(chuàng)新實驗為主的TRIZ-CDIO教學(xué)模式（Jiang et al.，2014）。方法層面，Cremin探究了教學(xué)方法對大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的影響（Cremin，2006）；Lewis等（2014）通過實驗驗證了高校創(chuàng)新型課程的有效開展與學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)成正相關(guān)關(guān)系。實踐層面，美國在大學(xué)中積極推進探究型學(xué)習(xí)，開設(shè)大量創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，以培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)造力，并通過完善的法律體制、良好的融資環(huán)境為大學(xué)生初期創(chuàng)業(yè)護航；法國重視“多樣化”教育改革，發(fā)掘每一個學(xué)生獨特的創(chuàng)新和實踐能力（Cross et al.，1967）；英國通過“青年創(chuàng)業(yè)計劃”和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等為學(xué)生提供政府支持（閆佳祺等，2015）；德國創(chuàng)建了完備的創(chuàng)新教育體系，從小學(xué)到大學(xué)均開設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相關(guān)課程，并通過項目促進高校學(xué)生進行創(chuàng)新實踐（別敦榮，2009）。

我國目前已有各式比賽和項目為大學(xué)生實踐創(chuàng)新提供動力，日常學(xué)業(yè)為大學(xué)生實踐創(chuàng)新提供思想和技能基礎(chǔ)。相較于豐富的比賽和項目建設(shè)，國內(nèi)大學(xué)的日常課程建設(shè)中對學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究相對薄弱，龐大的學(xué)生基數(shù)、不均衡的師資力量導(dǎo)致了大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的兩極分化。在我國，大學(xué)生的智力發(fā)展處中等偏上水平，但實踐能力和創(chuàng)造力并不如人意（王漢清等，2005）。為解決這一問題，楊艷平、孫波等構(gòu)建了多元人才素質(zhì)評價體系，將實踐創(chuàng)新能力納入大學(xué)生素質(zhì)評價之中，以變革傳統(tǒng)的應(yīng)試導(dǎo)向（楊艷萍，2001；孫波等，2007）；胡愛祥等提出要將實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入課堂之中，在教學(xué)中鼓勵學(xué)生進行自主探究和獨立思考（胡愛祥等，2011）；周峰提出要重視學(xué)科之間的聯(lián)系，培養(yǎng)現(xiàn)代社會復(fù)合型人才，同時尊重學(xué)生的個性差異，鼓勵學(xué)生個性化發(fā)展（周峰，2014）；方法林探索了大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)路徑（方法林等，2017）；張錚指出體驗式教學(xué)對大學(xué)生實踐創(chuàng)新思維培養(yǎng)有幫助作用，強調(diào)了在教學(xué)中增加實踐探究模塊的必要性（張錚，2017）；陳潔茹、符繁榮、鄧劍勛等均提出要構(gòu)建完善的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系（陳潔茹，2018；符繁榮，2018；鄧劍勛等，2018）。

如何設(shè)計具有可復(fù)制性的大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，成為高等教育研究者和實踐者共同探討的熱點話題。互聯(lián)網(wǎng)時代，STEM教育和創(chuàng)客運動已日漸興起，每個人都可以利用身邊的軟硬件和社區(qū)資源將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實，并通過網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)快速共享。STEM教育整合多個學(xué)科的優(yōu)勢和特點，利用3D打印技術(shù)和相關(guān)軟硬件將創(chuàng)新和實踐有機結(jié)合的方法，給當(dāng)代大學(xué)生的跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了新的且可實現(xiàn)的思路。

3.STEM教育研究現(xiàn)狀

STEM是一種多學(xué)科整合的課程設(shè)計，目的是不僅讓學(xué)生意識到學(xué)科間的相互關(guān)系，也能夠使學(xué)生學(xué)會知識的實踐應(yīng)用（Herschbach，2011）。它是一種借助項目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)綜合型人才的教學(xué)策略，強調(diào)以真實問題為導(dǎo)向，旨在培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、團隊合作能力、設(shè)計能力和實踐創(chuàng)新能力（鐘柏昌等，2014）。

STEM教育使學(xué)生從知識的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的創(chuàng)造者，對培養(yǎng)跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力有著關(guān)鍵性作用（The White House Office of the Press Secretary，2016），一經(jīng)提出就被各國研究者和教育者所重視，并延伸出STEAM（STEM融合藝術(shù)Art）、STEMx（STEM整合更多學(xué)科）等多種教學(xué)模式。2013年新媒體聯(lián)盟地平線報告指出了包括3D打印技術(shù)在內(nèi)的可支持STEM+教育的一些技術(shù)應(yīng)用（Johnson et al.，2013）。2016年9月，美國研究所與教育部聯(lián)合發(fā)布了《STEM 2026：STEM 教育中的創(chuàng)新愿景》報告，提出了六大愿景和八大挑戰(zhàn)（金慧等，2017），奠定了STEM教育在K-12和高等教育中的重要戰(zhàn)略地位。STEM課程理論基礎(chǔ)方面，Georgette Yakman等提出了STEAM課程的五層模型，從下至上依次為具體學(xué)科、特定學(xué)科、STEM學(xué)科融合、多學(xué)科進一步融合、整體融合（Yakman，2014）。實踐方面，美國北卡羅來納州開設(shè)了STEM學(xué)校，通過STEM整合課程內(nèi)容，開展項目式學(xué)習(xí)（李謙等，2014）；Marina等通過在線平臺開展STEM教育，并為STEM教師培養(yǎng)提供了有效課程（Micari et al.，2016）。評價方面，美國國家教育進步評價項目（NAEP）研發(fā)了STEM教育中技術(shù)和工程能力培養(yǎng)的評價框架；Rich等構(gòu)建了為STEM教育提供學(xué)習(xí)和評價功能的ACT Aspire在線評估系統(tǒng)（Rich et al.，2016）；Shi Jer Lou等人結(jié)合STEM設(shè)計了培養(yǎng)高中學(xué)生團隊合作意識和實踐能力的基于項目的學(xué)習(xí)（Lou et al.，2011）；Mike 與Dori設(shè)計了融合高中微積分、技術(shù)和工程的STEM項目，通過這個項目學(xué)生可以更加深刻地理解工程和技術(shù)的關(guān)系，團隊協(xié)作能力得到提升（Berkeihiser et al.，2013）。

在我國，STEM在中小學(xué)教育中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。樸美善論述了STEM教育對創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的積極作用（樸美善，2014）。余勝泉等指出跨學(xué)科性、趣味性、體驗性、情境性等STEM 教育具備的新的核心特征對綜合型人才培養(yǎng)的作用，包括靈活的知識探索、積極的情感體驗等，著重強調(diào)要跨越學(xué)科界限提高學(xué)生解決實際問題的能力（余勝泉等，2015）。蔣志輝等指出，STEM教育提高了中小學(xué)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機、學(xué)習(xí)毅力、學(xué)習(xí)能力、寫作能力、創(chuàng)造力等，最終培養(yǎng)和提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)力（蔣志輝等，2017）。STEM在大學(xué)教育中的應(yīng)用研究較少，但其教育理念，與大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求是相一致的（如圖1）：科學(xué)注重知識應(yīng)用，技術(shù)強調(diào)方法革新，工程注重實踐應(yīng)用，數(shù)學(xué)強調(diào)邏輯思維，這些綜合在一起構(gòu)成了大學(xué)生的跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力。

STEM 教育打破了學(xué)科間的界限，為培養(yǎng)綜合型人才提供了基礎(chǔ)；通過基于項目的實踐學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生主動探索知識、創(chuàng)造知識；從學(xué)生與擬真情境中的問題互動出發(fā)，實現(xiàn)知識的社會化運用。這為培養(yǎng)大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新思維能力提供啟發(fā)：以單一學(xué)科為基礎(chǔ)，融合多學(xué)科知識和理念，通過3D打印等方式引導(dǎo)大學(xué)生將書本上的知識和實踐結(jié)合起來，從而在課程教學(xué)中潛移默化地培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和能力。

研究團隊已有較好的基礎(chǔ)，如開設(shè)“創(chuàng)客教育與3D打印教育應(yīng)用（研究）”的研究生和本科生課程，從研究實踐的角度探索了STEM教育開展和應(yīng)用的有效路徑，且之前已在課程開展過程中探究并發(fā)表了相關(guān)文章（Wang et al.，2016；吳永和等，2017）。

三、研究工具及實踐活動

為探索基于STEM教育的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式，筆者團隊設(shè)計了R語言與3D打印相結(jié)合應(yīng)用于高數(shù)學(xué)習(xí)的工具，并開展了STEM教育實踐活動。以大學(xué)生高等數(shù)學(xué)的函數(shù)學(xué)習(xí)為中心，結(jié)合開源軟件R語言和3D打印技術(shù)，通過對“函數(shù)”這一數(shù)學(xué)概念的科學(xué)原理探究和工程原型實現(xiàn)，初步實現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)多個維度的融合，在此基礎(chǔ)上，旨在嘗試挖掘一種提升大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的可行方式。

1. R語言與3D打印相結(jié)合的高數(shù)應(yīng)用流程

為保證R語言與3D打印相結(jié)合的高數(shù)應(yīng)用STEM教育實踐活動的科學(xué)性和有效性，使其能有序地開展，研究團隊設(shè)計了如圖2所示的實踐活動流程。

2.活動設(shè)計及實現(xiàn)

以下是以高等數(shù)學(xué)中典型的馬鞍面和拋物面函數(shù)為例，結(jié)合R語言的r2stl工具包和3D打印技術(shù)來具體呈現(xiàn)其在三維函數(shù)和幾何上的應(yīng)用及其實現(xiàn)效果。

（1）馬鞍面的實現(xiàn)

①數(shù)學(xué)函數(shù)

已知ax2-by2-cz=0，x∈[-10，10]，y∈[-10，10]（a，b，c為常數(shù)，且均不為0）

②R語言代碼

x <- seq（-10，10，length= 100）

y <- x

f <- function（x，y） {x^2-y^2}

z <- outer（x，y，f）

r2stl（x，y，z，filename=“d：//maanmian.stl”， show.persp=TRUE）

③繪圖及打印效果圖

（2）橢圓拋物面的實現(xiàn)

①數(shù)學(xué)函數(shù)

已知ax2+by2+cz2=m，x∈[-10，10]，y∈[-10，10]（a，b，c，m均為常數(shù)，且均不為0）

②R語言代碼

x <- seq（-10，10，length=100）

y <- x

f <- function（x，y） { sqrt（100-x^2-y^2） }

z <- outer（x，y，f）

r2stl（x，y，z，filename=“d：//tuoyuanpaowumian.stl”，show.persp=TRUE）

③繪圖及打印效果圖

綜上所述，筆者團隊依托R語言和3D打印技術(shù)設(shè)計開發(fā)了高等數(shù)學(xué)三維函數(shù)和幾何學(xué)習(xí)的整體流程及應(yīng)用實踐，以典型的兩個函數(shù)馬鞍面和拋物面的實現(xiàn)，用簡單易懂且操作簡便的代碼和軟件，展現(xiàn)了高等數(shù)學(xué)函數(shù)學(xué)習(xí)的另一種方法，幫助解決傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中需要耗費較大精力和時間，且效果不佳的問題，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實踐創(chuàng)新能力，改善了數(shù)學(xué)函數(shù)學(xué)習(xí)的方法，提供了更加高效的學(xué)習(xí)方式。

四、研究方法及實驗設(shè)計

本研究采用準(zhǔn)實驗研究、問卷調(diào)查和訪談法三種混合式研究方法，將量化和質(zhì)性研究相結(jié)合，從多個方面反映實驗工具及實踐活動對大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的影響。

1.準(zhǔn)實驗研究

實驗對象為華東師范大學(xué)大三年級某系本科生，共42人，隨機分為兩組：實驗組和對照組，每組各21人。他們均有一定的高等數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和基本的R語言、3D軟件使用技能，學(xué)生能力水平大致相同。本次實驗研究共實施3次，一周進行一次，每周作為學(xué)生的綜合實踐活動進行開展，3次實驗中實驗對象不變。

此次準(zhǔn)實驗研究設(shè)置了實驗自變量、因變量和控制變量。其中，自變量是學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，因變量是學(xué)生的跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力及學(xué)習(xí)興趣，控制變量是學(xué)生學(xué)習(xí)的時間。通過觀察并記錄三個變量的走向，以獲得實驗數(shù)據(jù)并進行分析。

首先，對所有實驗對象進行相關(guān)跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力前測，了解學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的現(xiàn)有水平。然后實驗組學(xué)生參與基于R語言與3D打印的STEM教育實踐活動，學(xué)習(xí)流程分為四個階段，共100分鐘，如表1所示。對照組學(xué)生不參與第三階段的學(xué)習(xí)活動，而是進行自主學(xué)習(xí)后直接填寫問卷，學(xué)習(xí)時間也為100分鐘。學(xué)習(xí)活動結(jié)束后，再一次測量學(xué)生的相關(guān)跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力。按以上步驟，在接下來連續(xù)兩周分別再實施一次實驗活動。

整個準(zhǔn)實驗研究中，實驗組學(xué)生參與基于R語言與3D打印的STEM教育實踐活動；而對照組學(xué)生不參與，采用傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式。實驗組和對照組學(xué)習(xí)實驗活動具體流程如圖5所示。

2.問卷調(diào)查

筆者團隊在基于R語言和3D打印的STEM教育實踐活動后，設(shè)計了調(diào)查問卷，調(diào)查學(xué)生對這一學(xué)習(xí)活動的態(tài)度及學(xué)習(xí)效果反饋情況。實驗組問卷包括學(xué)生對這一學(xué)習(xí)活動的興趣以及活動前后學(xué)生相關(guān)創(chuàng)新能力調(diào)查，對照組問卷僅包含學(xué)生前后創(chuàng)新能力水平。

（1）興趣態(tài)度調(diào)查問卷

為了測量學(xué)生對于這一活動的興趣，我們借鑒了情境興趣量表（Chen et al.，1999；2001）。該量表信度和效度經(jīng)檢驗后較好。我們在此基礎(chǔ)上，根據(jù)研究主題對量表進行了細微地修改，以符合基于R語言和3D打印的STEM教育實踐活動。興趣量表包含了探究意愿、喜愛程度、好奇感、注意力、挑戰(zhàn)、總體興趣度6個項目。量表采用李克特五點量表，選項依次為“完全同意”“同意”“沒有意見”“不同意”和“完全不同意”，并依次設(shè)置分值5、4、3、2、1分。通過計算各項目加權(quán)平均數(shù)（Kovárová et al. ，2011）來反映學(xué)生的活動興趣，其中i是五點量表的分值，從5到1；j是問題的序號，aij是回答第j個問題的i得分的參與人數(shù)。結(jié)果越接近5，說明學(xué)生興趣越濃厚；越接近1，說明學(xué)生越?jīng)]有興趣。

（2）跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力調(diào)查問卷

通過查閱并整理國內(nèi)外有關(guān)跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力評價方面的學(xué)術(shù)文獻及資料，綜合大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的多種定義，以及大學(xué)生學(xué)習(xí)特點，筆者團隊借鑒了Leonidas A. Zampetakis（Zampetakis，2010）提出的知識基礎(chǔ)，楊艷萍提出的創(chuàng)新測評體系（楊艷萍，2001）以及鄧成超提出的創(chuàng)新素質(zhì)評價（鄧成超，2004）中的創(chuàng)新思維能力、創(chuàng)新操作能力；孫波等提出的創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)評價體系中的操作能力、知識更新能力（孫波等，2007），融入了“威廉斯創(chuàng)造性傾向量表”中的冒險性、好奇性、想象力和挑戰(zhàn)性四項指標(biāo)（威廉斯，2003），德國心理學(xué)家海納特（1986）的創(chuàng)造性思維、解決問題能力和創(chuàng)造想象力，以及蔡離離（2013）構(gòu)建的創(chuàng)新能力評價體系。

最終，筆者團隊在分析整合各評價體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合STEM教育實踐活動的設(shè)計和開展特點，將大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的評價指標(biāo)具體化，著重測量大學(xué)生創(chuàng)新思維能力和實踐五個維度方面的能力水平，測量指標(biāo)分別為發(fā)現(xiàn)問題能力、邏輯思維能力、創(chuàng)新想象能力、批判思維能力、解決問題能力。

結(jié)合研究實際情況，研究團隊基于以上創(chuàng)新能力評價體系，修改并設(shè)計了適用于此項實驗研究的“大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力測量問卷”。問卷同樣采用李克特五點量表，選項依次為“很好”“好”“較好”“一般”和“差”，并依次設(shè)置分值5、4、3、2、1分。為了分析實驗組和對照組學(xué)生學(xué)習(xí)活動前后創(chuàng)新能力水平的差異，我們采用了均值差值和t值來反映學(xué)生活動前后的能力變化。

3.訪談法

為了深入了解學(xué)生對基于R語言和3D打印的高等數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)活動的態(tài)度和學(xué)習(xí)情況，筆者團隊隨機抽取了參與實驗的部分實驗組和對照組學(xué)生進行訪談。對于實驗組學(xué)生，訪談內(nèi)容主要涉及活動后的學(xué)習(xí)收獲及體驗、未來學(xué)習(xí)意愿、對這種學(xué)習(xí)活動的建議。對于對照組學(xué)生，主要從對傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的態(tài)度、對在高等數(shù)學(xué)中引入R語言和3D打印的態(tài)度及建議等方面進行訪談。其中每位學(xué)生訪談時間在10分鐘左右。

五、研究結(jié)果與討論

1.問卷調(diào)查結(jié)果分析

我們以問卷調(diào)查的方式調(diào)查了學(xué)生對基于R語言和3D打印的STEM教育實踐活動的興趣以及學(xué)生活動前后的跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力水平。對于跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力問卷，活動前后實驗組和對照組各發(fā)放問卷21份，3次實驗活動，共發(fā)放3次問卷。對于學(xué)習(xí)興趣問卷，發(fā)放給實驗組學(xué)生21份，共發(fā)放3次，全部回收后均為有效問卷。

（1）學(xué)生對該實踐活動具有一定的好奇感和探究意愿

實驗組問卷數(shù)據(jù)結(jié)果顯示大多數(shù)學(xué)生表示這一學(xué)習(xí)活動是新的、獨特的活動（MD=3.95，越接近5表示興趣越濃厚）。學(xué)生好奇感平均值達到3.87。同時大多數(shù)學(xué)生表示愿意探究這一活動（MD=3.29），這也與訪談結(jié)果中學(xué)生想要繼續(xù)參與活動的意愿相一致。

（2）該實踐活動可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對學(xué)習(xí)注意力有一定影響

學(xué)生對活動的喜愛程度較高（MD=3.36），對大多數(shù)學(xué)生來說，這一學(xué)習(xí)活動是一個愉快的活動（MD=3.52），學(xué)生對這一活動興趣濃厚（MD=3.51），學(xué)生覺得嘗試這一活動較為有趣，該活動可激勵、吸引學(xué)生積極參與。相對于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式下可能存在的注意力不集中問題，實驗組學(xué)生在這一學(xué)習(xí)過程中所表現(xiàn)出的注意力較集中（MD=3.55），全程較專心（MD=3.62）。如圖6所示，這一學(xué)習(xí)活動使大學(xué)生注意力不集中的問題得到了有效改善。總體而言，實驗組學(xué)生對這種將R語言和3D打印相結(jié)合應(yīng)用于高等數(shù)學(xué)函數(shù)學(xué)習(xí)的新型學(xué)習(xí)方式表現(xiàn)出了較為強烈的學(xué)習(xí)興趣，且在學(xué)習(xí)過程中較易集中注意力。

（3）該實踐活動對學(xué)生的跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力具有一定的正面影響

學(xué)習(xí)活動前后，實驗組和對照組學(xué)生分別完成了跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力測評問卷。表2、表3分別反映了對照組和實驗組學(xué)生在3次實驗中所表現(xiàn)出的跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力水平，以及具體表征指標(biāo)（發(fā)現(xiàn)問題能力、邏輯思維能力、創(chuàng)新想象能力、批判思維能力、解決問題能力）在該實踐活動前后測評數(shù)據(jù)的變化情況。其中，前測的數(shù)據(jù)顯示學(xué)生的跨學(xué)科創(chuàng)新能力水平基本一致。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，與表2中所示對照組學(xué)生前后測數(shù)據(jù)相比較：第一，表3中所示實驗組學(xué)生的前后測數(shù)據(jù)平均值的差值在邏輯思維能力（0.666>0.149）、創(chuàng)新想象能力（0.190>0.000）、批判思維能力（0.334>-0.290）、解決問題能力（0.667>0.476）方面相差較大，這反映出參與了STEM教育實踐活動的實驗組學(xué)生在其邏輯思維能力、創(chuàng)新想象能力、批判思維能力和解決問題能力等方面的變化情況。第二，表3所示的實驗組學(xué)生數(shù)據(jù)中的t值與表2中所示的對照組學(xué)生的數(shù)據(jù)也有一定的差異。由邏輯思維能力的t值（-0.770<-0.068）、創(chuàng)新想象能力的t值（-0.343<0.000）、批判思維能力的t值（-0.589<0.538）可知，表3中實驗組學(xué)生在實踐活動進行前后在邏輯思維能力、創(chuàng)新想象能力和批判思維能力方面的評測數(shù)據(jù)相差較大，反映出在三種能力方面的變化情況。而實驗組學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題能力前后測差值不是很明顯，后測標(biāo)準(zhǔn)差高于前測標(biāo)準(zhǔn)差，其中一方面原因可能是這一新型學(xué)習(xí)方式一部分學(xué)生還沒有很好地適應(yīng)。

由此可見，基于R語言和3D打印的STEM教育實踐活動對表征大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的指標(biāo)（邏輯思維能力、創(chuàng)新想象能力、批判思維能力、解決問題能力）產(chǎn)生了正面的影響。因此，這一STEM教育實踐學(xué)習(xí)活動在一定程度上對大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到了正面的促進作用。

2.訪談結(jié)果分析

為進一步了解學(xué)生對基于R語言和3D打印的高等數(shù)學(xué)STEM實踐活動的態(tài)度和感受，筆者團隊也對實驗組和對照組學(xué)生進行了訪談交流，具體結(jié)果及分析如下：

實驗組一位學(xué)生表示“數(shù)學(xué)函數(shù)好神奇，把各種學(xué)科聯(lián)系到了一起，認識到學(xué)科間是相通的”；還有學(xué)生表示“復(fù)雜的函數(shù)抽象模型原來可以用R語言形象地描繪出來，R語言和3D打印的結(jié)合，使函數(shù)立體模型展示出來”；“實踐出真知，通過這個學(xué)習(xí)活動的動手操作實踐，對R語言這個軟件以及函數(shù)有了新的認識”。同時學(xué)生也表示如果有機會，愿意繼續(xù)參加這樣的學(xué)習(xí)活動。

結(jié)合訪談中實驗組學(xué)生對該實踐活動的感受，發(fā)現(xiàn)學(xué)生認為該STEM實踐活動從一定程度上：（1）加強了學(xué)科間的融合，對R語言、3D打印、數(shù)學(xué)函數(shù)有了更深的認識；（2）有進一步探究的意愿；（3）提高了自身的抽象思維能力和空間想象能力。但也有學(xué)生表示“這種學(xué)習(xí)方式從興趣來說是很好的，但是以目前學(xué)業(yè)要求來看，似乎效果有待進一步驗證”。

對于對照組學(xué)生來說，有學(xué)生認為傳統(tǒng)課堂乏味單調(diào)，沒有趣味性，注意力經(jīng)常不集中。學(xué)生也對在高等數(shù)學(xué)中引入R語言和3D打印表示積極的態(tài)度，普遍認為可以提高學(xué)習(xí)興趣。一位學(xué)生認為“將R語言和3D打印引入到高數(shù)課堂，可以方便同學(xué)們了解函數(shù)圖像的構(gòu)造，方便理解”。另一位學(xué)生也表示“一方面，在建模時，可以激發(fā)學(xué)生立體思維，另一方面，打印出的實物很直觀。這樣的形式可以激發(fā)學(xué)生興趣”。但還有學(xué)生覺得“在高數(shù)的課堂上，注重訓(xùn)練的一點就是空間的想象能力與自己的分析能力，所以要自己學(xué)會通過平面幾何，或者說用斜二測畫法的方法來解決三維的問題，這對接下來的工作等都有很大的幫助，也有助于更好地理解幾何”，對此提出了“先讓學(xué)生自己想象，再進行實踐操作”的建議。

訪談發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生對基于R語言和3D打印的STEM高等數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)活動持有積極態(tài)度，認為活動提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力，但同時學(xué)生也建議將R語言和3D打印應(yīng)用于高等數(shù)學(xué)時要采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略。

六、總結(jié)

本研究是對信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)融合推動大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一種探索。筆者團隊為探究大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，設(shè)計了STEM教育實踐活動，以R語言與3D打印為工具平臺，將其特色功能應(yīng)用于高數(shù)函數(shù)學(xué)習(xí)，并完成了對比實驗。實驗結(jié)果表明：基于R語言和3D打印的高等數(shù)學(xué)STEM教育實踐活動，對大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有一定的正面影響，對學(xué)生高數(shù)函數(shù)學(xué)習(xí)興趣具有一定的正反饋作用。大部分學(xué)生對此類STEM教育實踐學(xué)習(xí)活動有興趣，對此學(xué)習(xí)方式和輔助工具持認可態(tài)度。這些成果初步表明此種方式可以作為大學(xué)生跨學(xué)科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一種參考，對信息化教學(xué)和STEM活動設(shè)計具有一定的借鑒價值。

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收稿日期 2018-01-21 責(zé)任編輯 汪燕