從創客到STEM的信息科技課程進階解析

【摘 要】本文以“設計制作智能井蓋防丟器”項目為例，解析從任務驅動的創客教育到項目式學習的STEM教育，為信息科技類課程的進階提供有效的實施途徑。

【關鍵詞】創客教育;STEM教育;任務驅動;項目式學習;問題解決

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）07-073-03

中小學信息科技類課程，是首當其沖承擔社會和時代變遷角色的改革先鋒。以“設計制作智能井蓋防丟器”項目為例，剖析信息科技類課程表象目標和本質目標的翻轉過程，探索教學實施變革過程和教學效果達成過程的變化，為信息科技類課程的進階提供有效的實施途徑。

關注創意物化的信息科技類創客課程

創客教育是“崇尚個性制造，注重現代工具使用，樂于互聯網共享和眾籌生產傳播”的創客精神與學校教育結合的產物。最先是由一批具有創客精神的信息技術、科技輔導員、勞動教育與通用技術以及科學和少量其他學科教師推動和落實的，這些學科的課程我們統稱為信息科技類課程。在“設計制作智能井蓋防丟器”項目里，關注創意物化的創客教育教學實施過程如下。

第一步，創設情境，確定問題。教師提供窨井蓋應用場景及丟失后的種種危險的素材，了解井蓋作用及丟失的危害，由此導入制作智能井蓋防丟器課程學習，確定本課程目標任務：動手制作一個井蓋防丟器。

第二步，圍繞目標任務的技術進階。一個典型的任務驅動進階課程如圖1所示。初級課程通過拆解簡單防丟器，將其組裝并應用到充當井與井蓋的模型上（實際可能是一個盒蓋和盒子）;進階課程引入物聯網概念，通過手機APP實現遠程監控井蓋狀況的功能。高階課程引入網絡架構概念，構建井蓋感應裝置、上行感應信號、控制中心、下行預警通知等網絡系統;拓展課程可以利用北斗衛星定位系統來構建井蓋數字化電子監控系統;提升課程可以是智慧城市井蓋監管服務系統。在任務驅動下，崇尚應用技術創新造物的創客課程沿著“智能井蓋防丟器—物聯網井蓋防丟器—北斗衛星導航井蓋防丟器—智慧城市井蓋監管服務系統”這條技術線，不斷增加技術難度和深度，在技術升級中完成課程內容的進階。或者沿著“智能井蓋防丟器—愛心傘追蹤系統—智慧路燈—智慧燈桿—智能垃圾箱”這條創意創造線，在不斷拓寬的應用功能中完成課程內容的進階。

第三步，分享交流，效果評價。整個過程教師關注的是學生是否掌握了用新興信息技術通過創意物化成功制作智能井蓋防丟器，創設情境的作用更多的是一個興趣激發點，師生專注于創造一個防丟器，而不去想是哪里的井蓋、什么井蓋、什么原因導致井蓋丟失等問題，缺失了確定的科學問題或者工程技術問題，對產品的衡量標準也就局限在教室而不能放之于某個真正的問題場，也就失去了系統化思考問題解決方案的機會。結果很容易陷入小發明、小制作和小創新產品的思維定勢，學習過程經常簡化為一個技術或工具的模仿學習過程，最后全班形成同質化單一作品。

美國進步主義教育家克伯屈關于學習目標的論述很好解釋了上述結果出現的原因，“項目式學習強調真實問題解決的目標，如果目標已經消亡，仍要求學生完成那些已經開展的活動，那么，項目就變成了任務，有時候僅僅變成一個差事和苦力活”[1]。如何在有限的課時中，找到信息技術學習與動手實踐、個性化創新創造與解決真實情境問題之間的平衡，突破小發明小創造瓶頸，培養學生系統性、批判性高階思維，是信息科技類教師亟待解決的實際問題之一。

關注系統化真實問題解決的信息科技類STEM課程

STEM跨學科整合的教育理念和項目式學習方式的引入，為突破這一困境提供了可能。STEM教育以學生為中心、跨學科整合、解決真實情境問題、培養批判性思維和創新創造能力為特征，重視綜合性創新人才培養。

仍以“設計制作智能井蓋防丟器”為例，STEM項目式學習課程設計，表象目標是完成科學探究任務和工程實踐任務，給出問題解決的合理方案或產品。本質目標是問題解決能力、創新創造能力的培養，載體是技術和知識。具體過程簡述如下。

第一步，提出并確定科學問題，給出猜想和假設。這一過程對于學生系統化思考問題非常重要，但是常常被忽略。提出問題的“好壞”直接決定問題是否能夠被解決。過于復雜和廣泛的提問可能無法得到解決，需要剝離并留下核心問題。這一步可通過前期準備、創設真實情境、共情活動、科學調查、頭腦風暴、確定工程問題來完成。

前期準備：需要科學、系統、富有建設性地解決問題，在設計課程的時候，教師首先通過學習儲備豐富的相關領域知識，然后通過有目的地挑選轉變成學生項目學習前導閱讀材料，了解該領域陳述性知識。對于制作智能井蓋防丟器項目，教師要收集、學習、整理諸如窖井的功能、形狀、布局、材料、標準等資源，并篩選部分作為學生閱讀材料，設計閱讀指導性問題和閱讀輔助支架等[2]。

創設真實情境：窨井蓋是現代城市中重要的公共基礎設施，市政、通信、燃氣、電力、交管、國防等應用場景都與其相關。但井蓋丟失、損壞、側翻、雨天沖走，或遭偷盜，不僅公共財產損失，還給行人生命安全造成隱患。

共情活動：為了提出問題，課程開始先設計一個共情活動，預備項目學習的背景知識，為后續的問題解決做情感鋪墊和知識準備。共情活動可以是各種井蓋丟失毀壞后造成的危險事件的調查、角色扮演、閱讀等，達到由井蓋丟失問題引發的人文關懷，進而提出需要解決的問題。

科學調查：通過調查研究、觀察分析等科學方法，探究井蓋丟失現象背后的真問題。

頭腦風暴：在知識和情感儲備基礎上，開展頭腦風暴，鼓勵學生提出問題，并初步回答可能的解決方案。通過一系列問題引領達到高階思維與實際問題的聯結，同時初步給出可行的工程技術解決方案。

確定工程問題：針對井蓋容易丟失的表面現象，必須通過調查分析，獲悉井蓋丟失的根本原因，并逐一尋求破解之法。例如，調查得知井蓋丟失兩個相互關聯的因素是鑄鐵的井蓋可以賣廢品和貧困人口為眼前生存偷賣井蓋獲利。繼而發現破解脫貧問題不是學生一下子可以解決的，所以首先將要解決的問題定位為井蓋更換為不可回收材質制造和防丟問題解決。

第二步，確定工程任務評價的標準指標，設計挑戰問題。工程任務的評價指標非常重要，它承擔著最終的評價和引導學生學習的過程。挑戰性問題能夠讓學生直面困難，引發學生主動搜索解決問題所需要的各種知識資源，并通過探究活動、創造活動、實踐活動、展示活動、交流活動等來完成工程任務。

發布工程任務：解決某小區、某校園等的具體井蓋問題，除了和前面類似的“主動監測、及時報警、信息聯動、易安裝、低功耗、低成本”等任務要求外，還需要考慮小區、校園等地段的不同特點進行設計，以培養具體真實情境下解決問題的能力。教師指出可參考關于井蓋的現有標準，根據自己選定的井蓋真實應用場景，制定自己項目的井蓋驗收標準。

設計挑戰問題：坎特指出，基于項目的學習法是在科學知識構建之前，學習者必須有一個理由來學習，然后從記憶中創建語境，整合新學到的知識，最終達到完全理解。挑戰性任務的實質在于激起學生強烈的思維活動，通過思維活動促進外部知識與內部認知結構之間產生實質性的互動，從而促進認知結構的不斷發展。同時，要能夠根據評價標準，設計“有趣、有疑、有勁、有用、能玩、能做、能用、能辯、能演”的工程挑戰任務[3]。

第三步，依據標準，設計方案。這一過程要依據STEM的科學探究和工程實踐流程開展，如圖2所示[4]。一是科學探究追根朔源，二是工程實踐解決問題方案，三是技術應用確定方案，包括確定工具、技術及材料。科學探究和工程實踐都要借助一定的工具來完成，這就是技術。

從技術縱深和真實需求衍生出各種項目式學習課例，例如：“能喊救命會報警的智能井蓋”“為城區窨井蓋配上‘千里眼’”“智慧水務—讓智能井蓋來解決‘奪命井蓋’問題”“可監測液位的智能窨井蓋設計制作”“設計制作機械鎖無線防盜電子鎖井蓋”“設計制作定位電子地圖智能鎖井蓋”，皆是基于真實情境問題解決的STEM項目式學習，會讓信息科技和學生生活實際問題緊密鏈接，在了解和體驗最前沿技術的同時，利用技術、發展技術解決問題的意識也會增強，促進學生學習科學、使用技術、應用數學，通過一個個工程項目解決問題的實現，增強學習興趣，加深知識掌握，達到信息科技類課程本質目標和表象目標的雙達成，對于學術成績也有明顯的提升作用。

第四步，實施方案，修改方案，反復迭代。如圖2所示，STEM項目式學習是一個不斷迭代優化的過程。遵循“明確的目標、多樣的過程、開放的結果”的原則，兼顧各方要素，形成開放的解決方案。

第五步，解決問題，評價效果，分享交流。按照前面設定的真實情境問題的科學和工程標準，評價學生作品。呈現方式可以是論文、工作坊、展臺等形式。

第六步，項目學習拓展。除了類似的技術拓展，還可向人文藝術領域拓展。例如可以為學校、小區等井蓋綜合考慮環境、用途等要素，設計相應的井蓋文化。

結? 論

“設計制作智能井蓋防丟器”項目從關注創意物化到關注系統化問題解決的進階路徑可以看出，STEM項目式學習遵循“共情活動—領域知識準備—調查研究—觀察分析—科學探究—方案設計—工程實踐—測試—應用”的路徑，以真實世界問題探究活動為基礎，以學生為中心，融入了科學或數學的課程，包含工程設計過程，讓學生能夠模仿真正的科學家與工程師的工作，使學生有機會運用科學與工程學知識來解決生活中的實際問題。更重要的是，學生將會發現，正是科學、工程學這樣的創造性活動塑造著我們的世界。最終達到以核心素養為導向，以培養學生思維能力和創新能力為目標，以信息技術軟硬件一體自動化智能化解決問題為抓手的“動手做，做中學，學中思，思中創”系列信息科技類STEM進階課程。

注：本文系北京市教育科學“十三五”規劃重點課題“中小學教師基于信息技術開展跨學科教學的能力框架和提升策略研究”（課題批準號：CDAA19067）研究成果之一

參考文獻

威廉·H·克伯屈. 教學方法原理[M]. 北京：人民教育出版社，1991.

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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.