科創(chuàng)教育與學(xué)科教育創(chuàng)新

【摘 要】如何有效地發(fā)揮學(xué)科教育的育人功能，對于落實(shí)新課程標(biāo)準(zhǔn)、培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要意義。本文分析了學(xué)科教育創(chuàng)新經(jīng)歷從計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)到“整合”，再從STEAM教育和創(chuàng)客教育到科創(chuàng)教育的不同階段，提出了泛在感知與普適計(jì)算環(huán)境下學(xué)科教育創(chuàng)新的S-3PBL科創(chuàng)教育模式，旨在培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

【關(guān)鍵詞】普適計(jì)算;科創(chuàng)教育;S-3PBL;模式創(chuàng)新

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2022）08-007-03

隨著“新時(shí)代”的到來，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合為典型特征的第四次工業(yè)革命正在深度影響政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化和生活的各方面。隨著計(jì)算技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，一些簡單重復(fù)的職業(yè)或僅對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的職業(yè)將有很大可能被人工智能取代。為了適應(yīng)未來高度復(fù)雜的人機(jī)共生環(huán)境，為了實(shí)現(xiàn)國家的高質(zhì)量發(fā)展，必須實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略，培養(yǎng)面向未來的卓越人才。科學(xué)教育經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，即科學(xué)知識(shí)教學(xué)、科技教育和科創(chuàng)教育，未來主流教學(xué)方式將由知識(shí)講授型轉(zhuǎn)向科創(chuàng)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)型。

現(xiàn)代科學(xué)教育的興起與發(fā)展

1957年，蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射后，引發(fā)了各國對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的追求，掀起了第一次以學(xué)科知識(shí)為本位的全球性科學(xué)教育改革浪潮。1972年，工業(yè)革命帶來的環(huán)境污染和生態(tài)破壞等嚴(yán)重威脅到人類生存的問題，使人們開始認(rèn)識(shí)到了應(yīng)該將技術(shù)要素納入科學(xué)教育之中，STS（科學(xué)Science、技術(shù)Technology、社會(huì)Society）教育受到關(guān)注。1986年，美國發(fā)布《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告，標(biāo)志著STEM（科學(xué)Science、技術(shù)Technology、工程Engineering、數(shù)學(xué)Mathematics）教育開始興起，STEM教育強(qiáng)調(diào)科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)與技能的整合，重視現(xiàn)實(shí)問題的解決。2001年，開始出現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)、喜歡創(chuàng)意、秉持變創(chuàng)意為現(xiàn)實(shí)和開源共享理念的創(chuàng)客（Maker）群體，創(chuàng)客教育萌發(fā)，數(shù)字化學(xué)習(xí)、基于信息技術(shù)的整合、現(xiàn)代科學(xué)的第三種形態(tài)（計(jì)算）與數(shù)字技能都開始受到關(guān)注。2011年，美國總統(tǒng)奧巴馬推出新版《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》，以“創(chuàng)新教育運(yùn)動(dòng)”加強(qiáng)STEM教育，來促進(jìn)美國的經(jīng)濟(jì)增長和國際競爭力增強(qiáng)，這一舉措極大地推進(jìn)了STEM教育創(chuàng)新的研究和發(fā)展。

2015年，李克強(qiáng)總理參觀了深圳柴火創(chuàng)客空間，在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的背景下，我國教育更加重視創(chuàng)新人才培養(yǎng)。與此同時(shí)，創(chuàng)客教育得到迅速的本土化發(fā)展，而 STEM教育經(jīng)本土化成為STEAM教育，其中A在我國語境中為“人文性（Arts）”。2016年，鄒曉東博士提出STEAM教育應(yīng)將“人文性（Arts）”提前而成為A-STEM教育，既突出人文性，又具有德育性，符合我國國情與社會(huì)主義核心價(jià)值觀，同時(shí)注重對于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與問題解決能力的培養(yǎng)。2022年，我國《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中明確指出，要以科學(xué)思維、科學(xué)探究和實(shí)踐能力、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)為重點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力的發(fā)展。在科學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力成為必然趨勢，科學(xué)教育進(jìn)入到第三階段——科創(chuàng)教育。

我國科學(xué)教育進(jìn)入科創(chuàng)教育階段

科創(chuàng)教育是我國特有的科學(xué)教育新階段。所謂科創(chuàng)教育就是一種技術(shù)密集型探究式實(shí)踐的科學(xué)教育活動(dòng)，科創(chuàng)教育的宗旨是培養(yǎng)創(chuàng)新人才。STEAM教育（也可稱為A-STEM教育）強(qiáng)調(diào)理科工程思維的現(xiàn)實(shí)問題驅(qū)動(dòng)性與跨學(xué)科整合性，創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)數(shù)字化創(chuàng)造能力培養(yǎng)。而科創(chuàng)教育是一種科學(xué)教育，受到STEAM教育與創(chuàng)客教育的影響，既強(qiáng)調(diào)實(shí)踐探究與問題解決，又重視創(chuàng)造能力培養(yǎng)，肩負(fù)著培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的使命。

物理、化學(xué)等科學(xué)學(xué)科教育創(chuàng)新是科創(chuàng)教育的重要場域，現(xiàn)代學(xué)科教育出現(xiàn)了新的形態(tài)——計(jì)算。比如，現(xiàn)代物理教育包括實(shí)驗(yàn)物理教育、理論物理教育和計(jì)算物理教育，其中所謂計(jì)算物理教育是指以普適計(jì)算和物理學(xué)為載體，以提升學(xué)生核心素養(yǎng)和創(chuàng)新力為目標(biāo)開展的跨學(xué)科教育活動(dòng)[1]。因此，可以從泛在感知和普適計(jì)算環(huán)境下開展科創(chuàng)教育實(shí)踐開始，深入探索如何充分發(fā)揮學(xué)科育人功能的問題。北京師范大學(xué)項(xiàng)華教授及其團(tuán)隊(duì)在近二十年的教學(xué)實(shí)踐中，先后開設(shè)“信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)整合”“物理現(xiàn)代教育技術(shù)研究”和“A-STEM創(chuàng)客教育與教學(xué)”課程，聚焦學(xué)科應(yīng)用教學(xué)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，將物理教育、信息技術(shù)、人文學(xué)科、工程加工、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等內(nèi)容進(jìn)行融合，探索出了一種學(xué)科教育創(chuàng)新方法——S-3PBL科創(chuàng)教育模式。

S-3PBL科創(chuàng)教育模式

在學(xué)科教育中如何貫徹科創(chuàng)教育理念，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才呢？S-3PBL科創(chuàng)教育模式為科創(chuàng)教育實(shí)施提供了一種方法，彌補(bǔ)了科學(xué)教育的跨學(xué)科性、實(shí)踐性不足的問題。S-3PBL科創(chuàng)教育模式是在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和問題式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，具有學(xué)習(xí)情境真實(shí)、學(xué)習(xí)內(nèi)容綜合、學(xué)習(xí)方式多樣、學(xué)習(xí)手段數(shù)字化等特征。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning）是未來主流的教學(xué)方式，是以真實(shí)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，要求學(xué)生運(yùn)用多種方法和技能解決一系列問題，進(jìn)而完成最終項(xiàng)目的一種教學(xué)模式。問題式學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning）起源于西方20世紀(jì)60～70年代的醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，是一種情境化的、以學(xué)生為中心的教學(xué)方法。前者強(qiáng)調(diào)作品制作的綜合能力培養(yǎng)，而后者強(qiáng)調(diào)問題解決能力培養(yǎng)。隨著第四次工業(yè)革命以及智慧社會(huì)的到來，聚焦創(chuàng)新人才培養(yǎng)，又發(fā)展出基于產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Product-Based Learning），進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的參與度。于是，S-3PBL科創(chuàng)教育模式應(yīng)運(yùn)而生，包括三種變式：問題驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式和產(chǎn)品級作品驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式，分別適用于學(xué)科概念教學(xué)、綜合能力培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育等教學(xué)場景。

S-3PBL科創(chuàng)教育模式下的學(xué)科教學(xué)問題來自于學(xué)科課程內(nèi)容或真實(shí)的社會(huì)性問題，其實(shí)施過程需要學(xué)科理論工具、數(shù)字化工具和實(shí)物工具的支持，合作、交流、共享的精神貫穿于全部教學(xué)環(huán)節(jié)。其中理論工具主要指學(xué)科專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn);數(shù)字化工具主要指傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，具體包括LaserMaker、3D One和WU-Link等;實(shí)物工具主要指創(chuàng)客加工制造工具與設(shè)備，具體包括激光切割機(jī)與3D打印機(jī)等。這三種工具分別對應(yīng)科學(xué)素養(yǎng)中的理論素養(yǎng)、數(shù)據(jù)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。采用S-3PBL科創(chuàng)教育模式，可以全面提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)素養(yǎng)水平。

下面分別介紹S-3PBL科創(chuàng)教育的三種變式。

變式一：問題驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式（S-3PBL-1）

問題驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式主要是基于問題或者“問題鏈條”的非線性“拋錨式”教學(xué)結(jié)構(gòu)，將學(xué)習(xí)設(shè)置于復(fù)雜、有意義的問題環(huán)境中，讓學(xué)習(xí)者通過團(tuán)隊(duì)分工合作來解決真實(shí)性問題，在解決問題的過程中完成對知識(shí)的學(xué)習(xí)和問題解決技能的培養(yǎng)。教師提出復(fù)雜有意義的問題，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行微探究、微設(shè)計(jì)、微觀察、微造物、微展示等，各個(gè)環(huán)節(jié)可以靈活調(diào)整順序或進(jìn)行刪減，在實(shí)物工具、學(xué)科理論工具、數(shù)字化工具的支持下進(jìn)行，以教師微講授為主導(dǎo)，把控教學(xué)節(jié)奏，適用于物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、語言學(xué)、數(shù)學(xué)等邏輯性和結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的學(xué)科的知識(shí)學(xué)習(xí)。

變式二：項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式（S-3PBL-2）

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式強(qiáng)調(diào)團(tuán)體工程實(shí)踐，是在調(diào)查現(xiàn)實(shí)需求的基礎(chǔ)上，界定要解決的問題，確定產(chǎn)品或產(chǎn)品級作品任務(wù)，通過工程思維，不斷設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)方案，不斷制造、調(diào)試、修改與迭代，滿足用戶需求，最終完成較為成熟的作品，并加以展示，產(chǎn)生個(gè)人或社會(huì)價(jià)值。各個(gè)環(huán)節(jié)在三種工具的支持下進(jìn)行，教師通過微講授主導(dǎo)，把控教學(xué)節(jié)奏。強(qiáng)調(diào)“學(xué)以致用”和“用以致學(xué)”，以及培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

變式三：產(chǎn)品級作品驅(qū)動(dòng)科創(chuàng)教育模式（S-3PBL-3）

產(chǎn)品級作品驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式是以產(chǎn)品或產(chǎn)品級作品作為驅(qū)動(dòng)，學(xué)生像企業(yè)家一樣組成創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，分析用戶需求，綜合考慮現(xiàn)實(shí)運(yùn)用、課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生興趣，靈活運(yùn)用現(xiàn)代化工具將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為真實(shí)產(chǎn)品，進(jìn)行個(gè)性化生產(chǎn)和銷售，解決現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)存在的問題。類似的，教師通過微講授為學(xué)生提供一定的支持并把握節(jié)奏，整個(gè)流程同樣需要三種工具支持。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的同理心、工程思維及創(chuàng)新思維，其中同理心要求學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、發(fā)現(xiàn)需求;工程思維主要關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)或流程各部分之間的優(yōu)化與協(xié)調(diào)，以達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)表現(xiàn);創(chuàng)新思維要求學(xué)生發(fā)現(xiàn)解決問題的創(chuàng)新方法。學(xué)生需要綜合培養(yǎng)這三種思維，以完成兼具創(chuàng)新、優(yōu)化、高效特點(diǎn)的產(chǎn)品。

S-3PBL科創(chuàng)教育模式的課堂實(shí)施結(jié)構(gòu)具備共性。以產(chǎn)品級作品驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式在物理教育中的應(yīng)用為例，該變式根據(jù)真實(shí)情境和用戶體驗(yàn)確定產(chǎn)品需求，通過綜合運(yùn)用理論物理手段、數(shù)字化手段與實(shí)物手段來生產(chǎn)產(chǎn)品，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)、計(jì)算素養(yǎng)與創(chuàng)新能力，并增強(qiáng)了物理教育的實(shí)踐性。該變式主要包括七個(gè)環(huán)節(jié)：（1）明確企業(yè)愿景，學(xué)生自由組建創(chuàng)業(yè)小團(tuán)隊(duì)，角色分工參照企業(yè)職員結(jié)構(gòu)，分為總經(jīng)理、產(chǎn)品工程師、營銷總監(jiān)、設(shè)計(jì)總監(jiān)、財(cái)務(wù)總監(jiān)，以創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)為抓手培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和集體榮譽(yù)感，將創(chuàng)新與創(chuàng)造價(jià)值相結(jié)合，讓學(xué)生學(xué)會(huì)通過勞動(dòng)應(yīng)用知識(shí)創(chuàng)造財(cái)富。（2）升值低附加值產(chǎn)品練習(xí)，掌握數(shù)字化工具的使用方法。（3）教師為學(xué)生提供具體的目標(biāo)領(lǐng)域，如物理教具產(chǎn)品、文創(chuàng)產(chǎn)品等，學(xué)生討論確定具體的產(chǎn)品類型。（4）通過互聯(lián)網(wǎng)搜索、用戶訪談、產(chǎn)品案例分析等方式確定核心產(chǎn)品/服務(wù)，明確目標(biāo)領(lǐng)域、客戶群體、消費(fèi)層次、產(chǎn)品特色、獨(dú)到價(jià)值等，開發(fā)出“優(yōu)、特、專”的產(chǎn)品。（5）制造與測試原型，在物理理論和數(shù)字化工具的支持下構(gòu)建并測試模型。本環(huán)節(jié)的產(chǎn)品原型測試包括兩個(gè)階段，第一階段原型測試指完成產(chǎn)品加工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)后，在軟件中模擬造物，并進(jìn)行估價(jià);第二階段原型測試指實(shí)物加工，聯(lián)系創(chuàng)客加工中心的老師在線演示加工過程，課堂視野從課內(nèi)擴(kuò)展到課外實(shí)際加工，突破校園課堂內(nèi)技術(shù)及資源的限制，將線上的優(yōu)勢融入傳統(tǒng)的線下課堂，還可以充分利用線上平臺(tái)優(yōu)勢，吸引全國各地不同學(xué)科背景的教師、教研員參與，從自然科學(xué)學(xué)科到人文社會(huì)學(xué)科，無專業(yè)和年級限制。（6）通過課堂模擬產(chǎn)品發(fā)布會(huì)、校園集市活動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)在線銷售等環(huán)節(jié)進(jìn)行產(chǎn)品銷售，并根據(jù)用戶使用反饋完成產(chǎn)品更新迭代。（7）反思產(chǎn)品價(jià)值，對最終成果進(jìn)行路演展示，并申請發(fā)明專利，明確知識(shí)產(chǎn)權(quán)策略，與相關(guān)企業(yè)對接。針對設(shè)計(jì)理念、特色、技術(shù)要點(diǎn)等要素進(jìn)行分享交流，加深學(xué)生對產(chǎn)品級作品驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式的理解，并將問題解決、方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制作等高階認(rèn)知策略和行為遷移到其余學(xué)科的學(xué)習(xí)中。需要注意，產(chǎn)品級作品驅(qū)動(dòng)式科創(chuàng)教育模式關(guān)注的是學(xué)習(xí)過程和跨越一定時(shí)空的成長，應(yīng)重點(diǎn)分享產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代流程和收獲感悟。

從本質(zhì)上講，科創(chuàng)教育是科學(xué)教育的新階段，是第四次工業(yè)革命的必然產(chǎn)物，對于人類生存與可持續(xù)發(fā)展、國家高質(zhì)量發(fā)展和個(gè)人發(fā)展具有重大意義。本文提出的S-3PBL科創(chuàng)教育模式適用于所有學(xué)科教育創(chuàng)新，符合未來教育發(fā)展趨勢，為一線教師提供了新的教學(xué)模式和經(jīng)驗(yàn)。在學(xué)科教育創(chuàng)新中，往往需要依據(jù)具體社會(huì)性任務(wù)或者教學(xué)主要內(nèi)容混合運(yùn)用S-3PBL科創(chuàng)教育模式的三種變式開展跨學(xué)科教育活動(dòng)，才能培養(yǎng)學(xué)生綜合使用學(xué)科理論工具、實(shí)物工具或計(jì)算工具解決真實(shí)復(fù)雜問題的技能，增強(qiáng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力、科技創(chuàng)新精神和科技創(chuàng)新技能。

目前，面對新課標(biāo)、新教材、新高考等基礎(chǔ)教育改革，需要特別關(guān)注跨學(xué)科教育和綜合使用學(xué)科理論手段、實(shí)物手段或計(jì)算手段解決真實(shí)復(fù)雜問題的技能培養(yǎng)，不斷地完善S-3PBL科創(chuàng)教育模式，不斷地積累實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

注：本文系中國教育發(fā)展戰(zhàn)略學(xué)會(huì)一般課題“新時(shí)代科創(chuàng)教育與學(xué)生創(chuàng)新能力發(fā)展方略研究”（課題編號(hào)：3003053）研究成果

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作者單位：1.廣東深圳市羅湖區(qū)教科院 2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系