基于STEM教育的學習者創造力測評研究

毛剛 吳童 李菲茗

[摘 ? 要] 對學習者的創造力進行測評一直以來都是教學實踐的難題。STEM教育為發展學生的創造力提供了更多機會，同時也為評估學生的創造力提供了真實的問題情境。研究根據加德納多元智能理論和吉爾福德的創造力結構劃分理論，解析了STEM教育活動中創造力的領域特殊性和思維同一性特征，構建了面向STEM教育情境的創造力評價模型。以此為基礎，通過分析機器人教育活動中學生在S.T.E.M學科維度的創造性表現和思維過程特征，設計了面向教育機器人活動的創造力觀測量表，并在小學生機器人項目化學習活動中開展實踐應用。研究表明，基于該模型的測評工具和方法能夠有效區分學習者的創造力水平，支持對學習者創造力學科傾向的深度分析，有助于厘清學習者知識基礎對創造力的影響。

[關鍵詞] STEM教育； 創造力； 機器人教育； 測評

[中圖分類號] G434 ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] A

[作者簡介] 毛剛（1981—），男，湖北黃岡人。副教授，博士，主要從事教師專業發展、學習分析、教育數據挖掘研究。E-mail：catihg@sina.com。

一、研究背景與問題

自1950年吉爾福德（Guilford）發表創造力演講以來，創造力不是少數人才有的天賦或特質，而是每個普通人可以發展的能力這一觀點得到廣泛認同。發現并培養學生的創造力逐步成為教育實踐的重要目標。新世紀以來，隨著國家競爭的加劇，關于創造力的培養更是成為世界各國教育質量競爭的焦點。STEM教育作為一種融合了科學、技術、工程和數學的跨學科教育形式被認為是發展學生創造力的重要途徑[1]。美國、德國、芬蘭等國家在發展STEM教育，培養學生創造力方面是先行者，成為世界各國爭相學習的對象[2]。我國同樣高度重視學生創造力的培養。《中國教育現代化2035》指出，要通過推行啟發式、探究式、參與式、合作式等教學方式……，培養學生創新精神與實踐能力[3]。《教育信息化“十三五”規劃》更是指明，要積極探索信息技術在“眾創空間”、跨科學學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力[4]。然而，在研究和實踐過程中，我們往往有意無意地偏離創造力這一核心主題，缺乏對STEM教育及創造力本質的辨析，缺少基于STEM教育的創造力評價工具會影響我們對STEM教育質量的評估，也不利于STEM教育的標準化和大范圍推廣。

二、STEM教育與創造力相關研究

（一）創造力的定義與內涵

創造力是個體調動大腦中各種想法、描述、概念、經驗和知識等多元要素協同構建新想法的復雜能力概念[5]。吉爾福德將創造力劃分為八個結構：靈活性、流暢性、新穎性、分析、重組、重新定義、綜合、復雜性和精致性[6]。這一劃分為后續創造力的界定及相關研究奠定了理論基礎。例如，Getzels認為，創造力是能夠利用現有的環境和經驗，以獨特、新穎的、有用且有目的的方式來產生和表達問題的能力[7]。Zha等人將創造力定義為一種以新穎的方式看待普通事物的能力，發現他人沒有意識到的問題的能力，或是對問題產生新穎的、特殊的、適切性的或有效的解決方案的能力[8]。被廣泛引用的托倫斯創造性思維測驗（TTCT）選用流暢性、靈活性、新穎性、精致性四個維度衡量學習者的創造力水平[9]。

創造力不應被視為一般普遍性的能力，而是具有特定領域性的能力[10]。加德納的多元智能理論將人類智能劃分為語言、數理邏輯、空間、肢體運動、音樂、人際、內省、自然探索八個范疇[11]。在廣義的認知領域（例如數學、語言和音樂）和狹義的任務或內容領域（例如詩歌寫作、故事寫作和拼貼制作）中都可以找到創造力領域特殊性的證據[12]。當然，不屈不撓的精神、敢于冒險的勇氣、自我認同的信心等一般性特征與創造力的關系也被廣泛研究。

從認知心理的角度出發，創造力來源于人腦的思維。有三種類型的思維可能主導創造性個體的思維方式：橫向思維、發散思維和融合思維。橫向思維負責從不同角度系統地產生新想法的思維過程[13]。發散思維是創造性思維時個體大腦中形成的新概念[14]。融合思維又稱收斂思維，是個體識別問題的關鍵要素，找出各個部分是如何結合在一起的思維過程。在這一過程中，思考者看到新的關系，結合不同的想法，確定模式，并在以前不同的實體之間形成新的聯系[13]。因此，融合思維是一種與內容知識、邏輯和推理以及智力相關的技能。

綜合以上研究可以獲得以下認識：第一，創造力廣泛存在于各個領域中，表現在發現問題、表達問題、提出新穎、適切或有效的問題解決方案的行動過程中。第二，創造力具有多樣化的外在表現，但在思維層面是同一的，是特定領域相關知識、技能以及完成創造性任務的動機三個要素綜合作用的結果[15]。第三，個體思維能力能夠在以知識內容為載體的教育活動中得到發展，培養學生橫向思維、發散思維和融合思維有利于促進學生創造力的發展。

（二）創造力評價研究

創造力是一個復雜的、多方面的現象，不同學科都試圖對學習者的創造力進行評價。 鑒于本文的研究主題，集中對科學、數學、工程與技術領域關于創造力特征描述和評價方法的代表性文獻進行回顧，從而為后續STEM教育情境下的創造力評價提供參考。

科學和數學領域對創造力的認識和評價存在相似性?？茖W創造力是問題解決過程中調動領域通用和領域特定技能與知識的能力。有研究者提出雙重搜索理論，認為科學發現發生于假設和實驗雙重認知空間的搜索過程中[16]。因此，從科學現象和科學問題提出、科學假設生成、假設測試（實驗設計）和證據評估等環節評估創造力水平是常見的做法[17]。數學創造力是以一種新的方式將數學思想、方法和技術結合在一起，生成和構建所需論點的能力。數學創新活動強調形成數學假設、證明與說服、發現新的關系并建立論點、以及在技術、思想和應用領域之間建立聯系[13]。二者對創造力的評價均著眼于問題解決過程，重視問題提出、驗證、應用評估等環節中思維的流暢性、靈活性和獨創性品質。

技術、工程與藝術領域對創造力的認定是基于產品（作品）的。對技術、工程創造力，主要從創新性、技術水平和美學吸引力三個維度進行評量。在細分維度上則包括新穎的想法、創新使用材料、復雜性、組織性、整潔性，在形狀、形式或顏色、價值等方面提供令人愉悅的使用體驗等[18]。藝術作品是展示創造力最為直觀的方式。除需要專業知識和技能的音樂和繪畫外，拼貼畫制作、短文或故事創作過程中完成任務的時間和故事長度，甚至是只言片語中的潛在語義也能發現創造力的痕跡[12，19]。

在創造力評價方法方面，創設綜合復雜任務情境對學習者問題解決能力進行測評，以此衡量學習者的創造性潛力正逐步受到青睞。其中，數字游戲等技術的引入為創造力的測評提供了更多選擇。Atesgoz等人設計了包含“蒼蠅”“水”“隧道”要素的動畫環境，測評兒童在開放型任務表現出的科學創造力[20]。Shute等人將評估嵌入《物理游樂場》游戲環境中，通過采集學生解決關卡數量、物理知識運用等表現性數據評估初中生的創造性潛力[21]。虛擬現實等新興技術也被應用于創造力的培養和測評中，研究者發現，基于VR的設計工具或模擬創建的環境能夠有效激發設計者的創意靈感，其設計的產品更具創造力[22]。這類測評提供了一種有趣的、融合創造性思維和情感態度等非認知能力的評價方式，能夠更加全面、真實地反映學習者的創造性潛力，具有較高的內部效度。

（三）STEM教育與創造力發展

STEM教育是科學探究、技術制作、工程設計和數學應用的有機統一。在一些情況下，藝術、文化、互聯網等要素也加入進來，形成跨學科融合的教育形式。成熟的STEM教育具備問題解決、創中學、設計制造和協作探究四個外部特征以及S.T.E.M.知識真實的整合性的應用和科學精神的熏陶與強化兩個內部特征[23]。然而，在現實的教育實踐中，STEM教育常常被視為學科教學的補充，突出強調其加深學生對學科知識的理解、提升STEM學習質量的作用[24]。如果回溯STEM的源起可以發現，STEM的核心價值在于“教育促進創新”。有研究指出，STEM教育一直致力于通過營造創新環境、激發學生創新精神、培養具有創新能力的人才而被視為教育體系變革的核心抓手[25]。在STEM教育發展的過程中，STEM素養概念的提出將知識學習和創造力的培養統一起來。其中的主要抓手就是問題解決，即通過整合科學、技術、工程和數學等領域的概念和知識，創造性地解決復雜問題。這里的問題不再是紙面上的問題，而是開放的、具有現實意義的真實問題。在問題解決的過程中，學習者對所學知識的深化和整合應用就是創造力的體現。

STEM教育活動還是評估學生創造性潛力的絕佳場景。作為一種創新性的教育形式，STEM教育為學生提供了一個不被單一學科知識體系所束縛的情境，促進教師在教學過程中更好地進行跨學科融合，鼓勵學生跨學科解決問題。在問題解決過程中，學生的設計思維、計算思維、工程與實踐、協作交流等多元能力得到培養，學生的創造性潛力也在活動過程中顯現出來。隨著教育機器人、數字游戲、虛擬現實等新技術的引入，STEM學習活動可以在有限的學習空間內開展，能夠為學生提供重復試錯的機會，活動變得更加安全、有趣[29]。學生在問題解決過程中創造性行為和創新作品更容易被有效地觀察和記錄，多維度評估學生的創造性潛力成為可能。

三、基于STEM教育場景的創造力評價模型

研究以加德納多元智能理論和吉爾福德的創造力結構劃分理論為基礎，從領域特殊性和思維同一性兩個維度，構建STEM教育情境下的創造力評價模型，如圖1所示。其中，領域特殊性著力描繪學習者在STEM項目活動中運用學科知識解決問題的創造性表現，其潛在假設是學習者在不同學科領域的智能發展水平存在差異。思維同一性表示學習者面對多樣化的情境，靈活運用橫向思維、發散思維和融合思維開展創新活動的過程，其內在邏輯是學習者在問題解決過程中的思維運用具有共通性。

從評價的內容維度上，模型從跨學科整合視角觀察學生運用科學探究、技術、工程、數學分析和藝術表達開展創新活動的能力。其中，科學探究強調學習者在發現問題、形成假設、實驗驗證中體現出的創新能力。例如，尋找新的替代例子、類比、描述和對科學理論或概念的解釋等。數學在STEM活動中起到基礎性的作用。學習者運用數學知識和工具進行合乎情理的推理構思，提出獨特、巧妙的問題解決方法是衡量其創造性潛力的關鍵[13]。對學習者工程實踐創新能力的評判關鍵是：在有約束的條件下產生新穎且滿足特定功能需求的方案、產品或模型[26]。此外，STEM學習活動中學習者富有想象力的語言、文字和視覺表達是學生創造性思維能力的直接體現，突出個體對問題情境的理解、知識的創新運用和審美特質。

從評價的指標確立上，模型結合STEM教育活動的特點和吉爾福德的創造力結構劃分理論，選取流暢性、靈活性和原創性三項核心指標進行適用性改造，分別表示為：提出多樣化的問題、靈活驗證初始想法、優化形成原創設計。其中，學習者從不同角度產生新想法、提出新問題是其橫向思維的體現[13]。學生制定面向開放問題的多種解決方案、嘗試驗證并識別突出的想法體現其發散性思維。在STEM教育活動中，個體識別問題的關鍵要素，持續優化形成原創作品或方案體現其收斂整合思維。

四、實踐研究

（一）研究情境

教育機器人是推行STEM理念，培養學生創新素養的良好載體。研究以機器人教育課程為基礎，通過浙江省某市青少年宮招募77名7～10歲小學生，采用項目化的方式創設學習和研究情境。機器人課程選用樂高Wedo2.0套件，圍繞機械結構與傳動、傳感器與運算、可視化編程等內容設計項目活動。學習活動包括真實場景引入及問題分析、模型搭建與程序編寫、作品優化和分享四個環節。根據學習者知識基礎的差異，將其分為兩個類型各兩個班：基礎班36人（平均年齡7.9歲），這些學習者在課程開始之前沒有接觸過可編程樂高積木；提高班41人（平均年齡8.4歲），這些學生了解一些可視化編程基礎知識（例如scratch）或玩過搭建型積木，但沒有接觸過可編程樂高。兩個班級的教學由研究者承擔，內容和教學進度基本一致。機器人課程學習持續5周共10次，每次活動90分鐘。

（二）研究工具

研究以STEM教育場景下創造力評價模型為基礎，根據機器人教育實踐的實際情況構建創造力觀測表。為保證觀測指標的科學性，綜合采用錄像分析和獨立評判法，通過兩輪研討確定觀測指標。第一輪，研究者選擇根據實際課堂觀察情況，提取具有特別指標意義的、能夠體現學生創造潛力的行為、語言等事件，形成觀察指標集。第二輪，邀請機器人教育和教育評價兩名專家對學習活動錄像進行獨立分析，優化觀察指標集。兩名專家獨立評判后的指標一致性系數為0.94。最終形成基于教育機器人環境的創造力觀測表，見表1。

（三）數據獲取

研究采用課堂活動觀察和學習者自我復述兩種方法采集數據。課堂活動觀察記錄顯性的創造性行為數據。學習者自我復述與課堂分享活動結合，研究者通過追問“你是怎么想的”“為什么這么想”等問題獲取隱性思維數據。除此之外，還會從新穎性、功能性和完整性三個維度對學習者作品體現出的創造性水平進行高中低等級評定。所有數據由研究者和助教分工記錄，針對存在異議的編碼數據，通過回看錄像的方式協商確定。

數據采集從課程開始后的第二周開始。第一周2次課程活動的主要工作是讓學習者熟悉積木式機器人搭建和編程環境、了解項目式學習的流程、規范活動紀律等。正式數據采集持續4周共8次課程活動，數據記錄見表2。

（四）分析與討論

1. 基于學習者行為特征的創造力水平分析

研究采用K均值聚類算法對學習者數據進行分析，該方法是一種迭代求解的分析算法，具有簡潔、高效、易理解的特點。采用這一方法對學習者在機器人活動中的表現數據進行聚類分析，將學習者分為三個類別。聚類結果與作品等級評定的一致性為0.91，說明基于行為編碼數據的分析具有較高的信度，能夠作為評定學習者創造性水平的依據。依據各維度上的數據特征，將其定義為隱現型（39人）、呈現型（20人）、優秀型（18人），見表3。

相當部分的學習者屬于隱現型，其中基礎班占31%，提高班占19%。這些學習者在問題解決過程中，能夠提出一兩個基礎問題，他們的設計方案偶爾有一些亮點。在基本任務完成后，他們能對程序和模型進行一些局部性的改進，但不能清晰地表達設計的意圖。綜合來看，這類學習者在機器人活動中表現出的創造力較弱。

呈現型學習者經常會提出一些創意性想法，并且具有較強的問題解決能力。其中，基礎班占8%，提高班占18%。該群體學習者在問題發現、運用數學知識開展方案驗證、模型和程序優化、創意表達等方面的表現更為突出。例如，不拘泥于模型搭建的參考步驟，使用替代零件快速完成模型搭建，或改造程序使其模擬真實生活場景。但是，這類學習者的創造性表現通常不會超出項目任務約定的范圍，學習行為以及創建的作品呈現出精致性的特征。

優秀型學習者（基礎班占8%，提高班占16%）的創造性潛力主要體現在思維的發散性、流暢性和創新性等方面。這類兒童在各個任務環節均能夠主動提出問題，并采用試錯和迭代的方法完善創意模型及驅動程序。例如考慮到螢火蟲的生存特點，使用零件為“螢火蟲”營造良好的自然環境；模擬黑夜環境，控制螢火蟲發出閃光等。還有學習者會運用傳感器為“螳螂”增加感知能力，以更好地模擬生物功能。該類兒童在學習過程中往往會超出任務本身的要求，表現出勇于嘗試、思維嚴謹、創意行為高發的特點。

2. 學習者創造力的學科傾向分析

基于多元智能理論關于人的創造力具有領域傾向的觀點，可以假設學習者在機器人活動中也能夠體現出其創造力傾向。研究采用決策樹算法對學習者行為數據進行分析以驗證這一假設。決策樹是一種數據挖掘方法，其生成的樹狀結構是由特征（內部節點）構成的多條規則集。這些規則反映的是對象屬性與對象值之間的映射關系。因此，可以依據這一算法特性了解不同創造力水平學習者的學科傾向。

研究綜合聚類分析結果和作品等級評定對學習者進行類標注。由于隱現型學習者表征數據較為稀疏，難以獲得有效的結論，將其排除。最終標記為中等水平的20人、高水平18人。采用CART決策樹算法對這些學習者數據進行分析，結果見表4。

依據分析結果可以發現，中等創造力水平的學習者更多地表現為單學科傾向，高水平創造力學習者則具有跨學科特征。前者在科學方面表現突出，這些學習者能夠運用科學知識提出多樣化的問題，會靈活選擇適宜的方法對想法或方案進行檢驗，在問題解決方面體現出較好的科學創新能力。高水平創造力學習者（37%）模型搭建的創意性和程序編寫的復雜性等方面的表現更好，并且能夠采用具有想象力的方式表達意圖。這些發現拓展了以教育機器人為載體的研究和實踐的視野。有研究指出，機器人在數學、科學、工程、計算機技術、問題解決等學科領域中有廣泛的應用，是促進學習的有效因素，但在提升學習效果方面的證據還存在較多質疑[27]。出現這一情況的原因可能是針對單一或獨立領域知識與技能的評量不足以展現機器人教育在發展學生能力方面的作用。

需要特別注意的是，僅5%的學習者在數學領域的創造力表現較好，11%的學習者兼具科學探究與藝術表達素養。這與測評環境本身的特點相關。教育機器人活動天然強調科學探索、模型搭建（工程）和程序編寫（技術），因此學習者在這些方面的創造力表現更突出，而在數學等方面的創造性潛力則會被遮蔽。Lindh等人的研究同樣發現教育機器人在促進學生數學邏輯能力發展方面的作用并不顯著[28]。這也啟示我們：基于教育機器人的STEM教學活動有時候并不能幫助我們達成某一學科具體的教學目標，而要從整體的、多維的角度檢驗教育機器人的適用范圍。

3. 學習者知識基礎對創造力的影響分析

創造力被認為是創造性技能、特定領域相關知識以及完成創造性任務的動機三個要素綜合作用的結果[15]。因此，學習者已經掌握的知識和技能會影響其創造性表現。為調查學習者已經了解的編程知識和積木搭建技能對創造性學習活動的影響，研究以每個學科維度上的行為數據為基礎，進行獨立樣本檢驗。分析結果見表5。

結果顯示，基礎班與提高班學習者在技術、工程、數學分析、創意表達上存在顯著差異，但在科學探究方面則沒有顯著的差異。這些發現印證了相關研究的發現，即教育機器人通常被視為一種增強學習的元素，但并非在所有方面均有顯著的促進作用[27]。結合以上分析以及不同創造力水平學生在科學探究方面的表現可以發現，影響創造力發展的主要因素可能是教學活動，而不是工具載體。當然，這一結論需要進一步的實驗研究證實。盡管如此，學習者基礎知識和技能的準備情況會對其創造性表現產生顯著影響是確定的。提高班學習者在課前都接觸過模塊化編程和搭建型積木，這些知識和技能會遷移到項目學習活動中。在現場的觀察和交流過程中，我們同樣發現學過scratch編程的學生對樂高機器人編程環境適應得更快，編寫程序的速度、復雜度和邏輯性更好。這就提示我們，開展機器人教育活動的過程中，不應將焦點限于機器人本身，結合多學科的知識和活動，為學生制定針對性的學習活動計劃、設置多樣化的發展目標是培養學生創新能力的重要舉措。

五、結 ? 語

本研究在兩個方面做了一些創新性的工作。第一，結合創造性思維的過程特征和S.T.E.M.學科領域對創造性的要求，構建基于STEM教育場景的創造力評價模型。模型在機器人教育活動中得到了初步驗證，能夠對學習者的創造性潛力進行評估，也支持開展創造力學科傾向測評。面向更為廣泛的STEM教育活動，這一模型能夠幫助教師從創造力發展的角度了解學生個體的差異，理解其教學活動質量并優化STEM項目設計。第二，充分發揮機器學習等相關算法的特性，建立多樣化特征之間的聯系，開展創造力學科傾向分析。這種分析方法能夠有效彌補一般統計分析軟件難以處理高維數據的不足，有利于實現對學生創造力特征的深層理解。當然，由于樣本數量的限制，相關分析結果可能存在一定的偏差?；诖髽颖?、高維數據的創造力評價是后續研究需要著力的方向。最后，由于學習情境、問題類型、所需專業知識和技能的不同，創造力的表現各有差異。創造力的發展和評價還受到文化、社會和學科相關因素的影響。因此，制定適合研究場景的觀測量表并選用合適的分析方法是創造力評價研究面臨的長期挑戰。

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Research on Assessment of Learners' Creativity Based on STEM Education

MAO Gang， ?WU Tong， ?LI Feiming

（Key Laboratory of Intelligent Education Technology and Application of Zhejiang Province，

Zhejiang Normal University， Jinhua Zhejiang 321004）

[Abstract] Assessing learners' creativity has long been a difficult problem in teaching practice. STEM education provides more opportunities to develop students' creativity， and also provides real problem situations for assessing students' creativity. Based on Gardner's theory of multiple intelligences and Guilford's theory of creativity structure division， this study analyzes the characteristics of domain specificity and thought identity of creativity in STEM education activities， and constructs a creativity assessment model for STEM education contexts. Based on this model， by analyzing the characteristics of students' creative performance and thinking process in the S.T.E.M discipline dimension of robotic educational activities， a creativity observation scale for educational robot activities is designed and applied in practice. The research shows that the assessment tools and methods based on this model can effectively distinguish the creativity level of learners， support the in-depth analysis of the subject tendency of learners' creativity， and help to clarify the influence of learners' knowledge base on creativity.

[Keywords] STEM Education; Creativity; Robotic Education; Assessment