面向創造力培養的跨學科項目式學習實踐

中圖分類號：G434文獻標識碼：A論文編號：1674-2117（2025）14—0065-04

背景

為突破傳統學科課程局限，全面提升學生核心素養與創新性解決問題的能力，教育部在《義務教育課程方案（2022年版）》中明確規定，各學科需安排不少于 10% 的課時用于跨學科主題學習，以強化課程的協同育人功能。跨學科主題學習強調團隊協作，引導學生整合多學科知識分析解決問題，促進不同學科知識的融會貫通，從而形成創新性的認知與解決方案。以詹澤慧提出的C-STEM教育模式為例，該框架以中華優秀傳統文化傳承為導向，從培養方式與能力發展兩個維度構建ETIC學科融合教育框架，顯著提升了學生核心素養的培養效果。由此可見，跨學科主題學習對創新精神的培育具有重要的促進作用。

問題的提出

跨學科主題學習旨在培養學生綜合運用知識解決問題的能力，但在實施過程中面臨諸多困境，主要體現在以下兩個方面。

第一，跨學科協同路徑模糊。學科知識的割裂是制約跨學科主題學習發展的主要障礙之一。跨學科主題學習的教學目標模糊，其在操作范式和實踐路徑上尚未達成共識，在理論基礎和實踐方法上仍需進一步明確和標準化，因此，實現跨學科主題學習要關注跨學科培養的目標性、學科現象的情境性，優選適切的跨學科主題學習的主題，理解學科知識的耦合性。2

第二，評價方式單一。傳統的評價體系往往側重于單一學科的成就，難以有效評估跨學科項目的成果和學生創造力的提升。跨學科教學需要建立多元化的評價體系，評價內容涵蓋創造力要素，如問題解決能力、計算思維等，并采用多種評價手段和工具，如觀察法、作品分析、自我評價和同伴互評、標準化創造力測試工具等。

創造力培養與跨學科項目式學習融合

創造力是一個多維度的概念，創造性思維是創造力的核心，它體現了個體在創造過程中的具體表現。美國心理學家吉爾福特（J.P.Guilford）是這一觀點的代表人物。他將創造性思維分為四個維度，即流暢性（產生大量想法的能力）、靈活性（從不同角度思考問題的能力）、獨特性（產生新穎想法的能力）和精細性（深入思考細節的能力）。創造力還包括創造性的過程即個體在創造活動中所經歷的一系列階段和步驟。這個過程可能包括問題的識別、想法的產生、方案的評估和實施等計算思維的形成。

跨學科主題學習通過整合不同學科的知識與方法，能夠有效激發學生的創造性思維并提升其創新能力。將跨學科主題學習與項目式學習結合，有助于發掘學科間的交叉點，促進多學科知識的有機整合與相互支撐。在這種教學模式下，學生能夠在真實情境中綜合運用多學科知識解決問題，從而培養其核心素養與綜合能力。由此可見，跨學科項目式學習在創造力培養方面具有獨特優勢，其通過多學科知識與方法的融合，為學生拓展了廣闊的思維發展空間。

面向創造力培養的跨學科項目式學習模式構建

本研究以“可視化植物智慧管家系統”的開發為案例，開展跨學科項目式學習模式設計，強調知識在現實社會中的應用，致力于解決農業生產生活中的具體難題。該項目基于學生的日常經驗，融合多學科的知識與技能，并借助數字設備和智能技術，通過精心規劃和執行項目，實現將學術知識轉化為應對生活挑戰的實踐能力。本項目面向_4～6 年級的學生，既是一次培養創造力的跨學科主題探索活動，也是一次跨學科STEM學習實踐活動。

為有效開展項目，本研究以李克東等人提出的STEM教育5EX跨學科學習模型為基礎，面向創造力四要素—冒險性、好奇心、挑戰性、想象力進行教學模式設計，強調以真實問題驅動學生用科學探索的方法和工程技術制作來解決問題。李克東將該模式分為五個學習環節：第一個環節是進入情境與提出問題活動（EQ）；第二個環節是探究學習與數學應用活動（EM）；第三個環節是工程設計與技術制作（ET）；第四個環節是知識拓展與創意設計活動（EC）；第五個環節是多元評價與學習反思活動（ER）。操作方案的具體實施步驟如圖1所示。

跨學科項目式學習模式的課堂實踐

1.基于真實情境確定項目主題

筆者通過前期的調研發現，超過 90% 的學生可以清晰感知到周圍的智能設備越來越多，并表現出濃厚的興趣。另外，通過人工智能課程五年級上冊第2課《智能家庭生活》、第4課《智能農業生產》，五年級下冊的《我的智能房間》，科學課五年級下冊《植物的生長》等的學習，五年級的學生開始逐漸接觸物聯網。基于上述學情，師生分析了社會對家庭園藝農業和智能家居的需求，教師引導學生進行資源評估，確保項目實施的可行性。通過一系列的課堂活動，師生共同確定了將“可視化植物智慧管家系統”作為研究主題。這個過程既激發了學生的參與熱情，也為他們提供了發揮實踐創新能力和踐行社會責任感的機會。

2.分析項目制訂實驗方案

本項目意圖開發一個可視化智能植物管家系統，實時監測植物生長環境，并根據傳感器數據自動調整環境參數，如溫度、濕度、光照等，以確保植物健康生長。

（1）需求分析

為了深入理解用戶的種植習慣和需求，本研究組織學生從實際生活場景出發，進行生活觀察與市場調研。學生將通過咨詢長輩的直接經驗，以及在電商平臺搜索現有植物管家的功能和用戶評價，來探究哪些功能最受消費者歡迎。在分析中，學生將識別出項目的優勢所在，并探討需要改進的領域，如擴展病蟲害識別與可視化預警，以更好地滿足家庭園藝需求。

（2）功能定義

要實現自動化管理種植這一功能，首先，需要通過外部傳感器獲取當前光照數據、溫度濕度數據、天氣數據、蟲害數據，這些數據怎么獲得？如何判定什么樣的條件補光？自動灌溉？自動通風？其次，為了實現AI防蟲害，需要確認：如何獲取AI模型？能否運用算法訓練蟲害數據？最后，需要確認：如何部署模型并且對種植物進行實時分析？以問題簇為導向形成思維導圖和流程圖，培養學生計算思維。

（3）技術選型

本研究使用可兼容外部傳感器來采集環境數據，選擇穩定可靠、經濟實惠的主控板來控制外部設備，在做高精度蟲害的目標檢測時建議使用行空板進行復雜模型訓練。

3.項目實施

（1）遷移學科知識，應用數字技術解決生活問題

該項目通過將人工智能與物聯網技術融合，讓學生實踐開發植物智慧管家系統。主要內容包括：運用物聯網工具套件實現智能澆水、補光、通風等自動化控制功能；利用天氣API掌握當前天氣情況，實現實時環境監測；采用SIOT服務器進行數據收發與匯聚，實現種植環境參數的采集、處理與分析，并對數據進行可視化展示，找到最優的環境搭建方案。

（2）系統搭建及功能設計，培養學生的創新應用能力

在教師的引導下，學生搭建物聯網系統植物智慧管家系統，運用木棒、透明PVC片材、熱熔膠槍搭建框，運用美術知識設計外觀，運用科學知識連接電路。使用的編程套件有行空板、掌控板、擴展板、光線傳感器、溫濕度傳感器、繼電器、水泵等。通過動手實踐提高學生的創新應用能力。

（3）感受萬物互聯中的計算邏輯，培養學生的計算思維能力

學生通過學習使用主控板、MQTT網絡服務、可視化、yolo等核心軟硬件技術，分析每個系統、軟硬件在信息系統中的作用，感知系統結構和設備運行原理。

（4）優化實驗方案，用yolo神經網絡算法解決瓶頸

前期雖然進行了大量的數據采集，但種植物的種類不夠豐富，這可能會影響模型的泛化能力。因此，決定采用開源數據集進行補充，并對這些數據進行細致的標注，將圖片中的蟲害區域標注出來。在完成數據準備后，使用yolo算法進行模型的訓練。通過這一過程，不僅豐富了訓練數據的多樣性，還顯著提升了模型在識別不同種類植物時的準確性和魯棒性，有效解決了原有的瓶頸問題。

（5）目標檢測辨好壞，破解種植真問題

使用標注好的數據集對模型進行訓練，通過損失函數評估模型性能，并通過反向傳播算法不斷調整模型參數，以獲得最佳權重。然后將訓練好的模型轉換為能夠在K210上運行的格式，如K210支持的KModel格式。將轉換后的模型部署到K210主控板上，并進行必要的配置和測試，確保模型能夠正常運行。

（6）外觀迭代搭建模型，美化設計展示數據

為了加裝繼電器、水泵以及外觀考慮，學生對作品的整體模型進行美化設計，用木棒、熱熔膠、雪糕棒和PVC塑料薄膜搭建植物種植環境，綠植下方鋪上營養土模擬土壤，頂棚粘貼溫濕度傳感器、光線傳感器、風扇模塊和LED模塊，主控板區域使用激光切割機把各個面裁切出來，再手工拼裝，背部留有線纜進出口。軟件中利用天氣API和MQTT訂閱功能，通過SIOT服務器收發數據，展示數據的動態變化。

4.落實評價機制，以評促學（如圖2）

（1）診斷性評價

診斷性評價是利用Bebras國際計算思維題目進行測量，獲取學生思維情況。

（2）過程性評價

在方案實施過程中采用記錄作品不足的自評和“反思迭代一再設計一優化”的階段性反饋作為過程性評價。

（3）作品成果評價

教師點評，并邀請有園藝種植經驗的教師、長輩體驗并給出點評。

（4）準實驗評價方法

通過前后測樣本判斷學生創造力四要素的表現。量表采用李克特5點評分法，隨機抽取1個班級進行預測試，一致性檢驗系數，回收有效問卷38份。計算出Cronbach系數值為0.737，表明問卷具有良好的信度。既往研究認為，Cronbach'sa 系數大于0.7，可認為條目之間的一致性較好。通過樣本前后測數據配對t檢驗，創造力中挑戰性t值為-2.260，自由度（df）為77，指標達顯著性差異水平（P值 lt;0.05 ，表示在項目實踐中學生創造力個別指標得到顯著提升。

結論

1.總結

本項目旨在通過先進的技術手段，為家庭植物養護提供智能化解決方案。其集成了自動通風、溫濕度監測、自動澆水、蟲害識別等核心功能，滿足了用戶對智能植物養護的基本需求。項目從需求調研到最終產品部署，經歷了多個階段的深入研究和精心設計，在面對數據種類不足等問題時，積極尋找解決方案，展現了團隊的應變能力和創新思維。

本研究還將李克東教授的5EX模型應用到項目中，為項目的順利實施提供了許多指導，結合定量評價，本項目方案實現了由理論指導到實證研究的完整閉環。

2.反思與展望

① 數據隱私和安全：在本項目中，植物的生長使用了攝像頭進行監控，這就帶來了以下問題：系統是否妥善處理了用戶數據？是否采取了足夠的安全措施來保護用戶隱私？

② 增加更多創新功能：不同種植要求的植物所需的農業環境不同，后續可將種植物分開進行精細化管理，根據植物的生長周期和需求，自動調整環境參數；除了蟲害，還可增加檢測識別種植物營養狀況等功能。

參考文獻：

[1]詹澤慧，鐘柏昌，霍麗名，等.面向文化傳承的學科融合教育（C-STEAM）：價值定位與分類框架[J].中國電化教育，2020（03）.69-76.

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[3]魏羽飛，楊果仁.中學項目式跨學科學習的設計與實施[J.教學與管理，2024（19）.22-26.

[4]李克東，李穎.STEM教育跨學科學習活動5EX設計模型[J.電化教育研究，2019（04）.5-13.