STEM教育的特点分析及对创客教育的启示研究

王 涵

(重庆师范大学 教育科学学院，重庆 沙坪坝 401331)

1 STEM教育与创客教育

1.1 STEM教育

STEM 是科学( Science) 、技术( Technology) 、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科的简称，强调多学科的交叉融合。[1]STEM教育不仅仅是这四门学科的简单相加，而是将其重新糅合组织成一门新的学科体系，其本质是多个学科的融合教育，旨在培养学生多学科交叉的整合思维和解决实际问题的能力。STEM教育在20世纪80年代的美国作为一项国家教育战略出现，旨在应对国际人才竞争，提升学生的科技理工素养和综合实力。[2]在知识经济和信息技术产业充分发展的21世纪，发达国家越来越重视学生科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的纵向提升和横向整合，以迎接当今人才培养的全面化、综合化、创新化发展趋势。之后美国学者Georgette Yakman在STEM教育中注入了新的元素——A(Art)，因此，STEM教育又继续发展为STEAM教育。STEM教育和STEAM教育虽然内容上存在差异，但是它们都强调以培养学生的跨学科多元整合思维为目标，以真实的生活情境问题为依托，以学生的主动参与和实践活动为路径，以项目式主题活动为导向，以新型技术工具为支持，教师指导学生小组综合利用多学科素养和跨学科知识来分析解决现实问题的探究式学习。

1.2 创客教育

“创客”(Maker) 最早诞生于西方 20 世纪 60 年代的DIY 文化，意指那些勇于突破、富有想象、积极创新，通过实际动手操作将创意付诸于实践使之并变为现实的人。随着第三次工业革命的发展，科学技术的进步带动了人类生活各个领域的革新，3D打印技术的个性化创造、物理交互设计的互动媒体作品以及基于Scratch的物理计算工具的项目学习已经成为科学技术下典型的创客教育模式。创客运动(Maker Movement)提倡个人或与他人合作通过动手操作和实践探究以创造出新产品，强调实物的输出，这在全球引起一场全新的技术革命。同时，近几年兴起的创客空间——开放的工作室、实验操作室、产品制造室、器械组装室，利用科技和硬件设施为创客提供了一个实现创意的平台。基于杜威“做中学”的教育思想和西蒙·帕珀特(Seymour Papert)的构造主义的理论建构，并伴随创客文化的发展、创客空间的建构以及相关技术条件的支持，创客教育应运而生。作为教育领域一个新范畴，创客教育是在技术条件支持下，多学科知识融合支持下，以“实践探究”为学习方式，引导学生发挥独创批判精神和实践动手能力，基于某个项目或问题来发明创造的新型教学模式。它一方面强调能力导向的创造型人才的培养，另一方面强调引导教育发展方向的创造性、实践性变革。

2 STEM教育和创客教育的异同

2.1 相同之处

2.1.1 理论根基相同：“做中学”的理念

杜威“做中学”的思想强调学生在实践活动中的探索操作，强调在实践中积累知识，在活动中增长经验，学生成为课堂的中心，重点培养学生的创新思维能力和解决问题的动手操作能力，反对知识的灌输和突出间接经验的唯一地位。STEM教育和创客教育均是杜威“做中学”教学思想在实践中的应用，重视学生自主学习能力的发展。STEM教育侧重于学生多学科素养的融合发展，综合运用所学的知识解决实际问题，以培养适应时代发展的复合型人才；创客教育则侧重于让学生自己动手将创意想法转化为输出成品，同样也要求学生综合运用一门或多门学科知识，成为一个创造者，创造思维得到发展。在学习方式上，STEM教育和创客教育都强调学习者置身其中的实践情境知识的学习，学生的主动参与和自主探究是其本质属性。

2.1.2 现实基础相同：社会的共同参与

美国STEM教育的发展是由政府和学校统筹推动的，是为了培养适应时代发展的多学科素养人才。美国联邦政府在充分发挥国家科学基金会、国立卫生研究院和教育部三大机构的引导作用下，联合STEM教育合作机构(Co STEM)、企业及其他组织来确保STEM教育政策的有效实施。[3]此外，STEM教育的发展还需要公众和社会的大力支持。为了吸引学生对STEM教育的兴趣，需要专门的教育研究机构对其进行系统的设计和开发。创客本身就是以一个社会群体的概念出现的，随着社会创客空间规模的扩大，学校教育期待将最新的技术运用到教学之中，以适应时代教育信息化变革的需要。同时，学校的创客空间应该与家庭创客空间、社区创客空间以及社会孵化中心进行协同联动，通过网络空间有效地进行整合。

2.2 不同之处

2.2.1 情境问题的来源不同

STEM教育和创客教育都重视真实情境的重要性，强调情境教学。但是，STEM教育中的情境问题多是由教师设计和制定的，在四门学科的知识系统下，教师进行一定的统筹协调和规划，学生一般是在教师提供的综合情境问题下进行问题的再开发、再探索。而创客教育则更多地强调学生自己提出问题、设计项目、动手操作、输出产品，学生可以将自己头脑中的创意付诸实践，并非让学生探索已有的问题或相同的问题。

2.2.2 学习产出不同

STEM教育强调多学科领域知识的整合，跨学科知识体系和综合课程的建构。它是围绕学科知识展开的，并不重视工具的使用和产品的输出。这与STEM教育产生的原因有关，学生STEM素养和综合能力不足，以期通过一定的知识融合和项目研究来培养学生的科学、技术、工程和数学素养(STEM 素养)。创客教育则强调学生运用已有的学科知识及相关的硬件设施将创意现实化、作品化，它要求学生要有一定的产品成果。

2.2.3 培养能力不同

由于学生STEM素养的缺少，STEM教育则更关注学生综合素养的提高。虽然STEM课程比单科课程更有效地发展学生的综合能力，弥补学科之间的割裂，促进知识之间的衔接，但是它只是重点培养了学生跨学科知识的协调能力和知识的理解记忆能力，对于学生创新性思维、独创性意识、质疑批判思维和发现问题能力的培养力度有限。创客教育主要是针对学生创新能力的不足，鼓励学生大胆运用有关资源和学科知识，动手操作将创意产品化。它更加重视学生独创能力和动手能力的发展，但这可能导致学生学科基础知识的弱化。

2.2.4 师生关系不同

在STEM教育中，教师是知识的传授者、项目的设计者、过程的协调者，学生则处于参与者的角色，依据教师传授的学科知识，并在其引导下，通过具体的项目活动进行学习。同时，STEM教育还强调不同教师之间的配合，由于多学科领域知识的融合，它需要不同的学科教师对STEM综合课程进行开发。在创客教育中，教师更像一个支持者或辅助者，淡化对学生知识灌输和活动干预。学生成为项目的独创者，他们可以提出自己的观点和发现，教师不需要预设太多的问题或传授过多的结果性知识，更强调学生的自主式发现学习和操作探究。

3 STEM教育的特点分析

3.1 课程体系的跨学科整合性

传统分科教学割裂了知识和课程体系之间的关联性和综合性，很难培养学生发现分析问题，横向融合多门学科知识和素养去解决问题的能力。课程体系的跨学科性强调在STEM教育中，教学的重点不是某一单一学科领域知识的传授或分科教学的界限划分，而是强调针对某一特定问题，综合运用多门学科知识进行问题的探究和解决。知识体系的跨学科整体建构模式是 STEM整合课程最为突出的特点。STEM教育以现实问题为出发点，以科学、技术、工程和数学等学科知识的交叉融合为理论指导，在探究操作的过程中锻炼提高学生的各方面素养和能力。同时，STEM教育强调项目学习内容和学生实际生活的关联性，通过多门学科融合的方式，使学习资源和教学内容打破了单一范畴。如美国的项目领导方式(Project Lead the Way, PLTW)的目的是培养学生在全球化竞争中所需的技能。通过与学校教育的合作，设计富有个性化、针对性的K-12课程、高素质的人才队伍以及合作活动开展STEM教育。PLTW开设了一系列适应不同学段学生的课程，从K-5阶段的起步课程到初中阶段的入门PLTW课程(PLYW Gateway)，再到高中阶段的各个学科的PLTW课程，其都突出了课程设置的整合性和阶段化。

3.2 学习过程的实践体验性

STEM教育是在“做中学”和“真体验”下运用科学、技术等多门知识和综合思维参与到真实的生活情境和问题之中协作探究式的自主学习。它强调学生要通过实践活动和经验情境，以多学科、多视角、多方面的整体观去进行项目式学习。学生在项目活动中的动手操作不仅能获得相关问题领域的经验性知识，还能在参与活动中获得过程性知识，这种学习方式不同于单纯的间接经验的接受式学习，切实做到淡化形式、注重实质，更加关注于学生学科知识的掌握和运用，对学生未来的学习和生活大有裨益。如美国的STEM课程“电梯”，它是通过学生已有的工程力学、电学、齿轮轴承、物理传输等物理学知识，材料等化学知识以及外观设计等美学知识去合理设计电梯模型并测验其效能。这不仅强调学生要习得相关知识，更重视学生在工程设计框架下对知识的操作和运用，并在这过程中进行创造性开发设计，充分体现知识的实用性和生活性。

3.3 学习活动的协作互助性

STEM课程是基于项目的群体协作式学习，其活动需要生生之间、师生之间的配合协调，甚至还需要社会的广泛参与。STEM教育的协作性主要包括两个维度：一是指不同学科教师之间的知识渗透和课程融合。它强调STEM的教师要突破自己已有的固定学科局限，摆脱传统“专业主义”的观念，在知识经济共享的时代努力学习多方面的知识，在已有的专业背景下找到学科之间的内在联系。因此，不同的学科教师应该在相互交流和学术探讨中找到课程融合的问题，合理设计适应本班学生的课程整合方案。二是指学生学习过程中的对话、协作和经验分享。STEM活动一般是由学生小组进行协作完成的，共同发现问题、分析条件、设计方案、准备材料、收集信息、提出假设、完成操作并进行集体评价。一方面，由于STEM课程强调跨学科的整合性和项目的复杂性，因此，单靠一个学生的经验能力是很难完成的；另一方面，学生通过合作学习，相互交流，不仅能够高效地完成教学计划，还能在其过程中培养良好的组织协调能力、团队合作意识和同伴互助精神。

3.4 教师队伍的专业复合性

STEM教育强调跨学科知识的整合，因此需要具有综合学科素养知识的STEM教师，即具有技术、科学、工程、数学等学科知识的复合型教师。包括科学技术工程复合型教师(STE)、科学工程技术复合型教师(SET)或科学技术数学复合型教师(STM)的培养等。[4]此外，随着软件工程、人工智能、3D打印技术、高级编程、物联网技术等的发展，教师除了掌握已有的学科知识外，还需了解更多新兴领域的知识以及信息化时代的科学技能等。除了理论知识的传授，教师还需重视对学生技术应用的启示和创新思维的开发。

3.5 教育手段的技术信息化

技术不仅是STEM教育的一个不可或缺的组成要素，也是STEM课程得以有效开展的一个核心关键工具。这里的技术工具包括物理支持的硬件设备，如3D打印机、Picoboard传感器板、Makey Makey/酷乐宅、Arduino单片机及体感设备等，这些平台和工具大多便宜、跨平台、开源，为学生活动操作提供了一个简易高效的硬件编程环境。其还包括一系列的认知工具，如计算机编程软件、思维导图、物理计算等来开发学生的创造性思维和发散性思维，并辅助硬件设备有效运作的各种软件系统。

4 STEM教育对创客教育发展的启示

4.1 加强课程融合，重构课程体系

STEM教育的核心观念是多学科的整合，它不是为了培养学生具有某单一领域的素养，而是强调发挥创造性思维综合运用学科知识来解决实际问题。创客教育理念也强调学生对多门基础知识的综合掌握和应用，为了推动创客教育的发展，则需对当前的课程体系进行融合重构：一是要加强学科课程内容和时代发展的整合性。即课程要适应社会发展并具有相关性和生活性。二是要加强课程内容和科学技术的融合性。在学科培养之中有效地渗入媒体素材、技术工具、软件工程和硬件设施等，提高学生的信息科学素养和技术操作能力。三是强调课程项目的可操作性。一个好的STEM课程应该是学生联系生活实际，通过已有的知识经验并利用可获得性的工具材料进行创意作品化的建构。四是课程体系具有阶段性。创客课程不是一门单独的课程，而是由低级到高级、由入门到精通、适应学生阶段发展的循序渐进的一整套课程体系，如低段以入门课程为主，包括一些简单的计算机编程、电力学、材料分析、物质结构等方面的理论知识，主要培养学生对创客课程的兴趣；中段以较为复杂的知识整合和技能训练为主，如电路配置、装备重组以及电子切割等技术性操作课程；高段则以综合性创新项目为主，学生要经历全面复杂项目的设计、开发、实施和评价等环节，如制造 Yirego Drumi 脚踏式迷你洗衣机。

4.2 创新学习方式，在活动中学习

STEM教育和创客教育均以“做中学”的理论为根基，给传统的教学方式带来了极大的冲击，不再聚焦于教师在课堂上传授间接经验和理论性知识的单一模式，而是转向对学生实际动手操作能力和问题解决能力的关注。随着技术性创客空间的发展，为学生的创意产出化提供了一个良好的实现平台。如学生利用电学知识设计电路连接，利用硬件设施和计算机软件编程等探究机器人、汽车模型、遥控台灯制作。首先，教师要保护学生的创意点子，激发学生的创新思维。鼓励学生在学习生活中要善于发现、仔细观察、积极思考、主动探究，把理论落实到实践上。其次，教师要学习更多关于创客教育的理论、实践经验、程序步骤和方法评价。利用各种创客交流大赛，提供更多典型创新研究案例，鼓励学生积极创新和二次创造。同时，教师应主动地进行创客教学模式研究，设计合理的课程体系、实施策略、评价方法等。再次，适当缩小创客课堂的班级规模，给每个学生充分的活动机会。创客活动在某种程度上会因学生人数过多，缺乏教师有效指导或因学生缺乏活动的场地和器材而受限，小班额的配置使学生有更多机会进行小组竞赛、分享经验和表达交流。

4.3 整合多方力量，开展协作学习

协作学习是指学生以多人合作或小组团队的形式而进行学习活动的一种策略。STEM教育和创客教育都强调学生跨学科知识的整合，要求不同兴趣和专业领域的学生共同参与探究。如上海师范大学两名计算机科学与技术师范专业学生联合本校音乐、美术专业的多名学生，一起围绕音乐元素合作创作了“音乐风暴”互动媒体作品，这充分体现了跨学科的优势。其次，教育模式的跨越式发展，需要融合社会多方面的力量。政府要加大对创客空间建设和技术设备支持的投入力度，教育部门则需充分利用人力资源加大对创客教育政策出台和模式设计的研究开发，技术产业部门要加大对科学技术、工具设备和平台建设的研发力度。再次，发挥创客组织对创客教育的助推力量。创客组织是由一群敢于创新、勇于突破的个体组成的一个共同体，美国的 Maker Ed 组织就是一个典型的公益创客组织，其不仅有助于成员在合作互动的过程中对科技、工程、数学的兴趣提升，还推动了美国创客运动的蓬勃发展。我国一方面可以借鉴公益性创客组织的构建模式；另一方面可以成立专门的教研委员会，以国家课程为依托，挖掘地方课程资源，发挥区域特色，打造面向本校不同年龄阶段学生的创客教育协会、创客教育基地、创客教育团队等。

4.4 提高师资水平，提供专业指导

美国为了提高教师的综合素质，拓展教师提升平台，丰富教师发展资源，启动了多项教师培训项目。我国的STEM教育和创客教育都还处于一个萌芽的阶段，对于教师的培养模式还处于传统的单一学科化倾向并缺乏相应的信息技术培训支持。我国开展的创客活动或科技竞赛，主要还是以信息技术教师为主导，他们具有新时代所需的软硬件技术、高级编程及电子工程知识。但是，由于创客项目的复杂性，在其具体活动中涉及美学设计、材料分析、物质分解、生态研究、心理辅导等多学科知识，这对创客教师的综合素质提出了极高的要求。首先，教师自己就要培养其多方面的兴趣和特长，有较强的学习能力和探究能力，能较快地吸收和掌握某一领域的核心知识。其次，高等教育阶段的师范生培养要研究开设创客教师培养专业及设置相应的课程教学。专业化的培训和学习是提高师资的重要途径。再次，借鉴他国的成功经验，加大管理支持和政策鼓励的力度。美国教育部发布了“2016美国44家教育技术规划”，扩大了教师技术课程的规模并加大了支持力度，旨在推动教师职前培训项目的发展，推动教师技术素养的全面提升。

4.5 推动创客活动，营造创客文化

创客教育应该是以培养全民大众的创新精神为目标导向，其本质是一种大众教育，核心是培养人们的工匠精神。现代社会是一个呼吁人人创造、人人创新的大众创业时代，创客教育无疑也需要走向去精英化培养的路径。随着创客运动的蓬勃发展，越来越多的机构、组织、学校、企业开始关注创客运动并参与其中。2013年 11 月，中国发明协会举办了首届中华创客大赛。2019年6月27日，泰州市新生代企业家“新动力”训练营暨第五届蜂鸟杯青年创客大赛正式启动。2020年9—11月，南京市以“奇思妙想护平安——创新思维培养公共卫生安全意识”为主题举办了第五届中小学创客大赛。各种创客大赛、创客活动的兴起大大推动了教育领域的创客文化的培养，无论是高校，还是中小学、社会机构、企业部门都越来越重视对个体创新精神和实践能力的培养，有助于营造一个全民参与的创客文化环境和大众创新氛围。