基于跨学科教育的创新能力培养研究

2021-08-14钟柏昌

中国教师 2021年8期

【摘要】学生创新能力的培养对于国家、个体发展至关重要。无论是社会现实的反映，还是科技发展的前沿，抑或教育发展的趋势，无一不强调跨学科创新的重要性。笔者及所在团队以机器人教育为突破口，构建了一系列教与学模式，解决了中小学机器人教育、创客教育、STEM教育模式单一的问题，为跨学科教育的深入发展提供了方法论参考。

【关键词】创新能力教学模式跨学科教育

一、研究缘起

创新能力也称创造力、创新性、创造性，是人类心理机能的高级表现，也被视为21世纪人才的关键特征[1]。当今世界对培养学习者的创新能力给予了前所未有的关注。

《2020年全球创新指数报告》[2]的发布引起了较大的轰动，作为唯一入围前30名的发展中国家，中国以第14名的位次排名靠前，并有8个指标排名全球第一。其中，排在第一位的指标是“阅读、数学和科学PISA量表得分”，这一成就成为我国教育发展的标志性成果。然而，经济合作与发展组织（OECD）于2018年通過对上海、北京、江苏、浙江四省市学生的调查发现，中国学生取得优异成绩的背后所付出的代价是大量的学习时间、偏低的学习效率及幸福感，意味着应试教育下的优异成绩并不代表创新能力的提升。这一发现继而引发教育界内外人士对教育本质的思考：我们的教育应该提升学生的成绩还是培养学生的能力？相比于其他各国，中国诺贝尔奖获奖者寥寥无几，科学研究水平也远远落后。尴尬的社会现实亟待教育重心的偏转，“钱学森之问”实际上为我们提供了教育改革的方向，即教育须关注创新能力的培养而非学科成绩的提升，强调解决真实问题的能力而非解题能力。

在发展动力亟待转型的新形势下，创新人才的竞争也成为国家综合竞争力的关键。国家层面也对创新能力培养给予了高度重视。例如，2018年3月28日，北京师范大学中国教育创新研究院首次对外发布《21世纪核心素养5C模型研究报告（中文版）》，其指出核心素养5C模式中的创新素养包括三个维度：创新人格、创新思维、创新实践[3]。这一报告的发布从立德树人层面指出了创新能力培养的重要性。又如，2019年，中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》，强调要创新人才培养方式，推行启发式、探究式、参与式、合作式等教学方式以及走班制、选课制等教学组织模式，培养学生创新精神与实践能力。再如，2020年发布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出，要激发人才创新活力，加强创新型、应用型、技能型人才培养。

概言之，现阶段我国的社会现实、科技发展、教育趋势等使创新能力成为我国教育实现转型升级的重要抓手，创新能力的培养也迅速成为教育界内外关注的热点，但创新能力的具体培养方向却尚无定论。如今，知识生产已经呈现跨学科发展态势，创新能力培养必须建立在复杂、多元的知识网络基础上，知识交叉成为打破惯性思维、扩大思维广度、取得原创性成果的原动力[4]。根据《自然》杂志的一项研究，其在总结全球已发表的8.8万个高质量创新水平的科技论文的基础上，发现学科之间的交叉关系越来越密切，这亦说明跨学科创新逐渐成为全球科技发展的趋势[5]。基于此，在跨学科教育中培养学生的创新能力成为本研究关注的重点。

二、过往的探索

当前，人工智能正以超乎人们预想的速度发展并迅速进入教育领域，既成为促进教育转型的新工具，亦成为实施创造教育的新阵地。近年来，在国家政策的有力推动下，以编程、机器人、创客等为主题的各类人工智能课程纷纷涌现，我国中小学机器人教育有了较快发展，其教育价值已逐步获得社会认可。作为一种创新教育平台，机器人的设计和开发过程常需要涉及多个学科知识的综合应用。借此，笔者尝试以机器人教育为切口，推进跨学科教育中的创新能力培养模式与策略研究。

1. 4I教学模式

长期以来，机器人教育教学模式单一且侧重模仿验证实验，导致学生创新能力培养不足。具体表现在教师基本沿袭信息技术课堂惯用的讲练结合或封闭式任务教学法[6]，以模拟实验或模仿再现生产生活中的科技产品作为主要教学任务，教师通过讲解制作步骤，让学生亦步亦趋完成预定机器人的制作，重在基础知识和基本技能的掌握，学生作品缺少个性化设计，更谈不上创新设计。针对这一问题，我们构建了多元化的4I教学模式[7]。

所谓4I教学模式，是指向四种教学模式的分类框架，因每个模式的第一个英文字母都为I，故简称4I教学模式。从学生在机器人课程中的学习结果内外分类出发，可以得到机器人教学模式的两个分类维度：知识内容维度（学科本位与学科整合）、物化成果维度（自主控制与联机交互）。经由两个分类维度的交叉，可以区分出四类教学模式（见图1）。其中，实验模拟型教学（Learning to Imitate via Robot）旨在以机器人相关技术作为教学内容的主体，将机器人本身作为学习的对象，以掌握机器人本体知识为导向;趣味交互型教学（Learning to Interact via Robot）旨在以开发有趣、好玩的机器人联机交互系统为主要任务开展教学;科学探究型教学（Learning to Inquire via Robot）旨在以科学问题为导向，将机器人作为开展科学探究的载体和工具，为探究性学习提供数据收集、加工的技术支持;发明创造型教学（Learning to Invent via Robot）旨在以实际需求为基本导向、以项目教学为基本方法、以创新实践为核心目标的教学，要求学生通过教学能够制作出具有创新性的智能人造物。

在上述四类教学模式中，发明创造型教学模式对创新能力的培养提供了重要的理论指导。遗憾的是，囿于较低的专业知识和实践能力，“发明创造”在中小学教师和学生中的实践难度较大，进而导致理论与实践“脱轨”。这一问题继而引发我们的另一思考：针对教育中的不同主体，是否应该定位不同水平的创新要求？基于此，我们将创新水平大致分为模仿、微创新、原始创新三种水平[8]。其中，模仿阶段强调用新工具、方法、材料解决一个有成熟解决方案的老问题;微创新阶段强调要素或参数上的微调，在此过程中产生新创意、新功能的萌芽;而原始创新阶段则要求跨学科与多元视角的观点重组，实现结构性的变化[9]。大部分中小学生难以开展原始创新的类创造活动，但能够适应模仿学习水平的内创造，以及介于两者之间的微创新活动。当然，如果教育活动只是停留于模仿学习显然也是不够的，因此，将中小学生创新能力的培养定位在微创新水平上比较符合教育发展的规律和现实可行性。三种水平的创新，表明学生创新能力的培养应当从模仿学习（即学会“复制”）开始，通过模仿操作，在实践中掌握造物的基础知识和基本技能，再逐步积累和提升微创新能力，为后续原始创新能力的培养奠定坚实基础。

2.TRIP教学模式和“灯笼”模型

基于对4I教学模式的观察与提炼，我们进一步发现这些教学模式主要应用了两种教学方法：项目教学法和科学探究法。项目教学（又称基于项目的学习，Project-based Learning）强调以项目活动为依托组织教学内容，以学生为主体开展教学活动，以可视化和多样化的学习成果评价学习的效果[10]。完整的项目教学通常须经历较长的周期，导致实际课堂无法正常开展全流程的项目教学。此外，项目包含有核心概念和原理的综合性或开放性任务，通常包含了多个复杂的或劣构的真实问题，无论对学习者还是教师而言均具有挑战性。

因此，针对近年来项目式教学和研究性学习存在的不足，在4I模式的基础上，我们从机器人教育的目标定位出发，将正向教学与逆向教学、作品开发取向与科学探究取向两个维度交叉整合，提出了以逆向工程教学和纠错教学为代表的TRIP四类教学模式（见图2）[11]。其中，纠错教学法（Trouble Shooting）是指教师人为地设计纠错任务，或是提供业已用坏或损坏的残缺作品，让学生接受系统的纠错任务训练，发现故障产生的根源，复原作品功能;逆向工程法（Reverse Engineering）旨在以造物为目的，以先进产品的实物、样件、软件等作为研究对象，通过现代设计理论、方法、测量技术对已有产品进行建模、仿真，最终实现优化既有产品和再创造的过程;科学探究法（Inquiring）旨在以科学问题为导向，以STEM教育理论指导科学探究活动的设计与实施，以培养学生的跨学科知识和科学探究能力为目标;项目教学法（Project-based Learning）旨在以项目活动为依托组织教学内容，以学生为主体开展教学活动，以可视化和多样化的学习成果评价学生的学习效果。

在TRIP四类教学模式中，逆向工程法作为一种通过对目标产品的逆向分析和研究来实现产品优化与再创造的模式，在工程类专业课程的教学中具有广阔的应用前景。为改变逆向工程法模式单一现象，我们整合了纠错教学模式的优点和创新能力培养的需求，从复原实验和重构实验两个层面分别提出了解构复原型、纠错复原型、要素增减型、结构创新型四种逆向工程教学模式，进而构建了“灯笼”模型[12]，对上述教学模式的各环节进行形象化呈现（见图3）。其中，解构复原型教学模式侧重以“拆分—复原”的方式让学生掌握目标产品的基本构成和实现方法;纠错复原型教学模式侧重以“纠错—复原”的方式让学生掌握目标作品的工作机制和实现方法;要素增减型教学模式侧重以“分解—要素增减”的方式开拓学生思维;结构创新型教学模式侧重以“分解—结构再造”的方式促进学生实现知识应用和创新实践。上述教学模式都强调将学生代入原产品设计者的身份意识，均具有“造物”的特征，在应用时应当根据实际情况加以灵活选择、调整和组合。

三、新的探索—4C教学模式

在前期研究中，笔者认为“核心素养”的内涵可从三个层次来把握：双基、问题解决与学科思维（见图4）。其中，双基层以基础知识和基本技能为核心;问题解决层以解决问题过程中所获得的基本方法为核心;学科思维层指在系统的学科学习中通过体验、认识及内化等过程逐步形成的相对稳定的思考问题、解决问题的思维方法和价值观，实质上是初步得到学科特定的认识世界和改造世界的世界观和方法论[13]。从知识与技能的习得，到问题解决能力的培养，再到学科思想和方法的内化，是一个完整和连贯的过程[14]。一个获得学科思维的人无疑具备了总揽下面两个层次的能力，也意味着学习者习得了学科专家深入思考问题时所需要的一种能力，即具备了学科素养。因此，有学者指出，素养导向的课堂转型的重点正是从“教授专家结论”转向培养以创新为特征的专家思维[15]66。

在新课改的浪潮下，“学科大概念”成为诸多学者关注的热点。大概念研究可追溯至布鲁纳（J.S.Bruner）对教育过程的讨论。他指出，“无论教师教授哪类学科，一定要使学生理解该学科的基本结构，有助于学生解决课堂内外所遇到的各类问题。掌握事物的基本结构，就是以允许许多别的东西与它有意义地联系起来的方式去理解它，学习这种基本结构就是学习事物之间是怎样相互关联起来的”[16]。事实上，专家的知识正是通过大概念来组织的，其反映专家对学科的理解深度[17]。因此，“大概念”也被界定为反映专家思维方式的概念、观念或论题[15]68。大概念又可分为跨学科大概念和学科大概念，埃里克森称之为宏观概念和微观概念[18]。跨学科大概念是不同学科领域、不同学段学科核心概念的综合、联结与再抽象，其层次一般比学科大概念高，是学科大概念的上位概念。借此，我们将“双基”替换为“学科大概念”，强调在问题解决过程中通过大概念的联结以获得学科思维的内化，最终指向学科素养的习得。在跨学科教育中亦是如此，即强調学生在问题解决过程中通过跨学科大概念的联结以获得跨学科思维的内化，最终指向跨学科素养的习得。同时，为解决当前创新能力培养中所存在的“窄口径”问题与“知识提升缺乏层次与结构”的问题，我们引入“聚类教学”与“深度学习”理念，进而建构了面向创新能力培养的4C教学模式。

4C教学模式是以聚类教学为起点的一种面向创新能力培养的教学模式。所谓聚类教学，就是依据某种线索组合一系列机器人项目，形成具有内在联系、具有螺旋上升和发散结构的教学单元，循序渐进地开展机器人教学。根据团队之前的研究，大致有三种聚类方式[19]。①以相似的功能聚类：将具有相似功能的技术工具进行聚类，如将具有变速功能的自动变速风扇、遥控风扇聚为一类;②以相似的目标聚类：将以实现对某一物体控制为目标的技术工具进行聚类，如将以实现对风扇控制为目标的智能风扇、变速风扇、创意风扇聚为一类;③以相似的技术思想聚类：将使用相似原理或思想的技术工具进行聚类，如将使用自动控制思想的自动浇水花盆、自动加湿器聚为一类。

4C教学模式下的学习是从一类问题情境（情境化）开始，经历概念提取和关联内化（去情境化），再通过迁移应用回到具体问题情境（情境化）的一个循环往复的学习阶梯，鉴于每个阶段均有以C开头的英文单词，故统称为4C模式。其主要包含四个教学阶段。

（1）聚类教学（Clustering）：教师在学科大概念的视角下，根据学科理论体系，整理出包括基本概念、定理、理论和应用在内的情境案例或问题，将其进行归类整理后呈现给学生。以相似的功能聚类为例，教师可将自动变速风扇、遥控风扇聚为一类，让学生分别设计出具有变速功能的风扇产品。

（2）概念提取（Conceptualizing）：学生在经历了一系列相似问题的解决过程后，需要在教师的指导下归纳这一类事物的普遍特征和一般规律，进行概念提取，从而真正实现从若干“个”的学习迁移到“类”的学习。例如，学生在设计自动变速风扇、遥控风扇的过程中，逐渐提取“变速功能”的设计原理。

（3）关联内化（Correlating）：当不断提取出新概念时，教师需要通过概念地图等工具帮助学生建立新旧概念之间的联系，鼓励学生深入探究知识背后的思想方法，通过讨论和辩论修正概念，对概念的取舍作出合理判断，从而将抽象的概念赋予自己的认知与意义，达到深度理解，从而实现认知结构的变化和内化。例如，学生将变速风扇的原理与遥控台灯形成关联并理解其实际价值。

（4）迁移应用（Changing）：此处迁移应用主要指远迁移，即学生需要将习得的概念性知识迁移至与原学习情境极不相似的其他具体情境中，利用自身所提取的概念性、抽象性知识解释和解决生活中的实际问题，达到迁移创新的目的。例如，学生在习得变速功能的原理与技能后，将其迁移至智能门锁的作品开发。

四、总结与展望

当前，机器人教育存在目标与手段脱节的问题，具体表现为教学中充斥着大量重复性实验、机械性模仿的学习活动。如果此类教学长期持续，机器人教育的核心目标不可避免地将演变为对机器人技术原理的理解和简单技能的操作，从而让创新实践能力的培养流于表面。为推动跨学科教育中学生创新能力的培养，本团队创造性地构建了一系列创新教育模式：首先，针对当前机器人教育教学模式单一问题，我们构建了多元化的4I教学模式;其次，针对近年来项目式教学和研究性学习存在的不足，在4I模式的基础上，我们提出了以逆向工程教学和纠错教学为代表的TRIP四类教学模式和“灯笼”模型;此外，针对当前创新能力培养过程中存在的“窄口径”与“知识提升缺乏层次与结构”的问题，我们引入“聚类教学”与“深度学习”理念，进而建构了面向创新能力培养的4C教学模式。系列教与学模式的提出为跨学科创新能力的培养提供了重要的理论指导。

未来，本团队还须紧跟发展前沿，首先，要开发出更为丰富的机器人教育课程、资源，尤其需要加强对基地学校的引导，鼓励他们基于学校和区域特点，开发个性化的校本和区本教材，使机器人教育更有鲜活的生命力;其次，在教育评价方面尚缺少专门的探索，亟须设计出更有针对性和综合性、覆盖学生学习全过程的纵向评价方案，以及包含计算思维、科技素养、合作能力和创新能力的全要素横向评价方案;最后，目前已有的教学实验区还处于散点式发展状态，仍须借助更大的平台扩大在全省乃至全国的影响与辐射作用。

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