区域教育数字化发展研究｜翁英相 师高翔 薛峰：中小学创客与STEAM教育区域协同发展实践研究
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翁英相 师高翔 薛峰.中小学创客与STEAM教育区域协同发展实践研究[J].中国教育信息化,2023,29(10):066-072.DOI:10.3969/j.issn.1673-8454.2023.10.007区域教育数字化发展研究
中小学创客与STEAM教育
区域协同发展实践研究
翁英相 师高翔 薛峰
摘 要： 成功的创客教育与STEAM教育协同发展模式，对于学生自主学习、知识迁移、实践创新能力和跨学科思维水平的培养大有益处。但其在实践中仍存在师资力量缺口较大、学习评价方式比较单一、教学场地设备参差不齐等问题。通过调研走访的方式，从师资力量、教学内容、教学方式、学习评价、场地设备、竞赛获奖等六个维度，了解山西省汾阳市中小学创客与STEAM教育协同发展情况，并以禹门河小学基于“学科大概念”的主题式教学和汾阳中学基于计算思维培养的项目式学习为例，提出对创客与STEAM教育协同发展的未来展望：政府和社会层面应加强基础设施建设和支持力度，从课标培训、师资建设、科学评价、教学改革等四个方面发力，并与信息科技课程接轨，培养具有创新实践能力的跨学科、多领域交叉的综合型人才。关键词： 创客教育；STEAM教育；主题式教学；项目式学习；信息科技教育中图分类号： G434文献标志码： B 文章编号： 1673-8454（2023）10-0066-07作者简介： 翁英相，山西省汾阳中学校科技辅导员，中小学一级教师，本科（山西汾阳 032200）；师高翔，汾阳市教科局信息中心主任，中小学高级教师，本科（山西汾阳 032200）；薛峰，汾阳市禹门河小学信息技术教师，中小学一级教师，本科（山西汾阳 032200）
一、创客教育与STEAM教育
二、创客与STEAM教育
区域协同发展现状
汾阳市深入贯彻落实《教育信息化2.0行动计划》 《中国教育现代化2035》 《新一代人工智能发展规划》和《山西省教育厅关于开展中小学校创客教育的指导意见》的部署要求，从2018年开始持续对全市中小学信息化设备进行改造和投入、建设创客空间实验室等，培养学生的创新精神和实践能力，全方位提升学生的科学、技术、工程、艺术、数学等多学科素养，广泛开展形式多样的人工智能科普活动，致力打造区域创客与STEAM教育基地，取得良好成效。2016年12月，山西省电化教育馆授予汾阳市禹门河小学“创客机器人”教育研究项目学校称号；山西省汾阳中学校（以下简称汾阳中学）、汾阳市禹门河小学、汾阳市东关初级中学3所学校先后被评为2020年度、2021年度“全国青少年人工智能活动特色单位”。
笔者通过走访汾阳市城区公办中小学——7所局直小学、4所局直初中和5所高中（含职高），从师资力量、教学内容、教学方式、学习评价、场地设备、竞赛获奖等六个维度开展有关汾阳市城区公办中小学创客与STEAM教育协同发展情况的调研。
（一）从事创客与STEAM教育的师资力量缺口较大
从走访调研情况来看，城区公办中小学能否开设创客与STEAM相关课程主要取决于师资力量。开设创客与STEAM相关课程的学校需配备1～2名信息技术教师或科技辅导员从事创客与STEAM教育，目前有两个学校配备了3名以上信息技术教师或科技辅导员，从事创客与STEAM教育。虽然各学校配备的师资力量不一，但是创客与STEAM教育协同发展覆盖了所有学段，形成“一条龙”教育之势，具体如表1所示。
表1 汾阳市城区公办中小学创客与STEAM教育协同发展总体情况（二）创客与STEAM教学内容各有侧重
开设创客与STEAM相关课程的学校，均比较注重培养学生的设计、搭建、编程等实践能力。从教学内容来看，小学以开设Scratch图形化编程为主，初中以开设可视化编程、虚拟机器人仿真平台和Arduino智能设计为主，高中以开设Python语言和C++语言为主。虽然各学段学校的教学内容不同，但都涉及算法，有助于培育学生的信息素养，如计算思维等。
（三）“做中学”是创客与STEAM课程最主要的教学方式
与信息技术类课程传统的讲授方式相比，创客与STEAM课程的教学比较灵活开放，一般以社团活动或课外活动小组（班级）为组织形式，以边学习、边实践、边讨论为教学方式，始终贯穿整个创客与STEAM教育项目，体现了“做中学”的教学理念。
（四）学习评价方式比较单一，注重结果性评价
学生学习创客与STEAM相关课程之后，具备了搭建和编程的知识与技能，教师会布置课后作业或让学生围绕某一个主题制作一个作品。教师对学生的学业质量评价主要依据学生提交的课后作业或作品。
（五）各校创客与STEAM教学场地设备参差不齐
各学校配备的多媒体教室和计算机机房虽然能满足编程软件教学，但尚未达到创客与STEAM教育的要求。目前只有3所学校配备了专门的创客空间实验室（其由汾阳市教育科技局投资450万元），其中1所学校还配备了专门的人工智能实验室，如表2所示。表2 汾阳市3所学校配备创客与STEAM教学场地设备情况（六）参加科创类比赛的学校数量少但获奖丰
禹门河小学、东关初级中学、汾阳中学、第五高级中学等4所学校常年参加科创类比赛，其他学校偶尔参加科创类比赛。2017年5月，禹门河小学参加山西省中小学电脑制作活动比赛荣获一等奖；2017年11月18日，禹门河小学参加世界教育机器人大赛（WER）2017赛季世锦赛（上海），一举获得WER世锦赛积木教育机器人赛小学组冠军；2019年，汾阳中学组建FTC团队参加中国 FIRST 机器人竞赛协会邀请赛，3月参加青岛邀请赛取得三局两胜的佳绩，5月参加青海邀请赛获二等奖；2019年8月，汾阳中学参加第三届“童创未来”全国青少年人工智能创新挑战赛，获单片机创意智造挑战赛银奖等。
三、创客与STEAM教育
区域协同发展模式构建
汾阳市城区部分学校虽然没有创客空间实验室，也开设了创客与STEAM相关课程。尤其是在“双减”政策背景下，一方面，以课后服务为契机，吸引社会机器人创客培训机构到校内上课；另一方面，借助社会机器人创客培训机构的场地设备，开展创客与STEAM教育项目。目前，汾阳市已有7所学校开设创客与STEAM相关课程，但是真正形成特色鲜明的、创客与STEAM教育协同发展的模式仍较少，目前只有禹门河小学和汾阳中学创客教育与STEAM教育协同发展模式初见成效。
（一）禹门河小学：基于“学科大概念”的主题式教学
禹门河小学从一年级至六年级均组建“智创”班级，开展创客与STEAM相关课程学习。根据学生的认知水平，不同学段开设相对应的创客与STEAM校本课程，例如一年级、二年级的教学内容主要是基础搭建课程；三年级、四年级的教学内容主要是创意制造课程；五年级、六年级的教学内容主要是创意编程课程，如图1所示。
图1 机器人基础搭建课程
1.用“学科大概念”统摄与组织教学内容
2018年1月，教育部发布《普通高中课程方案（2017版）》，该方案中首次出现“学科大概念”一词，并提出以“学科大概念”为核心使课程内容结构化，以促进核心素养的生成[6]。
小学1～2年级机器人搭建课程是以能力风暴和乐高为抓手，从学习基本组件和基本结构开始，到模仿和简单制造，再到主题创造和自主搭建。在讲授搭建课程的过程中，教师以“力”这个“大概念”为锚点的搭建活动，注重培育学生的科学素养。“力”对小学1～2年级学生来说，超越了他们现有的认知水平，但教师可以引导学生通过动手搭建积木，感受到物体受力平衡使积木稳固，如图2所示。
图2 搭建单杆道闸演变过程
小学5～6年级创意编程课程是以Mind+图形化编程为载体，学习动作、外观、声音、画笔、事件、控制、侦测、数字、逻辑运算等，缜密的编程逻辑让学生学会思考、创造交互式故事情节、动画、游戏等作品，并将作品上传到“学习通”，将自己的创意与其他小朋友一起分享。在讲授创意编程课程的过程中，教师以数据、算法、信息系统、信息社会”四个“大概念”为锚点的创意编程活动，不仅传授学生信息技术相关知识，而且培育学生的信息素养，如图3所示。
图3 基于“大概念”的创意编程活动
2.教学效果
基于“学科大概念”的教学，一方面，有利于厘清上位概念（知识）和下位概念（知识）的内在逻辑关系，对离散的知识和技能进行科学合理的整合；另一方面，有利于形成明确的学习目标，通过设计有效的学习活动，促进学生自主合作与探究学习。此外，“学科大概念”教学还能够帮助学生深度学习，从低阶思维迈向高阶思维，提高学以致用的能力，提升信息素养。
（二）汾阳中学：基于计算思维培养的项目式学习
汾阳中学主要以社团形式在高中一二年级开设创客、STEAM、人工智能相关课程。由于高中学业比较重，时间比较紧，做不到系统性地讲授创客、STEAM和人工智能相关知识。该中学从实践中探索出基于计算思维培养的Python项目式学习模式，汇编了无人机、校园微笑机、无人小车等项目式学习案例丛书。
1.以项目为主线贯穿整个教学活动过程
《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》提到具备计算思维的学生，在信息活动中能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据；通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法，形成解决问题的方案；总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决中[7]。
项目式学习强调从真实世界的问题出发，通过组织学习小组，让学生借助信息技术以及多种资源开展探究活动，在一定的时间内解决一系列相互关联的问题，并将研究结果以一定的形式发布[8]。计算思维在问题解决过程中产生“界定问题”“抽象特征”“建立模型”“组织数据”“判断、分析与综合信息资源”“运用算法”“总结迁移”七个思维活动。项目式学习在问题解决过程中历经项目提出、项目设计、项目实施、项目评价四个关键环节，构建了基于计算思维培养的Python项目式学习模式，如图4所示。在该模式中，教师与学生以项目为主线贯穿整个教与学活动过程，学生的计算思维得到了培养和提升。教师设计Python项目式学习的出发点主要基于以下两个方面：一方面，检验学生对Python语言的学习效果，促进学生对Python语言学习，体现“做中学”理念；另一方面，引起学生对项目的兴趣，萌生问题解决的求知欲。
新冠疫情期间，许多学校都开启了在线教育模式。但在线课堂受制于空间、设备、精力等各种因素，教师和家长无法及时掌握学生的听课质量。笔者专门设计了一个学生在线听课注意力检测项目。该项目融合创客、STEAM和人工智能应用，分解成查找文献、设计问卷、问卷调查、统计结果、数据分析、运用人脸检测技术等任务。学生根据这些任务，开展探究活动，最后设计相关解决方案：采用基于哈尔（Haar）特征的级联分类器，对学生实时人脸检测（不收集和保存学生人脸图片，以保护学生个人隐私）。检测到人脸正面，意味着学生在线听课注意力集中；检测到人脸非正面，意味着学生在线听课注意力分散。该项目通过人脸检测的功能，实现对学生在线听课注意力的检测，从而判断学生的听课质量。后台会把出现注意力不集中的学生记录下来，并发消息给教师和家长，教师或家长收到消息后可及时提醒学生认真听课。笔者还组织师生对该项目作品进行评价并提出改进建议，以便学生反思和完善作品。
2.教学效果
在项目式学习过程中，开展探究活动和设计解决方案，有利于培养和提高学生的抽象思维、建立模型思维、组织数据思维、运用算法思维。执行设计方案和不断修正迭代，有利于培养和提高学生判断、分析与综合信息资源思维的能力，以及运用算法思维的能力。交流反思和完善作品，有利于培养和提高学生的总结迁移思维。总之，项目式学习促进了学生在问题解决的过程中计算思维素养的锻炼与提升。
四、创客与STEAM教育
区域协同发展的未来展望
2022年4月，教育部颁布《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称《2022版课标》）提出，遴选科学原理和实践应用并重的课程内容、倡导真实性学习[9]。2022年5月7日，在由中国教育学会中小学信息技术教育专业委员会主办、华东师范大学教育技术学系承办的“义务教育信息科技课程标准在线公益解读暨双新推进研讨会”上，教育部义务教育阶段信息科技课程标准研制组组长熊璋认为，探索与创新应该成为信息科技的杀手锏，成为信息科技的标志，成为信息科技的显示度，成为信息科技的ID。创客与STEAM教育培养具有创新实践能力的跨学科、多领域交叉的综合型人才，这和信息科技课程理念高度一致，创客与STEAM教育协同发展必然会与信息科技课程接轨。
为促进汾阳市中小学创客与STEAM教育协同发展未来转向信息科技教育发展，亟需从课标培训、师资建设、科学评价、教学改革等四个方面发力。
（一）积极组织信息技术教师参加《2022版课标》相关培训活动
《2022版课标》的颁布拉开了新一轮课程改革的序幕。因此，解读《2022版课标》成为教育行政部门、学校、教师极其关注的事情，汾阳市先后组织了多次培训活动，尤其涉及人工智能方面。例如，针对《2022版课标》中“人工智能与智慧社会”模块，培训内容以人工智能应用场景（如人脸识别）为切入点，认识人工智能的基本特征及所依赖的数据、算法和算力三大技术基础；认识人工智能中的搜索、推理、预测、机器学习等不同实现方式；认识人工智能带来的伦理与安全挑战。
（二）加强信息科技教育师资队伍建设和培养
信息科技教育师资队伍建设和培养主要途径如下：一是区域研修或校本研修，提升信息技术教师专业发展。教育行政部门或学校建立健全教师成长机制，以信息技术教师和科技辅导员等为主体，组建学习共同体，参加信息科技相关主题的线上课程培训和线下学习活动，促进信息技术教师专业能力的提升。二是人才引进，适时补充人工智能教育师资力量。政府实施引“智”计划，学校与师范院校、科研机构和人工智能科技企业对接引进人才，补充人工智能教育师资力量。
（三）科学评价信息科技教育，落实正确育人方向
树立正确的评价观念，坚持以评促教、以评促学，体现“教一学—评”一致性[10]。根据多元智能理论，构建信息素养导向的多元评价体系，科学评估与监测信息科技教育。落实正确育人方向，评价体系应该遵循以下原则：坚持知能评价与素养评价相结合；坚持过程性评价与终结性评价相结合；坚持自评与他评相结合；坚持定量评价与定性评价相结合。
（四）推动信息科技教学改革，多方协同推进人工智能教育
教育行政部门以禹门河小学和汾阳中学创客与STEAM教育协同发展模式为典范，推动汾阳市信息科技课程教学改革。在信息科技课程教学改革过程，发挥以示范校带动区域、社会创客机器人培训机构协助的作用，开发信息科技校本课程，注重科学原理和实践应用，以真实问题或项目驱动培育学生信息素养，提升信息科技教育质量。同时，选择基础设施较好的城区中小学开展人工智能教育项目，由政府部门主导，以学校为主阵地，联合社会各界力量（科研院所、科技公司等）协同开展“人工智能教育融合应用推进行动”，构建多方协同联动的人工智能教育新格局。
五、结语
成功的创客与STEAM教育协同发展模式，对于学生自主学习能力、知识迁移能力、实践创新能力、跨学科思维水平的培养大有益处。但从目前实际情况来看，汾阳市城区中小学创客与STEAM教育协同发展在课程设置、教学模式、基础设施等方面，与发达地区相比仍有较大的差距，需要政府部门和学校统筹规划。一方面，设备设施是信息科技教育发展的基础条件，但投资较大，仍需政府、社会的关注与支持；另一方面，应重视知识与人才资源，建立多方协同、统筹兼顾的新机制，为汾阳市信息科技教育提供强有力的支撑。
参考文献：
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[3]沈光辉,高鑫,宋乃庆.基于创客教育视角的初中生创新能力测评模型构建与应用[J].中国电化教育,2022(4):71-78.
[4]匡芮东.基于STEAM的中学人工智能课程教学设计研究[D].重庆:重庆大学,2018.
[5]吴惠明.试论从物理学科教育走向STEAM融合教育[J].中学生数理化(教与学),2021(1):17.
[6]教育部.普通高中课程方案(2017年版）[M].北京:人民教育出版社,2018:4.
[7]教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京:人民教育出版社,2018:4.
[8]马宁,赵若辰,张舒然.项目式学习：背景、类型与核心环节[J].中小学数字化教学,2018(5):24-27．
[9][10]教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[M].北京:北京师范大学出版社,2022:4.
（1.Fenyang Middle School, Fenyang 032200, Shanxi;
2.Fenyang Education and Technology Bureau, Fenyang 032200, Shanxi; 3.Yumenhe Primary School, Fenyang 032200, Shanxi）Abstract: The successful collaborative development model of Maker education and STEAM education is of great benefit to the cultivation of students’ independent learning, knowledge transfer, practical innovation ability and interdisciplinary thinking level. However, in practice, there are still problems such as a large shortage of teachers, relatively single learning evaluation methods, and uneven teaching venues and equipment. Through research and visits, from the six dimensions of faculty, namely teaching content, teaching methods, learning evaluation, venue equipment, and competition awards, the coordinated development of Maker education and STEAM education in primary and secondary schools in Fenyang City is learned about. Taking Yumenhe Primary School’s theme-based teaching based on “big concept” and Fenyang Middle School’s project-based learning based on computational thinking training as examples, the future outlook for the coordinated development of Maker education and STEAM education is proposed: the government and society should strengthen infrastructure, with support focusing on the four aspects of curriculum standard training, teacher construction, scientific evaluation, and teaching reform, and will be in line with information technology courses to cultivate interdisciplinary and multi-disciplinary comprehensive talents with innovative practical capabilities.Keywords: Maker education; STEAM education; Theme-based teaching; Project-based learning; Information technology education编辑：李晓萍 校对：王天鹏
期刊简介
《中国教育信息化》创刊于1995年8月，是由中华人民共和国教育部主管，教育部教育管理信息中心主办，面向国内外公开发行的国家级学术期刊。期刊内容力求全面深入地记录我国教育信息化的建设进展、研究与应用成果和行业发展状况，开展我国教育信息化发展状况调研和教育信息化国际比较研究，服务于国家教育宏观决策；力求全面准确地把握教育信息化相关的方针政策和标准规范，及时追踪ICT前沿技术的发展趋势及其与教育的融合，深度挖掘教育信息化建设与应用的体制、机制创新，服务于我国教育信息化实践。
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