高云峰, 师保国：跨学科创新视角下创客教育与STEAM教育的融合
摘
要
在跨学科创新视角下，创客教育与STEAM教育存在诸多共通之处，可以相互补充。创客教育是STEAM教育实施的有效手段，STEAM教育是创客教育的必要补充，二者结合可以对人才培养产生良好效果。创客教育与STEAM教育的融合策略包括开设标准化入门课程、学习以"创客三件套"为核心的系列创客课程，以及完成大型实景项目。在跨学科创新目标的引领下，创客教育与STEAM教育的融合必将能够为当前的教育教学改革带来积极的思路。
关键词：跨学科创新；创客教育；STEAM教育；融合
基金项目：北京市创新实验室基金；北京市社科基金一般项目"多元文化经验对创造性的促进效应研究"（14JYB015）
原文发表在：华东师范大学学报（教育科学版）2017年第四期“专题:STEAM教育研究”
作者：高云峰, 清华大学航天航空学院（北京 100084）;师保国：首都师范大学心理学系（北京 100048）
跨学科(cross-disciplinary)也称交叉学科，被人们视为前沿科学的生长点与高新技术的发源地(师昌绪，1997)。从科学发展史来看，许多重大的发明创造都源自于不同学科的互育融合(Koestler, 1964)。例如，兰德斯坦纳(Landsteiner)凭借发现A、B、O三种血型特征在血液研究领域脱颖而出而获得诺贝尔医学及生理学奖，与其原先的化学学科背景密不可分；凯库勒(Kekulé)在有机化学领域因发现苯环结构与碳原子为四价原子而著名，这些思想与其早期对建筑的兴趣与了解有关(Sawyer，2013)。可以说，跨学科是人类进行创新的重要途径之一。
近几十年来，国内外教育界先后涌现出两种现象，它们均与跨学科创新有关。一个是STEAM教育，另一个则是创客教育(Maker Education)。STEAM教育强调整合科学、技术、工程、数学和人文艺术领域的内容，将知识的获取、方法与工具的利用以及创新生产的过程进行有机的统一(黄晓，李扬，2014)，对培养学生的问题解决和综合能力具有重要价值。创客教育则重视让学生运用多种学科知识及数字化工具，通过开展行动、分享与合作将创意作品化，为开发学生的创新素养提供了新的有效途径。以往研究表明，STEAM教育与创客教育在概念起源、教育目标、教育内容、教育过程以及师生关系等方面存在一定的差异(杨晓哲，任友群，2015)。但从跨学科创新的视角来看，二者又存在着诸多共通之处，在教育实践过程中可以相互补充。随着当前越来越多的教育工作者开始同时关注STEAM教育和创客教育，我们认为有必要对二者相互支持的关系进行梳理，并结合我们前期已经开展的教学实践对STEAM教育与创客教育的融合策略进行探讨。
一、STEAM教育与创客教育融合的前提
“STEAM”一词源自于“STEM”(Science，Technology，Engineering，Mathematics)。这一提法首次出现于1986年美国国家科学委员会的《本科的科学、数学和工程教育》报告中。在这一概念中，Science(科学)是反映自然、社会、思维等客观规律的知识体系；Technology(技术)是解决问题的工具、方法和经验的总称；Engineering(工程)是运用科学原理和技术手段创造人工物体的学问；而Mathematics(数学)则是研究数量关系和空间形式的一门科学。科学、技术、工程和数学之间存在着相互支撑、相互补充和共同发展的关系，在实际问题解决过程中它们也是相互交叉和渗透，以整合方式起作用的。从应用知识解决现实问题的角度，对这些学科不宜独立分割、强调分科教学，而应该作为整体统一考虑。尤其是考虑到“STEM”更多偏重于科学工程等方面，加入“Arts”(人文艺术)演变为“STEAM”则成为了STEM教育发展的必然趋势。
STEAM不仅综合了多种学科的知识，更是融合了不同学科所蕴涵的实践活动、精神内涵和价值观，可以认为是一种多元学科文化的融合创新。这种跨学科的教育思路强调打破学科边界，使学生运用科学、工程、人文艺术等多门学科知识解决真实生活情境中的问题，在此过程中培养学生的综合素养，历来受到国际社会的高度关注。2006年，时任美国总统的布什在国情咨文中公布《美国竞争力计划》，提出了培养具有STEM素养的人才是美国在知识经济时代的教育目标之一，是提升国家在全球范围内竞争力的关键。2009年，美国国家科学委员会致信给时任总统奥巴马，公开明确指出国家的经济繁荣和国土安全要求美国保持科学、技术的世界领先和指导地位，而高等教育阶段之前的STEM(STEAM)教育则是实现这一目标的保障，是国家最重要的任务之一。
虽然STEAM教育近年来开始传入国内并逐步被大力提倡，但是各地的实施大多尚停留在理念的层面。主要原因包括两个方面：(1) 培养路径不够明晰。STEAM教育是为了更好地引导学生打破原有学科知识体系的束缚，倡导教师在教学过程中更好地进行多学科融合，鼓励学生采用跨学科问题解决的方法。但国内目前各学段教育受学科分割与考试进阶的影响，学科间的相互渗透和结合不够，缺乏明晰的培养路径，学生综合素养和跨学科思维能力不佳。(2) 缺乏专业化的师资力量。在STEAM教学中，学生是积极主动的参与者，独立自主地参与整个项目，或是在小组协作中共同学习多元学科的综合知识；而教师在此过程中则更多地扮演教学设计者、活动组织者、知识讲授者和学习引导者等角色(杨晓哲，任友群，2015)。除了教师的多元化角色，还需要不同教师间相互配合，共同引导学生完成某个具体项目等，这些都对师资提出了较高的要求。现实情况是，国内教育领域的师资专业背景相对单一，实际操作经验少，特别是在工程领域方面存在比较明显的短板。如何在学校教育中通过改革课堂、教学、教材等方面建立切实有效的培养路径，提供具有跨学科背景的专业化师资，是当前推进STEAM教育所面临的重要问题。
创客教育的兴起与创客运动的发展密切相关。创客一词源自于英文单词“Maker”，直译为“制造某种东西的人”。创造Web 2.0概念的互联网先驱，O'Reilly公司副总裁Dougherty(2011)把那些愿意通过动手实践，努力将各种想法转化成现实的群体称为“创客”。Anderson(2012)在《创客：新工业革命》一书中进一步将“创客”描述为运用数字化工具和多种制造工具(例如3D打印机)在屏幕上进行设计并且制造产品的人，他们还会通过互联网与他人分享创意成果，将互联网文化与合作精神融合于整个制造过程中。由于创客运动的带动，创客教育的实践正在国内悄然兴起，日渐蓬勃。创客教育强调行动、分享与合作，注重与新科技手段相结合，可以让学生通过教育，实现一个完整的工程训练过程，学生不再只是知识的消费者而同时也是生产者，学校也不再只是知识传播的空间而转变为以实践应用和创造为中心的场所，因此这一教育模式逐渐发展为跨学科创新能力培养的新途径。
从活动角度而言，创客教育的特征可以归纳为“造物”和“分享”。(1) 造物。造物的重要表现，是指从原材料开始创新，即不是拼装各类半成品，并且要防止教学玩具化的倾向。在这个意义上，是要通过鼓励学生进行创造，在创造过程中有效地使用未经加工的原材料以及数字化工具(如开源硬件、3D打印、激光切割机、小型车床等)培养学生动手实践的能力，让他们在实践学习过程中发现问题、探索问题、解决问题，最终将自己的想法作品化，并具备独立的创造思维与解决问题的综合能力。(2) 分享。分享的基础和意义在于群体创新，这与教育的目标高度一致。学习本身是一个过程，而学习成果的转化是更为重要的。一方面是要让学习分享到实践中、人群中，另一方面是要让学习成为社会创新的源动力。因此，要用分享带动群体性创新。
建设创客空间与开展各类创客活动是当前创客教育实践的两大热点，一些学校在这些方面做了有益的探索。例如清华大学航空航天学院的“卡魅”实验室在北京中学、北京小学、北师大二附中等长期开设的科技制作课程，再如温州中学的“互动媒体技术”、“Arduino创意机器人”课程等(王旭卿，2015)。在这些教学活动中，学生们通过自己动手设计、制作、“玩中创”等环节激发了创新精神，培养了创造能力，同时也提升了科学、技术、工程与数学等STEAM综合素养。但放眼全国，对于创客教育目前在国内还没有形成严谨的课程体系和有效的教学实施策略，大量创客空间的开设与创客活动的开展只是停留在形式上。针对这一情况，有研究指出，创客教育不能流于在中小学推广小发明小创造的形式，而应是推进跨学科知识融合的STEAM教育，在帮助学生夯实科学、技术、工程和数学知识的基础之上，培养其创新精神与实践能力，促进创新型、创业型人才的成长(余胜泉，胡翔，2015)。要实现这一目标，创客教育因何才能与STEAM教育有机融合？
二、STEAM教育与创客教育融合的机制
如前所述，STEAM教育强调跨学科融合，鼓励学生运用科学与人文等多个学科解决真实情境中的问题；创客教育的重点在于通过数字化工具，促使学生将创意作品化，培养学生的创新素养。可见，创客教育中有一部分含有跨学科的STEAM教育内容，而STEAM教育也有与创客教育交叉的模块。二者既有共同之处，也有明显互补的地方，恰好可以融合互育。
(一) 创客教育是STEAM教育实施的有效手段
众所周知，传统教育过程中存在分科教育的弊端，学科阻隔不利于探索真实情境中的问题，STEAM的融合式教育改变了传统的教育模式。但STEAM教育在经过一段时间后，出现了新的问题，即在强调跨学科整合的同时对原创性和创新性重视不足。现在伴随着创客运动在全球的蓬勃开展，STEAM教育有了新的依托。对于STEAM来说，创客教育是最好的抓手：数字化设备极大提升了动手实践的效率，使学生有时间进行多种尝试，甚至包括允许学生进行试错。此外，创客教育的造物乐趣还可以激发学生的探索热情。通过引导，让学生利用多学科、跨学科知识处理问题，也让分享文化下的群体协同创新成为合作学习的最好注解。
(二) STEAM教育是创客教育的必要补充
创客教育需要综合运用多学科的知识, 好的创客作品背后离不开跨学科的支撑。例如，设计一个远程控制装置，就需要涉及到基本的科学、数学、技术和工程学知识。如果这个控制装置要美观大方，则还需运用到工艺美术相关的知识。因此，跨学科对开展创客教育来说是必要的前提与保障。在这方面，以跨学科、趣味性、情境性、体验性及协作性等为特征的STEAM理念是“Maker”扎根教育的保证(余胜泉，胡翔，2015)。毕竟，STEAM教育的本质就是在众多孤立的学科中建立一座新的桥梁，从而为学生提供整体认识世界的机会，通过把科学、技术等四个领域学科知识和技能的教学整合到一种教学范例中，使学生学习的零碎知识变成一个相互联系、相互统一的整体。这样就避免了传统教学中各学科知识割裂、不利于学生综合解决实际问题的弊端，有利于学生形成跨学科的综合素养(叶兆宁，杨元魁，2015)。特别是STEM发展到STEAM，或者进一步发展到STEMx(x代表的是计算机科学、计算机思维、调查研究、创造与革新、全球沟通、协作及其他不断涌现的21世纪所需的知识与技能)后，STEAM教育的跨学科特性和优势越来越明显，它已经不再单单是培养学生的科技理工素养的一种教育，而是以科技理工素养为核心、兼具人文艺术素养的完整的人的教育(袁刚，沈祖芸，2016)。从这一意义上，STEAM教育是创客教育的重要基础，能够为创客教育所实现不了的功能提供必要补充。
(三) 两种教育结合产生良好效果
基于跨学科创新的视角，碎片化、条块化的知识正在被整体学习和混合学习代替，填平旧经验和新问题之间的鸿沟需要的时间也越来越短暂。从STEAM教育到创客教育，学习的边界日益模糊。总体来看，二者的结合可以有两种思路：一是借助创客教育来培养学生的STEAM素养，目标是通过解决实际问题，培养跨学科应用人才。二是借助STEAM理念来开展创客教育，目标是通过造物，培养有创新能力的人。本质上两种想法并不矛盾，完全可以合二为一，甚至可以概括为“STEAM为本，创客为用”的教育思路，体现了两种教育对跨学科创新所带来的巨大优势。接下来要问的问题是，如何才能在教育实践中真正实现创客教育与STEAM教育的融合？
三、创客教育与STEAM教育的融合策略
近几年来，我们在北京中学、北京小学、清华附中、北师大二附中等多所学校开展了基于群体创新空间的创客教育活动，并积累了一些经验。根据这些经验，在学校中借助创客教育培养学生的STEAM素养，或者基于STEAM教育理念进行创客教育，从具体操作上大体可以分为以下三个步骤。
第一步，开设标准化入门课程。在这个阶段，我们并不急于要求将创客的众多课程全部展开，而是非常有必要先开设一门入门课程，这样做的考虑是基于：一是带来创客体验。让学生从传统的加工设备迁移到数字化设备中来，体验数字化设备带来的高效率和方便试错等好处，让学生将主要精力集中在“设计”上，而不是之前的“加工过程”；二是降低创客门槛。学术界已经有明确结论，男女性别差异会导致空间想象能力的较大差异，但在平面想象能力方面差异不大。因此我们有必要在入门课程上尽量降低男女差异对课程的影响，带动全体学生参与到课程当中。以我们开设多年的“卡魅”科技制作课为例，该课程采用一种“降维”设计的思想，用二维方式模拟三维作品(从简单的桌椅到复杂的月球车、无轮小车等，见图 1和图 2)，这样的设计、制作思路对于男女生接受起来基本无差别，有利于每一名学生的学习与实践；三是开展学科融合。在入门课程中就将基础的物理、数学、科学及二维空间建构和机械等知识融入课程，可以培养学生良好的STEAM素养和学习习惯。
图 1 “卡魅”科技制作课上的简单桌椅
图 2 “卡魅”科技制作课上的月球车
第二步，学习以“创客三件套”为核心的系列创客课程。在标准化入门课程之后，学生们将进入到以“创客三件套”为核心的创客课程体系中进行学习，以准备下一步的“造万物”。这里所说的创客三件套包括激光切割机、3D打印机和开源硬件。世上万物，总结起来由软件+硬件组成，换种说法，从专利描述的角度来说，就是结构单元+逻辑单元。比如一个会唱歌的杯子，就是由杯体加上控制电路板以及内置的软件组成。激光切割机和3D打印机可以实现结构功能，开源硬件可以实现逻辑单元功能，这也就是为什么这三种设备就具备了“造万物”的理论可能。当然，创客“造万物”只是一种形象的说法，实际实验室里造的是“原型”，真正的产品涉及很多工艺，很多流程，还是需要工厂生产。
从教育的角度，“创客三件套”实际对应着三门课程。在这一课程体系中，我们应将可能用到的各个知识点按“S””T”“E”“A”“M”分别描述，进行讲解，同时也注重不同学科的知识交叉跨越、融会贯通。由于这些课程涵盖材料、工程、物理、机械、空间建模、软件和电子等多学科基础知识，并将激光切割机、3D打印机、开源硬件平台，甚至手绘扫描仪、刻字机、雕刻机和UV打印机等数字化设备的使用全部融入课程中，因此最终真正实现培养学生跨学科创新的STEAM素养。这里举一个作者给中学生设计的具体课程实例：《幸运之草》。
中学STEAM课程实例：《幸运之草》
教学目标：让学生加深理解数学与物理的关系，设计制作尽可能简单的装置，画出指定的图案。
教学过程：
(1) 问题导入：首先写出如下所示的一个数列，让学生讨论并找规律。
1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, ……
这是数学中的斐波那契数列，学生一般很快就找到了规律。然后让学生寻找隐藏在该数列背后的数值：相邻的2个数相除，有什么规律？学生们很快会发现除数趋近于0.618，黄金分割值！
再转到植物方面。很多植物在生长的过程中为了能最佳地利用空间(亿万年进化的结果)，每片叶子和前一片叶子之间的角度是222.5度(图 3)，这个角度称为“黄金角度”，因为它和整个圆周360度之比是黄金分割值0.618。
图 3 三叶草
既然斐波那契数列和植物生长都与黄金分割数有关，那植物与斐波那契数列有什么关系呢？如果我们稍微注意一下，会发现自然界中的大部分植物的叶子或花瓣通常是3、5、8等数目。例如人类在太空中培养的第一颗植物，就是13瓣的菊花！
也许你听过寻找幸运草的故事－－找到四叶草就会得到幸福。四叶草的四片叶子分别表示：真爱(love)，健康(health)，名誉(glory)，财富(riches)。有理由认为三叶草是自然界优化的结果，而四叶草可能只是变异的结果(这可以成为另一个研究问题)。三叶草很容易找到，而四叶草在自然界中只有百万分之一的概率，很难被找到。既然四叶草很难被寻找到，为什么我们不能自己创造？
(2) 确定目标：今天我们的目标，就是设计出一种简单的装置，可以画出四片花瓣。
自然界中真实的四叶草(图 4)轮廓比较复杂，我们用数学中的“四叶玫瑰线”(图 5)来代替“四叶草”。需要考虑两个问题：
图 4 四叶草
图 5 数学上的四叶玫瑰线
战略问题：四叶玫瑰线能否用简单的装置画出来？
战术问题：各部分的尺寸和画笔位置如何确定？
(3) 讲授原理：接下来作者会介绍四叶玫瑰线的方程(r=acos2θ)，让学生从数学和物理的角度理解这个方程(下面只给出部分公式)。
在直角坐标中上式为
利用三角公式后有
对学生而言，学过三角函数，到这一步没有问题。但是他们不知道这些公式有什么物理意义，这时要利用启发式的方式，让学生意识到，物体做圆周运动时，就有(x=rcosθ，y=rsinθ)的形式，从而意味着四叶玫瑰线实际上由两个圆周运动组成。
(4) 动手探究：获得原理知识之后，具体两个圆的大小、笔放置的位置仍需要学生进行探究(图 6)。学生根据自己的理解，设计制作装置，然后利用作者开发的卡魅平台做出道具(图 7)。通常一开始发现画出的结果不正确。没有关系，我们在STEAM课程中，允许学生试错和修改。最后很多学生可以画出完美的四叶草！
图 6 学生在进行探究、讨论
图 7 学生做出道具进行尝试
教学反思：
本次课程，既教育学生如何把不同学科的知识融会贯通，更教育学生要自己创造幸福。过程中把科学、技术与人文有机地融合在一起。前半段以教师为中心，启发引导学生思考、领悟学科知识；后半段以学生为中心，让学生讨论、设计和计算，把自己的理解在设计中反馈出来。学生在短短的90分钟(2节课)中，通过学习知识、设计、制作、试错、修改，最终达到目标，从而完整地体验了STEAM教学的精髓。
课程是创客教育的生命线，课程设计的结构优化与否，课程质量的优劣与否，都直接影响到学习者的兴趣，直接关乎创客教育的最终质量。创客教育中课程设置的出发点，应该是面向现实应用的，学生根据自己需求提出的。只有让人萌生兴趣的课程，才可能让学习者摆脱传统课程的“阴云”，拓展新的思路和看法。此外，在课程实施过程中还要特别注意避免一些情况，如在课程中教会了学生做一些作品，但是没有教学生处理问题的方法和手段；或者只注意教技术，忽略背后的科学和数学知识。如果处理得不好，学生在经过一段时间的学习后，学习曲线并不能按照预期一直向上走，而是出现了明显的拐点。换言之，一些学生去年会做一些东西，到了今年还是只会做这个东西，无法持续突破自己。这其中的重要原因就是基础学科知识的欠缺，比如物理和数学，限制了学生能力的进一步提升。因此，这也提示创客教育不应急功近利，只顾眼前效果，而应以STEAM教育为土壤，放眼于学生综合素养的长远发展。
第三步，完成大型实景项目。在课程学习之后，学生还可以参加“平衡大师”、“手机吊冰箱”和“月球战车”等三个大型实景项目的实训，目的在于让学生通过项目导向式学习，进一步获得工程项目开发的生命周期知识，为日后的各类创新实践活动提供有力支撑。这里强调的项目特点有两个：一个是“大型”，二个是“实景”。实景中遇到的问题远超过课桌上的题目，每一个实景问题都是综合性的，需要跨学科知识才能解决的；而大型活动并非是小活动的比例放大版，它会衍生出无数新的问题，对于知识的融合有巨大贯通作用。此外，有一定体量或者环节的问题必定会涉及到E(工程)的问题，否则的话，再难的事情，如果只需要一步就可以实现，那只能算T(技术)，而不是E(工程)。我们特别强调以E为核心的综合实践，在STEAM里面，E起到提纲挈领的作用，凡涉及到工程问题，那必定包含其他技术、科学和数学方面的问题，但反过来却未必。所以我们把对于E的学习和实践放在第三阶段。如，通过“3+3”定制化模式(3门课程+3个项目)的教育，可以打造实现一条完整的创新者成长发展路径，这使得原本枯燥无味、循规蹈矩的制作课变得更具有自主性、协作性和趣味性，有利于培养学生的STEAM素养和创新创业所需的知识、能力、视野以及品质。
需要补充的是，创客教育中获得创新能力不是终点。在完成项目开发后，还要进行分享开发体验，甚至实施“反哺”活动，成为其他学生的导师，完成学习者自身的进一步提升，这才是基于STEAM理念的创客教育最终应收获的成果。
参考文献
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叶兆宁, 杨元魁. (2015). 集成式STEM教育:破解综合能力培养难题. 人民教育, (17), 62-66.
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Sawyer, R. K著, 师保国等译. (2013). 创造性: 人类创新的科学. 上海: 华东师范大学出版社.
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