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摘
要
在跨學(xué)科創(chuàng)新視角下，創(chuàng)客教育與STEAM教育存在許多共通之處，能夠相互彌補(bǔ)。創(chuàng)客教育是STEAM教育實(shí)施的有效手段，STEAM教育是創(chuàng)客教育的必要彌補(bǔ)，二者結(jié)合能夠對(duì)人才培養(yǎng)產(chǎn)生良好效果。創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合策略包含開設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化入門課程、學(xué)習(xí)以"創(chuàng)客三件套"為核心的系列創(chuàng)客課程，以及完成大型實(shí)景項(xiàng)目。在跨學(xué)科創(chuàng)新目的的引領(lǐng)下，創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合必將能夠?yàn)楫?dāng)前的教育教育改革帶來(lái)積極的思路。
關(guān)鍵詞：跨學(xué)科創(chuàng)新；創(chuàng)客教育；STEAM教育；融合
基金項(xiàng)目：北京市創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室基金；北京市社科基金通常項(xiàng)目"多元文化經(jīng)驗(yàn)對(duì)創(chuàng)造性的促進(jìn)效應(yīng)科研"（14JYB015）
原文發(fā)布在：華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版）2017年第四期“專題:STEAM教育科研”
作者：高云峰, 清華大學(xué)航天航空學(xué)院（北京 100084）;師保國(guó)：首都師范大學(xué)心理學(xué)系（北京 100048）
跨學(xué)科(cross-disciplinary)亦叫作交叉學(xué)科，被人們視為前沿科學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)與高新技術(shù)的發(fā)源地(師昌緒，1997)。從科學(xué)發(fā)展史來(lái)看，許多重大的發(fā)明創(chuàng)造都源自于區(qū)別學(xué)科的互育融合(Koestler, 1964)。例如，蘭德斯坦納(Landsteiner)憑借發(fā)掘A、B、O三種血型特征在血液科研行業(yè)脫穎而出而得到諾貝爾醫(yī)學(xué)及生理學(xué)獎(jiǎng)，與其原先的化學(xué)學(xué)科背景密不可分；凱庫(kù)勒(Kekulé)在有機(jī)化學(xué)行業(yè)因發(fā)掘苯環(huán)結(jié)構(gòu)與碳原子為四價(jià)原子而著名，這些思想與其初期對(duì)建筑的興趣與認(rèn)識(shí)相關(guān)(Sawyer，2013)。能夠說(shuō)，跨學(xué)科是人類進(jìn)行創(chuàng)新的重要途徑之一。
近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外教育界先后涌現(xiàn)出兩種現(xiàn)象，它們均與跨學(xué)科創(chuàng)新相關(guān)。一個(gè)是STEAM教育，另一個(gè)則是創(chuàng)客教育(Maker Education)。STEAM教育強(qiáng)調(diào)節(jié)合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和人文藝術(shù)行業(yè)的內(nèi)容，將知識(shí)的獲取、辦法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過(guò)程進(jìn)行有機(jī)的統(tǒng)一(黃曉，李揚(yáng)，2014)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題處理和綜合能力擁有重要價(jià)值。創(chuàng)客教育則注重讓學(xué)生運(yùn)用多種學(xué)科知識(shí)及數(shù)字化工具，經(jīng)過(guò)開展行動(dòng)、分享與合作將創(chuàng)意作品化，為研發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)供給了新的有效途徑。以往科研顯示，STEAM教育與創(chuàng)客教育在概念起源、教育目的、教育內(nèi)容、教育過(guò)程以及師生關(guān)系等方面存在必定的差異(楊曉哲，任友群，2015)。但從跨學(xué)科創(chuàng)新的視角來(lái)看，二者又存在著許多共通之處，在教育實(shí)踐過(guò)程中能夠相互彌補(bǔ)。隨著當(dāng)前越來(lái)越多的教育工作者起始同期關(guān)注STEAM教育和創(chuàng)客教育，咱們認(rèn)為有必要對(duì)二者相互支持的關(guān)系進(jìn)行梳理，并結(jié)合咱們前期已然開展的教育實(shí)踐對(duì)STEAM教育與創(chuàng)客教育的融合策略進(jìn)行探討。
1、STEAM教育與創(chuàng)客教育融合的前提
“STEAM”一詞源自于“STEM”(Science，Technology，Engineering，Mathematics)。這一提法首次顯現(xiàn)于1986年美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告中。在這一概念中，Science(科學(xué))是反映自然、社會(huì)、思維等客觀規(guī)律的知識(shí)體系；Technology(技術(shù))是處理問(wèn)題的工具、辦法和經(jīng)驗(yàn)的總叫作；Engineering(工程)是運(yùn)用科學(xué)原理和技術(shù)手段創(chuàng)造人工物體的學(xué)問(wèn)；而Mathematics(數(shù)學(xué))則是科研數(shù)量關(guān)系和空間形式的一門科學(xué)。科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間存在著相互支撐、相互彌補(bǔ)和一起發(fā)展的關(guān)系，在實(shí)質(zhì)問(wèn)題處理過(guò)程中它們亦是相互交叉和滲透，以整合方式起功效的。從應(yīng)用知識(shí)處理現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的方向，對(duì)這些學(xué)科不宜獨(dú)立分割、強(qiáng)調(diào)分科教育，而應(yīng)該做為整體統(tǒng)一思慮。尤其是思慮到“STEM”更加多偏重于科學(xué)工程等方面，加入“Arts”(人文藝術(shù))演變?yōu)椤癝TEAM”則作為了STEM教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。
STEAM不僅綜合了多種學(xué)科的知識(shí)，更加是融合了區(qū)別學(xué)科所蘊(yùn)涵的實(shí)踐活動(dòng)、精神內(nèi)涵和價(jià)值觀，能夠認(rèn)為是一種多元學(xué)科文化的融合創(chuàng)新。這種跨學(xué)科的教育思路強(qiáng)調(diào)打破學(xué)科邊界，使學(xué)生運(yùn)用科學(xué)、工程、人文藝術(shù)等多門學(xué)科知識(shí)處理真實(shí)生活情境中的問(wèn)題，這里過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，歷來(lái)受到國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注。2006年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的布什在國(guó)情咨文中頒布《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》，提出了培養(yǎng)擁有STEM素養(yǎng)的人才是美國(guó)在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的教育目的之一，是提高國(guó)家在全世界范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。2009年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)致信給時(shí)任總統(tǒng)奧巴馬，公開知道指出國(guó)家的經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)土安全需求美國(guó)保持科學(xué)、技術(shù)的世界領(lǐng)先和指點(diǎn)地位，而高等教育周期之前的STEM(STEAM)教育則是實(shí)現(xiàn)這一目的的保證，是國(guó)家最重要的任務(wù)之一。
雖然STEAM教育近年來(lái)起始傳入國(guó)內(nèi)并逐步被大力提倡，然則各地的實(shí)施大多尚停留在理念的層面。重點(diǎn)原由包含兩個(gè)方面：(1) 培養(yǎng)路徑不足明晰。STEAM教育是為了更好地引導(dǎo)學(xué)生打破原有學(xué)科知識(shí)體系的捆綁，倡導(dǎo)教師在教育過(guò)程中更好地進(jìn)行多學(xué)科融合，鼓勵(lì)學(xué)生采用跨學(xué)科問(wèn)題處理的辦法。但國(guó)內(nèi)日前各學(xué)段教育受學(xué)科分割與考試進(jìn)階的影響，學(xué)科間的相互滲透和結(jié)合不足，缺乏明晰的培養(yǎng)路徑，學(xué)生綜合素養(yǎng)和跨學(xué)科思維能力不良。(2) 缺乏專業(yè)化的師資力量。在STEAM教育中，學(xué)生是積極主動(dòng)的參與者，獨(dú)立自主地參與全部項(xiàng)目，或是在小組協(xié)作中一起學(xué)習(xí)多元學(xué)科的綜合知識(shí)；而教師這里過(guò)程中則更加多地裝扮教育設(shè)計(jì)者、活動(dòng)組織者、知識(shí)講授者和學(xué)習(xí)引導(dǎo)者等角色(楊曉哲，任友群，2015)。除了教師的多元化角色，還需要區(qū)別教師間相互協(xié)同，一起引導(dǎo)學(xué)生完成某個(gè)詳細(xì)項(xiàng)目等，這些都對(duì)師資提出了較高的需求?，F(xiàn)實(shí)狀況是，國(guó)內(nèi)教育行業(yè)的師資專業(yè)背景相對(duì)單一，實(shí)質(zhì)操作經(jīng)驗(yàn)少，尤其是在工程行業(yè)方面存在比較顯著的短板。怎樣在學(xué)校教育中經(jīng)過(guò)改革課堂、教育、教材等方面創(chuàng)立切實(shí)有效的培養(yǎng)路徑，供給擁有跨學(xué)科背景的專業(yè)化師資，是當(dāng)前推進(jìn)STEAM教育所面臨的重要問(wèn)題。
創(chuàng)客教育的興起與創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的發(fā)展密切關(guān)聯(lián)。創(chuàng)客一詞源自于英文單詞“Maker”，直譯為“制造某種東西的人”。創(chuàng)造Web 2.0概念的互聯(lián)網(wǎng)先驅(qū)，OReilly機(jī)構(gòu)副總裁Dougherty(2011)把哪些愿意經(jīng)過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，奮斗將各樣想法轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)的群體叫作為“創(chuàng)客”。Anderson(2012)在《創(chuàng)客：新工業(yè)革命》一書中進(jìn)一步將“創(chuàng)客”描述為運(yùn)用數(shù)字化工具和多種制造工具(例如3D打印機(jī))在屏幕上進(jìn)行設(shè)計(jì)并且制造制品的人，她們還會(huì)經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與他人分享創(chuàng)意成果，將互聯(lián)網(wǎng)文化與合作精神融合于全部制造過(guò)程中。因?yàn)?/span>創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)，創(chuàng)客教育的實(shí)踐正在國(guó)內(nèi)悄然興起，日漸蓬勃。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)行動(dòng)、分享與合作，注重與新科技手段相結(jié)合，能夠讓學(xué)生經(jīng)過(guò)教育，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的工程訓(xùn)練過(guò)程，學(xué)生再也不只是知識(shí)的消費(fèi)者而同期亦是生產(chǎn)者，學(xué)校亦再也不只是知識(shí)傳播的空間而轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?shí)踐應(yīng)用和創(chuàng)造為中心的場(chǎng)所，因此呢這一教育模式逐步發(fā)展為跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新途徑。
從活動(dòng)方向而言，創(chuàng)客教育的特征能夠歸納為“造物”和“分享”。(1) 造物。造物的重要表現(xiàn)，指的是從原材料起始創(chuàng)新，即不是拼裝各類半成品，并且要防止教育玩具化的傾向。在這個(gè)道理上，是要經(jīng)過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造，在創(chuàng)造過(guò)程中有效地運(yùn)用未經(jīng)加工的原材料以及數(shù)字化工具(如開源硬件、3D打印、激光切割機(jī)、小型車床等)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，讓她們在實(shí)踐學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)掘問(wèn)題、探索問(wèn)題、處理問(wèn)題，最后將自己的想法作品化，并具備獨(dú)立的創(chuàng)造思維與處理問(wèn)題的綜合能力。(2) 分享。分享的基本和道理在于群體創(chuàng)新，這與教育的目的高度一致。學(xué)習(xí)本身是一個(gè)過(guò)程，而學(xué)習(xí)成果的轉(zhuǎn)化是更為重要的。一方面是要讓學(xué)習(xí)分享到實(shí)踐中、人群中，另一方面是要讓學(xué)習(xí)作為社會(huì)創(chuàng)新的源動(dòng)力。因此呢，要用分享帶動(dòng)群體性創(chuàng)新。
建設(shè)創(chuàng)客空間與開展各類創(chuàng)客活動(dòng)是當(dāng)前創(chuàng)客教育實(shí)踐的兩大熱點(diǎn)，有些學(xué)校在這些方面做了有益的探索。例如清華大學(xué)航空航天學(xué)院的“卡魅”實(shí)驗(yàn)室在北京中學(xué)、北京小學(xué)、北師大二附中等長(zhǎng)時(shí)間開設(shè)的科技制作課程，再如溫州中學(xué)的“互動(dòng)媒介技術(shù)”、“Arduino創(chuàng)意設(shè)備人”課程等(王旭卿，2015)。在這些教育活動(dòng)中，學(xué)生們經(jīng)過(guò)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、制作、“玩中創(chuàng)”等環(huán)節(jié)激發(fā)了創(chuàng)新精神，培養(yǎng)了創(chuàng)造能力，同期亦提高了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等STEAM綜合素養(yǎng)。但放眼全國(guó)，針對(duì)創(chuàng)客教育日前在國(guó)內(nèi)還無(wú)形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼n程體系和有效的教育實(shí)施策略，海量創(chuàng)客空間的開設(shè)與創(chuàng)客活動(dòng)的開展只是停留在形式上。針對(duì)這一狀況，有科研指出，創(chuàng)客教育不可流于在中小學(xué)推廣小發(fā)明小創(chuàng)造的形式，而應(yīng)是推進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)融合的STEAM教育，在幫忙學(xué)生夯實(shí)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)的基本之上，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，促進(jìn)創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型人才的成長(zhǎng)(余勝泉，胡翔，2015)。要實(shí)現(xiàn)這一目的，創(chuàng)客教育因何才可與STEAM教育有機(jī)融合？
2、STEAM教育與創(chuàng)客教育融合的機(jī)制
如前所述，STEAM教育強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科融合，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)與人文等多個(gè)學(xué)科處理真實(shí)情境中的問(wèn)題；創(chuàng)客教育的重點(diǎn)在于經(jīng)過(guò)數(shù)字化工具，促進(jìn)學(xué)生將創(chuàng)意作品化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)?？梢?，創(chuàng)客教育中有一部分含有跨學(xué)科的STEAM教育內(nèi)容，而STEAM教育亦有與創(chuàng)客教育交叉的模塊。二者既有一起之處，亦有顯著互補(bǔ)的地區(qū)，恰好能夠融合互育。
(一) 創(chuàng)客教育是STEAM教育實(shí)施的有效手段
眾所周知，傳統(tǒng)教育過(guò)程中存在分科教育的壞處端，學(xué)科阻隔有害于探索真實(shí)情境中的問(wèn)題，STEAM的融合式教育改變了傳統(tǒng)的教育模式。但STEAM教育在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，顯現(xiàn)了新的問(wèn)題，即在強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科整合的同期對(duì)原創(chuàng)性和創(chuàng)新性注重不足。此刻伴同著創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)在全世界的蓬勃開展，STEAM教育有了新的依托。針對(duì)STEAM來(lái)講，創(chuàng)客教育是最好的抓手：數(shù)字化設(shè)備極重提高了動(dòng)手實(shí)踐的效率，使學(xué)生有時(shí)間進(jìn)行多種嘗試，乃至包含準(zhǔn)許學(xué)生進(jìn)行試錯(cuò)。另外，創(chuàng)客教育的造物樂(lè)趣還能夠激發(fā)學(xué)生的探索熱情。經(jīng)過(guò)引導(dǎo)，讓學(xué)生利用多學(xué)科、跨學(xué)科知識(shí)處理問(wèn)題，亦讓分享文化下的群體協(xié)同創(chuàng)新作為合作學(xué)習(xí)的最好注解。
(二) STEAM教育是創(chuàng)客教育的必要彌補(bǔ)
創(chuàng)客教育需要綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí), 好的創(chuàng)客作品背面離不開跨學(xué)科的支撐。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程掌控安裝，就需要觸及到基本的科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程學(xué)知識(shí)。倘若這個(gè)掌控安裝要美觀大方，則還需運(yùn)用到工藝美術(shù)關(guān)聯(lián)的知識(shí)。因此呢，跨學(xué)科對(duì)開展創(chuàng)客教育來(lái)講是必要的前提與保證。在這方面，以跨學(xué)科、趣味性、情境性、體驗(yàn)性及協(xié)作性等為特征的STEAM理念是“Maker”扎根教育的保準(zhǔn)(余勝泉，胡翔，2015)。畢竟，STEAM教育的本質(zhì)便是在眾多孤立的學(xué)科中創(chuàng)立一座新的橋梁，從而為學(xué)生供給整體認(rèn)識(shí)世界的機(jī)會(huì)，經(jīng)過(guò)把科學(xué)、技術(shù)等四個(gè)行業(yè)學(xué)科知識(shí)和技能的教育整合到一種教育范例中，使學(xué)生學(xué)習(xí)的零碎知識(shí)變成一個(gè)相互聯(lián)系、相互統(tǒng)一的整體。這般就避免了傳統(tǒng)教育中各學(xué)科知識(shí)割裂、有害于學(xué)生綜合處理實(shí)質(zhì)問(wèn)題的壞處端，有利于學(xué)生形成跨學(xué)科的綜合素養(yǎng)(葉兆寧，楊元魁，2015)。尤其是STEM發(fā)展到STEAM，或進(jìn)一步發(fā)展到STEMx(x表率的是計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)思維、調(diào)查科研、創(chuàng)造與革新、全世界溝通、協(xié)作及其他持續(xù)涌現(xiàn)的21世紀(jì)所需的知識(shí)與技能)后，STEAM教育的跨學(xué)科特性和優(yōu)良越來(lái)越顯著，它已然再也不單單是培養(yǎng)學(xué)生的科技理工素養(yǎng)的一種教育，而是以科技理工素養(yǎng)為核心、兼具人文藝術(shù)素養(yǎng)的完整的人的教育(袁剛，沈祖蕓，2016)。從這一道理上，STEAM教育是創(chuàng)客教育的重要基本，能夠?yàn)閯?chuàng)客教育所實(shí)現(xiàn)不了的功能供給必要彌補(bǔ)。
(三) 兩種教育結(jié)合產(chǎn)生良好效果
基于跨學(xué)科創(chuàng)新的視角，碎片化、條塊化的知識(shí)正在被整體學(xué)習(xí)和混合學(xué)習(xí)代替，填平舊經(jīng)驗(yàn)和新問(wèn)題之間的鴻溝需要的時(shí)間亦越來(lái)越短暫。從STEAM教育到創(chuàng)客教育，學(xué)習(xí)的邊界日益模糊?？傮w來(lái)看，二者的結(jié)合能夠有兩種思路：一是借助創(chuàng)客教育來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)，目的是經(jīng)過(guò)處理實(shí)質(zhì)問(wèn)題，培養(yǎng)跨學(xué)科應(yīng)用人才。二是借助STEAM理念來(lái)開展創(chuàng)客教育，目的是經(jīng)過(guò)造物，培養(yǎng)有創(chuàng)新能力的人。本質(zhì)上兩種想法并不矛盾，完全能夠合二為一，乃至能夠概括為“STEAM為本，創(chuàng)客為用”的教育思路，表現(xiàn)了兩種教育對(duì)跨學(xué)科創(chuàng)新所帶來(lái)的巨大優(yōu)良。接下來(lái)要問(wèn)的問(wèn)題是，怎樣才可在教育實(shí)踐中真正實(shí)現(xiàn)創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合？
3、創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合策略
近幾年來(lái)，咱們在北京中學(xué)、北京小學(xué)、清華附中、北師大二附中等多所學(xué)校開展了基于群體創(chuàng)新空間的創(chuàng)客教育活動(dòng)，并累積了有些經(jīng)驗(yàn)。按照這些經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)校中借助創(chuàng)客教育培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)，或基于STEAM教育理念進(jìn)行創(chuàng)客教育，從詳細(xì)操作上大體能夠分為以下三個(gè)過(guò)程。
第1步，開設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化入門課程。在這個(gè)周期，咱們并不急于需求將創(chuàng)客的眾多課程所有展開，而是非常有必要先開設(shè)一門入門課程，這般做的思慮是基于：一是帶來(lái)創(chuàng)客體驗(yàn)。讓學(xué)生從傳統(tǒng)的加工設(shè)備遷移到數(shù)字化設(shè)備中來(lái)，體驗(yàn)數(shù)字化設(shè)備帶來(lái)的有效率和方便試錯(cuò)等好處，讓學(xué)生將重點(diǎn)精力集中在“設(shè)計(jì)”上，而不是之前的“加工過(guò)程”；二是降低創(chuàng)客門檻。學(xué)術(shù)界已然有知道結(jié)論，男女性別差異會(huì)引起空間想象能力的很強(qiáng)差異，但在平面想象能力方面差異不大。因此呢咱們有必要在入門課程上盡可能降低男女差異對(duì)課程的影響，帶動(dòng)全體學(xué)生參與到課程其中。以咱們開設(shè)數(shù)年的“卡魅”科技制作課為例，該課程采用一種“降維”設(shè)計(jì)的思想，用二維方式模擬三維作品(從簡(jiǎn)單的桌椅到繁雜的月球車、無(wú)輪小車等，見圖 1和圖 2)，這般的設(shè)計(jì)、制作思路針對(duì)男女生接受起來(lái)基本無(wú)差別，有利于每一名學(xué)生的學(xué)習(xí)與實(shí)踐；三是開展學(xué)科融合。在入門課程中就將基本的理學(xué)、數(shù)學(xué)、科學(xué)及二維空間建構(gòu)和機(jī)械等知識(shí)融入課程，能夠培養(yǎng)學(xué)生良好的STEAM素養(yǎng)和學(xué)習(xí)習(xí)慣。
圖 1 “卡魅”科技制作課上的簡(jiǎn)單桌椅
圖 2 “卡魅”科技制作課上的月球車
第二步，學(xué)習(xí)以“創(chuàng)客三件套”為核心的系列創(chuàng)客課程。在標(biāo)準(zhǔn)化入門課程之后，學(xué)生們將進(jìn)入到以“創(chuàng)客三件套”為核心的創(chuàng)客課程體系中進(jìn)行學(xué)習(xí)，以準(zhǔn)備下一步的“造萬(wàn)物”。這兒所說(shuō)的創(chuàng)客三件套包含激光切割機(jī)、3D打印機(jī)和開源硬件。世上萬(wàn)物，總結(jié)起來(lái)由軟件+硬件構(gòu)成，換種說(shuō)法，從專利描述的方向來(lái)講，便是結(jié)構(gòu)單元+規(guī)律單元。例如一個(gè)會(huì)唱歌的杯子，便是由杯體加上掌控電路板以及內(nèi)置的軟件構(gòu)成。激光切割機(jī)和3D打印機(jī)能夠實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能，開源硬件能夠實(shí)現(xiàn)規(guī)律單元功能，這亦便是為何這三種設(shè)備就具備了“造萬(wàn)物”的理論可能。當(dāng)然，創(chuàng)客“造萬(wàn)物”只是一種形象的說(shuō)法，實(shí)質(zhì)實(shí)驗(yàn)室里造的是“原型”，真正的制品觸及非常多工藝，非常多流程，還是需要工廠生產(chǎn)。
從教育的方向，“創(chuàng)客三件套”實(shí)質(zhì)對(duì)應(yīng)著三門課程。在這一課程體系中，咱們應(yīng)將可能用到的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)按“S””T”“E”“A”“M”分別描述，進(jìn)行講解，同期亦注重區(qū)別學(xué)科的知識(shí)交叉跨越、融會(huì)貫通。因?yàn)?/span>這些課程涵蓋材料、工程、理學(xué)、機(jī)械、空間建模、軟件和電子等多學(xué)科基本知識(shí)，并將激光切割機(jī)、3D打印機(jī)、開源硬件平臺(tái)，乃至手繪掃描儀、刻字機(jī)、雕刻機(jī)和uv打印機(jī)等數(shù)字化設(shè)備的運(yùn)用所有融入課程中，因此呢最后真正實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新的STEAM素養(yǎng)。這兒舉一個(gè)作者給中學(xué)生設(shè)計(jì)的詳細(xì)課程實(shí)例：《幸運(yùn)之草》。
中學(xué)STEAM課程實(shí)例：《幸運(yùn)之草》
教育目的：讓學(xué)生加深理解數(shù)學(xué)與理學(xué)的關(guān)系，設(shè)計(jì)制作盡可能簡(jiǎn)單的安裝，畫出指定的圖案。
教育過(guò)程：
(1) 問(wèn)題導(dǎo)入：首要寫出如下所示的一個(gè)數(shù)列，讓學(xué)生討論并找規(guī)律。
1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, ……
這是數(shù)學(xué)中的斐波那契數(shù)列，學(xué)生通常火速就找到了規(guī)律。而后讓學(xué)生尋找隱匿在該數(shù)列背面的數(shù)值：相鄰的2個(gè)數(shù)相除，有什么規(guī)律？學(xué)生們火速會(huì)發(fā)掘除數(shù)趨近于0.618，黃金分割值！
再轉(zhuǎn)到植物方面。非常多植物在生長(zhǎng)的過(guò)程中為了能最佳地利用空間(億萬(wàn)年進(jìn)化的結(jié)果)，每片葉子和前一片葉子之間的方向是222.5度(圖 3)，這個(gè)方向叫作為“黃金方向”，由于它和全部圓周360度之比是黃金分割值0.618。
圖 3 三葉草
既然斐波那契數(shù)列和植物生長(zhǎng)都與黃金分割數(shù)相關(guān)，那植物與斐波那契數(shù)列有什么關(guān)系呢？倘若咱們稍微重視一下，會(huì)發(fā)掘自然界中的大部分植物的葉子或花瓣一般是3、5、8等數(shù)目。例如人類在太空中培養(yǎng)的第1顆植物，便是13瓣的菊花！
亦許你聽過(guò)尋找幸運(yùn)草的故事－－找到四葉草就會(huì)得到幸福。四葉草的四片葉子分別暗示：真愛(love)，健康(health)，名譽(yù)(glory)，財(cái)富(riches)。有理由認(rèn)為三葉草是自然界優(yōu)化的結(jié)果，而四葉草可能只是變異的結(jié)果(這能夠作為另一個(gè)科研問(wèn)題)。三葉草很容易找到，而四葉草在自然界中僅有百萬(wàn)分之一的概率，很難被找到。既然四葉草很難被尋找到，為何咱們不可自己創(chuàng)造？
(2) 確定目的：今天咱們的目的，便是設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單的安裝，能夠畫出四片花瓣。
自然界中真實(shí)的四葉草(圖 4)輪廓比較繁雜，咱們用數(shù)學(xué)中的“四葉玫瑰線”(圖 5)來(lái)代替“四葉草”。需要思慮兩個(gè)問(wèn)題：
圖 4 四葉草
圖 5 數(shù)學(xué)上的四葉玫瑰線
戰(zhàn)略問(wèn)題：四葉玫瑰線能否用簡(jiǎn)單的安裝畫出來(lái)？
戰(zhàn)術(shù)問(wèn)題：各部分的尺寸和畫筆位置怎樣確定？
(3) 講授原理：接下來(lái)作者會(huì)介紹四葉玫瑰線的方程(r=acos2θ)，讓學(xué)生從數(shù)學(xué)和理學(xué)的方向理解這個(gè)方程(下面只給出部分公式)。
在直角坐標(biāo)中上式為
利用三角公式后有
對(duì)學(xué)生而言，學(xué)過(guò)三角函數(shù)，到這一步無(wú)問(wèn)題。然則她們不曉得這些公式有什么理學(xué)道理，此時(shí)要利用啟發(fā)式的方式，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，就有(x=rcosθ，y=rsinθ)的形式，從而寓意著四葉玫瑰線實(shí)質(zhì)上由兩個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。
(4) 動(dòng)手探究：得到原理知識(shí)之后，詳細(xì)兩個(gè)圓的體積、筆安置的位置仍需要學(xué)生進(jìn)行探究(圖 6)。學(xué)生按照自己的理解，設(shè)計(jì)制作安裝，而后利用作者研發(fā)的卡魅平臺(tái)做出道具(圖 7)。一般一起始發(fā)掘畫出的結(jié)果不正確。無(wú)關(guān)系，咱們在STEAM課程中，準(zhǔn)許學(xué)生試錯(cuò)和修改。最后非常多學(xué)生能夠畫出完美的四葉草！
圖 6 學(xué)生在進(jìn)行探究、討論
圖 7 學(xué)生做出道具進(jìn)行嘗試
教育反思：
這次課程，既教育學(xué)生怎樣把區(qū)別學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通，更教育學(xué)生要自己創(chuàng)造幸福。過(guò)程中把科學(xué)、技術(shù)與人文有機(jī)地融合在一塊。前半段以教師為中心，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考、領(lǐng)悟?qū)W科知識(shí)；后半段以學(xué)生為中心，讓學(xué)生討論、設(shè)計(jì)和計(jì)算，把自己的理解在設(shè)計(jì)中反饋出來(lái)。學(xué)生在短短的90分鐘(2節(jié)課)中，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)知識(shí)、設(shè)計(jì)、制作、試錯(cuò)、修改，最后達(dá)到目的，從而完整地體驗(yàn)了STEAM教育的精髓。
課程是創(chuàng)客教育的生命線，課程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與否，課程質(zhì)量的優(yōu)劣與否，都直接影響到學(xué)習(xí)者的興趣，直接關(guān)乎創(chuàng)客教育的最后質(zhì)量。創(chuàng)客教育中課程設(shè)置的出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)該是面向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的，學(xué)生按照自己需要提出的。僅有讓人萌生興趣的課程，才可能讓學(xué)習(xí)者擺脫傳統(tǒng)課程的“陰云”，拓展新的思路和看法。另外，在課程實(shí)施過(guò)程中還要尤其重視避免有些狀況，如在課程中教會(huì)了學(xué)生做有些作品，然則無(wú)教育生處理問(wèn)題的辦法和手段；或只重視教技術(shù)，忽略背面的科學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)。倘若處理得欠好，學(xué)生在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)曲線并不可根據(jù)預(yù)期始終向上走，而是顯現(xiàn)了顯著的拐點(diǎn)。換言之，有些學(xué)生去年會(huì)做有些東西，到了今年還是只會(huì)做這個(gè)東西，沒(méi)法連續(xù)突破自己。這其中的重要原由便是基本學(xué)科知識(shí)的欠缺，例如理學(xué)和數(shù)學(xué)，限制了學(xué)生能力的進(jìn)一步提高。因此呢，這亦提示創(chuàng)客教育不該急功近利，只顧眼前效果，而應(yīng)以STEAM教育為土壤，放眼于學(xué)生綜合素養(yǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
第三步，完成大型實(shí)景項(xiàng)目。在課程學(xué)習(xí)之后，學(xué)生還能夠參加“平衡大師”、“手機(jī)吊冰箱”和“月球戰(zhàn)車”等三個(gè)大型實(shí)景項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)，目的在于讓學(xué)生經(jīng)過(guò)項(xiàng)目導(dǎo)向式學(xué)習(xí)，進(jìn)一步得到工程項(xiàng)目研發(fā)的生命周期知識(shí)，為日后的各類創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)供給有力支撐。這兒強(qiáng)調(diào)的項(xiàng)目特點(diǎn)有兩個(gè)：一個(gè)是“大型”，二個(gè)是“實(shí)景”。實(shí)景中遇到的問(wèn)題遠(yuǎn)超過(guò)課桌上的題目，每一個(gè)實(shí)景問(wèn)題都是綜合性的，需要跨學(xué)科知識(shí)才可處理的；而大型活動(dòng)并非是小活動(dòng)的比例放大版，它會(huì)衍生出無(wú)數(shù)新的問(wèn)題，針對(duì)知識(shí)的融合有巨大貫通功效。另外，有必定體量或環(huán)節(jié)的問(wèn)題必定會(huì)觸及到E(工程)的問(wèn)題，否則的話，再難的事情，倘若只需要一步就能夠實(shí)現(xiàn)，那只能算T(技術(shù))，而不是E(工程)。咱們尤其強(qiáng)調(diào)以E為核心的綜合實(shí)踐，在STEAM里面，E起到提綱挈領(lǐng)的功效，凡觸及到工程問(wèn)題，那必定包括其他技術(shù)、科學(xué)和數(shù)學(xué)方面的問(wèn)題，但反過(guò)來(lái)卻未必。因此咱們把針對(duì)E的學(xué)習(xí)和實(shí)踐放在第三周期。如，經(jīng)過(guò)“3+3”定制化模式(3門課程+3個(gè)項(xiàng)目)的教育，能夠打造實(shí)現(xiàn)一條完整的創(chuàng)新者成長(zhǎng)發(fā)展路徑，這使得本來(lái)枯燥無(wú)味、循規(guī)蹈矩的制作課變得更擁有自主性、協(xié)作性和趣味性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)所需的知識(shí)、能力、視野以及品質(zhì)。
需要彌補(bǔ)的是，創(chuàng)客教育中得到創(chuàng)新能力不是終點(diǎn)。在完成項(xiàng)目研發(fā)后，還要進(jìn)行分享研發(fā)體驗(yàn)，乃至實(shí)施“反哺”活動(dòng)，作為其他學(xué)生的導(dǎo)師，完成學(xué)習(xí)者自己的進(jìn)一步提高，這才是基于STEAM理念的創(chuàng)客教育最后應(yīng)收獲的成果。
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