真实情景下学科融合的创客教育
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真实情景下学科融合的创客教育
——在第六届“素质教育与逻辑思维”论坛上的专题报告
清华大学航天航空学院教授& &&高云峰
&一、创课教育的理论
（一）创课的历史及文化
创客（Maker/Hack），是指出于兴趣与爱好，努力把各种创意转变为现实的人。
2014年的国际高等教育权威报告《地平线报告》中指出，创客将在3到5年之内形成影响教育发展的关键趋势，并取得实际效果。
在美国，创客及创客教育已经成为了国家战略。创客，正取代个人创新、企业创新，成为创新的新主角。
2014年的 Maker fair（创新集市） 活动在美国白宫举行，彰显该运动对支持国家创新战略具有的特别意义。
（二）STEAM与创客教育
1986年，美国国家科学委员会在《本科的科学、数学和工程教育》报告中首次出现了STEM概念（Science，Technology，Engineering，Mathematics）。
2006年，美国总统布什在其国情咨文中公布了一项重要计划——《美国竞争力计划》，提出知识经济时代教育目标之一是培养具有STEM素养的人才，并称其为全球竞争力的关键。
2009年，美国国家科学委员会致总统奥巴马一封公开信，明确指出：国家的经济繁荣和安全要求美国保持科学和技术的世界领先和指导地位。大学前的STEM教育是建立领导地位的基础，而且应当是国家最重要的任务之一。
近年，又增加了Art，变为STEAM。
科学，是反映自然、社会、思维等客观规律的知识体系，数学，是研究空间形式和数量关系的一门科学。技术，是解决问题的工具、方法和经验的总称。工程，是运用科学原理和技术手段创造人工物体的过程。
1.STEAM教育的内涵
STEAM教育是一种通过整合科学、技术、工程和数学领域内容指引教学和学习的途径和方法。STEAM综合了各学科的特点，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了有机的统一。
STEAM不仅综合了不同学科的知识，更加融合了不同学科所经历的不同实践活动、体现的不同精神和内涵，可以认为是一种多元学科文化的融合创新。STEAM教育是STEM理念在教育中的反映，是付诸于教育实践的一种思考，STEAM教育强调不同学科教育的重要性及其之间的关联性，培养学生的综合素养。
2.STEAM教育的特征
STEAM教育以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能灵活应用解决真实世界的问题。融合的STEAM教育具备这些核心特征:跨学科、趣味性、体验性、协作性、设计性等。
跨学科。强调融合各个学科，在“学”和“做”中发展学生的多元智能，通过各学科的规律性联系，不断培养学生的创新意识、创新能力和创新精神。
体验性。多年的课堂教学经验表明，学习不仅要通过自学或教师讲授习得抽象知识，更要让学生用脑、用心、动手参与学习过程。
3.创客文化与STEAM教育的异同及借鉴
目前创客空间普及很快，几乎每所学校都要建立创客空间。与此同时，STEAM教育则冷清得多。
从教育的角度看，STEAM教育是系统的本质的，而创客教育是零散的表象的。目前有一种以偏概全的趋势，用创客教育取代了STEAM教育。因此正确理解创客教育与STEAM教育的关系，利用创客教育的热潮重视STEAM教育，就显得尤为重要。 建议如下：
（1）STEAM教育中嵌入创客教育模式
创客教育和活动明显可以降低STEAM起步阶段的难度，对于平缓初始阶段的学习曲线大有裨益。并且，如果融入创客教育，将更加丰富学生的学习内容。还可借助高效的数字化设备，设计更为实用的课程，通过课程让学生看到学科之间、学科与现实之间的关联，从而让学生了解真实的生活，培养学生的交流技能，促进学生在身体、智力、情感和品德的全面发展。
（2）强调创客教育为用，STEAM为本
现有的创客教育活动没有形成一套成熟的课程体系，且缺少体系化的培养模型和教材，还不能取代学校的系统化教学。&&&
既要深化STEAM教育，在学生的实验中设置更多STEAM课程，又要大力推广数字化设备，让创客教育成为学校开展STEAM教育的有力抓手，做到“STEAM为本、Maker为用”，保证学生学习创新的可持续性。
二、创课教育的实践
（一）STEAM教育的案例
STEAM基于科学、技术、工程与数学之间的关系综合了各学科的特点，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了有机的统一。
我在进行STEAM教育尝试时，强调“设计”作为学生已有知识体系的反馈和输出，具有开放性和挑战性，是创意和能力培养的必要环节。努力贯通创客教育与STEAM教育。一个没有深厚 STEAM基础的创客，可以做一些简单的设计和装置，但是涉及到更多科学原理、数学计算的问题时，往往束手无策。如下图：
（二）真实情境中的创客案例
STEAM 教育和创客教育都倾向于真实情境问题的解决。
从2000年开始，我先后与中央电视台《异想天开》、《走进科学》、《我爱发明》、《原来如此》以及北京电视台、湖南卫视、深圳卫视合作，策划设计了数百个力学科普实验或活动，例如纸桥过车、纸船载人、弹簧秤称大象、手机吊冰箱、飞针穿玻璃、机械打水漂等经典节目，观众累计超过5亿人次。
以“手机吊冰箱”为例：
（三）数字化创客培养的平台——给我一块木板，还你一个世界
从目前的发展水平看，激光切割机、3D 打印机、数控机床、激光扫描仪、开源硬件聚集起来成为“快速原型设备套件”已经是创客的基本硬件。目前3D打印技术发展很快，在艺术设计、工业零部件、科普模型、医学修复、食品、建筑等方面都有应用。但是3D技术最大的问题是速度比较慢，精度不高，入门容易进阶难……
所以，我整合了快速的激光切割技术，建立了相应的数字化设计与制作平台，经过实践，可以让学生在课堂内做出自己的作品。
什么是CAME（卡魅）？
CAM是Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造，这在工业界已经广泛运用。
CAME是Computer Aided Manufacturing for
Education，服务于教育的计算机辅助制造。
CAME的核心是把CAM（计算机辅助制造）技术和设备创造性地引入课堂教育，帮助每个学生释放创意并形成作品。
CAME最大的特点，就是可以快速地帮助学生实现自己的想法。以往，学生做一个东西，使用锯、锉、钻、削等方法，要费很长时间，很多人的热情往往就在这个过程中消失了。
数字化的设计和制造，速度非常快，而且精度很高。用激光切割出一个高精度的圆形只需几秒钟，手工费时费力且几乎不可能太圆。
利用CAME，在很短的时间内就可以把学生的创意付诸实施，做出很漂亮的东西。这个感觉就完全不一样。 CAME以平板为主要材料，配少量器材，可以做出令人意外的作品，真正体现了创客的创意。
由于激光切割需要的是平面设计，大大降低了设计的难度。而且用平面也可做出三维的作品。国内外有研究表明：男女学生在学习立体几何方面有明显的差异，这对目前3D打印的普及是一个需要考虑的问题。另外，学生在设计一个新东西的时候，开始时经验不足，不可避免会出一些错误。以往，学生花了很长时间做出来的东西，一旦有错，就容易前功尽弃，积极性受到打击。
现在，修改设计后，花几分钟就可以再做出一个。所以，可以不断地边试验边修改。
这种“所想即所得”的授课模式让学生充满成就感，建立自信心，能最大限度地激发学生的创造力。
（一）创客的发展十分迅速，创客教育目前还没有形成体系。STEAM教育对国家的未来十分重要，但是目前还没有得到应有的重视。可以借助创客运动开展STEAM教育，融合的学科知识是创客后续前进的动力。
（二）真实情景下的问题涉及多学科的知识，有利于学生发现问题、解决问题。除了知识和过程，也利于学生的情感培养。
（三）创立了创客培养的卡魅平台，让学生在课堂内就能把创意变为现实，二维的设计减低了难度，从原材料做起体现了创客的价值。
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STEM和STEAM在创客教育中的应用
分享围绕一个主角开展，它不是高大上的硬件产品，竟是一枚小小的纸电路（Paper Circuit），看看这个小家伙是如何变身的吧？主角第一次出场是这副模样，光溜溜赤裸裸的。Terrie问现场的朋友：猜一猜这是Science，还是STEM？判断的关键在于：STEM包含不只一个学科，需要科学（Science）、科技（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四个学科的融合。如果老师要让一个纸电路的课程成为STEM课程，他／她除了教学生理解科学的部分，还需要让学生探索了解交叉的学科知识，如：每一个元件在其中的运作方式与原理这些元件如何彼此连接以及为什么要这么连接如果仅仅教学生制作纸电路，但没有引导学生去探索和理解其中的运作方式与原理，那么也许只称得上一堂动手制作科学课。引出STEM后，Terrie老师开始分享iSTEM：i是integrative综合的意思，iSTEM是将其它学科如：语言、历史、天文、社会研究、艺术等与STEM综合在一起，这意味着教师和学生都需要从不同角度、不同思维、不同学科综合地认识和理解知识。在美国，其实也如国内非常注重考试(testing)，因此艺术类学科这种具备创造与创新元素的课程，与考试学科相比下就容易不受重视。然而创新无法舍弃艺术，因此将Art加入STEM才能让创新拥有更好的发展空间。Art并不单单说的是Fine art（绘画、雕塑这类大家传统认识的艺术形式），还包含了人文艺术、肢体艺术、手工艺术、语言艺术。主角第二次华丽登场啦，这次穿了杯子蛋糕（cup cake）的马甲，你还认识它吗？！在这个纸电路课程中，学生不仅需要学习电路的制作，同时也要思考怎么将创意结合到纸电路做一个如杯子蛋糕的作品。在这个制作案例当中，看看STEAM可以如何被体现：科学：杯子蛋糕的电路原理科技：LED与电池的工作原理工程：所有元件怎么被组装以及彼此之间配合运作数学：测量一个杯子蛋糕的制作中的材料面积、长度艺术：将纸电路转变成一个杯子蛋糕的过程另外一个课程，结合了STEAM跟天文地理的学科整合，Terrie老师称之为iSTEAM，学生通过夜晚的空照图，尝试通过城市的灯光来测量光源之间的距离。这是主角第三次闪亮出场，你能算出你在多高的高空俯视它吗？其实这些重点都在于如何帮助学生更加全面、多方位地理解我们的生活，Terrie也鼓励不同学科的老师们可以彼此多多进行交流，思考一个知识点如何从不同学科的角度让学生多方位进行探索、思考和学习。试着回想一下，以前在学校我们是怎么学习以及认识细胞这个概念呢？在创客教育的制作过程中，学生通过认识新的工具，比如电子电路，这些都可以帮助学生培养他／她们的创新创意能力。主角第四次登上舞台，这次打扮得有点二次元、超级科技范儿！赶快回忆一下初中的生物课，猜猜它是谁？这个课程融合了科学、艺术、制作，不仅是创客教育，同时也是STEAM教育。再次说明了STEAM课程可以通过结合制作来进行，此时STEAM便与创客教育相通了。主角的最后一次亮相，这次它是一张充满温暖灯光的森林卡片！我们一起来看看STEAM与制作（MAKE）的结合方式设计过程（Design Processing）：1）State the Problem：找到一个要解决的问题或需求 问题／需求：通过纸电路来制作一个作品 2）Generate Ideas：思考并产生解决的想法 通过讨论或头脑风暴来思考解决方案，我想要怎么做呢？我希望这个作品的外表是什么呢？ 3）Select a solution：从想法中选择一个方案 选一个方案吧！
4）Build the Item：实践选择的方案 将小树结合LED来制作 5）Evaluate：评估方案能否解决问题 制作的作品是否如预期般可以正常运作，是不是想亮的地方亮了呢？ 6）Present Result：呈现结果 将成果向学生呈现，说明制作过程是怎么做的，其中什么是成功的、什么没有成功，如果下次再次制作，我会怎么做？我的设计想法是什么？不同颜色的LED代表着什么？为什么我想要这么做？2. 项目式学习（Project-based Learning）1）项目式学习包含一个问题，过程以解决问题为目标2）由问题驱动学习行为3）如果解决问题需要制作产品，可以选择通过设计过程来制作那么STEAM课程一定要包含设计过程或者项目式学习吗？Terrie说：其实是不用的，但如果课程目标希望学生在最后有一个作品产出，设计过程是一个很好的学习框架帮助学生完成目标。如果课程目标有一个特别需要解决的问题，项目式学习也是一个好办法。最后，Terrie向大家介绍21世纪的4C技能（21st Centry Skills），而STEAM的课程方式可以帮助学生获取这样的技能。Critical Thinking（批判性思维）：批判性思维需要具备分析与问题解决能力Collaboration（协作能力）：跟其他人一起分工合作完成任务的能力Communication（沟通能力）：向他人通过不同方式（演说、视频等）展示自我想法的能力Creativity（创造力）：想到主意并实际执行的能力Terrie说：不管你是在学校的老师或者校外机构的教育者，如果你们已经在尝试STEAM的上课方式，很高兴并且期待你们的成绩；如果你们刚开始尝试，我们很欢迎交流关于STEAM的教学方式跟想法，大家一起成长进步；如果你们想尝试但不知道怎么开始，不如先从包含一个不同的学科到自己的开始，一切慢慢来！这里不得不提起一位现场分享自己努力尝试STEAM的一位语文老师“西娅”！她尝试让她班上四年级的学生自己创作撰写绘本故事，然后绘制成绘本故事，最后学生创作出的绘本故事在很多人面前分享和展览！她还在努力探索如何能更好地融入STEAM。Terrie建议她若结合造纸和剪裁书，则可使得STEAM更丰富。趁此机会，感谢所有在教学过程中不断挑战自我、不断学习新知、不断尝试创新，并为之努力的好老师！期待孩子们身边有越来越丰富多元的学习世界，也分享Terrie在其中最让我印象深刻的一句话：Start small, then build big.最后，期待没有参与到活动的朋友可以从今天的分享内容获取收获，再次感谢Terrie老师和李丹老师、联合主办的青橙创客教育，以及所有参与的活动的朋友们！爱就开心（北京）教育科技有限公司是一家致力于推广青少年儿童“创客教育”的教育机构，提供创客教育的学校课程、工作坊和营会、导师培训以及顾问咨询服务。通过结合跨学科的方式让孩子动手完成项目，从而感受到学习和真实生活的关联，体会自己创造的成就感，从学习过程中培养动手能力、团队协作、创意思维、科技认知和分享精神，成为能够实践创客精神的社会公民，引领其今后在不同的行业中发现更多的可能性，注入实践生命价值的能量，在未来的成长路上拥抱梦想、创造希望。
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我国STEAM教育面临的现实发展困难
STEAM教育我国STEAM教育面临的现实发展困难随着21世纪教育信息化时代的到来，STEAM教育将成为未来教育的一种趋势。我国目前的学校教育都是按学科分类，以各学科为独立知识体系的教育系统，如何把STEAM教育模式更好地融入目前的教育模式，以及我国STEAM教育面临哪些发展困难，这些问题都是必须要考虑的。请阅读下文！1缺乏可行的实施方案致力于培养实用型、创新型人才的培养STEAM教育处于发展初期阶段，缺少具体的执行方案，多数停留在理论层面，在STEAM教育中推进过程中，存在“孤立化”和“学科化”倾向，将STEAM教育视为动手课、操作课、实践课等。2缺少融合的教育资源在我国基础教育课程体系中，理科课程缺乏整合性和现实性，使得学生习得的知识处于高度碎片化状态，既有的课程资源零散且不规范，分学科的设计思路仍较多的局限在各自的领域范围，难以形成科学、完善的课程资源体系。3缺少专业师资及培养机制目前我国的学校教育基本是按照学科分类、以学科为独立的知识体系，这种以知识获取为核心的分科式科技教育模式，不利于创新型人才的培养。并且，STEAM课程讲授难度大，需要教师有较强的学科知识储备，定期接受培训，了解领域最新的发展趋势。4缺乏资金及硬件设施为实现创新型人才的培养，STEAM教育应增加项目式体验教学，建立实验室、研创室、创新平台等硬件条件，并提供开放、共享、立体、云中心的智慧学习平台等，通过体感技术、机器人技术、3D技术、增强现实等技术的支持，创设虚实一体、虚实融合的教学情境。因此，需要大量的资金投入，以产学研为目标。
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很多人误解高大上的STEAM素质教育，谈何提升孩子的创新创造力？
近期，《什么样的教育，让奥巴马无比重视？》一文在微信发布后，一些家长给我留言提及国内也开设STEAM教育课程，也有家长颇为得意地说他们家孩子的学校就有开这门高大上的课程。其中有家长也问到，现在一些学校举行的机器人比赛算不算是STEAM教育？从这些互动留言来看，我们不少家长对STEAM教育误解不浅。许多人都知道这个美国政府人才培养计划很牛，加上我国教育部在有关教育信息化的未来五年规划中，也明确指出探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，国人又开始觉得自己的孩子没有赶上这个人才计划，未来社会竞争力是不是就要落后千里了！事实上，全国包括北京清华大学附中、人民大学附中、上海中学、上海外国语大学附中等在内的600余所中学也都在开设STEAM教育课程。但是，在我们一窝蜂地追赶这个教育潮流时，我们是否真正理解美国STEAM素质教育的真谛了呢？STEAM教育到底在提升孩子的哪些能力？&对STEAM素质教育的正解是什么？不难理解，STEAM是这五个单词的缩写：Science（科学）, Technology（技术）, Egineering（工程）, Arts（艺术）, Maths（数学）。有人称这个STEAM教育打破学科界限很好玩，比如技术和工程结合，艺术和数学结合，科学和工程结合……尽管我国学校在努力地通过信息技术促进各学科教学内容和模式的变革，让孩子在信息技术课上玩创造：几个发光二极管、几根导线、几只彩色小灯泡，加上开关、门铃、木板、小车轮、各种各样的装饰材料……老师在黑板上画了一张串联电路图，孩子们手脑并用地鼓捣起来！但是，我们的“STEAM教育课程”师生之间的教学互动大多是停留在知识的传递上，却没能把各个学科融会贯通；我们往往过于重视和提升孩子的动手实践能力，而创新意识却没有得到增强！正如《底特律新闻报》专栏作者Robert Buchsbaum在他的文章中写道：“仅在科学和数学上的长时间积累，不会启发聪明的孩子成为创新者——毕业都成问题的学生更不用说，他们都没有动力从高中毕业。所以基础是重要的，但引入艺术教育是激励孩子们学习和刺激他们好奇心的有效途径。”Buchsbaum不但坚信艺术和STEM能够在全国范围内齐头并进，使整体的教育课程得到丰富，而且相信工业设计、计算机绘图、头脑风暴、简易问题解决等所有这些技能都能通过接触艺术得到培养。由此而看，艺术在STEAM素质教育的过程中所起到的作用是显而易见的，它是创新的源泉。近年，国内STEAM教育的创新运动在渐渐开始生根发芽，诸如鲨鱼公园的科技教育，VEX机器人、乐博乐博、萝卜太辣机器人教育，以及3D打印的创客教育等等，但是把STEAM教育等同于机器人教育、创客教育，这些都是对STEAM教育的误解。但是，我们应从其背后看到：STEAM教育所象征的创新意识的觉醒和对于文化软实力的培养。&向美国学习STEAM教育提升孩子哪些能力？STEAM教育专家、比特实验室创始人曹伟勋博士曾表示，中国的创新时代已经到来，学生需要懂得产品、学会产品、创造产品、不断去追求创新，将来是属于拥有不同思维的人。但我国教育的现状并不算理想，需要培养学生充满激情和创造力。所以，在学习和探索美国STEAM教育的过程中，打破跨学科知识学习固然重要，但我们还应注重创新意识的觉醒和对STEAM教育文化软实力的培养！1、激发好奇的天性和主动探索能力在我多年从事国际教育的工作过程中，因为我们跟各个国家的青年都要打交道，会发现中国青年与国外青年最大不同是好奇心和创造力。比如，我们手上的笔，我们的教育的方式就很容易告诉你，它就是一支笔写字吧，赶紧写好点字或者练好字这个最重要！但在西方教育中，孩子会想到笔制造的原理是什么？除了它是笔以外它还能干些什么？那么孩子就会被这些激发好奇心。好奇不仅是儿童的天性，好奇心和创造力也是一脉相承的。孩子对事物的好奇是一种迫切认识事物的渴望，有了好奇心才能想到创造一件新的事物。因为孩子对这个事物非常感兴趣，能引起他积极主动去探索其中奥秘。所以，让孩子爱上造物，在造物中学习，在造物中研究，比什么都重要。2、培养孩子各方面技能和认识能力在科学、技术、工程、数学、艺术之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。STEAM教育绝不能够独立其中任何一个部分，只有在交互运用中，在相互的碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习，也才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。所以，与现实相关联，让孩子自己动手完成他们感兴趣的、并且和他们生活相关的项目，从过程中学习各种学科和跨学科的知识。3、在动手实践过程中培养创新意识STEAM教育要求孩子们动手动脑，使得孩子注重实践、注重动手、注重过程，但提升动手实践能力不等于提升创造力。基于创新意识下，结合动手实践和探索才能真正唤醒孩子与生俱来的创造力潜能。4、引导同伴之间的合作和强调解决问题的能力孩子自己一个人折腾可能他很有天赋就创造了一个新事物，这是很酷的事情！但在我们生存的社会中，大多工作是以团队为导向的。不妨在孩子钻研一个新事物或在事物上做一些创新的改进的过程中，引导孩子在自主思考和探索的同时，善于与旁人或同伴交流或交换思想意见，尤其在遇到问题时集体的智慧不容忽视，在动手的过程中力求解决问题，让他尝试在一个小小群体中的协作中体验到创造的乐趣，这样更有利于帮助他把这股创造生命力持续下去。5、重视对“艺术”文化软实力的培养不要对艺术进行狭隘的定义，比如绘画、陶艺、设计、音乐、戏剧、电影等艺术都能带来创造力的源泉。以生活经验为基础，发展孩子的空间观念和对艺术的敏锐能力很重要。通过生活经验的回忆、动手操作、实物观察、想像、描述、联想、模拟、分析和推理等途径，可以更好地培养这方面的软实力。6、创造机会让孩子去发展有趣的创意思维虽然机器人教育并不能等同于STEAM教育，但机器人教育是一门非常经典的跨学科课程，机器人教育强调手脑并用，是培养学生创新实践能力的重要途径。尤其，机器人这类的创意更能使得低龄孩子乐于接受和思考。然而，我国机器人教育比较尴尬，国家虽组织了机器人比赛，引进了VEX机器人，但机器人教育在国家课程中找不到位置，无法普及；比较而言，欧美国家以美国为首，亚洲以新加坡为首，这些国家的在学校里不仅大量普及机器人教育（如比赛），还把机器人教育纳入必修课里。大型的机器人国际大赛通常也是在美国和新加坡举行。今年暑期，作为NASA航空航天宠儿卡耐基梅隆大学和美国最有典范的机器人学校加州大学强强联合，推出最有实力最专业的美国加州大学机器人国际认证营，这是跨学科体验和创意体验的最佳结合，从零基础的编程菜鸟到自由操控机器人的高手，无不考验孩子的创新实践能力，让孩子像科学家一样探索，让孩子像艺术家一样创造，孩子们将亲身领略美国学校是如何把STEAM教育的精髓融合在机器人教育中！
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