基于“二核心、五阶段”的STEAM-创客融合课程模型构建与教学实践.pdf

第 10 期2023 年 10 月 10 日计 算 机 教 育Computer Education中图分类号：G642196基于“二核心、五阶段”的 STEAM-创客融合课程模型构建与教学实践徐 航1，2，张 钰1（1.陕西师范大学 计算机科学学院，陕西 西安 710119；2.山东省青岛第五十九中学，山东 青岛 266071）摘要：针对 STEAM 教育或创客教育单一存在时的局限性，提出基于“二核心、五阶段”的STEAM-创客融合课程模型，以“基于 Arduino 和语音识别的智能垃圾分类系统”一课为例，介绍教学实践并进行效果分析，为中小学开展 STEAM 和创客融合课程提供一种可能的教学范式。关键词：STEAM；创客；教学模式；课程开发文章编号：1672-5913(2023)10-0196-050引 言近年来，国家多次出台文件强调培养创新型人才的目标，与此同时，STEAM 和创客教育已经被大量研究证明是实现该目标的有效途径。STEAM 是融合 S（科学 Science）、T（技术 Technology）、E（工 程 Engineering）、A（艺 术Arts）和 M（数学 Math）的跨学科综合教育1-2，创客则是利用身边材料、计算机相关设备（如三维打印机）、程序及其他技术资源（如互联网上的开源软件），通过自己或与他人合作创造出独创性产品的运动3，大多依托于创客空间或创客运动而开展4-7。然而无论是 STEAM 还是创客，都存在制约其在中小学广泛应用的局限性，主要表现为：单一 STEAM 教学跟传统教学相比，仍然只是停留在理论层面，学生可能通过短时间获取了来自各学科的知识，但这些知识在生活中有何应用，能产生什么样的实际产品，学生未必清楚；与 STEAM 相比，创客更看重学生对工具的使用以及在该过程中因完成作品获得的愉悦感和成就感，对于背后的原理和知识点关注较少，由此导致所谓“创客”最终沦为一种简单的模仿。为解决STEAM和创客单一存在时的局限性，将二者相结合的“二核心、五阶段（SIPOE）”模型旨在提取 STEAM 和创客的核心特征，以创设情境的项目设计为出发点，建立理论与现实世界的联系，使学生在实践中内化理论，提高创造力和自我效能感。1融合STEAM、创客的“二核心、五阶段（SIPOE）”模型1.1二核心“二核心”（图 1）是指该融合课程以跨学科素养和创新素养为核心，跨学科素养取自“STEAM 层”的内核，旨在通过课程培养学生跨学科思维的养成，提高科学、技术、工程、艺术、数学素养，丰富理论体系的建立，能用多学科知识解决生活中的问题。创新素养取自“创客层”的内核，与传统STEAM 课程相比，加入创新元素，包括对学生创新意识、创新思维和创新能力的培养，其中创新意识是指学生能从生活或情境中主动地发现问题并尝试自主或合作解决问题的意识，而不是被基金项目：市南区教育科学“十四五”规划 2021 年度青年教师课题（QNJK145Q003）。作者简介：徐航，女，教师，研究方向为 STEAM、创客、智能教育，；张钰（通信作者），男，副教授，研究方向为计算机视觉、深度学习、教育大数据、情感计算，。教育与教学研究第 10 期197动地等待教师或别人提出问题。创新思维是在整个融合课程的实施过程中，随着课程的进行潜移默化地训练发散思维、归纳分析思维、设计思维、探究思维的形成，具体来说是指能用发散性思维提出问题的多种解决方案，并从这几种解决方案中归纳分析出各种方案的优缺点，针对问题选择最佳方案，根据该方案设计模型，模型设计之后需要经过多次的测试对模型进行优化，该测试过程不断迭代，学生仍然是该过程中的主角，通过探究发现模型存在的问题，提出模型的修改方案，直至最终模型的生成。创新能力包括主动建模能力、动手实践能力、合作能力。学生要做到能够在分析问题的基础上，从无到有地自主设计模型，并完成模型的优化和落地，该过程往往涉及计算、电路、画图等内容，因此势必与STEAM层中的数学、科学、艺术等素养紧密结合。动手实践能力，创客与 STEAM 相比，最突出的特点就是需要有作品的产出，这就对学生的动手实践能力提出了更高的要求，能够熟练运用所需要的工具，比如通过 3D 打印机、Arduino开源硬件、乐高机器人、数控机床、激光切割机等设备完成作品。在作品完成过程中塑造匠人精神，与 STEAM 层中的工程、技术相对应。最后是合作交流的能力，由于任务没有固定的标准答案，需要头脑风暴想出解决方案，而头脑风暴最好的方式是通过合作集思广益，以小组为单位想出尽可能多的解决方案。学生在与组内小伙伴进行交流的同时，无形中提高了自身的语言表达能力和人际交往能力，获得社会性技能。1.2五阶段SIPOE 模型适用于 STEAM-创客融合课程，尤其针对包含的理论专业度较高、仅凭学生自主探究尝试难以掌握其背后原理，需要老师介入对原理进行剖析的课程。该模型（图 2）分为 5 个阶段：情境（Situation）头脑风暴（Ideas）原型（Prototype）优化（Optimize）评价（Evaluate）。图 1“二核心”阐释二核心跨学科素养（STEAM层）科学技术工程人文数学创新素养（创客层）发现问题解决问题创新意识发散归纳分析设计探究质疑创新思维主动建模合作试错动手实践创新能力图 2“五阶段”SIPOE 模型 头脑风暴 Ideas 确定需求 设计方案 原型 Prototype 初步模型 原理探究 优化 Optimize 改进模型 分享交流 测试 迭代 情境 Situation 故事法 同理心地图 工具 评价 Evaluate 自我效能感量表、创造力倾向量表 工具 第一阶段为创设情境：主要可采用故事法或同理心地图等情境代入方法，让学生沉浸其中，假设自己是情境中的一员，设身处地地感受 情境。第二阶段为头脑风暴：主要通过小组合作完成，小组内每位同学根据自己在情境中的感受思考情境中的主人公有什么需求，并尝试给出对应的设计方案，向其他组员阐述自己的想法，列举自己方案的优势，尝试说服他人接受自己的提议。其他组员在该过程中随时可针对该方案提出2023198计 算 机 教 育Computer Education疑问和建议，在每位同学的意见发表结束之后，以小组投票的方式选出最佳方案。最佳方案产生的单位并不做严格要求，根据作品背后所蕴含的原理、所需材料等的不同，教师可以自行决定以小组为单位或以班级为单位选出最佳作品，后者即在小组作品基础上进行二次选举，形成全班统一方案。例如 3D 打印因原理相似、材料相同，在生成方案时多以小组为单位即可，而 Arduino开源硬件不同方案往往对应的原理也大相径庭，为达到更好教学效果，建议全班统一方案为佳。第三阶段为原型：以票选出的最佳方案为准，进行模型的初步设计，设计时尝试对其背后蕴含的原理进行初步探究，教师提供材料，辅助学生剖析模型背后涉及的理论知识。第四阶段为优化：组内或组间分享交流初步模型，阐述作品的设计思路、创作理念、创作过程、创新之处等；其他同学对其进行初次评价反馈，设计者结合原理和评价反馈修改模型，并进行测试，根据测试结果调整、优化模型，直至满足要求的最佳状态。第五阶段为评价：采取自评互评+量表的方式，定性定量相结合评估学生本节课作品生成情况以及在该过程中自我效能感和创造力的提升情况。具体来说，“自评互评”指学生总结在该过程中遇到的问题，以及解决问题的方式方法，其他学生发表对该作品的评价，教师进行补充评价；“量表”则采用自我效能感量表和创造力量表，其中，自我效能感量表取自 zhang 和Schwarzer（1995）编制的中国版自我效能感量表8（=0.91；KMO=0.709）对学生参加课程前后的自 我效能感进行评价，共 10 个问题，每个问题的回答按照李克特 4 维量表进行评分，14 分分别代表“完全不正确”“尚算正确”“多数正确”“完全正确”。通过量表定量分析 STEAM-创客融合课程是否有助于学生认为自己能够胜任某一任务的自信心的提高，以及学习主动性的培养；创造力测评采用 Williams F E 编写，台湾学者林幸台、王木荣修订的威廉斯创造力倾向测量量表（=0.7650.877；KMO=0.7780.839）9-10。该量表共 50 题，分别测量学生冒险性、好奇性、想象力和挑战性 4 个维度的表现。每个问题的回答按照 3 维量表进行评分，13 分分别代表“完全不符合”“部分符合”“完全符合”，其中第4、9、12、17、29、35、45、48 题采用反向赋分。通过对前后测数据进行统计分析，观察经过 STEAM-创客融合课程后，学生的创造力是否有明显变化。2基于“二核心、五阶段（SIPOE）”模型的教学实践案例以基于 Arduino 和语音识别的智能垃圾分类系统11为例，以“二核心、五阶段（SIPOE）”模型为框架开发设计课程，课程以社团形式展开，人数为 20 人，每 5 人为一小组，共 4 组，课程设计见表 1。表 1 基于 Arduino 和语音识别的智能垃圾分类系统课程设计阶段教学过程融合体现STEAM 层创客层情境创设情境：为提高资源的回收利用率，近年来多地颁布了生活垃圾管理条例，倡导对垃圾进行分类存放。该政策一出，立即引发了人们对未来可持续发展社会的期待，但同时也给人们带来了困扰和麻烦，不少市民在垃圾桶面前徘徊驻足，不知道手中的垃圾的真正归宿该去向何方人文素养：深入情境、体察诉求创新意识发现问题头脑风暴确定需求：引导思考你觉得该情境反映了什么问题，你能找到解决方案吗？设计方案：小组头脑风暴想出尽可能多的解决方案，方案提出者向其他组员阐述自己观点，组员可以随时发表意见或疑问，最终小组投票选出最优解，小组代表在全班范围内进行二次选举，形成最终方案，例如最终确定为设计垃圾自动识别系统科学素养：捕捉问题、提出方案创新意识分析问题、解决问题创新思维发散思维、归纳分析创新能力小组合作讨论教育与教学研究第 10 期1993教学效果分析3.1创造力采用威廉斯创造力倾向测量量表，对学生创造力总分和冒险性、好奇性、想象力和挑战性4 个维度进行评估，使用 SPSS 中的 t 检验分析学生的前后测数据（表 2）可知，参与融合课程后，学生的创造力总分、冒险性、挑战性 3 项指标均呈现显著性增长（p 0.05），而好奇性和想象力则差异不大（p 0.05）。因此可得，该STEAM-创客融合课程可有效促进学生创造力（t=-2.129，p=0.040）的提升，尤其是冒险性（t=-2.631，p=0.012）、挑战性（t=-2.195，p=0.036）的培养，冒险性体现在参与课程的学生表现出更愿意接受新事物、喜欢与他人优化观点的倾向，而挑战性则体现在能够主动解决问题、多次尝试不害怕失败、思考问题的角度有发散性思维的特征。剩余两项尤其是想象力（t=-1.358，p=0.183）没有发生明显变化，究其原因可能是主题的选择、提供的材料、时间的长度有限，导致学生的思路、视野的打开受限，短期内难以观察到明显变化。续表 1阶段教学过程融合体现STEAM 层创客层原型初步模型：提供材料：Android 移动端 APP、HC-05 蓝牙模块、下位机控制模块（Arduino 开发板、舵机、供电电源和垃圾桶）。学生根据现有材料，选择所需要的，初步构建模型原理探究：在初步模型设计过程中，尝试理解、自主探究模型背后的原理。之后，教师辅助学生进行原理剖析，包括该原型涉及的电路搭建、语音识别等技术科学素养：掌握技术背后的原理；工程素养：电路连接和模型搭建；技术素养：语音识别；数学素养：程序设计创新思维探究、设计创新能力主动建模、动手实践、试错优化学生根据其背后的原理，结合其他同学的评价反馈，进一步改进模型，测试，优化模型，该过程迭代进行人文素养：表达、描述、倾听；科学素养：反思、质疑创新思维质疑评价采取自评互评相结合对学生设计的智能垃圾分类系统进行评价，采用自我效能感量表和创造力量表，统计分析数据，得出学生通过本节课学习，自我效能感是否得到提高表 2 创造力倾向量表 t 检验分析结果分析项项样本量平均值标准差平均值差值95%CItdfp总分1.020106.8519.10-10.80-21.070 -0.530-2.12938.0000.040*2.020117.6512.25总计40112.2516.75冒险性1.02023.204.14-2.95-5.220 -0.680-2.63138.0000.012*2.02026.152.83总计4024.683.81好奇性1.02031.305.92-3.10-6.405 0.205-1.89938.0000.0652.02034.404.27总计4032.855.33想象力1.02026.205.35-2.00-4.982 0.982-1.35838.0000.1832.02028.203.85总计4027.204.71挑战性1.02026.154.80-2.75-5.305 -0.195-2.19531.1060.036*2.02028.902.88总计4027.524.15 注：*p 0.05。2023200计 算 机 教 育Computer Education参考文献：1 National Science Board.Undergraduate science,mathematics and engineering educationEB/OL.2018-12-27.https:/files.eric.ed.gov/fulltext/ED272398.pdf.2 National research council.Transforming undergraduate education in science,mathematics,engineering,and technologyJ.Journal of Engineering Education,1999(89):127.3 Herschbach D R.The STEM Initiative:Constraints and challengesJ.Journal of STEM Teacher Education,2016(1):9.4 Davies S R.Hackerspaces:Making the maker movementM.New York:John Wiley&Sons,2017:75-91.5 Herold B.The maker movement is coming to K-12:Can schools get it rightJ.Education Week,2016(35):28-30.6 Guek F S.Makerspace at singapore polytechnicJ.Singapore Journal of Library&Information Management,2015(44):1-10.7 Saunders T,Kingsley J,Dowling F,et al.Made in China:Makerspaces and the search for mass innovationR.London:Nesta,2016:24-31.8 Zhang J X,Schwarzer R.Measuring optimistic self-beliefs:A Chinese adaptation of the general self-Efficacy scaleJ.Psychologia,1995(3):174-181.9 Williams F E.Intellectual creativity and the teacherJ.The Journal of Creative Behavior,1967(2):173-180.10 林幸台,王木荣.威廉斯创造性思考活动手册M.台湾:心理出版社,1997:32-40.11 黄鹏,徐燕.基于Arduino和语音识别的智能垃圾分类系统J.电子技术应用,2021(8):72-75.（实习编辑：欧 阳）3.2自我效能感同样方法对自我效能感测量结果（表 3）进行分析可得，后测数据明显高于前测（t=2.099，p=0.042），即 STEAM-创客融合课程有利于学生自我效能感的提升，该提升很可能对应着通过完成作品而提高了学生的成就感、满足感，从而激发了对自己能够完成某一行为的自 信心。表 3 自我效能感量表 t 检验分析结果分析项项样本量平均值标准差平均值差值95%CItdfp总分1.02033.956.834.250.152 8.3482.09938.0000.042*2.02029.705.94总计4031.826.68 注：*p 0.05。4结 语通过分析结果可知，STEAM-创客融合课程会对学生的自我效能感和创造力（尤其是冒险性和挑战性）产生显著影响，针对想象力、好奇心没有明显变化的情况，可以通过在之后教学设计中，注重留给学生充足的空间，不限定主题、材料，引导学生打开视野，以更开放的思维去思考问题，但由此也对教师的教学设计提出了更大的挑战，未来如何设计有效的教学模式能全面提升学生的创造力仍然是研究的重点。当然，本研究在样本量和时间维度上尚有改进空间，可增大样本、在一个较长的周期内开展实践，深入观察 STEAM-创客融合课程对学生的综合 影响。“二核心、五阶段”模型保留了 STEAM 和创客的核心特征，并给教学环节的实施提供了理论指导，为中小学开展融合课程提供了一种教学范式，中小学教师可以在该框架下开展融合教学，培养兼具跨学科思维和创新素养的新时代人才。