基于跨學科教育的創新能力培養研究

【摘 要】學生創新能力的培養對于國家、個體發展至關重要。無論是社會現實的反映，還是科技發展的前沿，抑或教育發展的趨勢，無一不強調跨學科創新的重要性。筆者及所在團隊以機器人教育為突破口，構建了一系列教與學模式，解決了中小學機器人教育、創客教育、STEM教育模式單一的問題，為跨學科教育的深入發展提供了方法論參考。

【關鍵詞】創新能力 教學模式 跨學科教育

一、研究緣起

創新能力也稱創造力、創新性、創造性，是人類心理機能的高級表現，也被視為21世紀人才的關鍵特征[1]。當今世界對培養學習者的創新能力給予了前所未有的關注。

《2020年全球創新指數報告》[2]的發布引起了較大的轟動，作為唯一入圍前30名的發展中國家，中國以第14名的位次排名靠前，并有8個指標排名全球第一。其中，排在第一位的指標是“閱讀、數學和科學PISA量表得分”，這一成就成為我國教育發展的標志性成果。然而，經濟合作與發展組織（OECD）于2018年通過對上海、北京、江蘇、浙江四省市學生的調查發現，中國學生取得優異成績的背后所付出的代價是大量的學習時間、偏低的學習效率及幸福感，意味著應試教育下的優異成績并不代表創新能力的提升。這一發現繼而引發教育界內外人士對教育本質的思考：我們的教育應該提升學生的成績還是培養學生的能力？相比于其他各國，中國諾貝爾獎獲獎者寥寥無幾，科學研究水平也遠遠落后。尷尬的社會現實亟待教育重心的偏轉，“錢學森之問”實際上為我們提供了教育改革的方向，即教育須關注創新能力的培養而非學科成績的提升，強調解決真實問題的能力而非解題能力。

在發展動力亟待轉型的新形勢下，創新人才的競爭也成為國家綜合競爭力的關鍵。國家層面也對創新能力培養給予了高度重視。例如，2018年3月28日，北京師范大學中國教育創新研究院首次對外發布《21世紀核心素養5C模型研究報告（中文版）》，其指出核心素養5C模式中的創新素養包括三個維度：創新人格、創新思維、創新實踐[3]。這一報告的發布從立德樹人層面指出了創新能力培養的重要性。又如，2019年，中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》，強調要創新人才培養方式，推行啟發式、探究式、參與式、合作式等教學方式以及走班制、選課制等教學組織模式，培養學生創新精神與實踐能力。再如，2020年發布的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》提出，要激發人才創新活力，加強創新型、應用型、技能型人才培養。

概言之，現階段我國的社會現實、科技發展、教育趨勢等使創新能力成為我國教育實現轉型升級的重要抓手，創新能力的培養也迅速成為教育界內外關注的熱點，但創新能力的具體培養方向卻尚無定論。如今，知識生產已經呈現跨學科發展態勢，創新能力培養必須建立在復雜、多元的知識網絡基礎上，知識交叉成為打破慣性思維、擴大思維廣度、取得原創性成果的原動力[4]。根據《自然》雜志的一項研究，其在總結全球已發表的8.8萬個高質量創新水平的科技論文的基礎上，發現學科之間的交叉關系越來越密切，這亦說明跨學科創新逐漸成為全球科技發展的趨勢[5]?；诖?，在跨學科教育中培養學生的創新能力成為本研究關注的重點。

二、過往的探索

當前，人工智能正以超乎人們預想的速度發展并迅速進入教育領域，既成為促進教育轉型的新工具，亦成為實施創造教育的新陣地。近年來，在國家政策的有力推動下，以編程、機器人、創客等為主題的各類人工智能課程紛紛涌現，我國中小學機器人教育有了較快發展，其教育價值已逐步獲得社會認可。作為一種創新教育平臺，機器人的設計和開發過程常需要涉及多個學科知識的綜合應用。借此，筆者嘗試以機器人教育為切口，推進跨學科教育中的創新能力培養模式與策略研究。

1. 4I教學模式

長期以來，機器人教育教學模式單一且側重模仿驗證實驗，導致學生創新能力培養不足。具體表現在教師基本沿襲信息技術課堂慣用的講練結合或封閉式任務教學法[6]，以模擬實驗或模仿再現生產生活中的科技產品作為主要教學任務，教師通過講解制作步驟，讓學生亦步亦趨完成預定機器人的制作，重在基礎知識和基本技能的掌握，學生作品缺少個性化設計，更談不上創新設計。針對這一問題，我們構建了多元化的4I教學模式[7]。

所謂4I教學模式，是指向四種教學模式的分類框架，因每個模式的第一個英文字母都為I，故簡稱4I教學模式。從學生在機器人課程中的學習結果內外分類出發，可以得到機器人教學模式的兩個分類維度：知識內容維度（學科本位與學科整合）、物化成果維度（自主控制與聯機交互）。經由兩個分類維度的交叉，可以區分出四類教學模式（見圖1）。其中，實驗模擬型教學（Learning to Imitate via Robot）旨在以機器人相關技術作為教學內容的主體，將機器人本身作為學習的對象，以掌握機器人本體知識為導向;趣味交互型教學（Learning to Interact via Robot）旨在以開發有趣、好玩的機器人聯機交互系統為主要任務開展教學;科學探究型教學（Learning to Inquire via Robot）旨在以科學問題為導向，將機器人作為開展科學探究的載體和工具，為探究性學習提供數據收集、加工的技術支持;發明創造型教學（Learning to Invent via Robot）旨在以實際需求為基本導向、以項目教學為基本方法、以創新實踐為核心目標的教學，要求學生通過教學能夠制作出具有創新性的智能人造物。

在上述四類教學模式中，發明創造型教學模式對創新能力的培養提供了重要的理論指導。遺憾的是，囿于較低的專業知識和實踐能力，“發明創造”在中小學教師和學生中的實踐難度較大，進而導致理論與實踐“脫軌”。這一問題繼而引發我們的另一思考：針對教育中的不同主體，是否應該定位不同水平的創新要求？基于此，我們將創新水平大致分為模仿、微創新、原始創新三種水平[8]。其中，模仿階段強調用新工具、方法、材料解決一個有成熟解決方案的老問題;微創新階段強調要素或參數上的微調，在此過程中產生新創意、新功能的萌芽;而原始創新階段則要求跨學科與多元視角的觀點重組，實現結構性的變化[9]。大部分中小學生難以開展原始創新的類創造活動，但能夠適應模仿學習水平的內創造，以及介于兩者之間的微創新活動。當然，如果教育活動只是停留于模仿學習顯然也是不夠的，因此，將中小學生創新能力的培養定位在微創新水平上比較符合教育發展的規律和現實可行性。三種水平的創新，表明學生創新能力的培養應當從模仿學習（即學會“復制”）開始，通過模仿操作，在實踐中掌握造物的基礎知識和基本技能，再逐步積累和提升微創新能力，為后續原始創新能力的培養奠定堅實基礎。

2.TRIP教學模式和“燈籠”模型

基于對4I教學模式的觀察與提煉，我們進一步發現這些教學模式主要應用了兩種教學方法：項目教學法和科學探究法。項目教學（又稱基于項目的學習，Project-based Learning）強調以項目活動為依托組織教學內容，以學生為主體開展教學活動，以可視化和多樣化的學習成果評價學習的效果[10]。完整的項目教學通常須經歷較長的周期，導致實際課堂無法正常開展全流程的項目教學。此外，項目包含有核心概念和原理的綜合性或開放性任務，通常包含了多個復雜的或劣構的真實問題，無論對學習者還是教師而言均具有挑戰性。

因此，針對近年來項目式教學和研究性學習存在的不足，在4I模式的基礎上，我們從機器人教育的目標定位出發，將正向教學與逆向教學、作品開發取向與科學探究取向兩個維度交叉整合，提出了以逆向工程教學和糾錯教學為代表的TRIP四類教學模式（見圖2）[11]。其中，糾錯教學法（Trouble Shooting）是指教師人為地設計糾錯任務，或是提供業已用壞或損壞的殘缺作品，讓學生接受系統的糾錯任務訓練，發現故障產生的根源，復原作品功能;逆向工程法（Reverse Engineering）旨在以造物為目的，以先進產品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，通過現代設計理論、方法、測量技術對已有產品進行建模、仿真，最終實現優化既有產品和再創造的過程;科學探究法（Inquiring）旨在以科學問題為導向，以STEM教育理論指導科學探究活動的設計與實施，以培養學生的跨學科知識和科學探究能力為目標;項目教學法（Project-based Learning）旨在以項目活動為依托組織教學內容，以學生為主體開展教學活動，以可視化和多樣化的學習成果評價學生的學習效果。

在TRIP四類教學模式中，逆向工程法作為一種通過對目標產品的逆向分析和研究來實現產品優化與再創造的模式，在工程類專業課程的教學中具有廣闊的應用前景。為改變逆向工程法模式單一現象，我們整合了糾錯教學模式的優點和創新能力培養的需求，從復原實驗和重構實驗兩個層面分別提出了解構復原型、糾錯復原型、要素增減型、結構創新型四種逆向工程教學模式，進而構建了“燈籠”模型[12]，對上述教學模式的各環節進行形象化呈現（見圖3）。其中，解構復原型教學模式側重以“拆分—復原”的方式讓學生掌握目標產品的基本構成和實現方法;糾錯復原型教學模式側重以“糾錯—復原”的方式讓學生掌握目標作品的工作機制和實現方法;要素增減型教學模式側重以“分解—要素增減”的方式開拓學生思維;結構創新型教學模式側重以“分解—結構再造”的方式促進學生實現知識應用和創新實踐。上述教學模式都強調將學生代入原產品設計者的身份意識，均具有“造物”的特征，在應用時應當根據實際情況加以靈活選擇、調整和組合。

三、新的探索—4C教學模式

在前期研究中，筆者認為“核心素養”的內涵可從三個層次來把握：雙基、問題解決與學科思維（見圖4）。其中，雙基層以基礎知識和基本技能為核心;問題解決層以解決問題過程中所獲得的基本方法為核心;學科思維層指在系統的學科學習中通過體驗、認識及內化等過程逐步形成的相對穩定的思考問題、解決問題的思維方法和價值觀，實質上是初步得到學科特定的認識世界和改造世界的世界觀和方法論[13]。從知識與技能的習得，到問題解決能力的培養，再到學科思想和方法的內化，是一個完整和連貫的過程[14]。一個獲得學科思維的人無疑具備了總攬下面兩個層次的能力，也意味著學習者習得了學科專家深入思考問題時所需要的一種能力，即具備了學科素養。因此，有學者指出，素養導向的課堂轉型的重點正是從“教授專家結論”轉向培養以創新為特征的專家思維[15]66。

在新課改的浪潮下，“學科大概念”成為諸多學者關注的熱點。大概念研究可追溯至布魯納（J.S.Bruner）對教育過程的討論。他指出，“無論教師教授哪類學科，一定要使學生理解該學科的基本結構，有助于學生解決課堂內外所遇到的各類問題。掌握事物的基本結構，就是以允許許多別的東西與它有意義地聯系起來的方式去理解它，學習這種基本結構就是學習事物之間是怎樣相互關聯起來的”[16]。事實上，專家的知識正是通過大概念來組織的，其反映專家對學科的理解深度[17]。因此，“大概念”也被界定為反映專家思維方式的概念、觀念或論題[15]68。大概念又可分為跨學科大概念和學科大概念，埃里克森稱之為宏觀概念和微觀概念[18]。跨學科大概念是不同學科領域、不同學段學科核心概念的綜合、聯結與再抽象，其層次一般比學科大概念高，是學科大概念的上位概念。借此，我們將“雙基”替換為“學科大概念”，強調在問題解決過程中通過大概念的聯結以獲得學科思維的內化，最終指向學科素養的習得。在跨學科教育中亦是如此，即強調學生在問題解決過程中通過跨學科大概念的聯結以獲得跨學科思維的內化，最終指向跨學科素養的習得。同時，為解決當前創新能力培養中所存在的“窄口徑”問題與“知識提升缺乏層次與結構”的問題，我們引入“聚類教學”與“深度學習”理念，進而建構了面向創新能力培養的4C教學模式。

4C教學模式是以聚類教學為起點的一種面向創新能力培養的教學模式。所謂聚類教學，就是依據某種線索組合一系列機器人項目，形成具有內在聯系、具有螺旋上升和發散結構的教學單元，循序漸進地開展機器人教學。根據團隊之前的研究，大致有三種聚類方式[19]。①以相似的功能聚類：將具有相似功能的技術工具進行聚類，如將具有變速功能的自動變速風扇、遙控風扇聚為一類;②以相似的目標聚類：將以實現對某一物體控制為目標的技術工具進行聚類，如將以實現對風扇控制為目標的智能風扇、變速風扇、創意風扇聚為一類;③以相似的技術思想聚類：將使用相似原理或思想的技術工具進行聚類，如將使用自動控制思想的自動澆水花盆、自動加濕器聚為一類。

4C教學模式下的學習是從一類問題情境（情境化）開始，經歷概念提取和關聯內化（去情境化），再通過遷移應用回到具體問題情境（情境化）的一個循環往復的學習階梯，鑒于每個階段均有以C開頭的英文單詞，故統稱為4C模式。其主要包含四個教學階段。

（1）聚類教學（Clustering）：教師在學科大概念的視角下，根據學科理論體系，整理出包括基本概念、定理、理論和應用在內的情境案例或問題，將其進行歸類整理后呈現給學生。以相似的功能聚類為例，教師可將自動變速風扇、遙控風扇聚為一類，讓學生分別設計出具有變速功能的風扇產品。

（2）概念提?。–onceptualizing）：學生在經歷了一系列相似問題的解決過程后，需要在教師的指導下歸納這一類事物的普遍特征和一般規律，進行概念提取，從而真正實現從若干“個”的學習遷移到“類”的學習。例如，學生在設計自動變速風扇、遙控風扇的過程中，逐漸提取“變速功能”的設計原理。

（3）關聯內化（Correlating）：當不斷提取出新概念時，教師需要通過概念地圖等工具幫助學生建立新舊概念之間的聯系，鼓勵學生深入探究知識背后的思想方法，通過討論和辯論修正概念，對概念的取舍作出合理判斷，從而將抽象的概念賦予自己的認知與意義，達到深度理解，從而實現認知結構的變化和內化。例如，學生將變速風扇的原理與遙控臺燈形成關聯并理解其實際價值。

（4）遷移應用（Changing）：此處遷移應用主要指遠遷移，即學生需要將習得的概念性知識遷移至與原學習情境極不相似的其他具體情境中，利用自身所提取的概念性、抽象性知識解釋和解決生活中的實際問題，達到遷移創新的目的。例如，學生在習得變速功能的原理與技能后，將其遷移至智能門鎖的作品開發。

四、總結與展望

當前，機器人教育存在目標與手段脫節的問題，具體表現為教學中充斥著大量重復性實驗、機械性模仿的學習活動。如果此類教學長期持續，機器人教育的核心目標不可避免地將演變為對機器人技術原理的理解和簡單技能的操作，從而讓創新實踐能力的培養流于表面。為推動跨學科教育中學生創新能力的培養，本團隊創造性地構建了一系列創新教育模式：首先，針對當前機器人教育教學模式單一問題，我們構建了多元化的4I教學模式;其次，針對近年來項目式教學和研究性學習存在的不足，在4I模式的基礎上，我們提出了以逆向工程教學和糾錯教學為代表的TRIP四類教學模式和“燈籠”模型;此外，針對當前創新能力培養過程中存在的“窄口徑”與“知識提升缺乏層次與結構”的問題，我們引入“聚類教學”與“深度學習”理念，進而建構了面向創新能力培養的4C教學模式。系列教與學模式的提出為跨學科創新能力的培養提供了重要的理論指導。

未來，本團隊還須緊跟發展前沿，首先，要開發出更為豐富的機器人教育課程、資源，尤其需要加強對基地學校的引導，鼓勵他們基于學校和區域特點，開發個性化的校本和區本教材，使機器人教育更有鮮活的生命力;其次，在教育評價方面尚缺少專門的探索，亟須設計出更有針對性和綜合性、覆蓋學生學習全過程的縱向評價方案，以及包含計算思維、科技素養、合作能力和創新能力的全要素橫向評價方案;最后，目前已有的教學實驗區還處于散點式發展狀態，仍須借助更大的平臺擴大在全省乃至全國的影響與輻射作用。

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本文系2021年度華南師范大學哲學社會科學重大培育項目“促進學生創新能力培養的跨學科教育模式研究”（項目編號：ZDPY2104）階段性研究成果。

（作者系華南師范大學教育信息技術學院教授，博士生導師）

責任編輯：孫昕

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