STEM教育與創客教育在課程實踐中的相互關系

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.012

摘 要 創客教育倡導“造物”和“分享”，通過技術載

體和項目實踐，實現學生創新思維和創造能力的培養，強調創造。STEM教育注重跨學科知識整合，通過真實情境中的探究學習，實現科學知識的探究。二者既有區別又有聯系?！霸O計制作飛行器”課例能幫助一線中小學教師明確創客教育與STEM教育之間的聯系與區別，為課程實踐提供參考。

關鍵詞 STEM教育；創客教育；中小學；科學；實驗；飛

行器

中圖分類號：G622.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0012-05

0 引言

STEM教育是美國為了激發學生對科學、技術、工程、數學等學科的興趣，期望打破學科壁壘的產物[1]，也是在亟待解決其國家發展困境的背景下發展起來的[2]。而創客教育則是基于DIY運動與黑客文化[3]，在新興技術發展推動下，教育與新技術結合的產物[1]。二者在起源上大不相同。

STEM教育重點關注學生對知識的理解性建

構[1]，更貼合建構主義通過意義建構的方式[4]獲得知識的理念。STEM教育更側重從真實問題出發探究科學規律[5]，從而在問題解決過程中鍛煉綜合能力和跨學科思維能力[6]。而創客教育源于設計與工程領域[4]，基于建造主義理論[5]，強調“造物”與“分享”[6]的觀念，鼓勵學生在解決問題的過程中將想法作品化，鍛煉學生的創造思維與解決問題的綜合能力[7]。

在實施過程中，二者卻有眾多相似之處：STEM教育與創客教育都主張以杜威的“做中學”理論為指導開展教育教學活動，都強調“以學生為中心”的學習活動，如項目式學習活動、問題解決式學習活動等；學生的學習內容均涉及科學、技術、工程、數學、藝術等多個學科，屬于跨學科學習，不限定在某門具體的課程中實施[1]。

1 課程案例分析：以“設計制作飛行器”

為例

1.1 教學案例概述

以“設計制作飛行器”課程為例，闡述STEM教育和創客教育兩種理念指導下課程的實踐過程，從課程實施的角度來探討STEM教育與創客教育的不同。

“設計制作飛行器”創客課程案例面向對象為小學二、三年級學生，課時要求為1課時（每課時50分鐘）。學生通過學習飛行器的發展歷程，認識飛行器的基本結構，培養對飛行器的濃厚興趣；通過折疊箏形，加強對圖紙的理解，增強手指的靈活性；通過創意拼貼，發揮想象力和創造力，從而培養創新性思維。

“設計制作飛行器”STEM課程案例面向對象為小學五、六年級學生，課時要求為2課時（每課時50分鐘）。學生通過設計、制作、試飛、調試、迭代改進等五個環節，掌握飛行器的飛行原理、制作技巧和調試方法，從而培養運用科學知識及自主探究的能力。在該案例的STEM課堂中，物理知識包括力學、重心、伯努利定律，數學知識包括對稱性、數據測量分析、圖紙設計、幾何概念，等等。

1.2 創客教育課程流程

根據張文蘭等人[8]關于創客課程學習模式的研究，創客課程流程主要包括主題學習、創意設計、原型實現與完善、整合反饋四個階段。在“設計制作飛行器”創客課堂中，不涉及軟件及開源硬件的相關主題知識，只涉及相關材料特性及基礎結構搭建相關知識，所以學習內容包括不同材料的特性知識，學習目標是能夠制作出獨特的完整飛行器。具體的創客課程流程見圖1。

1.2.1 情境導入 為了聯系生活實際，幫助學生深入認識飛行器，教師先向學生介紹人類最早的飛行器——紙鳶、風箏，再講述萊特兄弟制造第一架飛行器“飛行者一號”的故事，最后通過啟發學生思考不同類型飛行器的用途，對飛行器進行簡單分類。學生討論飛行器在大家心目中的樣子，并思考創客空間中哪些材料可以用來制作飛行器等問題。在討論的過程中，學生提到制作飛行器可以使用彩紙、紙盒、泡沫、PVC板等。通過討論制作飛行器的結構引入本節課的目標：制作一個個性化的飛行器。

1.2.2 基礎結構認識與材料選取 當學生通過多種方式認識不同的飛行器后，教師引導學生認識飛行器的基本結構和用途，包括機翼、尾翼、機身、起落架等，這些結構都是由基本的箏形拼貼起來的，為學生制作飛行器奠定理論基礎。教師最終確定制作飛行器的四種主要材料：彩紙、紙盒、泡沫、PVC板。提供材料的同時向學生講解不同材料的特性，以便學生在了解不同材料的特性的基礎上選擇材料，也可將幾種不同的材料組合使用。

1.2.3 分小組討論創意 由于選擇的材料不同，制作過程所使用到的工具以及創作過程中的結構組成不同，因此依據材料進行分組，便于學生利用不同材料進行不同的設計。各小組一起討論飛行器的形態、結構等內容，進行頭腦風暴，總結提煉設計方案及要點，形成設計制作思路及方案。

1.2.4 制作作品 各小組依據自己選擇的材料以及制作思路及方案進行制作，在制作過程中不斷完善設計方案中的不足之處。在制作過程中，創意可以從多方面實現：隨機組合使用工具與材料，利用箏形拼接形狀不同的尾翼或機翼；在整體結構上融入其他形狀和結構；對飛行器進行創意涂鴉，體現飛行器設計藝術。

1.2.5 小組匯報及展示 為了幫助學生認真傾聽，促進學生間相互交流共享，鼓勵學生積極交流，教師通過生生互評的方式對每組作品進行評價。評價方式為：分享者講述作品的設計方案與制作過程，說明飛行器的功能與創意；評價者從作品完整度、美觀性和創意性三個角度進行投票；最后通過民主投票選出最佳表現組和最佳創意組，教師對優勝組的作品給予肯定和鼓勵。

1.2.6 優化及反思 教師最后對整個課堂進行回顧與總結，分享在課堂中觀察到的一些獨特的創意；解答學生遇到的問題；總結材料運用和基礎飛行器結構等知識；對學生在課堂中的表現進行總結性評價等。在此基礎上，引導學生反思并優化作品。其中，教師的評價需要貫穿整個課堂的各個環節，通過觀察、訪談、量規評價（見表1）等方式[8]，考查學生設計創意、材料特性運用情況、設計方案形成和完善過程以及學生設計制作過程中與同伴合作交流、分享、協作解決問題的能力等。

由此可以看到創客課程的實施過程以學生為中心，而整體的教與學過程是圍繞創意和分享展開的，對學生科學、技術、工程、數學等各學科的學習沒有明確的課標要求，但是需要對學生作品的創意、設計、功能和美觀等各方面進行評價，從而培養學生動手能力、問題解決能力以及團隊合作能力等。

1.3 STEM教育課程流程

在STEM課程中，課堂活動包含明確的教與學目標和探究內容，學生需要通過項目實踐過程探究具體的學科知識技能。本研究中的STEM課程是將埃里克·布倫賽爾等人[9]的案例本土化，依據埃里克·布倫賽爾等人的課堂實施過程，在“設計制作飛行器”案例中，主題學習內容是探究飛行原理，目標是要讓制作出來的飛行器在無加速裝置的情況下飛行10米且不能頭部著陸，或者栽倒。STEM課程流程見圖2。

1.3.1 情境導入 在STEM課堂開始上課時，讓學生討論關于飛行他們所知道的以及還想了解的內容。在討論過程中，可以讓學生利用以前的經驗先嘗試折紙飛行器。通過討論物體如何飛行引入本節課的目標：像萊特兄弟及航空工程師所做的研究一樣探究飛行原理。

1.3.2 創建設計原型與工程項目 接下來，將關于飛行距離的設計原型講義[9]（部分，見表2）發給學生閱讀。講義中包括背景、設計需求、設計綱要（目標）、技術參數、資源、時間和報告等七個方面的內容，幫助學生創建設計原型和工程項目。如果學生是第一次接觸設計原型，需要向他們解釋產品研發流程對應設計原型講義中的哪些步驟。然后給學生分發制作飛行器所需要的材料。

1.3.3 飛行原理分析 為了讓學生能夠集中學習飛行原理，展示飛行器的圖片并詢問學生作用在飛行器上的力有哪些。學生可以回答出升力、重力、牽引力和阻力四種，但是關于四種力的具體原理和相互之間的關系還需要教師進行指導，如幫助學生理解地球引力與重力之間的關系，在飛行器上標注四種力的作用方向，等等。教師在分析完作用在飛行器上的力后，引導學生理解利用伯努利定律設計機翼的原因。通過簡單的實驗說明伯努利定

律：將兩張紙間隔8厘米垂直于地面，向中間吹一口氣，兩張紙吸在一起，從而得出空氣流速大、壓強小，所以大氣壓就會把這兩張紙壓在一起。根據實驗結論，學生能夠理解飛行器飛行過程中機翼上方空氣流速比下方快，因此受到大氣壓力比機翼下方小，從而產生升力。

1.3.4 探究飛行原理與設計的關系 教師引導學生討論飛行器起飛需要減少的力和需要增加的力。學生先獨立思考畫圖，然后分組合作解釋阻力和升力的原理，最后討論改進圖紙。各小組討論后初步形成原型飛行器。每個小組向全班同學展示原型飛行器，進行試飛，同時需要向全班同學解釋小組的原型設計是通過哪些方式來增加升力、降低阻力的。

各小組展示完成后，全班一起討論圖紙，教師引導學生討論試飛過程中飛行器栽倒、頭著地等問題產生的原因，發現飛行器頭輕尾重或者頭重腳輕都會導致飛行器重心不平衡，所以在設計圖紙和制作過程中為了保證橫側平衡和方向平衡，必須保證飛行器左右對稱。

討論重心問題后，教師需要提醒學生比較、分析、標注左右機翼以及機翼前后緣，根據機身、機翼、水平尾翼與垂直尾翼各個部分的長度及形狀，確定好機翼的重心，保證制作的科學性和準確性。同時提醒學生在試飛過程中自行測量距離、記錄數據、分析數據。

1.3.5 再次設計、制作與測試 在一系列討論結束后，學生再次對各自的飛行器原型進行設計和測試，這樣他們就會應用大量新學得的科學概念進行設計和測試飛行器，也會通過改變機翼的厚度和曲度試圖增加升力，還會將機頭折成尖狀試圖減少阻力，等等。這一學習活動基本接近第一課時的尾聲，學生進行了設計、制作、試飛環節的完整的工程流程體驗，開始了調試和更新部分的工程流程。第一課時的剩余時間用來實施這一學習活動，有些學生回家后還可以繼續設計與測試。

1.3.6 性能測試與評估 在第二課時主要進行性能測試和更新迭代。最終測試評價前，引導學生完成至少三次組內的試飛，通過觀察分析飛行器飛行的姿態是屬于波狀飛行、平緩滑行還是極速墜地，以此判斷飛行器是頭輕、重心平穩還是頭重；通過測量飛行器飛行的距離，分析影響飛行距離的因素，包括手擲角度、機身對稱性、粘貼牢固性、配重等，結合小組作品的優缺點進行改進和完善。

為了保證科學實驗的精確性，需要選擇一個合適的地方做飛行測試，如教室、大廳和餐廳等空曠的室內。性能測試時首先在地面上畫起始線，每一米做一個標記，同時每位學生需要在自己的飛行器上寫上名字。根據場地大小，每次讓多名學生同時測試，一起拋出飛行器，第一次沒有飛過10米的學生會獲得兩次額外的機會以達到要求的距離。

設計原型講義的面附有評估標準[9]（見表3），這樣學生在設計與制作開始就能了解飛行器性能的評估標準。

由此可以看到STEM課程的實施過程也是以學生為中心，能夠讓學生積極地提出問題并設計實驗，最終解決問題。STEM課程包含科學與技術的標準，需要學生理解工程技術中對象和系統的運轉機制，掌握特定物體中包含的自然規律，總結建立事物模型的經驗等，從而培養運用科學知識和自主探究的能力。

相比創客教育的開放性和個性化探究與實踐過程，STEM教育會限定探究內容和載體，更聚焦探究的結果，即學科知識的掌握，這與創客教育自主選擇探究內容和載體不同。

2 結束語

在中小學教育實踐中，創客教育課堂中蘊含科學探究要素，STEM教育課程中也有創意與分享含義，STEM教育與創客教育又常常共用同一課程載體，兩者呈現相互交叉的狀態。創客教育與STEM教育存在眾多相同點，又有所不同，STEM課程實施過程相較創客教育更加強調對學科知識的探究，而創客教育中學生自主選擇探究的內容與載體，能夠在“造物”和“分享”的基礎上運用各學科知識進一步探究事物的科學性。因此，STEM教育與創客教育雖然課程側重不同，但兩者都是學生綜合發展的重要理論支撐，都能夠有效指導教學實踐。

通過“設計制作飛行器”案例，辨析STEM教育與創客教育課程實施的區別，課程實踐從創客教育向STEM教育深入探究，在學生的不同階段實現不同的教學目標，使學生在更需要探究學科知識時采用STEM教育的方式，而在更需要創新創造時采用創客教育的方式，讓學生在創造中自主選擇探究的內容和方法。

但是需要注意的是，教師在兩種課堂中都是輔助者，只是引導和幫助學生進行學習和探究活動、 掌握探究跨學科知識的過程并實現創意，從而完成創造。一線教師在實施課程的過程中，不必刻意關注創客教育與STEM教育之間的區別，只需要引導學生不斷學習、不斷探究即可。

參考文獻

[1] 滕嬌嬌，閆志明，張銘銳，等.STEM教育與創客教

育辨析[J].現代教育技術，2019，29（11）：101-106.

[2] 王旭卿.面向STEM教育的創客教育模式研究[J].

中國電化教育，2015（8）：36-41.

[3] 徐思彥，李正風.公眾參與創新的社會網絡：創客

運動與創客空間[J].科學學研究，2014（12）：1789-

1796.

[4] 閆寒冰，鄭東芳，李笑櫻.設計思維：創客教育不

可或缺的使能方法論[J].電化教育研究，2017（6）：

34-40，46.

[5] 趙曉聲，司曉宏.創客教育：信息時代催生創新的

教育新形態[J].電化教育研究，2016（4）：11-17.

[6] 李彤彤.創客式教學：面向核心素養培養的STEAM課

程教學新范式[J].中國電化教育，2018（9）：40-47.[7] 楊曉哲，任友群.數字化時代的STEM教育與創客教

育[J].開放教育研究，2015（5）：35-40.

[8] 張文蘭，劉斌，夏小剛，等.課程論視域下的創客課

程設計：構成要素與實踐案例[J].現代遠程教育研

究，2017（3）：76-85.

[9] 布倫賽爾.在課堂中整合工程與科學[M].周雅明，

王慧慧，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?015：38-

44.

*項目來源：全國教育科學“十二五”規劃課題教育部重點課題“機器人在中小學創客教育中的應用研究”（大學DHA150287）；陜西師范大學2019年研究生教育教學改革研究項目教改—教育實踐類項目“VEX教育機器人結構設計及運用研究”（JCJY002）；中國大學教育MOOC愛課程平臺教師教育專題“如何做創客教育”階段性研究成果（0401i Course045）。

作者：邵夢秋，陜西師范大學教育學部碩士研究生在讀，主要研究方向為人工智能教育應用、機器人、創客教育；秦健，陜西師范大學教育學部，副教授，碩士研究生導師，主要研究方向為人工智能與機器人、通用技術、創客教育；張宇婷，陜西師范大學教育學部碩士研究生在讀，主要研究方向為STEM教育、機器人與創客教育（710062）。