科創教育與學科教育創新

【摘 要】如何有效地發揮學科教育的育人功能，對于落實新課程標準、培養創新人才具有重要意義。本文分析了學科教育創新經歷從計算機輔助教學到“整合”，再從STEAM教育和創客教育到科創教育的不同階段，提出了泛在感知與普適計算環境下學科教育創新的S-3PBL科創教育模式，旨在培養創新人才。

【關鍵詞】普適計算;科創教育;S-3PBL;模式創新

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）08-007-03

隨著“新時代”的到來，以互聯網技術融合為典型特征的第四次工業革命正在深度影響政治、經濟、科技、文化和生活的各方面。隨著計算技術及人工智能技術的發展，計算逐步實現自動化，一些簡單重復的職業或僅對數據進行分析的職業將有很大可能被人工智能取代。為了適應未來高度復雜的人機共生環境，為了實現國家的高質量發展，必須實施創新驅動戰略，培養面向未來的卓越人才。科學教育經歷了三個發展階段，即科學知識教學、科技教育和科創教育，未來主流教學方式將由知識講授型轉向科創項目式學習型。

現代科學教育的興起與發展

1957年，蘇聯第一顆人造地球衛星發射后，引發了各國對科學技術發展的追求，掀起了第一次以學科知識為本位的全球性科學教育改革浪潮。1972年，工業革命帶來的環境污染和生態破壞等嚴重威脅到人類生存的問題，使人們開始認識到了應該將技術要素納入科學教育之中，STS（科學Science、技術Technology、社會Society）教育受到關注。1986年，美國發布《本科的科學、數學和工程教育》報告，標志著STEM（科學Science、技術Technology、工程Engineering、數學Mathematics）教育開始興起，STEM教育強調科學、工程、技術、數學領域內知識與技能的整合，重視現實問題的解決。2001年，開始出現基于互聯網、喜歡創意、秉持變創意為現實和開源共享理念的創客（Maker）群體，創客教育萌發，數字化學習、基于信息技術的整合、現代科學的第三種形態（計算）與數字技能都開始受到關注。2011年，美國總統奧巴馬推出新版《美國創新戰略》，以“創新教育運動”加強STEM教育，來促進美國的經濟增長和國際競爭力增強，這一舉措極大地推進了STEM教育創新的研究和發展。

2015年，李克強總理參觀了深圳柴火創客空間，在“大眾創業、萬眾創新”的背景下，我國教育更加重視創新人才培養。與此同時，創客教育得到迅速的本土化發展，而 STEM教育經本土化成為STEAM教育，其中A在我國語境中為“人文性（Arts）”。2016年，鄒曉東博士提出STEAM教育應將“人文性（Arts）”提前而成為A-STEM教育，既突出人文性，又具有德育性，符合我國國情與社會主義核心價值觀，同時注重對于學生科學素養與問題解決能力的培養。2022年，我國《義務教育科學課程標準（2022年版）》中明確指出，要以科學思維、科學探究和實踐能力、科學態度與社會責任的培養為重點，促進學習能力、創新能力的發展。在科學教育中培養學生的科學素養、實踐能力和創新能力成為必然趨勢，科學教育進入到第三階段——科創教育。

我國科學教育進入科創教育階段

科創教育是我國特有的科學教育新階段。所謂科創教育就是一種技術密集型探究式實踐的科學教育活動，科創教育的宗旨是培養創新人才。STEAM教育（也可稱為A-STEM教育）強調理科工程思維的現實問題驅動性與跨學科整合性，創客教育強調數字化創造能力培養。而科創教育是一種科學教育，受到STEAM教育與創客教育的影響，既強調實踐探究與問題解決，又重視創造能力培養，肩負著培養未來創新人才的使命。

物理、化學等科學學科教育創新是科創教育的重要場域，現代學科教育出現了新的形態——計算。比如，現代物理教育包括實驗物理教育、理論物理教育和計算物理教育，其中所謂計算物理教育是指以普適計算和物理學為載體，以提升學生核心素養和創新力為目標開展的跨學科教育活動[1]。因此，可以從泛在感知和普適計算環境下開展科創教育實踐開始，深入探索如何充分發揮學科育人功能的問題。北京師范大學項華教授及其團隊在近二十年的教學實踐中，先后開設“信息技術與中學物理教學整合”“物理現代教育技術研究”和“A-STEM創客教育與教學”課程，聚焦學科應用教學和創新型人才培養，將物理教育、信息技術、人文學科、工程加工、創新創業等內容進行融合，探索出了一種學科教育創新方法——S-3PBL科創教育模式。

S-3PBL科創教育模式

在學科教育中如何貫徹科創教育理念，培養創新型人才呢？S-3PBL科創教育模式為科創教育實施提供了一種方法，彌補了科學教育的跨學科性、實踐性不足的問題。S-3PBL科創教育模式是在項目式學習和問題式學習的基礎上發展而來的，相較于傳統教學模式，具有學習情境真實、學習內容綜合、學習方式多樣、學習手段數字化等特征。項目式學習（Project-Based Learning）是未來主流的教學方式，是以真實項目為基礎，要求學生運用多種方法和技能解決一系列問題，進而完成最終項目的一種教學模式。問題式學習（Problem-Based Learning）起源于西方20世紀60～70年代的醫學教育領域，是一種情境化的、以學生為中心的教學方法。前者強調作品制作的綜合能力培養，而后者強調問題解決能力培養。隨著第四次工業革命以及智慧社會的到來，聚焦創新人才培養，又發展出基于產品驅動的項目式學習（Product-Based Learning），進一步增強學生的參與度。于是，S-3PBL科創教育模式應運而生，包括三種變式：問題驅動式科創教育模式、項目驅動式科創教育模式和產品級作品驅動式科創教育模式，分別適用于學科概念教學、綜合能力培養和創新創業教育等教學場景。

S-3PBL科創教育模式下的學科教學問題來自于學科課程內容或真實的社會性問題，其實施過程需要學科理論工具、數字化工具和實物工具的支持，合作、交流、共享的精神貫穿于全部教學環節。其中理論工具主要指學科專業知識和經驗;數字化工具主要指傳感技術、計算機技術和通信技術，具體包括LaserMaker、3D One和WU-Link等;實物工具主要指創客加工制造工具與設備，具體包括激光切割機與3D打印機等。這三種工具分別對應科學素養中的理論素養、數據素養和實驗素養。采用S-3PBL科創教育模式，可以全面提升學生的科學探究能力和科學素養水平。

下面分別介紹S-3PBL科創教育的三種變式。

變式一：問題驅動式科創教育模式（S-3PBL-1）

問題驅動式科創教育模式主要是基于問題或者“問題鏈條”的非線性“拋錨式”教學結構，將學習設置于復雜、有意義的問題環境中，讓學習者通過團隊分工合作來解決真實性問題，在解決問題的過程中完成對知識的學習和問題解決技能的培養。教師提出復雜有意義的問題，啟發學生進行微探究、微設計、微觀察、微造物、微展示等，各個環節可以靈活調整順序或進行刪減，在實物工具、學科理論工具、數字化工具的支持下進行，以教師微講授為主導，把控教學節奏，適用于物理學、醫學、語言學、數學等邏輯性和結構性強的學科的知識學習。

變式二：項目驅動式科創教育模式（S-3PBL-2）

項目驅動式科創教育模式強調團體工程實踐，是在調查現實需求的基礎上，界定要解決的問題，確定產品或產品級作品任務，通過工程思維，不斷設計與再設計方案，不斷制造、調試、修改與迭代，滿足用戶需求，最終完成較為成熟的作品，并加以展示，產生個人或社會價值。各個環節在三種工具的支持下進行，教師通過微講授主導，把控教學節奏。強調“學以致用”和“用以致學”，以及培養創新型人才。

變式三：產品級作品驅動科創教育模式（S-3PBL-3）

產品級作品驅動式科創教育模式是以產品或產品級作品作為驅動，學生像企業家一樣組成創業團隊，分析用戶需求，綜合考慮現實運用、課程標準和學生興趣，靈活運用現代化工具將創意轉化為真實產品，進行個性化生產和銷售，解決現實世界中真實存在的問題。類似的，教師通過微講授為學生提供一定的支持并把握節奏，整個流程同樣需要三種工具支持。重點培養學生的同理心、工程思維及創新思維，其中同理心要求學生發現問題、發現需求;工程思維主要關注整個系統或流程各部分之間的優化與協調，以達到系統最優表現;創新思維要求學生發現解決問題的創新方法。學生需要綜合培養這三種思維，以完成兼具創新、優化、高效特點的產品。

S-3PBL科創教育模式的課堂實施結構具備共性。以產品級作品驅動式科創教育模式在物理教育中的應用為例，該變式根據真實情境和用戶體驗確定產品需求，通過綜合運用理論物理手段、數字化手段與實物手段來生產產品，培養學生的物理學科核心素養、計算素養與創新能力，并增強了物理教育的實踐性。該變式主要包括七個環節：（1）明確企業愿景，學生自由組建創業小團隊，角色分工參照企業職員結構，分為總經理、產品工程師、營銷總監、設計總監、財務總監，以創業團隊為抓手培養團隊協作精神和集體榮譽感，將創新與創造價值相結合，讓學生學會通過勞動應用知識創造財富。（2）升值低附加值產品練習，掌握數字化工具的使用方法。（3）教師為學生提供具體的目標領域，如物理教具產品、文創產品等，學生討論確定具體的產品類型。（4）通過互聯網搜索、用戶訪談、產品案例分析等方式確定核心產品/服務，明確目標領域、客戶群體、消費層次、產品特色、獨到價值等，開發出“優、特、專”的產品。（5）制造與測試原型，在物理理論和數字化工具的支持下構建并測試模型。本環節的產品原型測試包括兩個階段，第一階段原型測試指完成產品加工圖紙設計后，在軟件中模擬造物，并進行估價;第二階段原型測試指實物加工，聯系創客加工中心的老師在線演示加工過程，課堂視野從課內擴展到課外實際加工，突破校園課堂內技術及資源的限制，將線上的優勢融入傳統的線下課堂，還可以充分利用線上平臺優勢，吸引全國各地不同學科背景的教師、教研員參與，從自然科學學科到人文社會學科，無專業和年級限制。（6）通過課堂模擬產品發布會、校園集市活動、網絡在線銷售等環節進行產品銷售，并根據用戶使用反饋完成產品更新迭代。（7）反思產品價值，對最終成果進行路演展示，并申請發明專利，明確知識產權策略，與相關企業對接。針對設計理念、特色、技術要點等要素進行分享交流，加深學生對產品級作品驅動式科創教育模式的理解，并將問題解決、方案設計、產品制作等高階認知策略和行為遷移到其余學科的學習中。需要注意，產品級作品驅動式科創教育模式關注的是學習過程和跨越一定時空的成長，應重點分享產品設計迭代流程和收獲感悟。

從本質上講，科創教育是科學教育的新階段，是第四次工業革命的必然產物，對于人類生存與可持續發展、國家高質量發展和個人發展具有重大意義。本文提出的S-3PBL科創教育模式適用于所有學科教育創新，符合未來教育發展趨勢，為一線教師提供了新的教學模式和經驗。在學科教育創新中，往往需要依據具體社會性任務或者教學主要內容混合運用S-3PBL科創教育模式的三種變式開展跨學科教育活動，才能培養學生綜合使用學科理論工具、實物工具或計算工具解決真實復雜問題的技能，增強學生的科技創新能力、科技創新精神和科技創新技能。

目前，面對新課標、新教材、新高考等基礎教育改革，需要特別關注跨學科教育和綜合使用學科理論手段、實物手段或計算手段解決真實復雜問題的技能培養，不斷地完善S-3PBL科創教育模式，不斷地積累實施經驗。

注：本文系中國教育發展戰略學會一般課題“新時代科創教育與學生創新能力發展方略研究”（課題編號：3003053）研究成果

參考文獻

項華，曾子珉，劉靖怡.計算物理教育的邏輯起點、途徑及未來圖景[J]. 中小學信息技術教育，2022（Z1）.

中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）[M]. 北京： 北京師范大學出版社，2022.

作者單位：1.廣東深圳市羅湖區教科院 2.北京師范大學物理學系