魯藝,劉鍵,張印帥,王曉燁
1.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124;2.聯(lián)想集團(tuán)有限公司,北京 100085
STEM 教育源于美國(guó)科學(xué)委員會(huì)發(fā)布的教育報(bào)告[1],跨學(xué)科及對(duì)不同學(xué)科的整合是STEM教育的核心思想,項(xiàng)目式學(xué)習(xí)則是STEM 教育的獨(dú)特課程組織方式。在發(fā)展早期,STEM 教育比較偏重如物理、工程、計(jì)算機(jī)等工程類知識(shí)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式。隨著藝術(shù)教育的不斷加強(qiáng),STEM 在實(shí)際教學(xué)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,更多的人文學(xué)科融合到了STEM 教育領(lǐng)域中,美國(guó)學(xué)者Georgette Yakman 還在教育論壇上提出STEAM 概念[2],倡導(dǎo)以新加入的“A”代表藝術(shù)(Art),同時(shí)還涵蓋美(Fine)、人文(Liberal)、形體(Physical)、藝術(shù)(Art)等更豐富的意義。
STEM教育中的四門學(xué)科是以整合的方式培養(yǎng)兒童學(xué)習(xí)理論的能力、掌握實(shí)踐知識(shí)的能力,以及靈活運(yùn)用所學(xué)習(xí)的知識(shí)來(lái)解決實(shí)際遇到的問(wèn)題的能力,并不進(jìn)行固定模式的教育,而是依托兒童平時(shí)生活所遇到的問(wèn)題來(lái)進(jìn)行教育,讓兒童真正產(chǎn)生濃厚興趣,培養(yǎng)自身向日常生活遷移的科學(xué)意識(shí)和能力。目前Scratch是全球用戶量最多的STEM 教育工具,它所面向的是七歲以上無(wú)年齡上限的用戶,這種定位野心勃勃,但在實(shí)際使用時(shí)年長(zhǎng)用戶會(huì)認(rèn)為界面過(guò)于幼稚,而對(duì)于低齡用戶而言工具的使用方法又不易理解。因此,在用戶年齡層的選擇上,本課題更傾向于與Scratch JR 保持一致,即面向用戶為6~10歲的學(xué)齡兒童??紤]到他們自身的邏輯思考能力和文字的識(shí)別數(shù)量等,這一年齡層的產(chǎn)品也更能體現(xiàn)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的價(jià)值。對(duì)于該年齡段兒童,最關(guān)鍵的部分就是趣味性,因此STEM課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)一定要把知識(shí)與興趣結(jié)合,啟發(fā)兒童潛在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。游戲是兒童的天性,STEM 教育中教師往往把活動(dòng)內(nèi)容游戲化,讓兒童快樂(lè)地學(xué)習(xí)抽象的科學(xué)內(nèi)容。同時(shí)STEM 教育強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作,開展群體性的知識(shí)構(gòu)建,讓兒童共同活動(dòng)或分組活動(dòng),一起搜集和整理資料來(lái)分析問(wèn)題,通過(guò)會(huì)話分享自己的看法,提高溝通能力。
STEM教育在20世紀(jì)發(fā)源于美國(guó),21世紀(jì)在全球范圍內(nèi)盛行,而我國(guó)大多數(shù)關(guān)于STEM 教育的信息源直接來(lái)自于美國(guó),因此在國(guó)際比較上,本研究主要對(duì)中美兩國(guó)的STEM教育進(jìn)行論述。
1986年,美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)發(fā)表了有關(guān)本科院校的科學(xué)、語(yǔ)言和工程專業(yè)教育報(bào)告。2006 年,美國(guó)時(shí)任總統(tǒng)布什在“美國(guó)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力新計(jì)劃”中提出了系統(tǒng)培養(yǎng)具有STEM人文素質(zhì)的技術(shù)人才是教育的長(zhǎng)期目標(biāo)之一,并將其稱為提高全球整體競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵點(diǎn)。2009年,美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)代表美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)發(fā)布了《改善所有美國(guó)學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育》,明確指出大學(xué)前的STEM文化教育是成功幫助美國(guó)建立強(qiáng)大領(lǐng)導(dǎo)力的基礎(chǔ),并且應(yīng)該是美國(guó)最重要的任務(wù)之一。2016年,美國(guó)研究所與美國(guó)教育部綜合研討會(huì)聯(lián)合發(fā)布《教育中的創(chuàng)新愿景》,提出在實(shí)踐社區(qū)、活動(dòng)設(shè)計(jì)、教育經(jīng)驗(yàn)、學(xué)習(xí)空間、學(xué)習(xí)測(cè)量、社會(huì)文化環(huán)境等方面促進(jìn)STEM 教育發(fā)展,以確保各年齡階段以及各類型學(xué)習(xí)者都能享有優(yōu)質(zhì)的STEM學(xué)習(xí)體驗(yàn),解決STEM教育公平問(wèn)題。因此,美國(guó)一直在加大對(duì)STEM 學(xué)校教育的投入,積極鼓勵(lì)部分學(xué)生輔修科學(xué)方法、各種技術(shù)、工程建設(shè)、數(shù)學(xué)和物理,系統(tǒng)地培養(yǎng)他們的智力水平和文化素養(yǎng)。
盡管中國(guó)在STEM 文化和教育浪潮中起步較晚,但其快速發(fā)展趨勢(shì)不可低估。2008年,陳超和其他學(xué)術(shù)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)美國(guó)高中建設(shè)的STEM 進(jìn)行了梳理,并進(jìn)一步擴(kuò)大分析范圍,提出了美國(guó)STEM 教育策略。自2013年以來(lái),中國(guó)STEM學(xué)校教育相關(guān)研究進(jìn)入了全面快速發(fā)展的早期階段,2016年呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)。在實(shí)踐層面,江蘇省同步啟動(dòng)了第一個(gè)學(xué)校STEM教育項(xiàng)目,并于2016年宣布成立第一批二十六所STEM和教育工程學(xué)校。2017 年江蘇省教育廳進(jìn)一步推進(jìn)和擴(kuò)大試點(diǎn)工作范圍,從幼兒園、小學(xué)到初中,共選擇了二百四十三所試點(diǎn)學(xué)校。在政策方面,2016 年6 月教育部發(fā)布的《學(xué)校教育網(wǎng)絡(luò)化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出,在新興階段完成中國(guó)教育任務(wù)的兩個(gè)方面之一,即積極探索其他信息技術(shù)及其在教育中的應(yīng)用。STEM 教育的重點(diǎn)是增強(qiáng)學(xué)生和教師的創(chuàng)新思維觀念、不斷創(chuàng)新的技術(shù)能力和促進(jìn)部分學(xué)生全面持續(xù)發(fā)展。2017年2月,新發(fā)布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》首次從官方的角度提出了STEM 的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)目前對(duì)STEM 教育的理論探索、學(xué)校教育的具體實(shí)踐和有關(guān)教育政策均有明顯發(fā)展。
但是實(shí)際上,我國(guó)的STEM 教育還處于理論體系的早期探索、共識(shí)形成和實(shí)踐初期。與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比,中國(guó)及其他有關(guān)國(guó)家戰(zhàn)略思想的具體規(guī)劃資源非常有限,因此難以系統(tǒng)地形成健康、安全和有秩序的基本保障體系。中國(guó)目前課程學(xué)習(xí)新體系相對(duì)較小,學(xué)科文化和教育歷史悠久,STEM教育相比學(xué)校教育仍處于邊緣地位。另外,在教學(xué)資源、師資力量、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等方面,我國(guó)STEM 教育仍然面臨著諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。為了更好地保障我國(guó)STEM教育有效開展,通過(guò)選取CNKI和Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)作為來(lái)源,運(yùn)用內(nèi)容分析法對(duì)比分析2008到2017年間的國(guó)內(nèi)外STEM教育相關(guān)文獻(xiàn),從發(fā)文時(shí)間與載文量、研究對(duì)象、研究主題等方面梳理相關(guān)文獻(xiàn),比較了國(guó)內(nèi)外STEM 教育的相似之處,為我國(guó)STEM 教育的研究成果和具體實(shí)踐提供了完整的啟示和有力的建議。
隨著國(guó)內(nèi)外STEM 教育的興起,各大品牌爭(zhēng)先推出了相關(guān)產(chǎn)品,筆者針對(duì)一眾熱門STEM 產(chǎn)品進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研分析,總結(jié)見表1。
由表1數(shù)據(jù)可以看出,多數(shù)STEM教育類套件都是以模塊化結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品,具有豐富的色彩以及較多樣的拓展性,可以為使用者提供強(qiáng)大的拓展創(chuàng)新功能。
現(xiàn)有STEM教育產(chǎn)品的玩法大致分為以下三類。
1)積木拼搭型,見圖1(圖片來(lái)源于Koov及LEGO EV3官網(wǎng)),需要大量簡(jiǎn)單的零件進(jìn)行預(yù)先設(shè)定或自由組合,搭建形式多樣化,配色十分豐富,能夠讓兒童充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力,但難度在STEM產(chǎn)品中也是相對(duì)較高的。用戶在搭建時(shí)可以運(yùn)用到很多編程、結(jié)構(gòu)、電子知識(shí)。
2)硬紙板等特殊材料為核心模塊型,用于擴(kuò)展現(xiàn)有的小型玩具,做成以較低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)更多功能的模型。此外,進(jìn)行模塊安裝的時(shí)候還可以增加兒童的樂(lè)趣。同時(shí)紙板材料還可以制作個(gè)性化小型玩具。以特殊材料為核心模塊型見圖2(圖片來(lái)源于Nintendo LABO及Makeblock Neuron官網(wǎng))。
3)機(jī)器人獨(dú)立玩具型,見圖3(圖片來(lái)源于Matatalab及Cubeto官網(wǎng))。這種類型玩具雖然不能在一定程度上完全改變它的基本形態(tài)和功能,但可以學(xué)習(xí)用各種方式來(lái)設(shè)計(jì)競(jìng)技游戲,以達(dá)到娛樂(lè)和學(xué)習(xí)的目的。此外,還有一種物理編程方法,即通過(guò)許多替代編程語(yǔ)句來(lái)代替小玩具模塊的模式拼接。
骨科臨床實(shí)習(xí)是學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)向臨床實(shí)踐轉(zhuǎn)變的重要過(guò)程,當(dāng)前的醫(yī)療制度改革與社會(huì)醫(yī)療需求對(duì)臨床實(shí)習(xí)教學(xué)提出更高的要求[1],探索一種新的提高教學(xué)質(zhì)量的骨科臨床實(shí)習(xí)教學(xué)模式具有重要意義[2]。PBL是以學(xué)生為主體臨床教學(xué)方法,對(duì)提高學(xué)生綜合素質(zhì)有積極作用[3-4]。近年來(lái)骨科學(xué)各種新理論、新技術(shù)不斷更新,3D打印技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了骨科臨床與教學(xué)的質(zhì)量[5]。因此,本研究以脛骨平臺(tái)骨折為教學(xué)模型,對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法與新型教學(xué)方法(3D打印技術(shù)、PBL教學(xué)法)的教學(xué)效果差異進(jìn)行比較評(píng)價(jià),現(xiàn)報(bào)告如下。
目前,各種品類的STEM 教育產(chǎn)品都具有很強(qiáng)的趣味性,以用戶體驗(yàn)為中心,注重提升兒童的學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)STEM課堂教學(xué)課程的順利開展,確保課程內(nèi)容符合用戶群的學(xué)習(xí)認(rèn)知特征。
表1 市場(chǎng)競(jìng)品分析
圖1 積木拼搭型
圖2 特殊材料為核心模塊型
圖3 機(jī)器人獨(dú)立玩具型
針對(duì)現(xiàn)有玩具主要的三類玩法以及用戶的體驗(yàn)反饋建議,總結(jié)出STEM產(chǎn)品主要存在以下問(wèn)題。
如在LEGO 拼接的過(guò)程中,產(chǎn)生碰撞后外部干擾之間的實(shí)際關(guān)系會(huì)發(fā)生變化,兒童經(jīng)常被困在這里。要搭建一輛穩(wěn)固的車并不容易,這是因?yàn)長(zhǎng)EGO 模塊是用圓錐形螺栓固定的,車后的重物至少要用兩點(diǎn)固定,但兒童無(wú)法理解這點(diǎn),需要老師的幫助引導(dǎo)。此外,一些對(duì)于拼插沒(méi)有興趣的兒童表示,他們認(rèn)為拼插是一種時(shí)間上的浪費(fèi)。
無(wú)論是前面提到的自由拼搭,還是瓦楞紙等低成本材料所構(gòu)建的配件,對(duì)于想法天馬行空的兒童而言似乎都是不夠的。兒童不喜歡按部就班地照著說(shuō)明書搭建模型,他們喜歡加入一些自己的想法和元素,如果搭建方式有太多限制,可能會(huì)影響他們的創(chuàng)造力。
機(jī)器人獨(dú)立玩具型不再引入拼搭,而是要求兒童與某個(gè)預(yù)先設(shè)定好功能的智能終端進(jìn)行互動(dòng)。在使用中會(huì)發(fā)現(xiàn),例如Cubeto等終端顯然由于其過(guò)于簡(jiǎn)約或功能化的外觀,使得兒童無(wú)法與其構(gòu)建起情感聯(lián)系,難以體驗(yàn)實(shí)體互動(dòng)的樂(lè)趣。
課題目標(biāo)用戶群定位在6~10 歲的K12 兒童群體。這個(gè)年齡段的兒童對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)等相關(guān)活動(dòng)非常感興趣,校內(nèi)外課堂經(jīng)常開展一些創(chuàng)造性的科技活動(dòng),STEM 教育的融入可以將各學(xué)科知識(shí)串聯(lián)起來(lái),加強(qiáng)學(xué)科知識(shí)在實(shí)際情境中的運(yùn)用。該年齡段兒童已經(jīng)具備精細(xì)動(dòng)作能力,可以對(duì)大量較復(fù)雜的零部件進(jìn)行操作,按步驟搭建或根據(jù)自己的喜好創(chuàng)造新玩法。同時(shí),該年齡段用戶也比較喜歡游戲競(jìng)技、合作與分享,在課程設(shè)計(jì)中加入競(jìng)技、對(duì)抗的玩法會(huì)增加STEM 教育的樂(lè)趣,促使STEM課堂教學(xué)順利展開。
圖4 顏色偏好分析
圖5 外觀偏好分析
圖6 功能偏好分析
以6~10歲兒童為主要用戶,設(shè)計(jì)一套基于智慧課堂的STEM 教育產(chǎn)品,以模塊化的智能硬件產(chǎn)品結(jié)合圖形化編程應(yīng)用軟件為原型。一方面,通過(guò)一系列動(dòng)手與動(dòng)腦結(jié)合的操控能力和邏輯思維能力訓(xùn)練,提升兒童的創(chuàng)新思維和技術(shù)水平。另一方面,產(chǎn)品區(qū)別于當(dāng)前同質(zhì)化的教育產(chǎn)品,以創(chuàng)新的體驗(yàn)、炫酷的造型、科幻的特征等設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)吸引兒童。
根據(jù)前面的產(chǎn)品定位,進(jìn)行深化和模型制作,見圖7。主要的設(shè)計(jì)流程如下:(1)確定產(chǎn)品的基本使用方式,明確功能定位;(2)將涉及到的功能模塊進(jìn)行匹配設(shè)計(jì);(3)設(shè)計(jì)配套轉(zhuǎn)換模塊(機(jī)器人變成小車);(4)設(shè)計(jì)模塊的具體形態(tài)和細(xì)節(jié)。
筆者嘗試用Arduino 套件搭建模型框架,測(cè)試其交互可行性,經(jīng)過(guò)多次調(diào)試后進(jìn)行外觀造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方案建模,并且將部分配件3D打印后進(jìn)行實(shí)物測(cè)試,確保元器件和外型結(jié)構(gòu)能夠完美搭配,草模原型搭建見圖8。
本體包括核心、外甲和四肢。而核心內(nèi)置一塊基于Arduino的編程主板,具有四個(gè)電機(jī)接口、四個(gè)改良的4pin接口、一個(gè)Micro USB接口,內(nèi)部結(jié)構(gòu)與四肢結(jié)構(gòu)見圖9。
拓展模塊包括三十六塊LEGO 型積木,四臺(tái)模塊化電機(jī),可以搭建成小車狀態(tài)。將主體的核心部分插入,可以組合成具有競(jìng)速、避障、巡線等不同玩法的小車形態(tài)。同時(shí)可以購(gòu)買更多LEGO系配件來(lái)搭建個(gè)性化的STEM玩具,與好友分享創(chuàng)造的喜悅,拓展模塊及主體部分效果見圖10—11。
圖7 設(shè)計(jì)創(chuàng)意草圖
圖8 草模原型搭建
圖9 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與四肢結(jié)構(gòu)
圖10 拓展模塊三視圖
圖11 主體部分效果
圖12 學(xué)生使用產(chǎn)品測(cè)試
產(chǎn)品測(cè)試階段中,通過(guò)對(duì)承德市灤平縣火斗山鎮(zhèn)一百多名學(xué)生使用STEM教育產(chǎn)品的情況進(jìn)行觀察記錄,來(lái)驗(yàn)證學(xué)生對(duì)STEM教育產(chǎn)品的使用興趣情況,見圖12(圖片來(lái)源于聯(lián)想研究院)。首先利用觀察法,邀請(qǐng)四位引導(dǎo)老師和21位學(xué)生,利用課堂的2 h,觀察引導(dǎo)老師和學(xué)生的互動(dòng)以及學(xué)生在完成的過(guò)程中遇到的問(wèn)題;其次還有問(wèn)卷和訪談法,即邀請(qǐng)21位同學(xué),利用課后的15 min時(shí)間,分組引導(dǎo)學(xué)生填寫體驗(yàn)問(wèn)卷;在活動(dòng)結(jié)束后,邀請(qǐng)一位副校長(zhǎng),進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)40 min的訪談,一對(duì)一深度了解學(xué)校目前的教學(xué)情況以及他對(duì)STEM教學(xué)的態(tài)度。同時(shí)邀請(qǐng)3 位培訓(xùn)講師(云計(jì)算工程師兩位、AI Lab工程師一位,兩男一女),進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)60 min的經(jīng)驗(yàn)分享,講述培訓(xùn)內(nèi)容及在課上引導(dǎo)過(guò)程中的體驗(yàn)感受、問(wèn)題及建議。在本次測(cè)試中,老師、同學(xué)、企業(yè)培訓(xùn)師對(duì)STEM LEGO 編程的形式和內(nèi)容,普遍持認(rèn)可態(tài)度,認(rèn)為該內(nèi)容有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及邏輯思維能力,但也發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題:(1)產(chǎn)品不適合常態(tài)化學(xué)習(xí),目前的內(nèi)容與學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng),無(wú)法與常規(guī)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合;(2)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)耗時(shí)長(zhǎng),學(xué)生注意力無(wú)法集中,由于課堂時(shí)間有限,應(yīng)該讓學(xué)生將注意力集中在拼搭環(huán)節(jié);(3)安裝及原理指導(dǎo)說(shuō)明不詳實(shí),部分操作無(wú)法理解,指導(dǎo)說(shuō)明需要更詳細(xì)的資料,如操作步驟拆解展示、安裝位置明確標(biāo)識(shí)、部件及組裝的工作原理等;(4)編程界面及交互方式待改善,例如界面找功能不便利、無(wú)法快速找到相關(guān)功能入口,拖拽交互時(shí)必須要對(duì)準(zhǔn)凹槽,操作方式不友好等;(5)界面視覺(jué)設(shè)計(jì)需優(yōu)化,尤其是可視化圖形編程部分;(6)不適宜零基礎(chǔ)學(xué)習(xí),產(chǎn)品內(nèi)容需擴(kuò)展,建議通過(guò)內(nèi)置多種模板式程序,實(shí)現(xiàn)直接連接操控,可修改參數(shù)提升學(xué)習(xí)速度。具體的學(xué)生體驗(yàn)滿意度測(cè)試結(jié)果見圖13(圖片來(lái)源于聯(lián)想研究院)。
圖13 學(xué)生體驗(yàn)感受滿意度
圖14 標(biāo)志品牌設(shè)計(jì)
該STEM教育產(chǎn)品命名為“AMIGO”,中文譯為“朋友”,代表著一方面設(shè)計(jì)者希望用戶能與好友一起分享搭建智能玩具的喜悅,另一方面設(shè)計(jì)者希望“AMIGO”能像朋友一樣陪伴兒童成長(zhǎng),同時(shí)設(shè)計(jì)者也希望兒童能將“AMIGO”當(dāng)作自己的朋友。標(biāo)志采用藍(lán)色為主題色,一條紅線貫穿標(biāo)志,將“朋友”連在一起。同時(shí),標(biāo)志底色和字體配色可隨使用場(chǎng)景進(jìn)行變化,象征著“AMIGO”不斷發(fā)展,STEM 教育與時(shí)俱進(jìn)的內(nèi)涵,標(biāo)志品牌設(shè)計(jì)見圖14(筆者自繪)。
本課題分析了基于智慧課堂STEM教育的兒童需求及產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)智慧課堂STEM課程的需求提取,最終設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于實(shí)體交互的模塊化、情感化智能機(jī)器人產(chǎn)品“AMIGO”。產(chǎn)品創(chuàng)新之處一方面在于構(gòu)成方式上的創(chuàng)新,通過(guò)“主體模塊+擴(kuò)展套件”的方式來(lái)盡可能拓展STEM教育產(chǎn)品的多種模式;另一方面,在使用方式上既可以進(jìn)行單人游戲模式,例如避障、尋線、講故事等,也支持多人合作與對(duì)抗游戲模式,例如搬運(yùn)貨物、競(jìng)速比賽、格斗等,同時(shí)未來(lái)還可以擴(kuò)展更多模塊,例如無(wú)人機(jī)模式等。在未來(lái)的工作中,筆者將繼續(xù)對(duì)產(chǎn)品教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性互動(dòng)方式進(jìn)行探索,同時(shí)將進(jìn)一步完善用戶研究實(shí)證實(shí)驗(yàn),針對(duì)兒童在體驗(yàn)中的實(shí)際問(wèn)題優(yōu)化產(chǎn)品的迭代設(shè)計(jì)。