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

摘 要 創(chuàng)客教育倡導(dǎo)“造物”和“分享”，通過技術(shù)載

體和項(xiàng)目實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造。STEM教育注重跨學(xué)科知識(shí)整合，通過真實(shí)情境中的探究學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)的探究。二者既有區(qū)別又有聯(lián)系。“設(shè)計(jì)制作飛行器”課例能幫助一線中小學(xué)教師明確創(chuàng)客教育與STEM教育之間的聯(lián)系與區(qū)別，為課程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞 STEM教育；創(chuàng)客教育；中小學(xué)；科學(xué)；實(shí)驗(yàn)；飛

行器

中圖分類號(hào)：G622.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）05-0012-05

0 引言

STEM教育是美國為了激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科的興趣，期望打破學(xué)科壁壘的產(chǎn)物[1]，也是在亟待解決其國家發(fā)展困境的背景下發(fā)展起來的[2]。而創(chuàng)客教育則是基于DIY運(yùn)動(dòng)與黑客文化[3]，在新興技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下，教育與新技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物[1]。二者在起源上大不相同。

STEM教育重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解性建

構(gòu)[1]，更貼合建構(gòu)主義通過意義建構(gòu)的方式[4]獲得知識(shí)的理念。STEM教育更側(cè)重從真實(shí)問題出發(fā)探究科學(xué)規(guī)律[5]，從而在問題解決過程中鍛煉綜合能力和跨學(xué)科思維能力[6]。而創(chuàng)客教育源于設(shè)計(jì)與工程領(lǐng)域[4]，基于建造主義理論[5]，強(qiáng)調(diào)“造物”與“分享”[6]的觀念，鼓勵(lì)學(xué)生在解決問題的過程中將想法作品化，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造思維與解決問題的綜合能力[7]。

在實(shí)施過程中，二者卻有眾多相似之處：STEM教育與創(chuàng)客教育都主張以杜威的“做中學(xué)”理論為指導(dǎo)開展教育教學(xué)活動(dòng)，都強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”的學(xué)習(xí)活動(dòng)，如項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)、問題解決式學(xué)習(xí)活動(dòng)等；學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容均涉及科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科，屬于跨學(xué)科學(xué)習(xí)，不限定在某門具體的課程中實(shí)施[1]。

1 課程案例分析：以“設(shè)計(jì)制作飛行器”

為例

1.1 教學(xué)案例概述

以“設(shè)計(jì)制作飛行器”課程為例，闡述STEM教育和創(chuàng)客教育兩種理念指導(dǎo)下課程的實(shí)踐過程，從課程實(shí)施的角度來探討STEM教育與創(chuàng)客教育的不同。

“設(shè)計(jì)制作飛行器”創(chuàng)客課程案例面向?qū)ο鬄樾W(xué)二、三年級(jí)學(xué)生，課時(shí)要求為1課時(shí)（每課時(shí)50分鐘）。學(xué)生通過學(xué)習(xí)飛行器的發(fā)展歷程，認(rèn)識(shí)飛行器的基本結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)對(duì)飛行器的濃厚興趣；通過折疊箏形，加強(qiáng)對(duì)圖紙的理解，增強(qiáng)手指的靈活性；通過創(chuàng)意拼貼，發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，從而培養(yǎng)創(chuàng)新性思維。

“設(shè)計(jì)制作飛行器”STEM課程案例面向?qū)ο鬄樾W(xué)五、六年級(jí)學(xué)生，課時(shí)要求為2課時(shí)（每課時(shí)50分鐘）。學(xué)生通過設(shè)計(jì)、制作、試飛、調(diào)試、迭代改進(jìn)等五個(gè)環(huán)節(jié)，掌握飛行器的飛行原理、制作技巧和調(diào)試方法，從而培養(yǎng)運(yùn)用科學(xué)知識(shí)及自主探究的能力。在該案例的STEM課堂中，物理知識(shí)包括力學(xué)、重心、伯努利定律，數(shù)學(xué)知識(shí)包括對(duì)稱性、數(shù)據(jù)測量分析、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、幾何概念，等等。

1.2 創(chuàng)客教育課程流程

根據(jù)張文蘭等人[8]關(guān)于創(chuàng)客課程學(xué)習(xí)模式的研究，創(chuàng)客課程流程主要包括主題學(xué)習(xí)、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、原型實(shí)現(xiàn)與完善、整合反饋四個(gè)階段。在“設(shè)計(jì)制作飛行器”創(chuàng)客課堂中，不涉及軟件及開源硬件的相關(guān)主題知識(shí)，只涉及相關(guān)材料特性及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)搭建相關(guān)知識(shí)，所以學(xué)習(xí)內(nèi)容包括不同材料的特性知識(shí)，學(xué)習(xí)目標(biāo)是能夠制作出獨(dú)特的完整飛行器。具體的創(chuàng)客課程流程見圖1。

1.2.1 情境導(dǎo)入 為了聯(lián)系生活實(shí)際，幫助學(xué)生深入認(rèn)識(shí)飛行器，教師先向?qū)W生介紹人類最早的飛行器——紙鳶、風(fēng)箏，再講述萊特兄弟制造第一架飛行器“飛行者一號(hào)”的故事，最后通過啟發(fā)學(xué)生思考不同類型飛行器的用途，對(duì)飛行器進(jìn)行簡單分類。學(xué)生討論飛行器在大家心目中的樣子，并思考創(chuàng)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(xué)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(jié)構(gòu)引入本節(jié)課的目標(biāo)：制作一個(gè)個(gè)性化的飛行器。

1.2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)與材料選取 當(dāng)學(xué)生通過多種方式認(rèn)識(shí)不同的飛行器后，教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)飛行器的基本結(jié)構(gòu)和用途，包括機(jī)翼、尾翼、機(jī)身、起落架等，這些結(jié)構(gòu)都是由基本的箏形拼貼起來的，為學(xué)生制作飛行器奠定理論基礎(chǔ)。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(shí)向?qū)W生講解不同材料的特性，以便學(xué)生在了解不同材料的特性的基礎(chǔ)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(chuàng)意 由于選擇的材料不同，制作過程所使用到的工具以及創(chuàng)作過程中的結(jié)構(gòu)組成不同，因此依據(jù)材料進(jìn)行分組，便于學(xué)生利用不同材料進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。各小組一起討論飛行器的形態(tài)、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，總結(jié)提煉設(shè)計(jì)方案及要點(diǎn)，形成設(shè)計(jì)制作思路及方案。

1.2.4 制作作品 各小組依據(jù)自己選擇的材料以及制作思路及方案進(jìn)行制作，在制作過程中不斷完善設(shè)計(jì)方案中的不足之處。在制作過程中，創(chuàng)意可以從多方面實(shí)現(xiàn)：隨機(jī)組合使用工具與材料，利用箏形拼接形狀不同的尾翼或機(jī)翼；在整體結(jié)構(gòu)上融入其他形狀和結(jié)構(gòu)；對(duì)飛行器進(jìn)行創(chuàng)意涂鴉，體現(xiàn)飛行器設(shè)計(jì)藝術(shù)。

1.2.5 小組匯報(bào)及展示 為了幫助學(xué)生認(rèn)真傾聽，促進(jìn)學(xué)生間相互交流共享，鼓勵(lì)學(xué)生積極交流，教師通過生生互評(píng)的方式對(duì)每組作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方式為：分享者講述作品的設(shè)計(jì)方案與制作過程，說明飛行器的功能與創(chuàng)意；評(píng)價(jià)者從作品完整度、美觀性和創(chuàng)意性三個(gè)角度進(jìn)行投票；最后通過民主投票選出最佳表現(xiàn)組和最佳創(chuàng)意組，教師對(duì)優(yōu)勝組的作品給予肯定和鼓勵(lì)。

1.2.6 優(yōu)化及反思 教師最后對(duì)整個(gè)課堂進(jìn)行回顧與總結(jié)，分享在課堂中觀察到的一些獨(dú)特的創(chuàng)意；解答學(xué)生遇到的問題；總結(jié)材料運(yùn)用和基礎(chǔ)飛行器結(jié)構(gòu)等知識(shí)；對(duì)學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)等。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生反思并優(yōu)化作品。其中，教師的評(píng)價(jià)需要貫穿整個(gè)課堂的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過觀察、訪談、量規(guī)評(píng)價(jià)（見表1）等方式[8]，考查學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)意、材料特性運(yùn)用情況、設(shè)計(jì)方案形成和完善過程以及學(xué)生設(shè)計(jì)制作過程中與同伴合作交流、分享、協(xié)作解決問題的能力等。

由此可以看到創(chuàng)客課程的實(shí)施過程以學(xué)生為中心，而整體的教與學(xué)過程是圍繞創(chuàng)意和分享展開的，對(duì)學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等各學(xué)科的學(xué)習(xí)沒有明確的課標(biāo)要求，但是需要對(duì)學(xué)生作品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、功能和美觀等各方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、問題解決能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力等。

1.3 STEM教育課程流程

在STEM課程中，課堂活動(dòng)包含明確的教與學(xué)目標(biāo)和探究內(nèi)容，學(xué)生需要通過項(xiàng)目實(shí)踐過程探究具體的學(xué)科知識(shí)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(jù)埃里克·布倫賽爾等人的課堂實(shí)施過程，在“設(shè)計(jì)制作飛行器”案例中，主題學(xué)習(xí)內(nèi)容是探究飛行原理，目標(biāo)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(dǎo)入 在STEM課堂開始上課時(shí)，讓學(xué)生討論關(guān)于飛行他們所知道的以及還想了解的內(nèi)容。在討論過程中，可以讓學(xué)生利用以前的經(jīng)驗(yàn)先嘗試折紙飛行器。通過討論物體如何飛行引入本節(jié)課的目標(biāo)：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(chuàng)建設(shè)計(jì)原型與工程項(xiàng)目 接下來，將關(guān)于飛行距離的設(shè)計(jì)原型講義[9]（部分，見表2）發(fā)給學(xué)生閱讀。講義中包括背景、設(shè)計(jì)需求、設(shè)計(jì)綱要（目標(biāo)）、技術(shù)參數(shù)、資源、時(shí)間和報(bào)告等七個(gè)方面的內(nèi)容，幫助學(xué)生創(chuàng)建設(shè)計(jì)原型和工程項(xiàng)目。如果學(xué)生是第一次接觸設(shè)計(jì)原型，需要向他們解釋產(chǎn)品研發(fā)流程對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)原型講義中的哪些步驟。然后給學(xué)生分發(fā)制作飛行器所需要的材料。

1.3.3 飛行原理分析 為了讓學(xué)生能夠集中學(xué)習(xí)飛行原理，展示飛行器的圖片并詢問學(xué)生作用在飛行器上的力有哪些。學(xué)生可以回答出升力、重力、牽引力和阻力四種，但是關(guān)于四種力的具體原理和相互之間的關(guān)系還需要教師進(jìn)行指導(dǎo)，如幫助學(xué)生理解地球引力與重力之間的關(guān)系，在飛行器上標(biāo)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(dǎo)學(xué)生理解利用伯努利定律設(shè)計(jì)機(jī)翼的原因。通過簡單的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)小，所以大氣壓就會(huì)把這兩張紙壓在一起。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，學(xué)生能夠理解飛行器飛行過程中機(jī)翼上方空氣流速比下方快，因此受到大氣壓力比機(jī)翼下方小，從而產(chǎn)生升力。

1.3.4 探究飛行原理與設(shè)計(jì)的關(guān)系 教師引導(dǎo)學(xué)生討論飛行器起飛需要減少的力和需要增加的力。學(xué)生先獨(dú)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(jìn)圖紙。各小組討論后初步形成原型飛行器。每個(gè)小組向全班同學(xué)展示原型飛行器，進(jìn)行試飛，同時(shí)需要向全班同學(xué)解釋小組的原型設(shè)計(jì)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(dǎo)學(xué)生討論試飛過程中飛行器栽倒、頭著地等問題產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)飛行器頭輕尾重或者頭重腳輕都會(huì)導(dǎo)致飛行器重心不平衡，所以在設(shè)計(jì)圖紙和制作過程中為了保證橫側(cè)平衡和方向平衡，必須保證飛行器左右對(duì)稱。

討論重心問題后，教師需要提醒學(xué)生比較、分析、標(biāo)注左右機(jī)翼以及機(jī)翼前后緣，根據(jù)機(jī)身、機(jī)翼、水平尾翼與垂直尾翼各個(gè)部分的長度及形狀，確定好機(jī)翼的重心，保證制作的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)提醒學(xué)生在試飛過程中自行測量距離、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)。

1.3.5 再次設(shè)計(jì)、制作與測試 在一系列討論結(jié)束后，學(xué)生再次對(duì)各自的飛行器原型進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試，這樣他們就會(huì)應(yīng)用大量新學(xué)得的科學(xué)概念進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試飛行器，也會(huì)通過改變機(jī)翼的厚度和曲度試圖增加升力，還會(huì)將機(jī)頭折成尖狀試圖減少阻力，等等。這一學(xué)習(xí)活動(dòng)基本接近第一課時(shí)的尾聲，學(xué)生進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制作、試飛環(huán)節(jié)的完整的工程流程體驗(yàn)，開始了調(diào)試和更新部分的工程流程。第一課時(shí)的剩余時(shí)間用來實(shí)施這一學(xué)習(xí)活動(dòng)，有些學(xué)生回家后還可以繼續(xù)設(shè)計(jì)與測試。

1.3.6 性能測試與評(píng)估 在第二課時(shí)主要進(jìn)行性能測試和更新迭代。最終測試評(píng)價(jià)前，引導(dǎo)學(xué)生完成至少三次組內(nèi)的試飛，通過觀察分析飛行器飛行的姿態(tài)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(wěn)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?jǐn)S角度、機(jī)身對(duì)稱性、粘貼牢固性、配重等，結(jié)合小組作品的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)和完善。

為了保證科學(xué)實(shí)驗(yàn)的精確性，需要選擇一個(gè)合適的地方做飛行測試，如教室、大廳和餐廳等空曠的室內(nèi)。性能測試時(shí)首先在地面上畫起始線，每一米做一個(gè)標(biāo)記，同時(shí)每位學(xué)生需要在自己的飛行器上寫上名字。根據(jù)場地大小，每次讓多名學(xué)生同時(shí)測試，一起拋出飛行器，第一次沒有飛過10米的學(xué)生會(huì)獲得兩次額外的機(jī)會(huì)以達(dá)到要求的距離。

設(shè)計(jì)原型講義的面附有評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[9]（見表3），這樣學(xué)生在設(shè)計(jì)與制作開始就能了解飛行器性能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

由此可以看到STEM課程的實(shí)施過程也是以學(xué)生為中心，能夠讓學(xué)生積極地提出問題并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最終解決問題。STEM課程包含科學(xué)與技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，需要學(xué)生理解工程技術(shù)中對(duì)象和系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制，掌握特定物體中包含的自然規(guī)律，總結(jié)建立事物模型的經(jīng)驗(yàn)等，從而培養(yǎng)運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和自主探究的能力。

相比創(chuàng)客教育的開放性和個(gè)性化探究與實(shí)踐過程，STEM教育會(huì)限定探究內(nèi)容和載體，更聚焦探究的結(jié)果，即學(xué)科知識(shí)的掌握，這與創(chuàng)客教育自主選擇探究內(nèi)容和載體不同。

2 結(jié)束語

在中小學(xué)教育實(shí)踐中，創(chuàng)客教育課堂中蘊(yùn)含科學(xué)探究要素，STEM教育課程中也有創(chuàng)意與分享含義，STEM教育與創(chuàng)客教育又常常共用同一課程載體，兩者呈現(xiàn)相互交叉的狀態(tài)。創(chuàng)客教育與STEM教育存在眾多相同點(diǎn)，又有所不同，STEM課程實(shí)施過程相較創(chuàng)客教育更加強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)科知識(shí)的探究，而創(chuàng)客教育中學(xué)生自主選擇探究的內(nèi)容與載體，能夠在“造物”和“分享”的基礎(chǔ)上運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)進(jìn)一步探究事物的科學(xué)性。因此，STEM教育與創(chuàng)客教育雖然課程側(cè)重不同，但兩者都是學(xué)生綜合發(fā)展的重要理論支撐，都能夠有效指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐。

通過“設(shè)計(jì)制作飛行器”案例，辨析STEM教育與創(chuàng)客教育課程實(shí)施的區(qū)別，課程實(shí)踐從創(chuàng)客教育向STEM教育深入探究，在學(xué)生的不同階段實(shí)現(xiàn)不同的教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生在更需要探究學(xué)科知識(shí)時(shí)采用STEM教育的方式，而在更需要?jiǎng)?chuàng)新創(chuàng)造時(shí)采用創(chuàng)客教育的方式，讓學(xué)生在創(chuàng)造中自主選擇探究的內(nèi)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(dǎo)和幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究活動(dòng)、 掌握探究跨學(xué)科知識(shí)的過程并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，從而完成創(chuàng)造。一線教師在實(shí)施課程的過程中，不必刻意關(guān)注創(chuàng)客教育與STEM教育之間的區(qū)別，只需要引導(dǎo)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)、不斷探究即可。

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作者：邵夢(mèng)秋，陜西師范大學(xué)教育學(xué)部碩士研究生在讀，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芙逃龖?yīng)用、機(jī)器人、創(chuàng)客教育；秦健，陜西師范大學(xué)教育學(xué)部，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芘c機(jī)器人、通用技術(shù)、創(chuàng)客教育；張宇婷，陜西師范大學(xué)教育學(xué)部碩士研究生在讀，主要研究方向?yàn)镾TEM教育、機(jī)器人與創(chuàng)客教育（710062）。