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摘
要
在跨学科创新视角下，创客教育与STEAM教育存在许多共通之处，能够相互弥补。创客教育是STEAM教育实施的有效手段，STEAM教育是创客教育的必要弥补，二者结合能够对人才培养产生良好效果。创客教育与STEAM教育的融合策略包含开设标准化入门课程、学习以"创客三件套"为核心的系列创客课程，以及完成大型实景项目。在跨学科创新目的的引领下，创客教育与STEAM教育的融合必将能够为当前的教育教育改革带来积极的思路。
关键词：跨学科创新；创客教育；STEAM教育；融合
基金项目：北京市创新实验室基金；北京市社科基金通常项目"多元文化经验对创造性的促进效应科研"（14JYB015）
原文发布在：华东师范大学学报（教育科学版）2017年第四期“专题:STEAM教育科研”
作者：高云峰, 清华大学航天航空学院（北京 100084）;师保国：首都师范大学心理学系（北京 100048）
跨学科(cross-disciplinary)亦叫作交叉学科，被人们视为前沿科学的生长点与高新技术的发源地(师昌绪，1997)。从科学发展史来看，许多重大的发明创造都源自于区别学科的互育融合(Koestler, 1964)。例如，兰德斯坦纳(Landsteiner)凭借发掘A、B、O三种血型特征在血液科研行业脱颖而出而得到诺贝尔医学及生理学奖，与其原先的化学学科背景密不可分；凯库勒(Kekulé)在有机化学行业因发掘苯环结构与碳原子为四价原子而著名，这些思想与其初期对建筑的兴趣与认识相关(Sawyer，2013)。能够说，跨学科是人类进行创新的重要途径之一。
近几十年来，国内外教育界先后涌现出两种现象，它们均与跨学科创新相关。一个是STEAM教育，另一个则是创客教育(Maker Education)。STEAM教育强调节合科学、技术、工程、数学和人文艺术行业的内容，将知识的获取、办法与工具的利用以及创新生产的过程进行有机的统一(黄晓，李扬，2014)，对培养学生的问题处理和综合能力拥有重要价值。创客教育则注重让学生运用多种学科知识及数字化工具，经过开展行动、分享与合作将创意作品化，为研发学生的创新素养供给了新的有效途径。以往科研显示，STEAM教育与创客教育在概念起源、教育目的、教育内容、教育过程以及师生关系等方面存在必定的差异(杨晓哲，任友群，2015)。但从跨学科创新的视角来看，二者又存在着许多共通之处，在教育实践过程中能够相互弥补。随着当前越来越多的教育工作者起始同期关注STEAM教育和创客教育，咱们认为有必要对二者相互支持的关系进行梳理，并结合咱们前期已然开展的教育实践对STEAM教育与创客教育的融合策略进行探讨。
1、STEAM教育与创客教育融合的前提
“STEAM”一词源自于“STEM”(Science，Technology，Engineering，Mathematics)。这一提法首次显现于1986年美国国家科学委员会的《本科的科学、数学和工程教育》报告中。在这一概念中，Science(科学)是反映自然、社会、思维等客观规律的知识体系；Technology(技术)是处理问题的工具、办法和经验的总叫作；Engineering(工程)是运用科学原理和技术手段创造人工物体的学问；而Mathematics(数学)则是科研数量关系和空间形式的一门科学。科学、技术、工程和数学之间存在着相互支撑、相互弥补和一起发展的关系，在实质问题处理过程中它们亦是相互交叉和渗透，以整合方式起功效的。从应用知识处理现实问题的方向，对这些学科不宜独立分割、强调分科教育，而应该做为整体统一思虑。尤其是思虑到“STEM”更加多偏重于科学工程等方面，加入“Arts”(人文艺术)演变为“STEAM”则作为了STEM教育发展的必然趋势。
STEAM不仅综合了多种学科的知识，更加是融合了区别学科所蕴涵的实践活动、精神内涵和价值观，能够认为是一种多元学科文化的融合创新。这种跨学科的教育思路强调打破学科边界，使学生运用科学、工程、人文艺术等多门学科知识处理真实生活情境中的问题，这里过程中培养学生的综合素养，历来受到国际社会的高度关注。2006年，时任美国总统的布什在国情咨文中颁布《美国竞争力计划》，提出了培养拥有STEM素养的人才是美国在知识经济时代的教育目的之一，是提高国家在全世界范围内竞争力的关键。2009年，美国国家科学委员会致信给时任总统奥巴马，公开知道指出国家的经济繁荣和国土安全需求美国保持科学、技术的世界领先和指点地位，而高等教育周期之前的STEM(STEAM)教育则是实现这一目的的保证，是国家最重要的任务之一。
虽然STEAM教育近年来起始传入国内并逐步被大力提倡，然则各地的实施大多尚停留在理念的层面。重点原由包含两个方面：(1) 培养路径不足明晰。STEAM教育是为了更好地引导学生打破原有学科知识体系的捆绑，倡导教师在教育过程中更好地进行多学科融合，鼓励学生采用跨学科问题处理的办法。但国内日前各学段教育受学科分割与考试进阶的影响，学科间的相互渗透和结合不足，缺乏明晰的培养路径，学生综合素养和跨学科思维能力不良。(2) 缺乏专业化的师资力量。在STEAM教育中，学生是积极主动的参与者，独立自主地参与全部项目，或是在小组协作中一起学习多元学科的综合知识；而教师这里过程中则更加多地装扮教育设计者、活动组织者、知识讲授者和学习引导者等角色(杨晓哲，任友群，2015)。除了教师的多元化角色，还需要区别教师间相互协同，一起引导学生完成某个详细项目等，这些都对师资提出了较高的需求。现实状况是，国内教育行业的师资专业背景相对单一，实质操作经验少，尤其是在工程行业方面存在比较显著的短板。怎样在学校教育中经过改革课堂、教育、教材等方面创立切实有效的培养路径，供给拥有跨学科背景的专业化师资，是当前推进STEAM教育所面临的重要问题。
创客教育的兴起与创客运动的发展密切关联。创客一词源自于英文单词“Maker”，直译为“制造某种东西的人”。创造Web 2.0概念的互联网先驱，OReilly机构副总裁Dougherty(2011)把哪些愿意经过动手实践，奋斗将各样想法转化成现实的群体叫作为“创客”。Anderson(2012)在《创客：新工业革命》一书中进一步将“创客”描述为运用数字化工具和多种制造工具(例如3D打印机)在屏幕上进行设计并且制造制品的人，她们还会经过互联网与他人分享创意成果，将互联网文化与合作精神融合于全部制造过程中。因为创客运动的带动，创客教育的实践正在国内悄然兴起，日渐蓬勃。创客教育强调行动、分享与合作，注重与新科技手段相结合，能够让学生经过教育，实现一个完整的工程训练过程，学生再也不只是知识的消费者而同期亦是生产者，学校亦再也不只是知识传播的空间而转变为以实践应用和创造为中心的场所，因此呢这一教育模式逐步发展为跨学科创新能力培养的新途径。
从活动方向而言，创客教育的特征能够归纳为“造物”和“分享”。(1) 造物。造物的重要表现，指的是从原材料起始创新，即不是拼装各类半成品，并且要防止教育玩具化的倾向。在这个道理上，是要经过鼓励学生进行创造，在创造过程中有效地运用未经加工的原材料以及数字化工具(如开源硬件、3D打印、激光切割机、小型车床等)培养学生动手实践的能力，让她们在实践学习过程中发掘问题、探索问题、处理问题，最后将自己的想法作品化，并具备独立的创造思维与处理问题的综合能力。(2) 分享。分享的基本和道理在于群体创新，这与教育的目的高度一致。学习本身是一个过程，而学习成果的转化是更为重要的。一方面是要让学习分享到实践中、人群中，另一方面是要让学习作为社会创新的源动力。因此呢，要用分享带动群体性创新。
建设创客空间与开展各类创客活动是当前创客教育实践的两大热点，有些学校在这些方面做了有益的探索。例如清华大学航空航天学院的“卡魅”实验室在北京中学、北京小学、北师大二附中等长时间开设的科技制作课程，再如温州中学的“互动媒介技术”、“Arduino创意设备人”课程等(王旭卿，2015)。在这些教育活动中，学生们经过自己动手设计、制作、“玩中创”等环节激发了创新精神，培养了创造能力，同期亦提高了科学、技术、工程与数学等STEAM综合素养。但放眼全国，针对创客教育日前在国内还无形成严谨的课程体系和有效的教育实施策略，海量创客空间的开设与创客活动的开展只是停留在形式上。针对这一状况，有科研指出，创客教育不可流于在中小学推广小发明小创造的形式，而应是推进跨学科知识融合的STEAM教育，在帮忙学生夯实科学、技术、工程和数学知识的基本之上，培养其创新精神与实践能力，促进创新型、创业型人才的成长(余胜泉，胡翔，2015)。要实现这一目的，创客教育因何才可与STEAM教育有机融合？
2、STEAM教育与创客教育融合的机制
如前所述，STEAM教育强调跨学科融合，鼓励学生运用科学与人文等多个学科处理真实情境中的问题；创客教育的重点在于经过数字化工具，促进学生将创意作品化，培养学生的创新素养。可见，创客教育中有一部分含有跨学科的STEAM教育内容，而STEAM教育亦有与创客教育交叉的模块。二者既有一起之处，亦有显著互补的地区，恰好能够融合互育。
(一) 创客教育是STEAM教育实施的有效手段
众所周知，传统教育过程中存在分科教育的坏处端，学科阻隔有害于探索真实情境中的问题，STEAM的融合式教育改变了传统的教育模式。但STEAM教育在经过一段时间后，显现了新的问题，即在强调跨学科整合的同期对原创性和创新性注重不足。此刻伴同着创客运动在全世界的蓬勃开展，STEAM教育有了新的依托。针对STEAM来讲，创客教育是最好的抓手：数字化设备极重提高了动手实践的效率，使学生有时间进行多种尝试，乃至包含准许学生进行试错。另外，创客教育的造物乐趣还能够激发学生的探索热情。经过引导，让学生利用多学科、跨学科知识处理问题，亦让分享文化下的群体协同创新作为合作学习的最好注解。
(二) STEAM教育是创客教育的必要弥补
创客教育需要综合运用多学科的知识, 好的创客作品背面离不开跨学科的支撑。例如，设计一个远程掌控安装，就需要触及到基本的科学、数学、技术和工程学知识。倘若这个掌控安装要美观大方，则还需运用到工艺美术关联的知识。因此呢，跨学科对开展创客教育来讲是必要的前提与保证。在这方面，以跨学科、趣味性、情境性、体验性及协作性等为特征的STEAM理念是“Maker”扎根教育的保准(余胜泉，胡翔，2015)。毕竟，STEAM教育的本质便是在众多孤立的学科中创立一座新的桥梁，从而为学生供给整体认识世界的机会，经过把科学、技术等四个行业学科知识和技能的教育整合到一种教育范例中，使学生学习的零碎知识变成一个相互联系、相互统一的整体。这般就避免了传统教育中各学科知识割裂、有害于学生综合处理实质问题的坏处端，有利于学生形成跨学科的综合素养(叶兆宁，杨元魁，2015)。尤其是STEM发展到STEAM，或进一步发展到STEMx(x表率的是计算机科学、计算机思维、调查科研、创造与革新、全世界沟通、协作及其他持续涌现的21世纪所需的知识与技能)后，STEAM教育的跨学科特性和优良越来越显著，它已然再也不单单是培养学生的科技理工素养的一种教育，而是以科技理工素养为核心、兼具人文艺术素养的完整的人的教育(袁刚，沈祖芸，2016)。从这一道理上，STEAM教育是创客教育的重要基本，能够为创客教育所实现不了的功能供给必要弥补。
(三) 两种教育结合产生良好效果
基于跨学科创新的视角，碎片化、条块化的知识正在被整体学习和混合学习代替，填平旧经验和新问题之间的鸿沟需要的时间亦越来越短暂。从STEAM教育到创客教育，学习的边界日益模糊。总体来看，二者的结合能够有两种思路：一是借助创客教育来培养学生的STEAM素养，目的是经过处理实质问题，培养跨学科应用人才。二是借助STEAM理念来开展创客教育，目的是经过造物，培养有创新能力的人。本质上两种想法并不矛盾，完全能够合二为一，乃至能够概括为“STEAM为本，创客为用”的教育思路，表现了两种教育对跨学科创新所带来的巨大优良。接下来要问的问题是，怎样才可在教育实践中真正实现创客教育与STEAM教育的融合？
3、创客教育与STEAM教育的融合策略
近几年来，咱们在北京中学、北京小学、清华附中、北师大二附中等多所学校开展了基于群体创新空间的创客教育活动，并累积了有些经验。按照这些经验，在学校中借助创客教育培养学生的STEAM素养，或基于STEAM教育理念进行创客教育，从详细操作上大体能够分为以下三个过程。
第1步，开设标准化入门课程。在这个周期，咱们并不急于需求将创客的众多课程所有展开，而是非常有必要先开设一门入门课程，这般做的思虑是基于：一是带来创客体验。让学生从传统的加工设备迁移到数字化设备中来，体验数字化设备带来的有效率和方便试错等好处，让学生将重点精力集中在“设计”上，而不是之前的“加工过程”；二是降低创客门槛。学术界已然有知道结论，男女性别差异会引起空间想象能力的很强差异，但在平面想象能力方面差异不大。因此呢咱们有必要在入门课程上尽可能降低男女差异对课程的影响，带动全体学生参与到课程其中。以咱们开设数年的“卡魅”科技制作课为例，该课程采用一种“降维”设计的思想，用二维方式模拟三维作品(从简单的桌椅到繁杂的月球车、无轮小车等，见图 1和图 2)，这般的设计、制作思路针对男女生接受起来基本无差别，有利于每一名学生的学习与实践；三是开展学科融合。在入门课程中就将基本的理学、数学、科学及二维空间建构和机械等知识融入课程，能够培养学生良好的STEAM素养和学习习惯。
图 1 “卡魅”科技制作课上的简单桌椅
图 2 “卡魅”科技制作课上的月球车
第二步，学习以“创客三件套”为核心的系列创客课程。在标准化入门课程之后，学生们将进入到以“创客三件套”为核心的创客课程体系中进行学习，以准备下一步的“造万物”。这儿所说的创客三件套包含激光切割机、3D打印机和开源硬件。世上万物，总结起来由软件+硬件构成，换种说法，从专利描述的方向来讲，便是结构单元+规律单元。例如一个会唱歌的杯子，便是由杯体加上掌控电路板以及内置的软件构成。激光切割机和3D打印机能够实现结构功能，开源硬件能够实现规律单元功能，这亦便是为何这三种设备就具备了“造万物”的理论可能。当然，创客“造万物”只是一种形象的说法，实质实验室里造的是“原型”，真正的制品触及非常多工艺，非常多流程，还是需要工厂生产。
从教育的方向，“创客三件套”实质对应着三门课程。在这一课程体系中，咱们应将可能用到的各个知识点按“S””T”“E”“A”“M”分别描述，进行讲解，同期亦注重区别学科的知识交叉跨越、融会贯通。因为这些课程涵盖材料、工程、理学、机械、空间建模、软件和电子等多学科基本知识，并将激光切割机、3D打印机、开源硬件平台，乃至手绘扫描仪、刻字机、雕刻机和uv打印机等数字化设备的运用所有融入课程中，因此呢最后真正实现培养学生跨学科创新的STEAM素养。这儿举一个作者给中学生设计的详细课程实例：《幸运之草》。
中学STEAM课程实例：《幸运之草》
教育目的：让学生加深理解数学与理学的关系，设计制作尽可能简单的安装，画出指定的图案。
教育过程：
(1) 问题导入：首要写出如下所示的一个数列，让学生讨论并找规律。
1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, ……
这是数学中的斐波那契数列，学生通常火速就找到了规律。而后让学生寻找隐匿在该数列背面的数值：相邻的2个数相除，有什么规律？学生们火速会发掘除数趋近于0.618，黄金分割值！
再转到植物方面。非常多植物在生长的过程中为了能最佳地利用空间(亿万年进化的结果)，每片叶子和前一片叶子之间的方向是222.5度(图 3)，这个方向叫作为“黄金方向”，由于它和全部圆周360度之比是黄金分割值0.618。
图 3 三叶草
既然斐波那契数列和植物生长都与黄金分割数相关，那植物与斐波那契数列有什么关系呢？倘若咱们稍微重视一下，会发掘自然界中的大部分植物的叶子或花瓣一般是3、5、8等数目。例如人类在太空中培养的第1颗植物，便是13瓣的菊花！
亦许你听过寻找幸运草的故事－－找到四叶草就会得到幸福。四叶草的四片叶子分别暗示：真爱(love)，健康(health)，名誉(glory)，财富(riches)。有理由认为三叶草是自然界优化的结果，而四叶草可能只是变异的结果(这能够作为另一个科研问题)。三叶草很容易找到，而四叶草在自然界中仅有百万分之一的概率，很难被找到。既然四叶草很难被寻找到，为何咱们不可自己创造？
(2) 确定目的：今天咱们的目的，便是设计出一种简单的安装，能够画出四片花瓣。
自然界中真实的四叶草(图 4)轮廓比较繁杂，咱们用数学中的“四叶玫瑰线”(图 5)来代替“四叶草”。需要思虑两个问题：
图 4 四叶草
图 5 数学上的四叶玫瑰线
战略问题：四叶玫瑰线能否用简单的安装画出来？
战术问题：各部分的尺寸和画笔位置怎样确定？
(3) 讲授原理：接下来作者会介绍四叶玫瑰线的方程(r=acos2θ)，让学生从数学和理学的方向理解这个方程(下面只给出部分公式)。
在直角坐标中上式为
利用三角公式后有
对学生而言，学过三角函数，到这一步无问题。然则她们不晓得这些公式有什么理学道理，此时要利用启发式的方式，让学生认识到，物体做圆周运动时，就有(x=rcosθ，y=rsinθ)的形式，从而寓意着四叶玫瑰线实质上由两个圆周运动构成。
(4) 动手探究：得到原理知识之后，详细两个圆的体积、笔安置的位置仍需要学生进行探究(图 6)。学生按照自己的理解，设计制作安装，而后利用作者研发的卡魅平台做出道具(图 7)。一般一起始发掘画出的结果不正确。无关系，咱们在STEAM课程中，准许学生试错和修改。最后非常多学生能够画出完美的四叶草！
图 6 学生在进行探究、讨论
图 7 学生做出道具进行尝试
教育反思：
这次课程，既教育学生怎样把区别学科的知识融会贯通，更教育学生要自己创造幸福。过程中把科学、技术与人文有机地融合在一块。前半段以教师为中心，启发引导学生思考、领悟学科知识；后半段以学生为中心，让学生讨论、设计和计算，把自己的理解在设计中反馈出来。学生在短短的90分钟(2节课)中，经过学习知识、设计、制作、试错、修改，最后达到目的，从而完整地体验了STEAM教育的精髓。
课程是创客教育的生命线，课程设计的结构优化与否，课程质量的优劣与否，都直接影响到学习者的兴趣，直接关乎创客教育的最后质量。创客教育中课程设置的出发点，应该是面向现实应用的，学生按照自己需要提出的。仅有让人萌生兴趣的课程，才可能让学习者摆脱传统课程的“阴云”，拓展新的思路和看法。另外，在课程实施过程中还要尤其重视避免有些状况，如在课程中教会了学生做有些作品，然则无教育生处理问题的办法和手段；或只重视教技术，忽略背面的科学和数学知识。倘若处理得欠好，学生在经过一段时间的学习后，学习曲线并不可根据预期始终向上走，而是显现了显著的拐点。换言之，有些学生去年会做有些东西，到了今年还是只会做这个东西，没法连续突破自己。这其中的重要原由便是基本学科知识的欠缺，例如理学和数学，限制了学生能力的进一步提高。因此呢，这亦提示创客教育不该急功近利，只顾眼前效果，而应以STEAM教育为土壤，放眼于学生综合素养的长远发展。
第三步，完成大型实景项目。在课程学习之后，学生还能够参加“平衡大师”、“手机吊冰箱”和“月球战车”等三个大型实景项目的实训，目的在于让学生经过项目导向式学习，进一步得到工程项目研发的生命周期知识，为日后的各类创新实践活动供给有力支撑。这儿强调的项目特点有两个：一个是“大型”，二个是“实景”。实景中遇到的问题远超过课桌上的题目，每一个实景问题都是综合性的，需要跨学科知识才可处理的；而大型活动并非是小活动的比例放大版，它会衍生出无数新的问题，针对知识的融合有巨大贯通功效。另外，有必定体量或环节的问题必定会触及到E(工程)的问题，否则的话，再难的事情，倘若只需要一步就能够实现，那只能算T(技术)，而不是E(工程)。咱们尤其强调以E为核心的综合实践，在STEAM里面，E起到提纲挈领的功效，凡触及到工程问题，那必定包括其他技术、科学和数学方面的问题，但反过来却未必。因此咱们把针对E的学习和实践放在第三周期。如，经过“3+3”定制化模式(3门课程+3个项目)的教育，能够打造实现一条完整的创新者成长发展路径，这使得本来枯燥无味、循规蹈矩的制作课变得更拥有自主性、协作性和趣味性，有利于培养学生的STEAM素养和创新创业所需的知识、能力、视野以及品质。
需要弥补的是，创客教育中得到创新能力不是终点。在完成项目研发后，还要进行分享研发体验，乃至实施“反哺”活动，作为其他学生的导师，完成学习者自己的进一步提高，这才是基于STEAM理念的创客教育最后应收获的成果。
参考文献
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Sawyer, R. K著, 师保国等译. (2013). 创造性: 人类创新的科学. 上海: 华东师范大学出版社.
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