開展STEAM項目式程序設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

居曉波

研究背景

STEAM代表科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）、數(shù)學(xué)（Mathematics），是具有綜合性、基礎(chǔ)性、創(chuàng)造性的教育。STEAM項目式學(xué)習(xí)采取科學(xué)研究方法，綜合運用跨學(xué)科知識，發(fā)展邏輯思維，按照項目驅(qū)動方式組織研究和實踐活動任務(wù)，在探究學(xué)習(xí)中實踐創(chuàng)新，啟發(fā)學(xué)生思考各學(xué)科教育的社會應(yīng)用價值。

國內(nèi)外的教育改革都滲透了培養(yǎng)創(chuàng)新人才的理念，結(jié)合各自國情制定了相應(yīng)的政策和措施。例如，美國教育注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力，組織了大量的社會實踐和生活體驗活動，注重學(xué)生的真實體驗。學(xué)生的探究過程要求具有系統(tǒng)化、細(xì)致完整的研究結(jié)構(gòu)，從小培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。日本等國也推動教師根據(jù)學(xué)生的發(fā)展需求制定培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生敏銳的觀察力，敢于質(zhì)疑，樂于嘗試和探究新的方法的能力。

我國的教育研究注重全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，日益重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提出“把創(chuàng)新教育原則和方法作為基礎(chǔ)，以知識結(jié)構(gòu)為主線，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維；以研究性學(xué)習(xí)和科藝創(chuàng)作為主線，尋找創(chuàng)新點，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能?！?2017年7月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出人工智能成為國際競爭的新焦點，提出逐步開展全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育、鼓勵進(jìn)行形式多樣的人工智能科普創(chuàng)作。

STEAM和可視化編程課程在國內(nèi)已步入成長期，以信息技術(shù)為載體，把學(xué)信息技術(shù)、用信息技術(shù)、懂信息技術(shù)、與信息技術(shù)一起學(xué)結(jié)合起來，提倡學(xué)生創(chuàng)造性地運用信息化工具和信息技術(shù)，在綜合實踐活動中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力。教育部印發(fā)的《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》中指出：“綜合實踐活動是從學(xué)生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題，轉(zhuǎn)化為活動主題，通過探究、服務(wù)、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科實踐性課程。綜合實踐活動是國家義務(wù)教育和普通高中課程方案規(guī)定的必修課程，與學(xué)科課程并列設(shè)置，是基礎(chǔ)教育課程體系的重要組成部分。”

STEAM項目可視化編程課程并非多學(xué)科的簡單疊加，需要縝密的課程、教學(xué)和評估，技術(shù)和工程需要整合到科學(xué)和程序設(shè)計、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域中，形成一體化課程，開展綜合實踐活動——“綜合運用各學(xué)科知識，認(rèn)識、分析和解決現(xiàn)實問題，提升綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)，特別是社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實踐能力，以適應(yīng)快速變化的社會生活、職業(yè)世界和個人自主發(fā)展的需要，迎接信息時代和知識社會的挑戰(zhàn)”。

理論基礎(chǔ)

艾曼貝爾提出“創(chuàng)造力組成成分理論”，認(rèn)為與領(lǐng)域有關(guān)的技能、與創(chuàng)造性有關(guān)的技能和內(nèi)部動機共同構(gòu)成了創(chuàng)新能力的交叉模型。斯騰博格認(rèn)為創(chuàng)新能力是由“智力、認(rèn)知風(fēng)格、人格”三個維度構(gòu)成，主要包含“智力過程、認(rèn)知風(fēng)格、動機、環(huán)境、人格特征、知識”六個因素。綜合學(xué)者們對創(chuàng)新能力的闡述，創(chuàng)新能力是個體在已有的知識、經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研究和產(chǎn)生出獨特、新穎、有價值的思想、技術(shù)和產(chǎn)品的能力，其中包含了創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新技能等。項目式學(xué)習(xí)、建構(gòu)主義理論與團體動力學(xué)構(gòu)成了開展STEAM項目式程序設(shè)計活動，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的理論基礎(chǔ)（如圖1所示）。

圖1 理論基礎(chǔ)

1.項目式學(xué)習(xí)理論

項目式學(xué)習(xí)就是在一段學(xué)習(xí)時間內(nèi)，達(dá)成一系列特定目標(biāo)，完成相關(guān)任務(wù)，來源于杜威“做中學(xué)”的教育思想。杰克·吉多等人指出“項目就是以一套獨特而相互聯(lián)系的任務(wù)為前提， 有效地利用資源， 為實現(xiàn)特定的目標(biāo)所做的努力?！睂W(xué)生在項目式學(xué)習(xí)過程中要系統(tǒng)地計劃、解決問題、掌控時間、修正完善、綜合分享。項目式學(xué)習(xí)綜合了情境、活動、內(nèi)容和成果等環(huán)節(jié)，在真實、具體的情境中自主探究、合作分享，從多角度解決開放性的問題，注重學(xué)生的發(fā)展性評價。

在活動過程中，學(xué)生根據(jù)具體的項目制定計劃，通過類比、參照、分析判斷、大膽推測、應(yīng)用合適的研究方法和研究工具求證，選擇后續(xù)從哪些角度深入探究，并制作作品、合作分享，完成活動評價。

2.建構(gòu)主義理論

建構(gòu)主義強調(diào)“意義建構(gòu)”，指出個體的學(xué)習(xí)和成長是與周圍環(huán)境進(jìn)行積極互動，逐步發(fā)展自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為“知識是通過個人與社會之間的互動、中介、轉(zhuǎn)化等方面的張力形式而構(gòu)建的一個完整的、發(fā)展的實體?！敝R建構(gòu)在經(jīng)驗與情境的互動活動中完成，不能被機械地傳遞和復(fù)制。

探究的方法不是固化的，新的探索和已有的知識、技能儲備不是斷裂的，要加倍努力營造探究氛圍，創(chuàng)造條件，架設(shè)新舊知識的階梯。要給學(xué)生時間和空間從已有的知識經(jīng)驗中尋求線索，找尋多樣化的研究方法，激發(fā)學(xué)生自主探究的熱情和興趣。在學(xué)習(xí)活動中創(chuàng)設(shè)良好的自主探究環(huán)境，好比在學(xué)習(xí)花園中提供肥沃的土壤和理想的光照、水分條件，有助于學(xué)生的智慧之樹發(fā)芽、抽枝，生長得更加枝繁葉茂。

3.團體動力學(xué)理論

德裔美國心理學(xué)家?guī)鞝柼亍だ諟貙⒏袷剿睦韺W(xué)原理應(yīng)用于研究團體社會行為，提出團體動力學(xué)理論，“把團體作為一種心理學(xué)的有機整體， 并在這種整體的水平上來探求團體行為和團體過程或人的社會行為的潛在動力”。團體動力學(xué)指出團體中每個成員之間都會有交互影響的作用，認(rèn)為團體中每一成員都具有交互依存的動力。

成員在合作、分享過程中，通過思維的碰撞、小組實踐活動來解開疑惑。個人與群體目標(biāo)具有高度的一致性，成員們互惠互助，對新事物共同進(jìn)行探索、嘗試。學(xué)習(xí)小組成員經(jīng)過主題研討、經(jīng)驗分享和實踐協(xié)作，制定并執(zhí)行有針對性的方案，實現(xiàn)個人成長和群體提高的雙豐收。

實施原則

1.發(fā)展性原則

開展STEAM項目式編程設(shè)計，創(chuàng)作富有挑戰(zhàn)性的科藝作品，豐富了教學(xué)活動的內(nèi)容和過程，以多種形式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)的中間結(jié)果和最終結(jié)果，也使學(xué)習(xí)過程的體驗多樣化。編程從可解決的問題入手，創(chuàng)設(shè)合理的思維階梯，逐步引發(fā)深層次思考，加強思維的深刻性；鼓勵換角度思考，增強思維的靈活性；激勵尋求多種途徑解決問題，拓展思維的廣闊性。活動進(jìn)行發(fā)展性評價，學(xué)生逐步發(fā)展從平凡中發(fā)現(xiàn)新意的能力，養(yǎng)成創(chuàng)新習(xí)慣，形成良好的探索品格。學(xué)生通過每一階段的自我發(fā)展感受創(chuàng)新的喜悅，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)不服輸?shù)倪M(jìn)取精神和濃厚的探索興趣。

2.合作性原則

學(xué)習(xí)同伴（包含同學(xué)關(guān)系、師生關(guān)系、親子關(guān)系等）在志趣相投、體驗分享和協(xié)作互助的基礎(chǔ)上發(fā)展和諧的合作學(xué)習(xí)關(guān)系，在互動中實現(xiàn)自我價值與共同成長。具有不同的生活經(jīng)驗、思維方式、認(rèn)知結(jié)構(gòu)的成員們交流、互動，碰撞出思想的火花，得到啟示，進(jìn)一步豐富了自身的知識體系，提升綜合能力，在情感、態(tài)度、價值觀方面也有了不同的感悟。協(xié)作有利于促進(jìn)合作、拓寬創(chuàng)新思維的廣度，有益于做出批判性反思，培養(yǎng)深刻、獨特、敏捷、靈活的創(chuàng)造性思維。

3.開放性原則

STEAM項目式編程及擴展設(shè)備可以無縫連接現(xiàn)實世界和虛擬世界的特點，創(chuàng)設(shè)生動的情境，調(diào)動多感官體驗，開展探索、表演、實驗、競技等多種形式的學(xué)習(xí)活動，鼓勵學(xué)生大膽猜測、反復(fù)嘗試、多樣求證，提升思維品質(zhì)，培養(yǎng)獨立思考和善于創(chuàng)造的精神。創(chuàng)造性思維包含抽象思維、形象思維、逆向思維、分合思維，擴散思維、集中思維、聯(lián)想思維等，在創(chuàng)作過程中教師應(yīng)鼓勵學(xué)生發(fā)揮想象力，留有充分、開放的觀察與思考空間，鼓勵質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。學(xué)生通過接納與反駁、體驗與改良等環(huán)節(jié)，激發(fā)創(chuàng)新的興趣和欲望，培養(yǎng)觀察力、毅力和思維力。

研學(xué)路徑

1.有現(xiàn)實意義與價值的學(xué)習(xí)目標(biāo)指向

學(xué)生運用項目式學(xué)習(xí)方式來處理現(xiàn)實生活難題，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、定義問題、構(gòu)建假設(shè)、測試評估、智造展示等階段，關(guān)注學(xué)校、家庭和社區(qū)等周遭環(huán)境與事物，并積極建言獻(xiàn)策，發(fā)展創(chuàng)新精神、實踐能力和團隊協(xié)作精神。學(xué)生在具有現(xiàn)實意義的情境中提出疑問、討論分享，運用思維導(dǎo)圖等工具來激發(fā)靈感、增長知識和技能。為了解決具有現(xiàn)實意義的問題，學(xué)生們在家庭、社區(qū)里做實地調(diào)研，聯(lián)系生活實踐、知識經(jīng)驗，發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。在STEAM程序設(shè)計項目活動中創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，為完成創(chuàng)新設(shè)計和實施提供便利的技術(shù)支撐，無縫連接虛擬世界和現(xiàn)實世界。學(xué)生們設(shè)計、開展實驗，觀察、收集數(shù)據(jù)，設(shè)計調(diào)查問卷，開展社會調(diào)研。通過組員間的合作、與家長的親子互動、在社區(qū)的社會實踐，設(shè)計新穎、有個性的作品，打破思維定式，克服慣性， 敢于突破常規(guī)，樂于嘗試新的方法、善于提出有獨創(chuàng)性的思想。

2.提升團隊和個人績效的協(xié)作分享

教師在STEAM項目式程序設(shè)計活動中順勢而導(dǎo)，通過啟發(fā)、支持和引導(dǎo)來調(diào)動學(xué)生解決項目學(xué)習(xí)難點的主動性和積極性，引發(fā)和拓展他們對問題的深入理解與思考。學(xué)生以小組合作的形式，在團隊中都有各自的角色和職責(zé)，角色也會發(fā)生輪換。團隊成員們結(jié)合生活、學(xué)習(xí)實際，創(chuàng)作展現(xiàn)服務(wù)社會、科技創(chuàng)新的作品，根據(jù)責(zé)任分工記錄研討的問題列表、小結(jié)討論日志、歸納方案對策。這樣既可以分析學(xué)生個人的心得收獲，又可以綜合呈現(xiàn)群體的建議和方案。數(shù)字化的項目創(chuàng)作，把編程作為思考、設(shè)計、表達(dá)的工具，解決問題的策略、項目設(shè)計以及與其他人交流不同的想法，這些技能不僅對計算機學(xué)科有用，對于各個領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和生活技能的習(xí)得都很有幫助，能夠促進(jìn)知識的遷移和能力的提升。隨著活動的開展，會不時遇到新的疑惑和困難，這些學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題和瓶頸往往恰是稍縱即逝的教學(xué)時機。學(xué)生在實踐、合作、分享的過程中，對新事物共同進(jìn)行探索、嘗試，開展高效、默契的團隊協(xié)作，共同攻克難關(guān)，強化思維訓(xùn)練，從而提升團隊和個人績效。學(xué)生們通過參與基于分享、合作的創(chuàng)意設(shè)計活動，發(fā)展創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能，強化創(chuàng)新觀念，達(dá)到增強信息處理和溝通能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，提升信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

3.多維度的發(fā)展性評價

項目式編程活動采用自評與互評相結(jié)合的發(fā)展性評價方式。學(xué)生除了展示作品外，還需介紹團隊組成、創(chuàng)作過程、設(shè)計思路、原創(chuàng)內(nèi)容說明等，從最佳技術(shù)、情節(jié)、造型、主題、音樂、合作、界面、創(chuàng)意、原創(chuàng)、改編等方面多維度相互評價與反思。師生評價、自我評價與生生評價注重對學(xué)生創(chuàng)新方法、創(chuàng)新過程、創(chuàng)新成果進(jìn)行全方位的評價，評價和創(chuàng)新項目活動同時發(fā)生，并非只在活動結(jié)束時做出單一的終結(jié)性評價。評價在活動過程中實時反饋，提供相應(yīng)的幫助和建議，學(xué)生可以根據(jù)活動不同階段的評價反饋以及相應(yīng)的學(xué)習(xí)支架，定制個性化的學(xué)習(xí)活動方案（如圖2所示）。項目活動結(jié)合學(xué)生的年齡特點和心理發(fā)展規(guī)律，通過“想象—創(chuàng)作—除錯—分享、回饋—反思—再想象”，形成良性循環(huán)，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力。

在活動實踐中把電子檔案袋作為對學(xué)生進(jìn)行綜合、客觀評價的重要依據(jù)，它記錄和存載了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的努力付出，檔案袋集合了整個學(xué)習(xí)時間段里學(xué)生的作品資料。電子檔案袋不僅包括活動的最終結(jié)果（作品），也包括學(xué)習(xí)過程中的活動記錄、中間結(jié)果﹑素材片段﹑努力情況、進(jìn)步情況、心得體會、反思總結(jié)等等，貫穿整個活動過程的始終，全面立體地記載了整個學(xué)習(xí)歷程。電子檔案袋利用信息化手段呈現(xiàn)學(xué)習(xí)過程，再現(xiàn)了學(xué)生參與活動的情境，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)和評價的一體化。在電子檔案袋（學(xué)生的成長記錄袋）里不可避免地會出現(xiàn)記錄錯誤的信息，對于這些錯誤的信息不能只是簡單地全盤否定，而是要分析產(chǎn)生錯誤的原因，了解錯誤信息形成的過程，師生共同探討出改進(jìn)的方法，這種有效的、有針對性的反饋既促進(jìn)了教師不斷改進(jìn)教學(xué)方法和策略，也促進(jìn)學(xué)生不斷改進(jìn)學(xué)習(xí)和思維的方法和過程。

開展STEAM項目式程序設(shè)計活動注重在學(xué)生個性發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合其興趣、已有經(jīng)驗等來增強其對復(fù)雜事物和聯(lián)系的理解力，實現(xiàn)從“技術(shù)為核心”向“以學(xué)生能力為本”的轉(zhuǎn)變。學(xué)生通過STEAM項目式編程實踐活動，“綜合運用各學(xué)科知識，認(rèn)識、分析和解決現(xiàn)實問題，提升綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)，特別是社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實踐能力，以適應(yīng)快速變化的社會生活、職業(yè)世界和個人自主發(fā)展的需要，迎接信息時代和知識社會的挑戰(zhàn)”。軟件編程結(jié)合多種擴展設(shè)備的使用，感知外界環(huán)境、事物的狀態(tài)和變化，對外界的信號做出的有效的反應(yīng)，把虛擬世界和現(xiàn)實世界結(jié)合起來，獲得多感官的體驗。學(xué)生運用軟件和相應(yīng)的擴展外設(shè)交互設(shè)計有意義、有情境、有生活溫度的作品，使發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意、實現(xiàn)創(chuàng)新、表達(dá)分享的過程更智能、親切，拓展創(chuàng)新的廣度和深度。學(xué)生通過開展創(chuàng)新實踐擺脫固有束縛，產(chǎn)生新穎的思想，在觀念上勇于、樂于打破僵化的思維定式，積極主動地探索、嘗試新的路徑、措施和內(nèi)容，從而提升克服困難的意愿和韌性，逐步增強自信，提高創(chuàng)新技能。STEAM程序設(shè)計項目活動開展創(chuàng)新型、跨學(xué)科的科藝創(chuàng)作，嵌入多維度的綜合評價，促使學(xué)生敢于創(chuàng)新、樂于創(chuàng)新，培養(yǎng)強烈的創(chuàng)新欲望和創(chuàng)新意識，保持創(chuàng)新的熱情，享受創(chuàng)新的快樂，這些都是可持續(xù)性創(chuàng)新的動力與源泉。學(xué)生在STEAM項目式程序設(shè)計活動中，產(chǎn)生自我驅(qū)動與定義的目標(biāo)和智造，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和解決問題的實踐能力，從而成長為具有批判思維的“數(shù)字民”。