本次报告的重点是在21世纪能力提出的背景下，如何进行STEM教育与创客教育的融合。针对这个问题，王教授提供了三个案例，两个来自哈佛大学，一个来自香港大学，并对其中的关键元素进行了总结提炼，为广大一线教师的实践提供了参考。

1、STEM教育与创客教育

首先是STEM教育，创客教育和21世纪能力之间的关系。“STEM教育”首次出现在美国国家科学委员会的《本科的科学、数学和工程教育》中，之后加入技术。简单概括一下STEM教育的特征，主要是强调“学”和“做”，学生来体验这个过程，在过程中又强调知识的融合。具体的实现方式一般来说有问题型学习、设计型学习、项目型学习，主要特征是学生自主式学习合作与分享。在这里面我想强调一下知识的融合，所谓知识的融合是将不同的知识点融会贯通，把知识作为一个整体来理解。这样教师所关注的重点不仅仅是学科融合的过程中，其本质也在一个单一的学科里。学生在学习过程中也存在很多问题，他们对知识点的理解比较孤立，怎么把知识融会贯通这也是一个非常重要的问题。

创客教育存在什么优势？首先是将抽象知识与真实世界相连接，让学生看到知识之间的关联。不仅是学科之间的关联，还是知识之间的关联。激发好奇心和学科兴趣，提高解决问题的能力和创新意识。培养自主学习以及交流合作的能力，促进学生全面发展。

所谓21世纪能力，有很多不同的版本。在21世纪怎样培养学生的能力，提高他们的创新能力与竞争能力。面对21世纪这样的环境。我们最多讲得是全球化的概念，全球化是什么含义？其实它加剧了一些合作、交流，同时加剧了世界的复杂性和动态性以及竞争力。后面两点是最关键的，如何来面对动态复杂世界，如何来提升竞争力，这是全球化合作与交流过程中面临的重要问题。

在反思方面，我们没有教会学生在创客中怎样处理问题，如何采用一些有效的手段来完成这个作品。有的时候只注意技术方面的问题，忽视的背后的科学与数学知识。一些学生去年做了一些东西，明年还是做这些东西，没有太大的突破。产生这个问题最大的原因是基础学科知识的欠缺，从而限制了学生能力的进一步提升。特别是清华大学高云峰老师说过“基础学科到任何一个阶段都不能放松，创客教育不能只做不学”，这句话值得我们思考一下。创客教育主要是学和做，是在国外领域里面是从Doing到Learning的体验式学习。那么，我们如何在创客教育中进行提升？传统的STEM教育和现在所讲的创客教育能不能做一些比较好的融合，这也是今天报告的重点。

2、案例一：Promoting Ecosystems Science Learning via Virtual Environment

我想分享三个案例，第一个案例是哈佛大学教育学院的两位教授研究团队做的一个项目，主要是用虚拟环境帮助学生学习生态系统知识。他们设选取生物课程里面的一个单元，把这个单元做成一个虚拟学习环境，具体实施的时候和教学融合在一起，是一个混合式学习。虚拟系统是模拟一个具体的生态系统环境，这个环境里面包括很多复杂且相关的元素。它面向的对象是中学课程，课程中包含两个小的单元，也就是生态系统里面两个例子，一个是池塘系统，另外一个是森林系统。

首先这门课程有一个课程设计，也就是这个单元想达到什么样的目的？这个系统主要是增强学生对生态系统知识的理解。首先是光和作用、呼吸作用、分解作用帮助他们来提高知识。之后让他们了解这个生态环境里面主要有三大类的角色，一类是生产者比如说水藻，还有消费者，比如鱼类，细菌是另一类也就是分解者。第三是要掌握食物链和食物网的知识。这其中不仅仅是知识点的要求，更要帮助学生提高复杂因果关系的推理能力。

这个系统对于学生的要求不仅仅是学习概念，而是要完成一个比较大的任务。它的环境模拟时间大概是一周，池塘环境随着时间的推移产生一些变化。同时出现一个问题：鱼类在一夜之间大量死亡，这是环境中发生的一个事件。学生将探索为什么这个鱼类在一夜之间大量死亡。具体实施过程是进行小组学习。每一个小组有4个学生，老师给学生分配不同的角色。第一个学生是用显微镜做观察分析；第二个是担任环境调查的角色，对池塘进行观察记录，跟附近的居民做一些调查互访，了解一下这两天里发生了一些什么事件，有一些什么样的现象；第三个是对水质进行调查研究；第四个角色是一个自然科学家，提供相关的理论知识。

从上面三幅图可以看到，池塘中水的正常颜色跟之后的颜色发生了变化，学生可以从虚拟环境里面深刻的体验到这个变化。这个系统里面还提供了一些相关的学习资源，包括很多背景知识，比如池塘系统具体有什么生物，每一个生物有什么功能、什么特性。对各种鱼类进行介绍，并且提供相关的文字和图片。还有一些跟生态系统相关的案例，比如碳循环和氧循环。而与真实环境不同，在虚拟生态系统里可以借助高科技的手段帮助学生看到一些在真实生活中不可见的因素。

和传统的创客的项目不太一样，这个项目关注点不仅是学生亲自动手做，更多的是对观察数据进行分析。系统提供一些数据分析工具，学生将获取的数据放入系统，系统可以自动产生一些图表帮他们做具体的观察分析。比如说池塘水中氧气的含量随着时间产生的一些变化，帮助学生做一些具体的分析。

而教师会在这个单元中提出明确的要求。第一，学生要进行观察；第二，用一些虚拟的工具做测量；第三，收集数据，用图形化来显示；第四，产生一些相关的假设；第五，论证这些假设。教师不仅是提出这些要求，还要给予学生相应的指导。不仅仅是针对池塘系统这样具体领域知识的指导，还要给予一些上层领域知识的指导，包括怎么做推理分析，怎么做因果关系分析等。

在这个案例中，教师首先要教学生学会观察事物的变化。我们观察的时候，不能只看一个点，要看一个序列的变化。将这一系列的变化放在时间维度进行分析。第二，做推理的时候要基于具体的证据。第三，理清复杂的因果关系。

学生做完项目以后，每个小组要汇报他们的研究结果。这个项目效果非常好，学生非常投入，积极性大大提高。他们觉得他们像科学家一样探索和思考，所以非常投入。此外，他们的领域知识和探索能力也有了提高，对原来成绩比较差的学生效果更加明显。

3、案例二：Project-based Learning of Physics

第二个案例，来自于哈佛大学的物理系。这是哈佛大学里一门本科课程，叫应用物理。这门课程设计成小组学习和项目学习，同时结合翻转课堂，激发学生学习物理的内在兴趣。

课程的具体目的，第一，提高学生自主学习能力；第二，将物理学科和具体的真实环境结合在一起；第三，提高学生的合作沟通能力，特别是小组学习；第四，训练学生的研究能力，因为这是一门大学课程，不仅仅是物理知识的学习，后面会涉及到相关的物理研究的一些基本技能。

这是一个乐器的设计，学生用学到的相关物理学知识自己做一个乐器，看起来是一个小提琴。

这门课程需要学生完成什么任务呢？因为翻转课堂这样的形式，所以学生在课前需要进行很多的学习。他们要做很多的阅读，在课堂里面要完成六种类型的学习任务，整个课程里面完成三个项目。课前教师会将电子课本放到网上，学生可以在线浏览。并完成相应的任务。学生也需要提出一些问题，把问题发布在网上，学生之间可以相互讨论。教师对学生参与讨论以及提问的数量、质量和及时性进行评价，了解课前的阅读情况。

这个课题中有三大项目，一个是设计机械装置，第二个是关于登月的模拟，第三个是设计制作一样乐器。我们参观了两个项目，第一是RubeGoldberg machine，第二是制作乐器。项目中有六类活动，这些活动基本上也是以小组来进行。教师将学生进行分许，并且为每一个学生安排任务。每个小组有一个辅导老师。学生在具体完成项目的时候，会为学生提供一些器材和工具，学生们可以在实验室里也可以在教室里做这些题目。怎样对学生的项目进行评判呢？这也是与成绩相关非常大的一个部分。评判过程也比较有趣，研究者邀请一些外校的专家（哈佛大学以外）做外籍裁判。每个项目有一天的时间进行演示，演示的时候有一个专家组在现场打分，打完分还要进行提问。这也是学生和专家的沟通平台，学生有什么想法、有什么疑惑，可以跟辅导老师进行沟通，还可以和外籍专家做一些交流。

4、案例三：VisualizingThinking in Medical Diagnostic Problem-Solving

最后是香港大学的一个案例，来自于医学教育。主要是帮助学生学会医学诊断，我们所关注的是把他们的思考过程可视化表现出来。因为医学诊断是一个比较复杂的过程，这里面涉及到一些比较复杂的知识和推理，我们需要对思考过程进行可视化表征。因此我们设计了一个网上系统，这个系统是针对肾病的诊断分析，类似一个模拟环境。课程的目的是提高学生的诊断能力，提高学科知识，尤其对肾病的知识。第三是了解如何把问题解决和知识构建结合起来，这是我们课程的目的。

完成每个案例都是比较复杂的过程，学生怎样进入，有的时候没有一个具体的感觉。所以系统设计了一个具体的过程，怎么样来操作，怎么来完成诊断，以及如何来构建知识，系统会提供一个导航图。这个项目里面关键因素就是把问题解决和知识构建结合起来。学生不仅是解决问题，更要知道背后的理论知识是什么。

我们设定了五个关键认知的要点。在问题解决中包括关键信息，提出假设以及推理三个要素。在知识构建中包括关键概念以及关键概念间的联系两个要素，我们将这些要素称为五大认知要素。这五大要素不仅包含在学习以及思考过程中，更多的是用来分析学生。