鐘柏昌 劉曉凡

【摘 要】?? 在學(xué)科融合趨勢(shì)日益迅猛的時(shí)代背景下，機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育、STEM教育等跨學(xué)科教育成為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要途徑。基于跨學(xué)科教育培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐，離不開有效教學(xué)模式的構(gòu)建。有兩條線索較為關(guān)鍵，一是“跨學(xué)科大概念”為學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了基礎(chǔ)和抓手，二是逆向教學(xué)思路可與當(dāng)前盛行的逆向工程教學(xué)法結(jié)合，進(jìn)一步細(xì)化跨學(xué)科創(chuàng)新能力的培養(yǎng)路徑。借此，本文在前期提出的4C教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，重新構(gòu)建和解讀了培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新能力的4C教學(xué)模式。

【關(guān)鍵詞】? 創(chuàng)新能力;4C教學(xué)模式;跨學(xué)科教育;跨學(xué)科創(chuàng)新能力;逆向工程;創(chuàng)新人才培養(yǎng);STEM教育;深度學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】? ?G420? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A? ? ? ?【文章編號(hào)】? 1009-458x（2021）10-0029-10

一、研究緣起：跨學(xué)科培養(yǎng)

學(xué)生創(chuàng)新能力為何重要

在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展模式下，創(chuàng)新能力成為21世紀(jì)人才的關(guān)鍵特征，如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力也成為我國(guó)教育改革與發(fā)展的熱點(diǎn)。例如，中共中央、國(guó)務(wù)院于2016年印發(fā)的《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，要求推動(dòng)教育創(chuàng)新，改革人才培養(yǎng)模式，把科學(xué)精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)造能力和社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)貫穿于教育全過(guò)程。2019年中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》再次明確指出，要?jiǎng)?chuàng)新人才培養(yǎng)方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不僅有高低之分，而且有學(xué)科差別。一般而言，可以依據(jù)遷移能力的遠(yuǎn)近來(lái)界定創(chuàng)新能力的高低，低創(chuàng)新能力表現(xiàn)為學(xué)生能夠利用所學(xué)知識(shí)解決與原學(xué)習(xí)情境相似的問(wèn)題，而高創(chuàng)新能力則表現(xiàn)為學(xué)生能夠突破原學(xué)習(xí)情境，利用所學(xué)知識(shí)解決與其極不相似的其他問(wèn)題。即便如此，所謂創(chuàng)新能力的高低也只是相對(duì)而言的，且會(huì)隨著發(fā)展階段和對(duì)象不同而變化。依據(jù)學(xué)科類型和創(chuàng)新能力培養(yǎng)水平的不同，可以將目前教育領(lǐng)域中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)分為四種類型（如圖1所示），分別為：“單學(xué)科—低創(chuàng)新”“單學(xué)科—高創(chuàng)新”“多學(xué)科—低創(chuàng)新”“多學(xué)科—高創(chuàng)新”。其中，“單學(xué)科—低創(chuàng)新”是當(dāng)前創(chuàng)新能力培養(yǎng)的普遍現(xiàn)狀，即在傳統(tǒng)分科教學(xué)中不僅知識(shí)交叉薄弱，而且缺少對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)會(huì)。雖然以數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科競(jìng)賽為代表的單學(xué)科教育方式能夠提升學(xué)生的創(chuàng)新能力（“單學(xué)科—高創(chuàng)新”），但競(jìng)賽的選拔門檻較高，一般面向“尖子生”，難以普惠全體學(xué)生。

近幾年，跨學(xué)科創(chuàng)新一詞廣受關(guān)注，并成為心理、經(jīng)濟(jì)、數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的重要研究方向（Abdulla & Cramond， 2017）。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，1901—2016年具有多學(xué)科背景的諾貝爾獎(jiǎng)合作獲獎(jiǎng)人數(shù)從35%增長(zhǎng)至87.6%（茹寧， 等， 2018）。另外，有研究在總結(jié)全球已發(fā)表的8.8萬(wàn)個(gè)高質(zhì)量創(chuàng)新水平的科技論文的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)學(xué)科之間的交叉關(guān)系越來(lái)越密切，這也說(shuō)明跨學(xué)科創(chuàng)新已成為全球科技發(fā)展的基本趨勢(shì)（Gates， Ke， Varol， & Barabási， 2019）。顯然，新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)或重大技術(shù)創(chuàng)新往往產(chǎn)生于學(xué)科交叉領(lǐng)域，單一領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)將難以有效解決復(fù)雜問(wèn)題，這對(duì)創(chuàng)新人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力提出了更高要求（崔穎， 2009）。從這個(gè)意義上說(shuō)，跨學(xué)科教育將成為未來(lái)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要方向（鄭昱， 等， 2019）。在學(xué)科融合的趨勢(shì)下，以STEM教育為典型代表的跨學(xué)科學(xué)習(xí)有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思考，拓展知識(shí)的廣度與深度。近年來(lái)，隨著國(guó)家政策的不斷倡導(dǎo)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)STEM教育的關(guān)注度日益提升，并高頻提及創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。遺憾的是，目前有關(guān)STEM教育的研究往往受制于項(xiàng)目式教學(xué)（PBL）的高要求而異化為實(shí)踐教學(xué)，未能有效發(fā)揮STEM教育對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教育價(jià)值，從而出現(xiàn)“多學(xué)科—低創(chuàng)新”的普遍現(xiàn)象。因此，如何實(shí)現(xiàn)“多學(xué)科—高創(chuàng)新”是當(dāng)下亟須關(guān)注的重點(diǎn)，即研究如何在跨學(xué)科學(xué)習(xí)中有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。為區(qū)別單一學(xué)科內(nèi)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的做法，本文將這種基于跨學(xué)科教育培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力稱之為“跨學(xué)科創(chuàng)新能力”，即通過(guò)跨學(xué)科教育培養(yǎng)能夠跨學(xué)科解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力。

二、研究綜述：跨學(xué)科創(chuàng)新能力

培養(yǎng)的途徑與方法

所謂跨學(xué)科創(chuàng)新能力，指“在某些創(chuàng)造活動(dòng)中，憑借自身個(gè)性品質(zhì)，利用已有的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，新穎而獨(dú)特地解決問(wèn)題，產(chǎn)生有價(jià)值的新思想、新方法和新成果的本領(lǐng)”。（占小紅， 等， 2019）美國(guó)于2013年頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards）將跨學(xué)科教育理念引入K-12科學(xué)教育，強(qiáng)調(diào)“以跨學(xué)科思維及其跨學(xué)科概念來(lái)整合各學(xué)科的核心概念，建立起科學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合的、新的人才培養(yǎng)路徑”（趙中建， 2012; 金慧， 等， 2017; National Research Council， 2013）。這種做法對(duì)我國(guó)培養(yǎng)中小學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新能力有較重要的參考價(jià)值。2017年，基于STEM教育的跨學(xué)科教育理念也被寫入我國(guó)《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，并給出了中國(guó)版的解釋：“一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，一種將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)融合，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式。”（教育部， 2017， pp. 5-63）在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者聚焦跨學(xué)科創(chuàng)新能力的培養(yǎng)進(jìn)行了大量研究。

一是從教學(xué)要素創(chuàng)新的視角開展研究。例如，基于對(duì)沃勒斯（Wallas）的創(chuàng)造過(guò)程四階段模式、克羅多納（Kolodner）的科學(xué)探究學(xué)習(xí)循環(huán)模型等的借鑒，何麗丹等（2019）從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動(dòng)、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)評(píng)價(jià)四個(gè)方面構(gòu)建了面向創(chuàng)造力培養(yǎng)的STEM教學(xué)模式。又如，李克東等（2019）將問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、思維培養(yǎng)、實(shí)踐能力培養(yǎng)、創(chuàng)新嘗試和效果檢測(cè)作為設(shè)計(jì)跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)的基本要素，提出了跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)的5EX設(shè)計(jì)模型。

二是從工程設(shè)計(jì)過(guò)程的視角開展研究。例如，黃曉冬（2020）等通過(guò)分析工程設(shè)計(jì)內(nèi)涵、工程設(shè)計(jì)要素、科學(xué)探究與工程實(shí)踐教學(xué)流程等，構(gòu)建了以工程設(shè)計(jì)為核心，凸顯科學(xué)探究、數(shù)學(xué)模型為工程設(shè)計(jì)服務(wù)的STEM工程教學(xué)模式。又如，鐘柏昌等（2018， 2019， 2020）從反思傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)（PBL）的問(wèn)題出發(fā)，將工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的逆向工程方法引入機(jī)器人教育中，構(gòu)建了逆向工程教學(xué)的“燈籠”模型，著力培養(yǎng)學(xué)生的微創(chuàng)新能力，并將其遷移應(yīng)用到STEM教育領(lǐng)域。

三是從證據(jù)思維、設(shè)計(jì)思維或計(jì)算思維的視角開展研究。例如，為解決當(dāng)前STEM教育發(fā)展中存在的問(wèn)題，余勝泉等人（2019）在基于證據(jù)的學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下，構(gòu)建了證據(jù)導(dǎo)向的STEM教學(xué)模式。該教學(xué)模式關(guān)注學(xué)習(xí)過(guò)程，注重證據(jù)收集和應(yīng)用，旨在夯實(shí)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，繼而提升其實(shí)踐創(chuàng)新能力。又如，秦瑾若（2018）等圍繞STEM教育的核心理念，借鑒典型的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模型，以學(xué)生創(chuàng)新探究能力培養(yǎng)、師生活動(dòng)和教學(xué)環(huán)境為起點(diǎn)，以跨學(xué)科融合、循環(huán)迭代、過(guò)程體驗(yàn)、問(wèn)題解決為核心，構(gòu)建了面向STEM教育的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式。再如，李鋒（2018）提出了面向計(jì)算思維教育的STEM課程設(shè)計(jì)策略，旨在通過(guò)跨學(xué)科整合、基于學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)和建立學(xué)習(xí)支架等方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維與其他領(lǐng)域的結(jié)合，提升學(xué)生在數(shù)字化環(huán)境中的創(chuàng)新力。

整體而言，相關(guān)研究不僅出現(xiàn)在STEM教育，也出現(xiàn)在與STEM教育密切相關(guān)的機(jī)器人教育和創(chuàng)客教育領(lǐng)域，其所強(qiáng)調(diào)的科學(xué)探究、過(guò)程設(shè)計(jì)、工程思維等為本研究提供了重要借鑒。與此同時(shí)，“窄口徑”與“高要求”的矛盾及“知識(shí)提升缺乏結(jié)構(gòu)層次”的問(wèn)題仍普遍存在于現(xiàn)有研究中。前者體現(xiàn)為研究者試圖通過(guò)某一產(chǎn)品（作品，下同）的制作過(guò)程快速提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，有悖創(chuàng)新能力培養(yǎng)的復(fù)雜機(jī)制;后者則體現(xiàn)為研究者過(guò)度強(qiáng)調(diào)同質(zhì)產(chǎn)品的制作，忽視概念提取與思維訓(xùn)練，陷入低水平重復(fù)的怪圈。此外，鮮有研究從教學(xué)內(nèi)容重組、教學(xué)過(guò)程重塑的層面思考面向跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式。因此，在基于跨學(xué)科教育的創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究中，如何重組教學(xué)內(nèi)容和重構(gòu)教學(xué)過(guò)程以解決上述問(wèn)題成為本文關(guān)注的重點(diǎn)。

三、模式構(gòu)建：面向創(chuàng)新能力

培養(yǎng)的4C教學(xué)模式

面對(duì)急劇的社會(huì)變化，單純灌輸知識(shí)的教育已經(jīng)落后于時(shí)代，深度學(xué)習(xí)受到了廣泛關(guān)注。有別于以機(jī)械識(shí)記為內(nèi)核的淺層學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)在理解的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)者能夠批判性地接受新知識(shí)，并與原認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的其他知識(shí)內(nèi)容建立關(guān)聯(lián)，最終在新情境中發(fā)生學(xué)習(xí)的遷移（何玲， 等， 2005）。故有學(xué)者認(rèn)為深度學(xué)習(xí)具有以下特征：第一，注重批判性思維的運(yùn)用;第二，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的遷移應(yīng)用;第三，面向問(wèn)題解決;第四，注重良好的情感體驗(yàn)（張立國(guó)， 等， 2017; 胡航， 等， 2020）?？傊?，深度學(xué)習(xí)旨在提升學(xué)生創(chuàng)造性解決真實(shí)問(wèn)題的能力，有助于推動(dòng)以學(xué)生為中心、以核心素養(yǎng)培育為目標(biāo)的教學(xué)改革（鄭葳， 等， 2018）。

在深度學(xué)習(xí)理念的指導(dǎo)下，筆者在前期提出了面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的4C教學(xué)模式（也稱“金字塔模型”，如圖2所示）（鐘柏昌， 等， 2021）。在課程標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，該教學(xué)模式下的學(xué)習(xí)是從一類具體問(wèn)題（情境化）開始，經(jīng)歷概念提取和關(guān)聯(lián)內(nèi)化（去情境化），再通過(guò)遷移應(yīng)用回到具體問(wèn)題（情境化）的一個(gè)循環(huán)往復(fù)的學(xué)習(xí)階梯。本部分將對(duì)4C模式的主要教學(xué)環(huán)節(jié)及其構(gòu)建思路作簡(jiǎn)要介紹。

首先，“聚類思想”是化解當(dāng)前“窄口徑”與“高要求”矛盾的切入點(diǎn)（鐘柏昌， 等， 2021），即依據(jù)共同特征或相似屬性來(lái)整合相關(guān)知識(shí)、方法與過(guò)程，降低學(xué)生同化或順應(yīng)新知的難度，促進(jìn)良好認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成。因此，作為4C教學(xué)模式的起點(diǎn)，聚類教學(xué)需始于具體問(wèn)題，并強(qiáng)調(diào)每個(gè)教學(xué)模塊都應(yīng)蘊(yùn)含解決問(wèn)題的某一類知識(shí)、方法或過(guò)程（鐘柏昌， 等， 2012）。

其次，“歸納思維”是解決當(dāng)前“知識(shí)提升缺乏結(jié)構(gòu)層次”這一問(wèn)題的重要突破口，也是引導(dǎo)學(xué)生走向深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵（Bereiter， 1985）。因此，去情境化環(huán)節(jié)的重要目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生的歸納思維，包括“概念提取”“關(guān)聯(lián)內(nèi)化”兩個(gè)環(huán)節(jié)，前者要求學(xué)生對(duì)隱藏在知識(shí)背后的本質(zhì)規(guī)律進(jìn)行概括，并將其與同類事物的共同特征與相似屬性相結(jié)合;后者則要求學(xué)生在概念提取的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立新概念之間以及新概念與原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的內(nèi)化（鐘柏昌， 等， 2021）。

最后，在心理學(xué)的視角下，遷移是創(chuàng)新思維形成的重要環(huán)節(jié)，并被視為知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的關(guān)鍵（王艷廷， 等， 2009）。事實(shí)上，按照任務(wù)的相似度可將遷移劃分為“近遷移”與“遠(yuǎn)遷移”（Perkins & Salomon， 1988）。前者常常是從一個(gè)具體問(wèn)題到另一個(gè)相似的具體問(wèn)題（在聚類教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)則已完成近遷移），而后者是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要途徑，需要通過(guò)“抽象原理”作為中介來(lái)聯(lián)結(jié)兩個(gè)不相似的具體問(wèn)題（Holyoak， 1985）。其中，“抽象原理”正是在理解性學(xué)習(xí)活動(dòng)中經(jīng)概括、關(guān)聯(lián)、內(nèi)化后的大概念，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遷移的過(guò)程中發(fā)揮重要作用（王磊， 2016）。因此，在“遷移應(yīng)用”這一環(huán)節(jié)中，個(gè)體需將所內(nèi)化的概念性知識(shí)返回至陌生情境中并解決具體問(wèn)題，在反復(fù)更迭的過(guò)程中形成創(chuàng)新思維。

四、模式修訂：面向跨學(xué)科創(chuàng)新

能力培養(yǎng)的4C教學(xué)模式

上述4C模式主要是從學(xué)科教育的角度提出的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模型，盡管廣義上可以將其視作一個(gè)通用模型，但并未從跨學(xué)科教育的角度進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，故需回到4C模式的基礎(chǔ)——“大概念”做進(jìn)一步思考。

（一）4C模式的本質(zhì)——大概念教學(xué)

綜觀4C模式的各個(gè)環(huán)節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是情境化環(huán)節(jié)的聚類問(wèn)題設(shè)計(jì)還是高通路遷移，抑或是去情境化環(huán)節(jié)的知識(shí)提取與內(nèi)化，都離不開大概念。換言之，大概念作為教學(xué)內(nèi)容重組的關(guān)鍵線索，貫穿于整個(gè)教學(xué)框架中，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供重要保障。

在新課改的浪潮下，“大概念”成為諸多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。有學(xué)者將“大概念”界定為反映專家思維方式的概念、觀念或論題，并認(rèn)為其具有四個(gè)選擇標(biāo)準(zhǔn)：一是普遍性，即具有較強(qiáng)的解釋力;二是全局性，即具有較強(qiáng)的影響力;三是相關(guān)性，即與人們的生活息息相關(guān);四是文化性，即符合人類科學(xué)探索的邏輯（劉徽， 2019; 劉徽， 2020）。

事實(shí)上，大概念正是專家知識(shí)的組織要素，專家對(duì)學(xué)科的理解深度正體現(xiàn)于此（約翰·D. 布蘭思福特， 等， 2013， pp. 27-33）。工業(yè)時(shí)代的教學(xué)強(qiáng)調(diào)分科揀選并凝練已得出的“專家結(jié)論”，經(jīng)學(xué)科專家整理、編制成教材后，再通過(guò)教師教授給學(xué)生，鮮有人關(guān)心這些專家結(jié)論對(duì)學(xué)生解決真實(shí)問(wèn)題的作用如何。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，課堂轉(zhuǎn)型的呼聲高漲，面對(duì)人工智能的挑戰(zhàn)，人類需思考如何做人工智能無(wú)法做到的事，而以“創(chuàng)新”為核心特征的專家思維恰恰是人工智能所欠缺的重要能力。因此，從教授專家結(jié)論轉(zhuǎn)向培養(yǎng)以創(chuàng)新為特征的專家思維成為素養(yǎng)導(dǎo)向下課堂轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)（劉徽， 2020）。抽象與鮮活是專家知識(shí)特有的雙重屬性，“抽象”源于大概念的支持，而“鮮活”源于它的起點(diǎn)與去處均為具體情境（約翰·D.布蘭思福特， 等， 2013）。因此，大概念的生成與高通路遷移的路徑不謀而合，即同為“具體→抽象→具體”的循環(huán)過(guò)程。從這個(gè)意義上說(shuō)，4C教學(xué)模式以大概念為主線，就自然具備了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的本質(zhì)特征。

（二）跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)需拓展大概念的內(nèi)涵與外延

無(wú)論是以“創(chuàng)新”為核心特征的專家思維，還是“從特殊到一般”的歸納思維，抑或強(qiáng)調(diào)“類比遷移”的聚類思想，其共同教育目標(biāo)皆指向“遷移創(chuàng)新”。在這些理論指導(dǎo)下，4C教學(xué)模式旨在讓學(xué)生圍繞大概念開展聚類學(xué)習(xí)，繼而提取概念并建立關(guān)聯(lián)，最終將知識(shí)內(nèi)化的成果進(jìn)行遷移應(yīng)用，在此過(guò)程中創(chuàng)新能力得以培養(yǎng)。然而，若將4C模式應(yīng)用于跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課堂教學(xué)中，仍需進(jìn)一步拓展大概念的內(nèi)涵與外延。在內(nèi)容層面，得益于大概念視角的廣泛性與包容性，跨學(xué)科大概念將會(huì)進(jìn)一步助力4C模式打破學(xué)科界限、擴(kuò)大學(xué)生的學(xué)習(xí)范圍，有利于跨學(xué)科教育的開展;在方法層面，大概念教學(xué)所蘊(yùn)含的逆向教學(xué)思路可與當(dāng)前盛行的逆向工程教學(xué)法相結(jié)合，進(jìn)一步細(xì)化跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的路徑。

1. 內(nèi)容拓展：跨學(xué)科大概念助力打破學(xué)科壁壘

從“具體—抽象”的維度來(lái)看，大概念可分為跨學(xué)科大概念和學(xué)科大概念（林恩·埃里克森， 等， 2018， p. 26）。學(xué)科大概念是課程內(nèi)容的主軸，這些核心概念可以整合具體的基礎(chǔ)知識(shí)，由此形成相互關(guān)聯(lián)、層次鮮明的內(nèi)容體系（呂立杰， 2020）。跨學(xué)科概念是指在所有領(lǐng)域都有所運(yùn)用的主要概念，是不同學(xué)科、不同學(xué)段的核心概念的綜合、聯(lián)結(jié)與再抽象，它們提供了一種聯(lián)系所有學(xué)科的方法（National Research Council， 2013， pp. 83-84）。近年來(lái)，跨學(xué)科概念逐漸引起科學(xué)教育工作者的廣泛重視，它可以為人們認(rèn)識(shí)各種自然現(xiàn)象提供有力且全面的框架，能夠從科學(xué)的各個(gè)學(xué)科內(nèi)部整合科學(xué)（包括物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)）、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，是通向綜合跨學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題能力培養(yǎng)的“高級(jí)規(guī)則”（李瑞雪， 等， 2021; 許秋璇， 等， 2020）。換言之，跨學(xué)科大概念成為跨越學(xué)科邊界、融合學(xué)科知識(shí)的“橋梁”，促使學(xué)生在科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中將跨學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)向核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化和升華（許秋璇， 等， 2020）。

提及核心素養(yǎng)，筆者曾認(rèn)為其內(nèi)涵包含三個(gè)層次，即較低抽象層次的“雙基層”、較高抽象層次的“問(wèn)題解決層”和最高抽象層次的“學(xué)科思維層”（李藝， 等， 2015）。三層結(jié)構(gòu)是一個(gè)完整和連貫的過(guò)程，從上到下是輻射和指引，從下到上是條件和基礎(chǔ)（鐘柏昌， 等， 2018）。鑒于專家思維的典型特征是大概念，三層結(jié)構(gòu)中的“雙基”替換為“學(xué)科大概念”可能更為合適，即強(qiáng)調(diào)在問(wèn)題解決過(guò)程中通過(guò)大概念的聯(lián)結(jié)以獲得學(xué)科思維的內(nèi)化，最終指向?qū)W科素養(yǎng)的習(xí)得。例如，作為指導(dǎo)信息技術(shù)課程開展的學(xué)科思維，“計(jì)算思維”底層所包含的學(xué)科大概念包括抽象、建模、數(shù)據(jù)、算法。其中，數(shù)據(jù)和算法屬于抽象和建模重疊所形成的交叉概念。從學(xué)科教育轉(zhuǎn)換到跨學(xué)科教育也是如此，即可以將跨學(xué)科大概念作為課程內(nèi)容的組織線索，學(xué)生在問(wèn)題解決過(guò)程中通過(guò)大概念的聯(lián)結(jié)以內(nèi)化跨學(xué)科思維，最終指向跨學(xué)科素養(yǎng)的習(xí)得。例如，工程思維是一種融合計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維等多種思維方式的跨學(xué)科思維，其所包含的跨學(xué)科大概念包括“共相”與“殊相”、“設(shè)計(jì)”與“復(fù)用”以及兩者交叉形成的“統(tǒng)籌”與“折中”（鐘柏昌， 等， 2016）。同時(shí)，為解決當(dāng)前創(chuàng)新能力培養(yǎng)中所存在的“窄口徑”問(wèn)題與“知識(shí)提升缺乏層次與結(jié)構(gòu)”的問(wèn)題，在前期4C教學(xué)模式建構(gòu)中所引入的“聚類教學(xué)”與“深度學(xué)習(xí)”理念依然適用，由此形成了修訂4C模式的重要思路之一（如圖3所示），其中左側(cè)虛線框所涉及的內(nèi)容即前述4C教學(xué)模式的構(gòu)建邏輯，右側(cè)虛線框則是從跨學(xué)科教育的角度修訂4C模式的基本邏輯。

2. 方法拓展：逆向工程教學(xué)法助力跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)

如前文所述，4C模式的本質(zhì)是大概念教學(xué)。此前，圍繞大概念的單元整體教學(xué)模式吸引了諸多學(xué)者的關(guān)注，其中比較有代表性的是格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）（格蘭特·威金斯， 等， 2017， p. 18）和林恩·埃里克森（Lynn Erickson）（Lanning & Brown， 2019， p. 14）的逆向設(shè)計(jì)模型，主要分為目標(biāo)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)和過(guò)程設(shè)計(jì)三個(gè)關(guān)鍵步驟。目標(biāo)設(shè)計(jì)可分為三層，即學(xué)習(xí)遷移、理解意義和掌握知識(shí)。其中，理解意義所指向的就是大概念（格蘭特·威金斯， 等， 2017， p. 18）。逆向設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特點(diǎn)是將“評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)”前置并緊隨“目標(biāo)設(shè)計(jì)”。評(píng)價(jià)是目標(biāo)的具體化，它必須與目標(biāo)保持一致，否則教學(xué)會(huì)因評(píng)價(jià)的影響而偏離既定的目標(biāo)。因此，逆向設(shè)計(jì)要求教學(xué)者要“像評(píng)估員一樣思考”，依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)選擇課程內(nèi)容并組織相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)，用多種方式對(duì)目標(biāo)的掌握情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。4C教學(xué)模式也同樣遵循逆向設(shè)計(jì)思路：在聚類設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)前，教師就需要預(yù)設(shè)好學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果。只不過(guò)，這種預(yù)設(shè)只在一個(gè)教學(xué)周期內(nèi)有效，當(dāng)學(xué)生進(jìn)行到遷移應(yīng)用（遠(yuǎn)遷移）環(huán)節(jié)，產(chǎn)生4C教學(xué)的循環(huán)，則必然動(dòng)態(tài)催生出新的“預(yù)設(shè)”，因此從4C教學(xué)模式的角度看預(yù)設(shè)與動(dòng)態(tài)生成是對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系。

需要追問(wèn)的是，如何拓展4C模式的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)才能使其更好地發(fā)揮跨學(xué)科教學(xué)的育人價(jià)值？目前，在STEM教育中流行的項(xiàng)目式教學(xué)本質(zhì)上是一種正向項(xiàng)目教學(xué)，其要求學(xué)生在項(xiàng)目活動(dòng)中從零開始制作一個(gè)完整的作品（劉景福， 等， 2002）。然而，完整的項(xiàng)目教學(xué)通常需經(jīng)歷較長(zhǎng)的周期，導(dǎo)致實(shí)際課堂無(wú)法正常開展全流程的項(xiàng)目教學(xué)。此外，項(xiàng)目包含核心概念和原理的綜合性或開放性任務(wù)，通常涉及多個(gè)復(fù)雜或劣構(gòu)的真實(shí)問(wèn)題，無(wú)論對(duì)學(xué)習(xí)者還是教師而言均具有挑戰(zhàn)性。實(shí)踐觀察表明，此種教學(xué)方式在STEM教育的課堂教學(xué)中尚未取得預(yù)期效果，使得創(chuàng)新能力的培養(yǎng)往往流于形式。在此背景下，逆向工程在工程教育領(lǐng)域廣受重視并取得了相對(duì)顯著的教學(xué)效果，在STEM教育中也具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。所謂逆向工程，是“以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物、樣件等作為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、測(cè)量技術(shù)對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行建模、仿真，最終實(shí)現(xiàn)既有產(chǎn)品的優(yōu)化和再創(chuàng)造的過(guò)程”（黃誠(chéng)駒， 2004， p. 8; 祖文明， 2011）。當(dāng)前，大多數(shù)逆向工程研究的教學(xué)目標(biāo)聚焦于產(chǎn)品再設(shè)計(jì)，鮮有面向高階思維能力培養(yǎng)的實(shí)例。單一的教學(xué)目標(biāo)難以滿足教學(xué)的多元化需求，單調(diào)的教學(xué)過(guò)程不易培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、概念理解和問(wèn)題解決能力。鑒于此，筆者曾從工程思維的培養(yǎng)出發(fā)將逆向工程教學(xué)模式細(xì)分為復(fù)原實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，兩者的差異主要體現(xiàn)在物化成果的要求不同，前者的物化成果為復(fù)原的完整產(chǎn)品，后者的物化成果則是創(chuàng)新后的新產(chǎn)品。其中，復(fù)原實(shí)驗(yàn)又可以進(jìn)一步細(xì)分為“解構(gòu)復(fù)原”和“糾錯(cuò)復(fù)原”，而重構(gòu)實(shí)驗(yàn)又可以進(jìn)一步細(xì)分為“要素增減”和“結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”，四種教學(xué)模式既存在共性也存在差異，進(jìn)而構(gòu)成了逆向工程教學(xué)模式的“燈籠模型”，并應(yīng)用于機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育、STEM教育等跨學(xué)科教育實(shí)踐（Zhong， Kang， & Zhan， 2020; 康斯雅， 等， 2019）。

比較逆向設(shè)計(jì)思想和逆向工程教學(xué)法可以發(fā)現(xiàn)，兩者皆要求教學(xué)者從預(yù)期學(xué)習(xí)成果出發(fā)進(jìn)行整個(gè)教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)。在逆向工程教學(xué)中，其預(yù)期學(xué)習(xí)成果大多是經(jīng)復(fù)原或創(chuàng)新后的目標(biāo)產(chǎn)品，而逆向設(shè)計(jì)思想中的預(yù)期學(xué)習(xí)成果則是對(duì)知識(shí)與技能掌握、概念理解和學(xué)習(xí)遷移的預(yù)設(shè)。此外，在逆向工程教學(xué)中評(píng)價(jià)并非只發(fā)生在學(xué)習(xí)結(jié)束環(huán)節(jié)，而是貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)者需實(shí)時(shí)監(jiān)控、評(píng)估、調(diào)整教學(xué)過(guò)程以保證學(xué)習(xí)航線不偏離目標(biāo)產(chǎn)品。因此，逆向設(shè)計(jì)思想與逆向工程教學(xué)法有異曲同工之妙，但同樣存在較為明顯的差別。如果說(shuō)源于大概念教學(xué)的逆向設(shè)計(jì)思想比較適用于學(xué)科本位層面的4C教學(xué)模式，那么強(qiáng)調(diào)工程思維的逆向工程教學(xué)法則更適用于跨學(xué)科教育。在4C模式中，若將兩者結(jié)合，教師就可以在預(yù)設(shè)好學(xué)習(xí)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)實(shí)范例為載體融合預(yù)期學(xué)習(xí)成果（大概念、高階思維等），讓學(xué)生在復(fù)原產(chǎn)品、創(chuàng)造產(chǎn)品的過(guò)程中習(xí)得相關(guān)大概念和高階思維。此系修訂4C模式的另一個(gè)重要視角。

需要說(shuō)明的是，強(qiáng)調(diào)逆向工程教學(xué)并非完全否定正向項(xiàng)目教學(xué)，兩者各有其適用范圍和應(yīng)用價(jià)值，在跨學(xué)科教育實(shí)踐中應(yīng)依據(jù)實(shí)際需求和現(xiàn)實(shí)條件進(jìn)行選擇。對(duì)于4C教學(xué)模式，若將正向項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用其中，在聚類教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生需連續(xù)開展一系列項(xiàng)目活動(dòng)并制作出一類項(xiàng)目作品，在遷移應(yīng)用環(huán)節(jié)則要求學(xué)生在陌生情境中再次開展新一輪的項(xiàng)目活動(dòng)并進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。由于正向項(xiàng)目教學(xué)要求學(xué)生從零開始完成一個(gè)完整的項(xiàng)目，當(dāng)應(yīng)用于4C教學(xué)模式時(shí)，該教學(xué)方法對(duì)時(shí)間消耗和師生能力水平的要求將明顯提高，導(dǎo)致課堂實(shí)施的難度較大，但比較適用于課后研究性學(xué)習(xí)、社團(tuán)課等時(shí)間范圍較為寬松、學(xué)生人數(shù)較少的教學(xué)場(chǎng)景。相比之下，筆者認(rèn)為逆向工程教學(xué)法更適合引入4C模式中，有利于打破項(xiàng)目式教學(xué)（PBL）的高要求，突破實(shí)踐教學(xué)的形式化，促進(jìn)跨學(xué)科教育目標(biāo)的多元化，真正發(fā)揮STEM教育對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教育價(jià)值。

（三）4C模式的修訂與解讀

綜上所述，在4C模式的基礎(chǔ)上，面向跨學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)要點(diǎn)是將跨學(xué)科大概念作為課程內(nèi)容的組織線索，由此形成一個(gè)有結(jié)構(gòu)、有關(guān)聯(lián)的知識(shí)框架。此外，為發(fā)揮逆向工程教學(xué)法在4C教學(xué)模式中的育人價(jià)值，我們將上述“燈籠模型”融入4C模式中，學(xué)生的學(xué)習(xí)可以從一類蘊(yùn)含跨學(xué)科大概念的具體范例開始，在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行產(chǎn)品的復(fù)原，并積極提取、內(nèi)化復(fù)原過(guò)程中所隱含的跨學(xué)科大概念。當(dāng)學(xué)生將概念性知識(shí)再次遷移應(yīng)用于陌生情境中并進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐時(shí)，可幫助其達(dá)到深度理解與遷移創(chuàng)新，在“情境化→去情境化→情境化”的學(xué)習(xí)階梯中逐漸完成跨學(xué)科創(chuàng)新的教學(xué)目標(biāo)。由此可以提煉出新教學(xué)模式的4個(gè)環(huán)節(jié)，分別是“聚類復(fù)原”“概念提取”“關(guān)聯(lián)內(nèi)化”“遷移創(chuàng)新”（如圖4所示）。本部分將對(duì)引入逆向工程教學(xué)法后的聚類復(fù)原環(huán)節(jié)和遷移創(chuàng)新環(huán)節(jié)作重新解讀;因去情境化的兩個(gè)環(huán)節(jié)未有變化，可參見(jiàn)本文第三部分，此處不再贅述。

聚類復(fù)原環(huán)節(jié)的任務(wù)形式可分為解構(gòu)復(fù)原與糾錯(cuò)復(fù)原兩種。在解構(gòu)復(fù)原型任務(wù)中，教師需依據(jù)對(duì)知識(shí)掌握、概念理解與學(xué)習(xí)遷移的預(yù)設(shè)，提供給學(xué)生一類功能相似或技術(shù)相似的正常產(chǎn)品，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，經(jīng)歷對(duì)一類目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行分解與復(fù)原的探究過(guò)程。在實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生一般需要經(jīng)歷四個(gè)步驟（康斯雅， 等， 2019）：①試用與感知，學(xué)生通過(guò)把玩多個(gè)不同類型的產(chǎn)品初步認(rèn)識(shí)目標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖、結(jié)構(gòu)功能;②分解與觀察，學(xué)生通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的解構(gòu)學(xué)會(huì)觀察、了解其組成結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理;③復(fù)原與測(cè)試，學(xué)生通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的正確還原提升自身的責(zé)任感和實(shí)操能力;④評(píng)價(jià)與總結(jié)，學(xué)生通過(guò)對(duì)復(fù)原產(chǎn)品的評(píng)價(jià)全面梳理操作流程、總結(jié)反思所涉及的關(guān)鍵概念和常見(jiàn)問(wèn)題。在糾錯(cuò)復(fù)原型任務(wù)中，教師需要在學(xué)習(xí)預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)上給學(xué)生提供一類功能相似或技術(shù)相似的殘缺產(chǎn)品，讓學(xué)生在系統(tǒng)的糾錯(cuò)訓(xùn)練中查明故障原因，進(jìn)而復(fù)原產(chǎn)品功能（李婷婷， 等， 2017）。在此類學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生同樣需要經(jīng)歷四個(gè)學(xué)習(xí)階段（康斯雅， 等， 2019）：①試用與感知（與上述一致）;②發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與原因分析，學(xué)生通過(guò)分析故障產(chǎn)品以明確問(wèn)題及原因;③方案設(shè)計(jì)與測(cè)試，學(xué)生在反復(fù)測(cè)試的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)故障產(chǎn)品的功能修復(fù)，提升自身的問(wèn)題解決能力與自我效能感;④評(píng)價(jià)與總結(jié)（與上述一致）。簡(jiǎn)言之，聚類復(fù)原環(huán)節(jié)需要鼓勵(lì)學(xué)生以“拆分-復(fù)原”或“糾錯(cuò)-復(fù)原”的方式掌握一類產(chǎn)品的基本構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方法。

在遷移創(chuàng)新環(huán)節(jié)，基于前期復(fù)原的經(jīng)驗(yàn)，在教師的引導(dǎo)與反饋下，學(xué)生需要經(jīng)歷一個(gè)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)再造的探究過(guò)程，并創(chuàng)造出一個(gè)與原產(chǎn)品相似度低的其他產(chǎn)品。因此，遷移創(chuàng)新環(huán)節(jié)注重以滿足或解決實(shí)際需求為導(dǎo)向的產(chǎn)品開發(fā)，其本質(zhì)上屬于一種發(fā)明創(chuàng)造型活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)應(yīng)用和創(chuàng)新實(shí)踐。然而，由于專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備不足與實(shí)踐能力欠缺，“發(fā)明創(chuàng)造”在中小學(xué)教師和學(xué)生中的實(shí)踐難度較大，進(jìn)而導(dǎo)致理論與實(shí)踐“脫軌”。因此，在前期研究中，筆者將創(chuàng)新水平大致分為模仿、微創(chuàng)新、原始創(chuàng)新三種水平（鐘柏昌， 2019）。其中，模仿強(qiáng)調(diào)用新工具、方法、材料解決一個(gè)有成熟解決方案的老問(wèn)題;微創(chuàng)新需要在了解原有事物或解決方案的基礎(chǔ)上做一些有意義的、合理的修改，但并不是從根本上改變?cè)械脑O(shè)計(jì);原始創(chuàng)新則要求對(duì)某項(xiàng)產(chǎn)品、規(guī)則或服務(wù)的全部或核心部分做出開創(chuàng)性設(shè)計(jì)，即需要顛覆原有的設(shè)計(jì)理念、思想或方法，形成全新的特質(zhì)（鐘柏昌， 2018）。囿于實(shí)際條件限制，將創(chuàng)新能力定位在微創(chuàng)新水平較符合當(dāng)前中小學(xué)生能力培養(yǎng)的發(fā)展規(guī)律。根據(jù)重構(gòu)作品的難度系數(shù)和創(chuàng)新水平可進(jìn)一步將微創(chuàng)新分為兩種操作形式：要素增減型和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型。前者強(qiáng)調(diào)在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)或要素等的修改，主要體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的近遷移能力;后者則強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在多學(xué)科的視角下，改造或重新設(shè)計(jì)原有產(chǎn)品、服務(wù)或規(guī)則的局部結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的遠(yuǎn)遷移能力（鐘柏昌， 2018）。實(shí)際上，在聚類復(fù)原環(huán)節(jié)，學(xué)生在從一個(gè)產(chǎn)品復(fù)原到一類產(chǎn)品復(fù)原的過(guò)程中，已具備了模仿能力和要素增減型微創(chuàng)新水平。在此基礎(chǔ)上，概念提取與關(guān)聯(lián)內(nèi)化可以促使學(xué)生進(jìn)一步建立知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)結(jié)，走向結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型微創(chuàng)新（局部結(jié)構(gòu)的再造）或再次開展要素增減型微創(chuàng)新。

需注意的是，強(qiáng)調(diào)微創(chuàng)新并非舍棄基礎(chǔ)性的模仿實(shí)踐，更非放棄高階性的原始創(chuàng)新。學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)應(yīng)以模仿學(xué)習(xí)為起點(diǎn)，在模仿復(fù)制的過(guò)程中不斷積累微創(chuàng)新能力，為原始創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠基。如前文所述，4C模式是一個(gè)循環(huán)迭代的學(xué)習(xí)階梯，在此過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)良、學(xué)生基礎(chǔ)能力較高的學(xué)?？梢约骖櫾紕?chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生在產(chǎn)品復(fù)原、要素增減、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造，培養(yǎng)其原始創(chuàng)新能力。

五、應(yīng)用舉例：“無(wú)聊的盒子”

在新教學(xué)模式的指導(dǎo)下，我們引入逆向工程教學(xué)法，以聚類復(fù)原為起點(diǎn)，采用解構(gòu)復(fù)原型任務(wù)，讓教師在跨學(xué)科大概念的視角下，提供涵蓋基本概念的正常目標(biāo)產(chǎn)品，并經(jīng)過(guò)分類整理后呈現(xiàn)給學(xué)生。

近年來(lái)，“無(wú)聊的盒子（Useless Box）”很受用戶歡迎，其設(shè)計(jì)思想源于“人工智能之父”馬文·明斯基（Marvin Minsky）及其導(dǎo)師“信息理論之父”克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）提出的“無(wú)用的機(jī)器（Useless Machine）”。本部分就以制作“無(wú)聊的盒子（Useless Box）”為例，在新教學(xué)模式的指導(dǎo)下其教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

案例簡(jiǎn)述：本案例主要從三個(gè)相似的盒子范例出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生理解多個(gè)跨學(xué)科大概念，包括循環(huán)、閉環(huán)控制、隨機(jī)與非隨機(jī)、偵測(cè)—響應(yīng)系統(tǒng)、杠桿、長(zhǎng)度與角度等。

基本范例1：體驗(yàn)并還原一號(hào)盒子（如圖5所示）。功能特點(diǎn)：向前推動(dòng)開關(guān)按鈕時(shí)亞克力擺臂就會(huì)升起并頂起盒蓋，擺臂伸出后立馬撥回按鈕使盒蓋關(guān)閉，就像一個(gè)永遠(yuǎn)“打不開”的盒子一樣。

基本范例2：體驗(yàn)并還原二號(hào)盒子（如圖6所示）。功能特點(diǎn)：與第一個(gè)盒子相比，主要差異在于增加了7個(gè)開關(guān)按鈕，用戶可以同時(shí)按下多個(gè)按鈕，但都會(huì)被盒子中的擺臂逐一關(guān)閉，因此這個(gè)盒子也是“打不開”的。

基本范例3：體驗(yàn)并還原三號(hào)盒子（如圖7所示）。功能特點(diǎn)：撥動(dòng)按鈕時(shí)，活動(dòng)支架撐起盒蓋并發(fā)出語(yǔ)音，隨之老虎的爪子也會(huì)伸出撥回開關(guān)并關(guān)上盒子;與前兩個(gè)盒子最大的差異在于老虎的行為不是機(jī)械重復(fù)的，而是隨機(jī)變化的，就像有情感一樣。

教學(xué)流程簡(jiǎn)介：

（1）聚類復(fù)原（C1）：與傳統(tǒng)工程類教學(xué)不同，此案例設(shè)計(jì)了一類隱含了若干跨學(xué)科大概念的范例。通過(guò)基本范例1讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用編程語(yǔ)言的循環(huán)功能重復(fù)實(shí)現(xiàn)“觸動(dòng)按鈕—舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)”動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盒子的簡(jiǎn)單開合功能;通過(guò)基本范例2讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用編程語(yǔ)言的循環(huán)功能實(shí)現(xiàn)盒蓋開合功能的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器的特定語(yǔ)音播放;通過(guò)基本范例3讓學(xué)生利用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的隨機(jī)動(dòng)作與揚(yáng)聲器的隨機(jī)語(yǔ)音播放，再次實(shí)現(xiàn)了一般性的提升。

（2）概念提?。–2）：學(xué)生在解構(gòu)、觀察、復(fù)原三個(gè)盒子后，需要在教師的指導(dǎo)下歸納這一類產(chǎn)品的共同特征和普遍規(guī)律，并進(jìn)行概念提取，如“循環(huán)、閉環(huán)控制、偵測(cè)—響應(yīng)系統(tǒng)、長(zhǎng)度與角度、杠桿”等，從而真正實(shí)現(xiàn)從若干“個(gè)”的學(xué)習(xí)遷移到“類”的學(xué)習(xí)。

（3）關(guān)聯(lián)內(nèi)化（C3）：在提取出一系列新概念后，教師需要通過(guò)概念地圖、思維導(dǎo)圖等工具幫助學(xué)生建立新舊概念之間的聯(lián)系，在討論和辯論的過(guò)程中將抽象概念賦予自身理解并及時(shí)修正可能誤解的概念。例如，通過(guò)基本范例2學(xué)生可將循環(huán)的語(yǔ)音播放功能與音樂(lè)盒的樂(lè)曲播放功能形成關(guān)聯(lián);通過(guò)基本范例3學(xué)生可由此引申到智能變速風(fēng)扇的調(diào)檔功能甚至日常生活中電子屏幕的壁紙隨機(jī)切換功能等。在此過(guò)程中，學(xué)生也會(huì)不斷理解并深化“無(wú)聊的盒子”的基本操作原理，如“隨機(jī)與非隨機(jī)”等。

（4）遷移創(chuàng)新（C4）：基于此，個(gè)體便能將內(nèi)化后的概念性知識(shí)遷移至陌生情境中的具體問(wèn)題中，并進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。例如，教師可再次設(shè)計(jì)一個(gè)具體任務(wù)，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)多個(gè)盒子的組合，或者遷移到廣州塔模型的制作，實(shí)現(xiàn)塔身燈光的隨機(jī)顯示與自動(dòng)切換等功能（莫莉姣， 等， 2021）。促使學(xué)生將自身經(jīng)提取關(guān)聯(lián)后的概念性知識(shí)重新返回至具體情境中去解決新問(wèn)題，從而達(dá)到遷移創(chuàng)新的目的。

六、小結(jié)

綜上所述，面向跨學(xué)科創(chuàng)新能力的4C教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)將跨學(xué)科大概念作為課程內(nèi)容的組織線索，學(xué)生在聚類復(fù)原、概念提取、關(guān)聯(lián)內(nèi)化、遷移創(chuàng)新的過(guò)程中不斷提升自身的跨學(xué)科創(chuàng)新能力。此外，學(xué)習(xí)者從聚類復(fù)原到遷移創(chuàng)新的過(guò)程，實(shí)際上也完成了從模仿學(xué)習(xí)到結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，由復(fù)制到微創(chuàng)新甚至有可能走向原始創(chuàng)新的過(guò)程，在逆向工程的過(guò)程中不斷提升自身的造物能力和創(chuàng)新水平。需要強(qiáng)調(diào)的是，4C教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)的聚類復(fù)原環(huán)節(jié)，需要投入較多的學(xué)習(xí)時(shí)間，屬于“寬口徑”的創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式，故有利于解決傳統(tǒng)意義上“窄口徑”與“高要求”之間的矛盾。另外，聚類復(fù)原環(huán)節(jié)所涉及的一系列樣例產(chǎn)品的復(fù)原，每一個(gè)產(chǎn)品的復(fù)原通常都可以在一節(jié)課內(nèi)完成，因而這一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)可以分散在不同的課時(shí)中進(jìn)行，從而避免了傳統(tǒng)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在課堂教學(xué)中的課時(shí)限制問(wèn)題，有利于在課堂教學(xué)中連續(xù)地展開學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，4C模式的教學(xué)思路為跨學(xué)科創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了一條可資借鑒的路徑。然而，不可否認(rèn)的是，由于該模式強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容的重組及教學(xué)過(guò)程的重塑，在實(shí)施過(guò)程中給教學(xué)者帶來(lái)的挑戰(zhàn)也在所難免。未來(lái)，研究者與教學(xué)者應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，共同探討4C模式指導(dǎo)下跨學(xué)科課程的設(shè)計(jì)策略，推動(dòng)跨學(xué)科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

[參考文獻(xiàn)]

崔穎. 2009. 高校課程體系的構(gòu)建研究[J]. 高教探索（3）：88-90.

格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格. 2017. 追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社.

何麗丹，李克東，鄭云翔，等. 2019. 面向創(chuàng)造力培養(yǎng)的STEM教學(xué)模式研究[J]. 開放教育研究，25（4）：66-74.

何玲，黎加厚. 2005. 促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)[J]. 現(xiàn)代教學(xué)（5）：29-30.

胡航，李雅馨，郎啟娥，等. 2020. 深度學(xué)習(xí)的發(fā)生過(guò)程、設(shè)計(jì)模型與機(jī)理闡釋[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)程教育（1）：54-61，77.

黃誠(chéng)駒. 2004. 逆向工程綜合技能實(shí)訓(xùn)教程[M]. 北京：高等教育出版社.

黃曉冬，俞如旺. 2020. STEM工程教學(xué)模式：涵義、構(gòu)建與應(yīng)用[J]. 教育科學(xué)研究（7）：60-66.

金慧，胡盈瀅. 2017. 以STEM教育創(chuàng)新引領(lǐng)教育未來(lái)——美國(guó)《STEM 2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》報(bào)告的解讀與啟示[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志（1）：17-25.

康斯雅，鐘柏昌. 2019. 機(jī)器人教育中的逆向工程教學(xué)模式構(gòu)建[J]. 現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，31（4）：56-64.

李鋒. 2018. 中小學(xué)計(jì)算思維教育：STEM課程的視角[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)程教育（2）：44-49，78-79.

李瑞雪，王健. 2021. 美國(guó)科學(xué)課程中的跨學(xué)科概念：演進(jìn)、實(shí)踐及啟示[J]. 外國(guó)教育研究，48（4）：102-117.

李藝，鐘柏昌. 2015. 談“核心素養(yǎng)”[J]. 教育研究，36（9）：17-23，63.

李婷婷，鐘柏昌. 2017. 中小學(xué)機(jī)器人教育的核心理論研究——論實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)模式[J]. 電化教育研究（9）：96-101.

李克東，李穎. 2019. STEM教育跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)5EX設(shè)計(jì)模型[J]. 電化教育研究，40（4）：5-13.

林恩·埃里克森，洛伊斯·蘭寧. 2018. 以概念為本的課程與教學(xué)：培養(yǎng)核心素養(yǎng)的絕佳實(shí)踐[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社.

劉徽，程朗. 2020. 大概念教學(xué)建構(gòu)階段的活動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 上海教育（11）：48-57.

劉徽. 2019. 大概念教學(xué)：讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思考——讀《以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育》[J]. 現(xiàn)代教學(xué)（21）：77-79.

劉徽. 2020. “大概念”視角下的單元整體教學(xué)構(gòu)型——兼論素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂變革[J]. 教育研究，41（6）：64-77.

劉景福，鐘志賢. 2002. 基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（PBL）模式研究[J]. 外國(guó)教育研究（11）：18-22.

呂立杰. 2020. 大概念課程設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與實(shí)施[J]. 教育研究，41（10）：53-61.

秦瑾若，傅鋼善. 2018. 面向STEM教育的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)研究：模式構(gòu)建與案例分析[J]. 電化教育研究，39（10）：83-89，103.

莫莉姣，陳嵐鑫，鐘柏昌. 2021. 基于敏捷迭代模型的“廣州塔創(chuàng)意沙盤”開發(fā)與實(shí)踐[J]. 中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)（6）：27-32.

茹寧，李薪茹. 2018. 突破院系單位制：大學(xué)“外延型”跨學(xué)科組織發(fā)展策略探究[J]. 中國(guó)高教研究（11）：71-77.

王磊. 2016. 學(xué)科能力構(gòu)成及其表現(xiàn)研究——基于學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實(shí)踐與遷移創(chuàng)新導(dǎo)向的多維整合模型[J]. 教育研究，37（9）：83-92，125.

王艷廷，王錫朝，張惠娟. 2009. 創(chuàng)新知識(shí)形成的心理三階段分析[J]. 河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），11（3）：83-87.

夏莉穎，鐘柏昌. 2018. 試論STEM教育的兩種取向與四種方法[J]. 中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)（9）：8-11.

許秋璇，楊文正，盧雅，等. 2020. 融入“大概念”的STEM整合課程設(shè)計(jì)模型構(gòu)建與應(yīng)用研究[J]. 電化教育研究，41（7）：86-93.

余勝泉，吳斕. 2019. 證據(jù)導(dǎo)向的STEM教學(xué)模式研究[J]. 現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，31（5）：20-31，84.

約翰·D. 布蘭思福特，等. 2013.人是如何學(xué)習(xí)的——大腦、心理、經(jīng)驗(yàn)及學(xué)校（擴(kuò)展版）[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社.

占小紅，徐冉冉，符吉霞，等. 2019. 工程實(shí)踐活動(dòng)影響中學(xué)生跨學(xué)科實(shí)踐創(chuàng)新能力的實(shí)證研究[J]. 教師教育研究，31（2）：65-74.

張立國(guó)，謝佳睿，王國(guó)華. 2017. 基于問(wèn)題解決的深度學(xué)習(xí)模型[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)程教育（8）：27-33，79.

趙中建. 2012. STEM：美國(guó)教育戰(zhàn)略的重中之重[J]. 上海教育（11）：16-19.

鄭葳，劉月霞. 2018. 深度學(xué)習(xí)：基于核心素養(yǎng)的教學(xué)改進(jìn)[J]. 教育研究，39（11）：56-60.

鄭昱，蔡穎蔚，徐駿. 2019. 跨學(xué)科教育與拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)（Z1）：36-40.

中華人民共和國(guó)教育部. 2017. 義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社.

鐘柏昌，李藝. 2012. 信息技術(shù)課程內(nèi)容組織的三層架構(gòu)[J]. 電化教育研究，33（5）：17-21，35.

鐘柏昌，李藝. 2016. 計(jì)算思維的科學(xué)涵義與社會(huì)價(jià)值解析[J]. 江漢學(xué)術(shù)，35（2）：88-97.

鐘柏昌，李藝. 2018. 核心素養(yǎng)如何落地：從橫向分類到水平分層的轉(zhuǎn)向[J]. 華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），36（1）：55-63，161-162.

鐘柏昌，劉曉凡. 2021. 創(chuàng)新能力培養(yǎng)的學(xué)理機(jī)制與4C教學(xué)模式建構(gòu)[J]. 現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，33（4）：20-32.

鐘柏昌. 2018. 創(chuàng)客教育的內(nèi)涵式發(fā)展：微創(chuàng)新與跨學(xué)科是怎樣“煉”成的[N]. 中國(guó)教育報(bào)，9-29（3）.

鐘柏昌. 2019. 創(chuàng)客教育究竟是什么——從政策文本、學(xué)術(shù)觀點(diǎn)到狹義創(chuàng)客教育定義[J]. 電化教育研究，40（5）：5-11.

祖文明. 2011. 逆向工程技術(shù)的應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 價(jià)值工程（21）：30-32.

Abdulla， A. M.， & Cramond， B. （2017）. After six decades of systematic study of creativity： what do teachers need to know about what it is and how it is measured？[J]. Roeper Review， 39（1）： 9-23.

Bereiter， G. （1985）. Toward a Solution of the Learning Paradox. Review of Educational Research， 55（2）： 201-226.

Gates， A. J.， Ke， Q.， Varol， O.， & Barabási， A. L. （2019）. Nature's reach： narrow work has broad impact. Nature， 575（7781）： 32-34.

Holyoak， K. J. （1985）. The Pragmatics of Analogical Transfer. Psychology of Learning and Motivation， （4）： 59-87.

Lanning， L. A.， & Brown， T. （2019）. Concept-Based Literacy Lessons： Designing Learning to Ignite Understanding and Transfer， Grades 4-10. Thousand Oaks， California： Corwin.

National Research Council. （2013）. The Next Generation Science Standards [EB/OL]. Retrieved June 22， 2021， from https：//www.nextgenscience.org/sites/default/files/AllDCI.pdf

Perkins， D. N.， & Salomon， G. （1988）. Teaching for Transfer. Educational Leadership， 46（1）： 22-32.

Zhong， B.， Kang， S.， & Zhan， Z. （2020）. Investigating the effect of reverse engineering pedagogy in K-12 robotics education. Computer Applications in Engineering Education. https：//onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/cae.22363.

收稿日期：2021-06-23

定稿日期：2021-07-26

作者簡(jiǎn)介：鐘柏昌，博士，教授，博士生導(dǎo)師;劉曉凡，碩士研究生。華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院（510631）。

責(zé)任編輯 劉 莉