跨学科创新能力培养的学理机制与模式重构

       [中图分类号]G420 [文献标识码]A [文章编号]1009-458x(2021)10-0029-10

       一、研究缘起：跨学科培养学生创新能力为何重要

       在创新驱动的发展模式下，创新能力成为21世纪人才的关键特征，如何培养学生的创新能力也成为我国教育改革与发展的热点。例如，中共中央、国务院于2016年印发的《国家创新驱动发展战略纲要》，要求推动教育创新，改革人才培养模式，把科学精神、创新思维、创造能力和社会责任感的培养贯穿于教育全过程。2019年中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》再次明确指出，要创新人才培养方式，培养学生的创新精神与实践能力。

       创新能力的培养不仅有高低之分，而且有学科差别。一般而言，可以依据迁移能力的远近来界定创新能力的高低，低创新能力表现为学生能够利用所学知识解决与原学习情境相似的问题，而高创新能力则表现为学生能够突破原学习情境，利用所学知识解决与其极不相似的其他问题。即便如此，所谓创新能力的高低也只是相对而言的，且会随着发展阶段和对象不同而变化。依据学科类型和创新能力培养水平的不同，可以将目前教育领域中学生创新能力的培养分为四种类型(如图1所示)，分别为：“单学科—低创新”“单学科—高创新”“多学科—低创新”“多学科—高创新”。其中，“单学科—低创新”是当前创新能力培养的普遍现状，即在传统分科教学中不仅知识交叉薄弱，而且缺少对学生创新能力培养的机会。虽然以数学、物理、化学等学科竞赛为代表的单学科教育方式能够提升学生的创新能力(“单学科—高创新”)，但竞赛的选拔门槛较高，一般面向“尖子生”，难以普惠全体学生。

      

       图1 创新能力培养现状图

       近几年，跨学科创新一词广受关注，并成为心理、经济、数学等学科领域的重要研究方向(Abdulla & Cramond，2017)。据相关统计，1901-2016年具有多学科背景的诺贝尔奖合作获奖人数从35％增长至87.6％(茹宁，等，2018)。另外，有研究在总结全球已发表的8.8万个高质量创新水平的科技论文的基础上，发现学科之间的交叉关系越来越密切，这也说明跨学科创新已成为全球科技发展的基本趋势(Gates，Ke，Varol，& Barabási，2019)。显然，新的科学发现或重大技术创新往往产生于学科交叉领域，单一领域的专业知识将难以有效解决复杂问题，这对创新人才的知识结构和能力提出了更高要求(崔颖，2009)。从这个意义上说，跨学科教育将成为未来创新人才培养的重要方向(郑昱，等，2019)。在学科融合的趋势下，以STEM教育为典型代表的跨学科学习有助于激发学生的创造性思考，拓展知识的广度与深度。近年来，随着国家政策的不断倡导，国内学者对STEM教育的关注度日益提升，并高频提及创新思维、创新能力的培养。遗憾的是，目前有关STEM教育的研究往往受制于项目式教学(PBL)的高要求而异化为实践教学，未能有效发挥STEM教育对创新人才培养的教育价值，从而出现“多学科—低创新”的普遍现象。因此，如何实现“多学科—高创新”是当下亟须关注的重点，即研究如何在跨学科学习中有效提高学生的创新能力。为区别单一学科内培养学生创新能力的做法，本文将这种基于跨学科教育培养学生的创新能力称之为“跨学科创新能力”，即通过跨学科教育培养能够跨学科解决问题的创新能力。

       二、研究综述：跨学科创新能力培养的途径与方法

       所谓跨学科创新能力，指“在某些创造活动中，凭借自身个性品质，利用已有的跨学科、跨领域的知识和经验，新颖而独特地解决问题，产生有价值的新思想、新方法和新成果的本领”。(占小红，等，2019)美国于2013年颁布的《新一代科学教育标准》(Next Generation Science Standards)将跨学科教育理念引入K-12科学教育，强调“以跨学科思维及其跨学科概念来整合各学科的核心概念，建立起科学与工程实践相结合的、新的人才培养路径”(赵中建，2012；金慧，等，2017；National Research Council，2013)。这种做法对我国培养中小学生跨学科创新能力有较重要的参考价值。2017年，基于STEM教育的跨学科教育理念也被写入我国《义务教育小学科学课程标准》，并给出了中国版的解释：“一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，一种将科学、技术、工程、数学有机融合，促进学生创新能力培养的跨学科学习方式。”(教育部，2017，pp.5-63)在此基础上，国内诸多学者聚焦跨学科创新能力的培养进行了大量研究。

       一是从教学要素创新的视角开展研究。例如，基于对沃勒斯(Wallas)的创造过程四阶段模式、克罗多纳(Kolodner)的科学探究学习循环模型等的借鉴，何丽丹等(2019)从教学目标、教学活动、教学环境、教学评价四个方面构建了面向创造力培养的STEM教学模式。又如，李克东等(2019)将问题驱动、思维培养、实践能力培养、创新尝试和效果检测作为设计跨学科学习活动的基本要素，提出了跨学科学习活动的5EX设计模型。

       二是从工程设计过程的视角开展研究。例如，黄晓冬(2020)等通过分析工程设计内涵、工程设计要素、科学探究与工程实践教学流程等，构建了以工程设计为核心，凸显科学探究、数学模型为工程设计服务的STEM工程教学模式。又如，钟柏昌等(2018，2019，2020)从反思传统项目式教学(PBL)的问题出发，将工业生产领域的逆向工程方法引入机器人教育中，构建了逆向工程教学的“灯笼”模型，着力培养学生的微创新能力，并将其迁移应用到STEM教育领域。

       三是从证据思维、设计思维或计算思维的视角开展研究。例如，为解决当前STEM教育发展中存在的问题，余胜泉等人(2019)在基于证据的学习理论指导下，构建了证据导向的STEM教学模式。该教学模式关注学习过程，注重证据收集和应用，旨在夯实学生的知识基础，继而提升其实践创新能力。又如，秦瑾若(2018)等围绕STEM教育的核心理念，借鉴典型的设计型学习模型，以学生创新探究能力培养、师生活动和教学环境为起点，以跨学科融合、循环迭代、过程体验、问题解决为核心，构建了面向STEM教育的设计型学习模式。再如，李锋(2018)提出了面向计算思维教育的STEM课程设计策略，旨在通过跨学科整合、基于学科标准和建立学习支架等方式，实现计算思维与其他领域的结合，提升学生在数字化环境中的创新力。