本书在很大程度上融入了美国《K—12年级科学教育框架》和《下一代科学标准》的主要思想和观点，尤其是实践或跨学科学习的观点。本书是美国教育从业者、教育政策制定者、教育研究人员和创客的智慧结晶，他们用创新的前沿的方法激发诱导年轻人学习科学技术。本书包含13个章节内容，选编了有关科学与技术学习的创新性课程计划的真实案例，这些案例发生在学校、博物馆、社区中心、虚拟平台等地方。每个章节都介绍了学习方法，重新点燃了孩子们学习STEM的内在动力和天生好奇心。本书可为教育决策者、实践者、研究者和课程编制者提供借鉴。
【1元秒杀专区】
【内容简介】
本书是中小学STEM教育丛书中的一种，在很大程度上融入了美国《K—12年级科学教育框架》和《下一代科学标准》的主要思想和观点，尤其是实践或跨学科学习的观点。本书包含了13个章节内容，选编了有关科学与技术学习的创新性课程计划的真实案例，是美国教育从业者、教育政策制定者、教育研究人员和创客的智慧结晶。每个章节都介绍了激发孩子们学习STEM的内在动力和天生好奇心的教学方法。
【作者简介】
主编赵中建，为华东师范大学人文社会科学重点研究基地华东师范大学课程与教学研究所研究人员，国际与比较教育研究所教授、博士生导师，兼任国家基础教育课程与教学改革专家委员会委员,国内早系统研究中小学STEM教育的教育研究人员。
【目录】
导言 设计•制作•游戏：培养下一代科学创新者…1
章 创客的思维模式…6
第二章 玩得开心：学习、实践和创造…11
第三章 设计、制作、游戏与K—12 年级科学教育学习目标的联系…16
第四章 纽约科学馆设计实验室：没有无聊的孩子！… 31
第五章 寓学于乐？…44
第六章 博物馆和科学中心为家庭学习设计创客空间…61
第七章 终极街区派对：架起科学学习和游戏活动之间的金桥… 80
第八章 导电面团电路实验…100
第九章 教学资源区：教育者的创客宫殿…115
第十章 修补设计…135
第十一章 科学游戏：激励学生全情投入并参与科学学习的引导游戏…150
第十二章 开辟自主道路，培养下一代发明家…165
第十三章 马诺新技术高中：聚焦STEM 学校新浪潮…183
作者简介…194
致谢…201
译者后记…202
【前言】
导言
我希望大家思考一下，如何用创造性的新方法使年轻人热爱科学与工程，无论在科学节、机器人竞赛还是制汇节等其他活动中，鼓励年轻人去创造、建构和发明，鼓励年轻人成为物品的创造者而不仅仅是消费者。
——奥巴马总统在国家科学院的讲话
（2009年4月29日）
我们寻求机会，使现今的年轻人成为备受激励和富有热情的科学技术学习者。为达此目的，本书叙述了科学与技术创新性课程计划的真实案例，我们希望本书能够成为决策者、实践者、研究者和课程编制者的参考资源。我们运用“设计-制作-游戏”（Design-Make-Play，DMP）来阐明提高动机和促进学习的参与式的方法论。
缘由
谷歌2011年度国际科学竞赛的优胜者是三位年轻的女性。她们的项目不仅证实了应用科学来解决问题的明确愿望，还显示了她们如何运用包括学校教育在内的整个社区的资源来应对各种挑战。这三位年轻的女性早在幼年时期就对科学充满着好奇。她们修读高级科学课程、体验内容充实的科学项目活动，参加各种科学竞赛，并得到了家庭成员以及其他育养者的各种支持，正是这些支持孕育了她们的成功，她们也因此获得了各种奖励和认可。她们准备上大学并终进入科学技术领域工作，她们对自己拥有极高的期望，希望在大学毕业后继续攻读博士研究生课程。
当发现科学是一种看待世界的方法时，她们每一个人都深深地爱上了科学，因为科学能使她们具备解决问题的能力，并能应对人类面临的各种挑战。更为重要的是，她们成功地将自己的信念、热情与发展机会结合起来了，这正如我们的一位同事所言：“在发现那些值得解决的问题方面，这些姑娘拥有非同寻常的能力。”
我们可以做到的是，把科学呈现为一种具有创造性的、能动手做的和充满激情的活动，从而使年轻人热爱科学技术。
本书所描述的故事，与我们所知的美国学校的科学教育内容、教师和课本传授科学的方式以及学生学习科学的方式是截然不同的。如今，美国小学阶段科学教育的授课时间每周不足3小时。越来越多的证据表明，等级水平的高利害测验正严重地使学校课程偏重于教授需要考试的学科，而较少关注不经常考试的学科（如科学）。此外，即使每周分配若干课时给科学课程，学生很可能只是记住教科书的内容并回答每一章所列的问题，而不是参与解决现实世界的问题，现实世界的问题解决才是保持年轻人热爱科学学习的关键。
未来可以是，而且必须是不同的。
我们知道如何做才能激励儿童。有用的或许就是激发儿童对周围世界的内在好奇心。儿童天生好奇，渴望学习，这一点甚至与坚定的科学家不相上下。然而，这种火花——心理学家称之为内在动机的火花——却常常在入学早期就被外在的学习目标和学校的期望所熄灭。
幸运的是，研究表明，通过设计环境有可能重新点燃这一学习的天然动机。这种环境能
够支持并促使学生投身于有意义的活动，消除学生的焦虑和惧怕，提供与学生的技能相匹
配的挑战。
卡内基公司高级研究所数学与科学教育委员会（Commission on Mathematics and Sci?ence Education）主张，为了使这样的转变取得成功，我们必须将目前向学生“讲授”科学的体系予以转变，以帮助学生在相互关联的、真实世界的、跨学科的问题情境中获得批判性问题解决技能和探究技能。尽管数学与科学教育委员会的研究清晰地表明，年轻人深度关切与科学工程相关的当代问题并且很愿意去解决这些问题（如健康问题和全球变暖），我们还需要开发一些能够激励学生热爱科学的学习实践活动，以及一些能够激励学生并支持其深度学习的教学方法。
本书的框架
美国国家研究委员会（National Research Council）新近出版的《K—12年级科学教育框架：实践、跨学科概念和核心观念》（以下简称《框架》）为编制下一代科学标准打下了基础。
《框架》认可“科学是应对世界紧迫之挑战的关键”的观点，并试图确保：
到高中毕业时，所有学生都能欣赏科学的美丽和奇迹；掌握足够的科学和工程知识去参与相关议题的公开讨论；成为日常生活中关注科学技术信息的细心消费者；能够在学校之外继续学习科学；拥有能够进入自己所选职业的技能，包括（但不限于）科学、工程和技术领域的职业。
《框架》描绘出一条适于科学学习的重要的新路，认为科学学习必须与科学和工程的实践密切联系，必须使学生经过若干年后能够理解和欣赏科学事业。
我们对“设计-制作-游戏”学习方法非常重视，这可以看作是对新版《框架》的一种诠释。“设计-制作-游戏”学习方法是一种能够提高年轻人科学想象力的方法。
设计——迭代、挑选和安排要素以形成一个整体，人们通过这种方法创造手工制品、系统和工具，以解决各种大大小小的问题。作为工程和技术的核心过程，设计以一种整合和激励人心的方式成为教授科学、技术、工程和数学（Science, Technology, Engineering, ndMath；STEM）内容的有力手段。通过设计过程，一个人学会如何辨别问题或需要，如何思考各种选择及其约束条件，如何做计划、建模型、用迭代方法解决问题，如何提高高阶思维技能和实实在在的可见的技能。基于设计的学习促使学生成为批判性的思考者和问题的解决者，并将科学和技术作为应对今日世界紧迫挑战的强有力工具。
制作——手工拆解或制作物品，享受了解物品工作原理的个人乐趣。早在制订科学规则之前，人们就通过制作物品参与科学训练。这帮助我们去做需要做的事情，或者说制作出来只是为了乐趣。一场静悄悄的革命正在全国各个社区全面铺开。这一革命深深地植根于我们人类的特征，并有转变为科学学习的潜能，这就是众所周知的“创客运动”（Maker Move?ment）。受《制作》杂志（http://makezine.com）和“制汇节”［1］（Maker Faire, http://makerfaire.com）成功的激励，创客们因为共享的喜悦而聚集在一起，这种喜悦来自于修修补补、应对问题、创造以及反复使用各种材料和技术，创客运动蓬勃发展。创客身上需要的本质特征——深度参与内容、实验、探究、问题解决、合作以及学会学习——正是使STEM学习者备受鼓舞和保持热情的要素。
游戏——一种时常涉及制作理念、发明和创新的有趣而自愿的活动。在科学学习和乐于游戏、发现以及探究的天性之间，存在着很强的相似性。两者都受到好奇、调查和探索的激励，而且两者的核心就是创造力。游戏鼓励建立由不同参与策略组成的一种多元化生态，从思维活跃到沉思不语，从亲身体验到接受指导。贯穿所有这些策略的主线是一种没有压力的探究和发明，这正是科学学习中产生创造性思维和创新的本质特征。
撰稿者
我们很高兴，来自各领域的卓越的研究者、理论工作者和“设计-制作-游戏”的实践者汇聚这里，包括《制作》杂志和“制汇节”创始人、麻省理工学院终身幼儿园集团主任、获奖的高中校长、博物馆的教育家以及其他人员。我们希望读者发现本书给人启迪，具有说服力，且颇为有趣。
多尔蒂（Dale Dougherty）在《创客的思维模式》（Maker Mindset）一文中指出：制作是创新的一个重要源泉，也是令创客对自己感到满意的要素。由于引入新技术的成本并不昂贵，“创客运动”正在全国广泛展开和发展，并且具有在正规和非正规教育下催化出创新性科学学习的巨大潜力。
卡里尔（Thomas Kalil）在《玩得开心：学习、实践和创造》一文中指出：奥巴马总统希望年轻人“成为创造者而不仅仅是消费者”，并且高度赞赏“创客运动”对STEM教育的精髓支撑和实践支持。创客为了乐趣而设计并制作物品，分析计算这些物品如何才能工作，并可以随意改变这些物品的用途。“创客运动”是一种自然的强有力的途径，使孩子们对科学和技术倍感兴奋。许多联邦机构正在推动“创客运动”，同时还需要私人组织和公共团体的努力。
奎恩（Helen Quinn）和贝尔（Philip Bell）在《设计、制作、游戏与K—12年级科学教育学习目标的联系》一文中指出：国家研究委员会（NRC）发布的新版《框架》扩展了K—12年级科学学习的目标，并把工程实践包括其中。这些工程实践展示了很多非正规科学学习的方式和途径，而这类学习又经常与“设计-制作-游戏”活动相联系。因此，正规和非正规的方式和途径支持着学生有效地参与科学和工程学习的共同目标。
贝内特（Dorothy Bennett）和莫纳汉（Peggy Monahan）在《纽约科学馆设计实验室：没有无聊的孩子！》一文中指出：当设计的任务能迅速被理解并能从多方面进行STEM学习时，基于设计项目的学习能够使不爱学习的学生参与进来。
佩特里奇（Mike Petrich）、威尔金森（Karen Wilkinson）和贝文（Bronwyn Bevan）在《寓学于乐？》一文中指出：精心设计的修补活动能够激发学生的意愿、参与、创新和合作，可以为学生提供参与科学和工程实践的机会，这无论在认识论还是本体论上都是颇有意义的。
布拉姆斯（Lisa Brahms）和维尔纳（Jane Werner）在《博物馆和科学中心为家庭学习设计创客空间》一文中指出：在“创作工坊”（MAKESHOP），孩子及其家人利用材料、工具和流程加上各种想法，参与到真实的制作体验中。这是一种合作的和迭代式的发展过程，过程中充满着对设计本质特征的密切关注。这种体验使参与者享受一种充满活力、共享的学习过程。
佐旭（Jennifer M. Zosh）和费雪儿（Kelly Fisher）等人在《终极街区派对：架起科学学习和游戏活动之间的金桥》一文中指出：初，终极街区派对在纽约市的中央公园举行，专家传播了这样的信息，即“游戏学习”不仅有趣，而且对于儿童的发展至关重要。超过5万人参加了几十场这样的活动，这有助于展示游戏的强大力量。
托马斯（AnnMarie Thomas）在《导电面团电路实验》一文中提到：使用导电的和绝缘的自制面团替代金属线，制作和探究简单的电路。如果不喜欢自己做好的电路，那就压扁它，
然后重新再开始。这个项目已经在家庭、学校或博物馆等不同的场合中试验过。
西蒙（Mary Simon）和布朗（Greg Brown）在《教育资源区：教育者的创客宫殿》一文中指出：RAFT是一个关注“动手做”学习活动的创新性非营利组织。它给教师们提供了一个装满了工业废品（如硬纸管、层压板样品、过时的信笺）的库房，同时还提供了写有各种想法的教学活动页、教学活动配套装备以及教师专业培训。
雷斯尼克（Mitchel Resnick）和罗森鲍姆（Eric Rosenbaum）撰写了《修补设计》一章。修修补补是一种富含趣味性、实验性和反复性的设计活动，人们在其中不断地评估目标，探寻新路径，并设想新的可能性。技术可以鼓励和支持修修补补活动，正如Scratch 和Makey Makey这两个计算工程包所证明的，鼓励年轻人参与修修补补。
坎特（David E. Kanter）、洪瓦德（Sameer Honwad）等人撰写了《科学游戏：激励学生全情投入并参与科学学习的引导游戏》一章。游乐场的游戏可以利用游戏的力量鼓励行为的、情感的和认知的参与，同时支持学生学习科学内容。未来的工作将会关注具有引导性的游戏，这些游戏能自动地将数据从游乐场传回到科学课的课堂，从而进行科学探究和更深入地学习科学内容。
瓦索尔（Elliot Washor）和莫伊科夫斯基（Charles Mojkowski）是《开辟自主道路，培养下一代发明家》一章的作者。学校需要让所有学生成为爱捣鼓的科学家，也就是说，成为能够并乐于运用科学、数学以及技术工具和过程来应对他们生活中和职业中所面临的现实世界的挑战。
宰普斯（Steven Zipkes）撰写了《马诺新技术高中：聚焦STEM学校新浪潮》一章。包含的族裔学生的马诺新技术高中位于得克萨斯州，其学生人口种族多样，所有的课程都围绕基于项目的学习予以组织。学校的教学成果极为出色。学生的出勤率连年攀升，在过去的五年中超过了97%。在2009—2010学年，马诺新技术高中的届学生毕业，达到了100%的毕业率，也即零辍学率。每一位毕业生均升入大学，而且84%的学生都升入四年制大学学习。此后的第二年即2010—2011学年，学校的第二届毕业生同样是100%的毕业率和零辍学率。其中，97%的毕业生进入高等院校求学，80%的学生就读于四年制大学。
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创客运动持续着增长的势头。我们可以看到互联网上创客团队的不断成长和创客空间的蓬勃发展，以及制汇节（Maker Faire）在世界各地的广泛传播。3D打印和阿德伟诺（Arduino）电子平台［2］等新技术的引进加速了创客运动的发展——更快速的原型设计和工具制造，更便捷的部件采购和产品的网络直销创造了更多市场机会；根据个人兴趣和技术能力，具有某个共同目标的跨地域的人们建立起了各种各样的互联网社区，这些都大大促进了创客运动的繁荣。
其实，创客运动源于一个非常偶然的个人行为，我称之为“实验室的小游戏”。当我开始编撰《制作》［3］杂志时，我意识到创客们是一群热衷于玩技术而学习技术的人群。一项新兴技术对于创客们如同一份游戏邀请函，他们能从中获得巨大的满足感——创客们运用新技术，拆解物体并尝试完成一些连制造商都无法想象的制作。无论是否有人告诉他们3D打印技术难题或无人驾驶飞机能做什么，创客们总是试图不断探索某些东西到底能做些什么，从中，他们不断有所收获。在这一过程中形成的新观点可能会引领现实社会的技术运用或新的产业投资。制作正成为创新的源泉。
技术不断点燃创客运动的同时，也成为一种囊括各种制作方法和各种类型制造者的社会运动，既联系着过去，又改变着我们对未来的认识。的确，创客运动看起来在重建人们根深蒂固的文化价值观，即在历史和文化中沉淀而来的人类的自我认识。正如法兰克•比达特在他的诗歌《致玩家》（Advice to the players）中所写的：“我们这群生灵的使命就是去创造。”
同时，创客在寻求作为消费者的其他选择，拒绝受限于购买的产品。创客对自己“能做什么”和“能学做什么”有着很明确的认识，他们如同艺术家一样，驱动力来自内在目标而非外在奖励。创客从他人的作品中汲取灵感。重要的是，他们不坐等未来的创新和制造，他们感到必须立马付诸行动——不然将彻底失去行动的机会。
尽管制造业曾经是美国中产阶级对社会的主要贡献，但如今却已不再是社会的主流活动或宏愿了。当今社会，制造业虽依然繁荣兴旺，但已居于社会的边缘。就像不走寻常路的艺术家或作家一样，创客更愿意把自己当作旁观者，不遵循传统的路线，像那些创新者一样，开辟自己的道路。显而易见，我们应该鼓励更多的年轻人去探索、创新、发现和开辟属于自己的道路。
对于创客运动来说，的挑战和的机遇就是转换教育成果。我希望这种变革的代理人是学生自己。技术使学生能越来越多地控制自己的生活，即使简单的手机也能改变人们的生活方式。学生在寻求受教育的主导权，渴望经历具有创造性和刺激性的体验。很多人能区别受教育的痛苦和真正的学习带来的愉悦。遗憾的是，他们被迫到校外去寻找机会来表达和证明自己。
正规教育已经成为一个严肃的事业，其成功与否取决于对抽象思维及高风险测试的检测结果。这样的教育导致了游戏时间和内容的缺乏。如果说学生在校外做的事情主要是游戏的话，那么，这些游戏场所正是创新和创造产生的地方。
尽管少数精英人士在学术水平上表现得很优秀，但僵化的学术体系改变了几乎所有的学生。无论如何，越来越多的质疑指向现有教育，那些即使在学术上取得成功的人也未必是我们需要的那种具有创新精神、创造性思维的思考者和实践者。
斯图尔特•布朗（Stuart Brown）博士在其《游戏：如何形塑大脑，开启想象，激励精神》（Play: How It Shapes the Brain, Opens the Imagination, and Invigorates the Soul）一书中讲述了喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，以下简称JPL）的故事，即实验室的工作人员意识到，尽管他们雇用了好、聪明的大学毕业生，但是仍然在选择人员上犯了错。在这群人参与实验室工作的过程中，一些变化悄然发生：
喷气推进实验室的管理人员在回顾退休工程师时发现，无论年轻时还是年老时，解决问题式的雇员常会把钟拆卸成一个个部件，以了解其架构和工作原理，或是做德比赛车的临时展台，或是建造高保真音响，或是修理电器。从学校毕业的年轻工程师们也同样做过这样的事情，他们用双手去“玩”。这样的人正是管理者所需要的能解决问题的人才。而那些没有用双手“玩”过的人，基本上都不是解决问题的高手。正是基于这点，JPL向应征者设置了称为“年轻人的项目和游戏”的入职面试的基础模块。通过调查，JPL的管理人员发现游戏有神奇的魔力。
尽管有一定的难度，但我们必须试着把这种神奇的魔力带入校园。我所关注的是为学生创造一个场所，让他们能在这里使用一些工具、材料及专业技能进行创造。这种场所被称
为创客空间，可共享手工艺课、家政班、艺术工作班、科学实验室等各方面所具备的资源。实际上，创客空间就是一个混搭场所，让各种类型的技能通过创客们和项目进行整合。
我们可以创建一个工作坊或创客空间，可以得到一些工具和材料。但除非我们能培养
出创客的思维模式，否则就无法培养具有创新思维的思想者和行动者。
斯坦福大学心理学教授卡罗尔•德韦克（Carol Dweck）曾在其《思维模式》（Midest）一书中指出固定型思维模式和成长型思维模式的区别：具有固定型思维模式的人倾向于认为个人能力是固定的，且这些能力似乎不受他们的控制，而具有成长型思维模式的人认为个人能力是可以发展、促进和改善的。成长型思维模式的人能够容忍挑战和失败，而固定型思维模式的人则避免这种挑战和随之带来的挫败。哪种思维模式会帮助人们适应这个瞬息万变的世界并对之有所贡献是显而易见的。德韦克教授指出，很多学术见长的人有固定的思维模式，而正是这种模式限制了他们去探索个人擅长以外的领域。反之，许多在学校学习中表现欠佳的人对别人关于他们在数学、科学等学科中能力的评价深信不疑。以上两种思维模式的人，由于对自我的认识受限而自暴自弃，这将影响到他们对未知新领域的探索和未知潜能的自我发掘。创客活动就是发掘一个人的全部潜能。
德韦克教授关于成长型思维的图解对于创客的思维模式来说很受用，创客持着“你知道你就能做”的乐观进取的态度。这种态度促使创客们不断将新的想法转化成各种现实，这个过程就是不断去更新和完善一个项目。这是一个通过分享作品和专业见解参与到由不同年龄的人组成的创客团队中去的机会。创客活动可以成为一种引人入胜的社会实践经历，建立起周遭的人际关系。
通过教育培养创客的思维模式从根本上来说是人类的课题——为了支持人们心理和情感的发展，而不仅仅是生理成长，学习过程应关注完整的人，因为任何一个真正有创造力的企业所需要的是完整的人而不只是人的一部分。学习也应该根植于人类擅长的、面对面的知识和能力的分享。
人们有理由担忧，在教育改革中，创造有可能被归为一种失败的教育方法。创造被形象地描述成“基于项目的学习（Project?based Learning）”或者“动手做学习（Hands?on Learn?ing）”。然而，“做”项目和动手实践只是看上去像在创造，其实并非如此。让•皮亚杰（JeanPiaget）在其《理解即创造》（To Understand Is To Invent）一书中写道：“教育应该引导孩子建构解决问题的方法，从而促成孩子内在的蜕变，而非浅显的表面的改变”。这就是指导一个孩子去执行一项任务和让这个孩子自己找出完成任务的方法之间的区别。这种自我转化、个性化和社会化改变才是制作的核心所在。
以下是将创客运动引入教育的一些想法：
•创建培养创客思维模式——一种鼓励学生坚信能学会做任何事情的成长型思维模式的环境。
•在教“制作”的过程中建立一个新的实践体，培育一群实践者。
•在不同的社团环境中设计和发展不同类型的创客空间，以满足无法共享相同资源的不同需求。
•基于大量学生感兴趣的校内外工具和材料，确定开发和共享项目的大框架和资源包。
•为学生、教师和社团之间的合作沟通设计和主持在线网络社交平台。
•特别为年轻人开发项目，让年轻人成为创客的引领者，带领更多来自校内创客和校外项目、夏令营和其他社区环境的人成为创客。
•创建和策划社区展览，以提供机会让学生们展示与其他创客共同完成的作品和创作过程。这样一来，更多的年轻人也有了新的机会参与其中。
•允许个人和团体建立参与创客群体的记录，这样更有利于学术和专业的提升，与此同时也促进了学生的个体成长。
•打造教育环境，将实践创造和正规学术理论相联系；通过引入现代设计的新工具和创造思维的新方法来支持探索和创新（实际上，这意味着要为教师、导师和其他领导者开发指南）。
•培养全体学生的综合能力、创造力和自信心，让他们成为个人生活和社会团体的促变因素。
总而言之，我们可以根据场所、项目和实践活动组织相应的活动。基于上述多种想法的考虑，一项非营利性的创客教育计划（http://Maker Ed.org）在2012年春正式予以实施，其目的是为年轻人提供更多创造的机会。在创客这一综合性的学习过程中，年轻人建立自信心、培养创造力，点燃在科学、技术、工程和数学或艺术上的兴趣学习。创客教育计划将着手帮助现有的组织（如图书馆）来吸引和发展年轻的创客们，使得不同年龄的创客们能够积极地向学生和教育者传递“制作是所有努力的关键组成部分”的观念。
后，引用约翰•博伊德（John Boyd）的话来说明“制作”是理解科学和技术为什么重要的钥匙。博伊德先生对于教育的目的是这样描述的：“其目的是使人们越来越明显地看到科学、工程和技术如何提高我们与现实世界的互动和应对现实世界中越来越多问题的能力，而这个现实正是我们身处其中并依存的社会空间。”
我们在教育中所追求的变化，是我们从周围看到的变化的一部分，我们也能从自己身上找到这种变化。如果与我们生存的世界的互动能引领和激发我们去创造的话，那我们就是创客。
【书摘与插画】
