研究表明，STEM教學持續時間越久，創造力培養效果越明顯。
來源|《開放教育研究》2019年6月 第25卷第3期
作者 | 周榕 李世瑾
編輯 | 申晴
摘要
培養創造力被認為是STEM教學的主要目標。然而，STEM教學真地能提高學生創造力嗎？國內外學者已開展了大量實驗與準實驗研究，研究結論尚未統一。鑑於此，本研究採用元分析方法，以「STEM教學對學生創造力的影響」為主題，對2008-2018年國內外42項實驗研究文獻進行量化統計。
研究發現：1）納入研究的合併效應值為0.36，這說明STEM教學對提高學生創造力具有中等偏小的正向影響，且在創新思維、創新實踐能力、創新人格與心理等層面不存在顯著差異；2）從學段看，STEM教學對高中生創造力影響最大；3）從學科看，在創新科技類學科（信息技術、STEM課程、機器人、3D列印等）中實施STEM教學，對創造力的促進效果較明顯；4）從教學周期看，實驗周期愈長，STEM教學對創造力的影響效果愈明顯；5）從教學主題看，科學探究和原型創造類教學主題對創造力的影響較明顯；6）從教學方式看，探究式、問題式、設計式和項目式教學對創造力有中等偏小的正向影響，且四類教學方式無顯著差異；7）從教學場域看，實驗室和生活場景類教學場域對創造力影響較明顯。基於上述發現，本研究建議降低STEM學習的認知負荷，優化STEM教學主題設計，實現STEM教學的學段貫通以及構建STEM教學的創新場域。
關鍵詞：STEM教學；創造力；元分析；調節效應
一、問題提出
STEM教育的主要目標是培養學生創新精神、創新能力和實踐能力（ Parker et al.，2015；餘勝泉等，2015）。能否形成創造性文化和創新性成果，被認為是判斷STEM教育發展階段的重要指標（趙慧臣等，2017）。然而，STEM教學是多學科融合、面向複雜學習的過程，其對創造能力的影響須藉助嚴謹的實驗加以驗證，而非簡單體驗或主觀判斷（Judson，2014）。因此，國內外學者積極開展實驗研究，探討STEM教學與創造力的關係，並得出三種迥然不同的結論。
第一種觀點認為，STEM教學對學生的創造力確實有提升作用。例如，韓國慶尚大學孔梁雲等通過實驗研究發現，STEM教學能顯著提高小學四年級學生的創新實踐能力，其中科學探究、工程設計能力提升最明顯（Kong＆Huo，2014）。雷諾茲等通過STEM教學發現，實驗組的創新思維與創新心理顯著高於對照組（Reynolds et al.，2008）。吳永和等（2018）通過實驗研究發現，STEM教學實踐活動能顯著提高大學生的學習興趣及跨學科創新實踐能力。孫江山等（2016）利用心理旋轉測試和威廉斯創造力量表，發現STEM活動能顯著提高初中生的創新思維和空間能力。
第二種研究結論證實STEM教學能提升部分學習能力，但對創造力無直接影響。例如，耶伊爾德勒姆等研究發現，STEM教學對小學生的創造力沒有顯著影響，但對小學生的學習興趣、動手實踐能力有正向作用（Yildirim＆ Sidekli，2018）。張屹（2017）、趙月（2018）等研究表明，STEM實踐對小學生的自我效能感、問題解決能力、小組協作與交流能力等有顯著作用，但對創造力無正向影響。
第三種結論全面否定了STEM教學對創造力的影響。例如，卡維耶蒂等（Cervetti et al.，2012）以937名小學生為研究對象，開展以閱讀理解、科學寫作為主題的STEM教學結果顯示，小學生的創造力沒有顯著變化。湯斯（Townes，2016）的研究同樣表明，STEM教學並未顯著提升初中生的學習態度、創造力水平。
元分析是對同一主題的多項實驗結論進行分析的量化研究方法。它通過計算平均效應值（ Effect Size，簡稱ES），探尋結論不一致的單項研究之間的共性，從而獲得普適的研究結論（Lipsey & Wilson，2000）本研究對國內外42項實證研究進行元分析，嘗試回答：1）STEM教學真地能提高學生創造力嗎？2）STEM教學提升創造力，是否受學段、學科、教學周期、教學主題、教學方式及教學場域等的影響？
二、研究方法與過程
元分析方法遵循嚴格的程序，組織、抽取、整合、分析同類研究，並以平均效應值客觀評價現有研究結論。本研究嚴格按照哈裡斯庫伯等的元分析步驟開展文獻分析（Cooper et al.，2009）。
（一）研究方法
本研究提取42項研究的樣本量、均值、標準差等參數，採用實驗組與控制組之間的標準化均差值為效應值（Standardized Mean Difference，簡稱SMD），並以此效應值表徵STEM教學對學生創造力影響的整體效果，其函數關係為:
n1和n2分別表示實驗組和對照組的樣本量，X1和X2分別表示實驗組和對照組的均值，s1和s2分別表示實驗組和對照組的標準差。
（二）研究過程
1.文獻檢索
文獻檢索分兩輪進行。第一輪是在中國知網（CNKI）、萬方資料庫、維普資料庫（VPCS）以及Google Scholar、Web of Science、ERIC等資料庫中進行大範圍檢索。其中，STEM教學搜索關鍵詞包括「STEM Teaching」「STEAM Teaching」「STEM Learning」「STAEM Learning」，創造力關鍵詞包括「Creativity」「Creative Achievement」「Creative Ability」。
第二輪採取引文回溯法，即利用參考文獻追溯查找「引文」。本研究在剔除重複文獻後，共獲得7938篇文獻；初步篩選樣本題目、摘要後得到586篇文獻；對文獻全文初讀得到263篇文獻。
2.遴選標準
文獻遴選標準如下：1）研究主題為STEM教學對學生創造力的影響；2）研究方法為隨機對照實驗或準實驗研究；3）實驗對象為在校學生，不包括社會人士或成人學習者；4）研究數據應包含平均值、標準差、樣本量、t值、P值等，以便計算出實驗效應值。本研究最終獲得42篇有效文獻樣本（國外文獻25篇，國內文獻17篇），符合元分析統計「樣本量不少於30」的分析標準（宋偉等，2013）。此外，實驗總樣本為6680，效應值為80（部分研究包括多個效應值）。
3.特徵值編碼
不同研究通常包括多個特徵值。為便於分析，本研究將文獻作者、出版年份、實驗人數（實驗組與對照組人數）、學習者學段、教學學科、教學周期、教學主題、教學方式及教學場域作為編碼對象。兩位研究員對42個樣本進行獨立編碼，Cohen Kappa一致性係數為0.92，滿足0.7的統計學要求，說明特徵值編碼結果有效（ Yildirim＆Simsek，2011）。
學段編碼包括小學(1～6年級)、初中(7～9年級)、高中(10～12年級)、大學及以上（專科、本科及研究生）。學科編碼為數學、機器人、科學、STEM、地理、化學、生物、信息技術和3D列印。教學周期編碼為0～3個月、3～6個月和6個月以上。參照不同的實踐目標（傅騫等，2016），教學主題編碼為結果驗證、科學探究、工程製作和原型創造。教學方式編碼包括探究式、問題式、設計式及項目式。教學場域編碼包括普通課堂、實驗室與生活場景。
本研究參照「腦—手—心創造力模型」（Kozbelt et al.，2010），將創造力類別編碼為A類：創新思維（邏輯思維、批判思維、跨學科思維、發現問題、解決問題、創新想像、空間能力）；B類：創新實踐能力（科學探究、實踐操作、工程設計、技術應用能力）；C類：創新人格與心理（認知能力、團隊合作、主動參與、學習興趣、學習態度）。實驗結果編碼為提高、部分提高、未提高（見表一）。
4.數據分析框架與工具
本研究將STEM教學設定為自變量，創造力（創新思維、創新實踐、創新人格）為因變量，學段、學科、教學周期、教學主題、教學方式和教學場域為調節變量，以 Review Manager 5.3（Rev Man）為數據分析工具，利用漏鬥圖、森林圖、效應值、異質性檢驗等分析結果表徵研究效應。
三、研究結果
（一）發表偏倚檢驗
羅斯坦等強調，元分析樣本出現發表偏倚時，會導致效應值遠大於實驗真實值，直接影響元分析結果的準確性和可靠性（Rothstein et al.，2006）。本研究採用漏鬥圖對42項樣本進行發表偏倚檢測。樣本源均分布於漏鬥圖的上部有效區域，兩側數據對稱且向中線靠攏，說明納入的42項元分析樣本科學有效，出現發表偏倚的可能性極小（見圖1）。
（二）異質性檢驗
異質性檢驗是防止因存在異質性而無法合併效應值。研究採取統計量方法判斷樣本的異質性程度。通常，≥75％時採用隨機效應模型，0≤≤75％時採用固定效應模型消除異質性，以防研究結果出現偏差（Borenstein et al.，2009）。42項元分析樣本的異質性結果（見表二），故本研究採用隨機效應模型消除樣本的異質性，以保證分析結果的科學性。
（三）STEM教學對學生創造力的影響
本研究首先分析 STEM教學對學生創造力影響的整體效應，然後從創新思維、創新實踐能力以及創新人格與心理三方面探究STEM教學對不同類別創造力的影響效果。
1.STEM教學對創造力的影響
STEM教學對創造力影響的整體效應森林圖見圖2。結果顯示，42項實驗研究的合併效應值SMD為0.36，其95％CI為0.24～0.48，Z=5.93（P<0.05），達到顯著水平。根據科恩效應值統計理論，0.2、0.5、0.8、1分別表示影響效果的較小、中度、中上、較強水平（Cohen，1992）。STEM教學對創造力影響的合併效應值處於0.2至0.5之間，說明整體而言，STEM教學能夠在中等偏小程度提高學生的創造力。
2.STEM教學對不同類別創造力的影響
STEM教學對不同類別創造力的影響見表三。所有類別創造力的效應值均大於0，說明STEM教學對不同類別的創造力有正向影響。A類創新思維SMD＝0.42，B類創新實踐能力SMD＝0.44，C類創新人格與心理SMD＝0.33。三者的效應值均小於0.5，說明STEM教學對創新思維、創新實踐能力以及創新人格與心理的提升作用均處於中等偏下水平。
從組間效應看，這說明STEM教學對不同類別創造力的影響不存在顯著差異。
（四）調節變量效果檢驗
本研究通過分析學習者學段、教學學科、教學周期、教學主題、教學方式及教學場域等六類調節變量的影響差異，探究STEM教學中影響創造力生成的關鍵要素。
1.學段的調節效應
STEM教學在不同學段對創造力的調節作用明顯不同，其組間效應，P＝0.047＜0.05（見表四）。效應值排序為高中（SMD=0.52）＞初中（SMD＝0.44）＞大學及以上（SMD＝0.38）＞小學（SMD＝0.20），說明STEM教學在高中階段的影響最明顯，達到中等程度。STEM教學對初中、大學及以上、小學的學習者創造力的影響較低，均處於中等偏下程度。國內普遍認為，高中階段學業壓力大，無法長期和有效開展STEM教學。但STEM理念真正滲透到日常教學，將對提升高中階段的學習績效產生關鍵作用。
2.學科的調節效應
不同學科對創造力發展的影響差異顯著，其組間效應，P＝0.004＜0.05（見表五）。效應值排序為：信息技術（SMD＝0.81）＞STEM課程（SMD＝0.48）＞機器人（SMD＝0.44）＞3D列印（SMD＝0.36）＞化學（SMD＝0.34）＞數學（SMD＝0.32）＞科學（SMD＝0.25）＞生物（SMD＝0.19）＞地理（SMD＝0.08），說明在創新科技類學科（如信息技術、STEM課程、機器人、3D列印等）中實施STEM教學，對創造力的促進效果最明顯，而在生物、地理等傳統學科的應用效果較弱。
3.教學周期的調節效應
不同教學周期對創造力的調節作用差異顯著，組間效應，P＝0.032＜0.05（見表六）。效應值排序顯示，實驗周期愈長，STEM教學對創造力的影響效果愈明顯。持續6個月以上的教學，對創造力的提升作用達到中等程度（SMD＝0.48）；3-6個月的教學效果稍差（SMD＝0.44）；低於3個月的教學，創造力培養績效僅達到較低水平（SMD＝0.27）。這與羅賓遜等的研究結果一致，即學生創造力的受影響程度與教學周期正相關（Robinson et al.，2014）。
4.教學主題的調節效應
四類主題的STEM教學對創造力都有正向影響，其效應值處於0.4～0.6之間（見表七）。組間效應，P＝0.018＜0.05。其中，科學探究類（SMD＝0.53）、原型創造類（SMD＝0.51）教學主題對創造力培養有中等偏上效果，工程製造類（SMD＝0.48）、結果驗證類（SMD＝0.42）等主題的培養效果為中等偏下程度。從驗證型STEM到探究型STEM，研究成分越來越多，STEM學習就是實現從驗證到創新的突破，增強學習者的自主性和創造性（呂延會，2017）。
5.教學方式的調節效應
問題式、探究式、設計式和項目式等教學方式對創造力培養有正向影響，效應值處於0.3-0.5之間（見表八）。不同教學方式的組間效應10.46，P＝0.072＞0.05，無顯著差異。這說明教學方式並非是影響創造力生成的決定因素，不存在絕對意義的「最佳方法」或「黃金模式」，探尋與教學目標和內容相適應的恰當方式，才是STEM教學設計的核心任務。
6.教學場域的調節效果
三種場域對創造力的影響效果差異明顯，其組間效應 P＝0.009＜0.05。其中，STEM實驗室、STEM學習中心等場所的教學效果最佳（SMD＝0.37），在各類生活場景（家庭環境、社會場所、校外場館等）開展教學的效果稍弱（SMD=0.33），普通課堂實施教學的效果最差（SMD＝0.24）。這符合布爾迪厄場域理論的基本假設：作為連接社會和個人的中介，教學場域的活動資源和技術支持越豐富和越有針對性，有效學習行為越可能發生。
四、結論與討論
元分析結果表明，STEM教學能整體提高學生的創造力，但對創新思維、創新實踐能力及創新人格與心理不存在顯著影響。學段、學科、教學周期、教學主題及教學場域等變量均對創造力培養效果有顯著正向影響和明顯調節作用，但不同教學方式帶來的差異不顯著。
（一）STEM教學對創造力的積極正向影響
元分析結果表明，STEM教學能激發創新思維及創造行為。其作用機制可理解為：STEM整合相互分離、割裂的學科知識，使學生按照關聯、動態、系統的方式理解世界，在發散思維—聚合思維的迭代循環中發展創新思維（Park＆Yoo，2013）。同時，STEM教學通過面向真實情境的複雜問題，引導學生經歷完整的科學求證過程（Tati et al.，2017），從中獲得創新實踐的直觀體驗、非良構知識、科學理性及自我管理策略。此外，STEM教學能通過協作活動，支持不同認知水平、思維特徵和知識背景的學生進行自我表達，在互通情感和相互激勵中建立自我認知，塑造創新人格與心理。
然而，STEM教學對不同類別創造力的最大效應值為0.44，仍屬中等偏小程度。這說明STEM教學的實際成效並不盡如人意。研究表明，STEM教學對教師和學生提出了更高要求（ Yildirim＆Sevi，2016）。STEM學習中，無論是知識綜合應用、複雜問題的創造性解決還是科學探究活動的完成，都依賴於動作圖示、符號圖示或運算圖示的正確運用。當學生認知圖式不健全或者圖示構建存在困難時，會產生認知負荷。過高認知負荷使創新成為「精神的負擔」，而非「快樂的源泉」（Yildirim et al.，2018）。這提醒我們，應理性認識STEM學習中的認知障礙，並通過控制認知負荷提升STEM教學績效。
（二）不同變量對創造力培養的調節效應
調節效應檢驗結果表明，STEM教學對創造力的影響存在邊界條件，體現在學段、學科、教學周期、教學主題、教學場域及教學方式等方面。
學段方面，STEM教學對高中生創造力提升最顯著，根源在於心智模型（簡潔思維、發散思維、邏輯思維和逆向思維）成熟度對創造力生成的影響。高中階段的學生學科知識儲備基本完成，問題解決所需的智慧技能與學習管理所需的認知策略也已具備。路塞茲等證明，高中階段是自我認同形成和發展的關鍵時期，高中生跨學科應用STEM知識的實踐需求會刺激認同感的保持（Lou et al.，2010）。可以說，高中生的知識水平與心智水平均處於創造力發生的最佳階段，因而能在STEM學習中獲得高績效。
學科方面，創新科技類課程最容易實現創造力培養。可能的原因是，創新科技類學科基於信息技術展開，新技術本身對創新意願刺激較強。加之此類學科內容多以設計、製作等創造性應用為主，更貼近STEM教學要求。教師開展教學設計時，亦容易將跨學科的概念融入產品製作或原型設計。而且，創新科技類活動是創造性、開放式的問題解決過程，能為學生提供創新實踐、綜合應用STEM相關學科知識的機會，促進學生高階認知和創新機制的發生（Cotabish et al.， 2013）。
教學周期方面，STEM教學持續時間越久，創造力培養效果越明顯。這與雷諾茲等關於學生創新能力培養與教學周期正向相關的研究結論一致（Reynolds et al.，2008）。STEM教學持續周期越長，學生完成複雜學習和深度學習的經驗越豐富，能夠建立充分的自信以應對創新活動的困難與阻礙。羅賓遜等指出，教學周期越長，學生對STEM元認知及角色期待越明顯，越傾向於參與自主探究活動，並在合作交流中形成樂觀自信的態度（Robinson et al.，2014）。
教學主題方面，科學探究與原型創造類主題較工程製造與結果驗證類主題，更易激發創造力。對比可知，前兩類主題面向學習者「未知」的對象，強調邏輯推斷、探索求真或者藝術想像與創意實現，需要邏輯的左腦思維與發散的右腦思維交替互補才能完成。後兩類主題面向「已知」的現象或「可見」的產品，強調知識的綜合理解與工程實踐，更多依賴左腦思維。因此，將開放式探究有效融入探索實踐，引發全腦思維，是STEM教學主題設計的關鍵（王佑鎂，2019）。
教學方式方面，採用問題式、探究式、設計式或項目式教學不會對創造力培養帶來明顯影響。科學哲學理論認為，創新思維發生的起點和基礎是科學問題（付冰垚，2014）。這類問題需包含足夠的科學知識、方法論和經驗性材料。同時，它還必須能從多角度分析，且有助於更好地實踐。無論這種科學問題最終表現為挑戰性問題、設計型任務、探究式任務還是綜合性研究項目，只要具備上述特徵，就滿足激發創新思維的條件。
教學場域方面，在實驗室進行STEM教學更有利於培養創造力。事實上，STEM教學場域可理解為由參與創新活動的要素相互作用而構成的實踐網絡（張國舉，2007）。各種外在的因素通過場域的社會關係空間對創新主體產生作用，使其表現出特定的創新屬性和行為特徵。實驗室能有效連接正式學習與非正式學習、真實環境與虛擬空間。較之普通課堂，實驗室提供的資源和關係網絡更系統，更容易協調STEM教學的創新主體、行為和結果間的關係，獲得更多創造性成果。
五、思考與啟示
基於元分析結果，STEM教學應關注對認知負荷的控制，並充分利用學段、教學周期、教學主題及教學場域的調節作用提升績效。
（一）降低STEM學習的認知負荷
如前所述，降低認知負荷是STEM學習有效發生的必要條件。約翰斯威勒提出的認知負荷效應理論可用於優化STEM教學（Sweller et al.，2011）。例如，用目標自由的題目代替特定目標的傳統題目，促進學習遷移的發生；向學習者提供問題解決樣例和部分解決方案，幫助學習者建立認知圖式；利用口頭和多種視覺信息代替單一的書面文字，拓展有效工作記憶的容量；精煉教師的指導內容，減輕外部認知負荷；多採用想像和心理練習替代傳統的附加練習，並使用高交互的學習材料；增加任務特徵、呈現方式、操作情境的可變性，並在面對高挑戰性任務時，積極採用集體學習方式。
（二）優化STEM教學主題設計
元分析顯示，科學探究和原型創造類教學主題對學生創造力的影響較顯著。因此，STEM教學設計應積極尋找跨學科、貼近現實的主題，並儘可能提升主題的可探究性。例如，從傳統學科（如科學課、數學課）的拓展內容中尋找主題，通過觀察學生的日常行為發現代表性現象或問題，對社會熱點問題進行篩選和梳理等。此外，藉助美國國際技術與工程教育協會（ITEEA）開發的I-STEM模式（管光海，2017），教師可以對主題的領域（知、行、思）、類型（內容、特性、影響、情境、過程）、內容（包含共同核心概念和關鍵內容）進行界定，並最終獲得跨學科和探究性的STEM教學主題。
（三）實現STEM教學的學段貫通
元分析結果表明，STEM教學對中學階段學生創造力的影響效果較顯著，對大學生的影響效果明顯下降。這很大程度上是因為STEM教學尚未形成連續統。所謂連續統，指人們認識和實踐的對象在時間上連續不斷、空間上緊密關聯、性質上相互交融的統合整體（鍾志賢，2005）。STEM教學應是包括創新精神、創新潛力、創新知能、創新實踐為一體的連續統。這種連續首先體現在創造力培養目標的貫通上。小學階段的STEM教學應強調創新素養和創新潛力的培養。中學階段的STEM教學應強調創新知能和創新思維的形成。大學階段的STEM教學應強調高階思維、創造性問題解決能力和創新實踐能力的形成。
元分析結果同時表明，隨著教學周期的延長，STEM教學對學生創造力的影響效果持續增加。因此，保持STEM課程內容和教學時間的連續，並關注學段銜接問題有重要意義。美國的經驗為我們提供了兩條可行之路：一是設立跨學段的STEM教學試驗項目，如面向小學、初中和高中的項目引路（Project Lead The Way）以及面向初中、高中和大學的Ten80學生汽車挑戰賽（Ten80 Student Racing Challenge）項目（CTEq，2013）；二是構建跨學段的STEM連貫課程群，如亞利桑那州立大學聯合宇航局開發的面向小學至研究生階段的火星教育項目STEM課程（Mars Education at Arizona State University，2002），北卡羅來納州科學和數學學校設立的貫穿初中、高中和大學等學段的精英課程等（ NCSSM，2016）。
（四）構建STEM教學的創新場域
依據布迪厄場域理論，教學場域被認為是物理形態場域與意義形態場域的相互交融（馬維娜，2003）。STEM教學場域的物理形態表現為適應創新的環境資本（即創新資源條件），精神形態表現為創新主體的性情傾向系統（即慣習，主體在場域中積澱下來的主觀精神結構，如態度、行為習慣和價值觀）。元分析結果表明，STEM實驗室更有利於培養創造力，正是源於其所具有的豐富資源和良好的創新氛圍。
因此，STEM教學應儘可能將有利於創新的資源連結起來。這方面可效仿北美大學聯盟的做法（Kober，2015），以現有電教中心或電教室為基礎，整合校園網、多媒體教室、智慧教室、創客空間、學科實驗室等校內資源，並聯合博物館、科技館、圖書館、行業基地等校外資源，構建融合性的「STEM學習中心；同時，關注STEM教學場域中對慣習的塑造，通過建立「尊重創造」的價值導向、打造積極的創造行為者、提高創造結果的精神回報、形成「科學為本」的思維默契，最終完成創新自覺和科學精神的養成。
總之，本研究對國內外42項實證數據進行元分析，對「STEM教學真地提高了創造力嗎？」問題作出基本回答。研究仍存在不足：一是研究樣本局限於中英文文獻，會因語言的局限漏檢部分文獻；二是調節變量效應值的樣本數量較少。未來還需持續關注STEM教學實證研究的新結論，並通過引入更多視角挖掘影響創造力的潛在調節變量，如基於學生視角的STEM學習協作參與度、交互複雜度，基於教師視角的STEM教學內容整合方式、學習支持服務類型與技術應用水平，以及基於管理者視角的STEM教學師資配置政策、績效考核方式等。
基金項目：2013年陝西師範大學中央高校基本科研業務費專項資金項目一般項目「信息環境下免費師範生專業創新能力協同成長機制與策略研究」（13 SZYB14）。
作者簡介：周榕（通訊作者），博士，副教授，碩士生導師，陝西師範大學教育學院，研究方向：STEM教育、智慧教育與創新能力；李世瑾，碩士研究生，陝西師範大學教育學院，研究方向：STEM教育。
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