中小学开展创客教育的研究_陕西教育网

中小学开展创客教育的研究

日期:2017年03月19日  来源:新浪博客 慧翅教育  作者:万锦棠  

 

中小学开展创客教育的研究
单位:虎门镇东方小学
姓名:万    锦    棠
        当前传统教育对学生的对手能力培养明显不足,而今年李克强总理在政府工作报告提到“大众创业,万众创新”。[1]美国地平线报告2014年高等教育版中指出,在未来五年内,美国高校学生有从知识的消费者转换为创造者的趋势。创 客的培养显得尤为重要,创客教育为全民创客提供人才的保障。日前在珠三角地区,首个创客教育论坛在深圳召开,与会的专家学者就所在城市如何落实创客教育的 开展作了介绍,并且就创客教育如何发展展开了讨论。创客教育的开展进入了百家争鸣的阶段,文章介绍了几个以项目学习方法开展的创客教育实例。还针对中小学 阶段,草拟了一份创客教育课程纲要以供参考。
关键词:创客教育  创客教室  STEAM  App Inventor 慕课 Scratch
       创客,简单来说就是把自己想到的东西想办法去制造出来的人。创客教育的目的在于培养一批动手能力强,勇于实现自己想法的小创客。看看下面的例子:2010年12月31日,深圳的卢驭龙同学(当时是高中生)利用课余时间,发明50万伏的静电装置,他身穿保护服做闪电实验,触摸高压电弧的图片《男子触摸高压电》获2010年度经济及科技类单幅银奖。2010年他发明《晶体管式等离子弧双声道扬声器》并且为该技术申请了国家专利。[2]14岁的乔伊·哈迪(Joey Hudy), 一个年轻的创客和企业家。在白宫,用他自己设计制作的棉花糖大炮让奥巴马惊叹不已。以上两位都是名符其实的小创客,然而他们的成功并不是由我国现行的传统 教育培养出来的,因此我们需要开拓一种创新教育模式,来弥补传统教育对学生动手能力培养不足的缺失。创客教育正好能为我们解决这方面的问题。
一、创客教育在中外的发展现状
       在国外,[3]美国政府在2012年初推出了一个新项目,将在未来四年内在1 000所美国中小学校引入“创客空间”,配备开源硬件、3D打印机和激光切割机等数字开发和制造工具。创客教育已经成为美国推动教育改革、培养科技创新人才的重要内容。美国地平线报告2014年高等教育版中指出,在未来五年内,美国高校学生有从知识的消费者转换为创造者的趋势,而创客教育在这一过程中起到十分重要的作用。
在国内,今年李克强总理在政府工作报告提到“大众创业,万众创新”。全民创客成为未来的发展趋势,创客教育为培养创客提供保障,最早提出创客教育概念的温州中学的谢作如老师和北京景山学校的吴俊杰老师,他们一直在大力推动和宣传创客教育的发展。现在许多地方正在筹建适合中小学的创客教室,制定适合中小学生不同学段学习的的创客课程。
2015年6月19日笔者参加在深圳宝安举行的珠三角创客教育论坛,了解到一些大城市对于开展创客教育的先进做法。1、来自广州大学生命科学学院的杨礼香教授提出:尝试让中学配高校的资源,由大学教授指导孩子进行创新,或者让中学生跟大学教授一起做课题。他们目前正在开展的项目有手机开发程式app inventor,由华南理工大学和几所试点中学一起合作。由高校教授指导中学生开发手机应用程式,学生在他们的指导下,能够开发出手机写日记,课堂点名系统,短信自动回复等程式。2、来自广州市青少年科技教育协会的黄国锦老师,向大家介绍广州实施的“全民创客的活动”计划。活动市科协组织,只要学生个人、家长或老师有好的创意,科协都会帮助他们实现,从资金的扶持到技术的支援全方位帮助全民创新。3、 来自深圳大学的彭于权教授提出:让创客教育走向社会,由社会上的创客空间或企业直接委派技术骨干到学校任教,他认为只要这些技术人才补充教育学,心理学方 面的技能,完全可以胜任教师的职能。他以深圳学子卢驭龙的成功经验为案例,提出让学生直接接触到社会上的前沿科技,将会更有利于他们的创新和发展。4、 来自东莞青少年活动中心的高星原部长提出创客教育要重视骨干教师的培养,东莞市通过多种形式的培训活动让创客教师获得更多的交流和学习机会。在支持创客教 育发展方面,东莞市近年来投入过千万,在全市建成百所创新人才基地,给予有能力开展创客活动的学校提供资金和政策上的支持。东莞每年举办的智能机器人竞赛 活动以及创新比赛活动,为小创客们提供展示的平台并且让他们的作品获得更多公正和专业的评价。
二、在中小学开展创客教育所具备件的条件
       开展创客教育的目的是提高学生的动手能力,所以需要的硬件、软件资源比较多,对于创客教室是有特定的要求。创客教育在教学形式上采用翻转课堂的形式可以提高学生的学习兴趣。创客教育包含STEM(科学、技术、电子、数学)的学科整合,采用慕课方式组织课程可以大大提高资源的共享,也有利于学生进行在线交流,成果共享。下面总结了几点中小学开展创客教育所具备件的条件,以供参考。
(一)开源硬件、3D打印机以及图形化编程语言程序为创客教育提供底层支持。
       1、开源硬件价格低,入门容易。arduino的普及让开展创客教育的师生可以在很短时间内开发出属于自己的产品。更重要的是它的价格低,可以让绝大部分学校和家庭负担得起,在某宝网站上15元一片还送数据线。还有nodemcu wifi 模块,它可以直接进行wifi远程控制,兼容arduino IDE开发系统,还附带有基于安卓的SDK开发代码,物联网的开发可以做到一步到位。
       2、可视化编程工具不但免费,而且可以直接控制硬件。Scrarch,App Inventor软件提供强大丰富的可视化编程功能,Scratch这款软件小学生非常喜欢学习。根据笔者的经验只要教会孩子一些基本的程序结构方法,他们便会创造出很多令人惊喜的作品。小学二年级的小朋友就可以学习这款软件了。不仅如此,Scratch还可以被二次开发,当前已经有国内的厂商把它进行二次开发并改名为Mblock,S4A和Mblock可以把arduino uno作为测控板来使用。[4]App Inventor是一个基于云端的、可拖曳的手机应用软件开发环境。它将枯燥的编码转变成积木式的拼图,使手机应用软件的开发变得简单而有趣。即使不懂得 编程语言,也可以开发出属于自己的手机软件,具有零基础、无门槛、组件多、功能强和出错少等特点,此外还支持乐高NXT机器人,想要用手机控制机器人的时候,只需要使用按钮、文字输入等基本元件即可。
       3、3D打印机,功能强大,技术成熟。3D打印在前几年动辄要上万元,令很多学校望而却步。但随着技术的日渐成熟,开源硬件越来越多被技术人员掌握,现在一些几千元的3D打印机已经可以打印出高质量的作品,很多学校现在都已配备。学生在制作过程中,往往需要订制许多小零件,这些零件往往不容易购买得到,这个时候3D打印将会是个很好的帮手。
(二)在线教育的发展,让创客教育以翻转课堂方式开展成为可能。
近年来,现代教育信息化已在全国铺开。以东莞为例,在2014年 教育局向全市中小学校推广“微课掌上通”应用程式,老师,学生,家长都可以通过这个应用进行交流和互动,同时市教研室更组织全市各中小学老师参与微课、优 课资源的建设,为日后推广慕课教学,以及翻转课堂做好准备。创客教育适合采用以学生为主体的教育模式,所以非常适合以翻转课堂的方式展开教学,该教学模式 既提高学生的学习兴趣,增强自主学习能力,也方便学生进行小组交流学习。配合项目计划,学生就可以利用“微课掌上通”平台开展相关的项目学习。
(三)创客教室的筹建与课程时间的安排
       1、场地的需求
根据笔者的经验,开展创客 教育的场地如果有一个一百来平方米(电脑室大小)的场地就可以满足需求。能够容纳二十名学生同时上课(实验期间以小班上课形式),有位置摆放各种套件和工 具,还要有一个区域专门来用摆放学生的作品。多媒体设备是必须具备的,它可以方便学生和创客老师之间的分享和交流。一些比较耐用的桌椅,以方便学生开展创 作。对中小学而言,创客空间的成员还要学习一些基础的创客类课程,如3D建模,3D扫描和打印操作,S4A、Arduino IDE和App Inventor等编程入门等,这些课程都将用到电脑,所以大致上可分为以下五个区:学习区、测试区、器材存放区、作品展示区、3D打印区。

创客教室平面布局
       2.创客教室的设备配置
  创客教室可以给学生动手制作的机会,他们可以使用各类金属、木制、塑料以及电子工具进行创作,将想法实现出来。所以3D打印机和小型车床、焊台、万用表等工具应该是标配的(小学的创客课室可以减少配置一些对学生存在比较大安全隐患的设施)。另外每名学生要配备一到两种开源硬件模块,如前面提到的arduino uno R3开发板,另个还要购置一些常用的模块供学生做实验之用,比如LED模块,光敏传感器、拾音器、可变电阻等等。最好每套器材都专门购置一个盒子,让学生负责收纳和管理。为了提高老师的教学水平,有条件的学校还可以购买信号发生器,示波器等器材。
3.保证有足够的创作时间
  曾经有老师提出,创客 教室最好能在课余时间甚至节假日都开放。但是考虑这样会大大加重创客教师的工作量,而且也会增加家长和孩子的负担。笔者见议采用课堂教学与虚拟课堂相结合 的方法来解决长时间开放创客教室的问题。采用翻转课堂的形式,老师通过学习平台在网络上发布项目,并且把相关的学习资料和微课资料发布到相应项目栏目中。 学生通过移动设备在家,在校进行对理论知识的自主学习。遇到问题可以在线咨询老师或者其他同学,或者带着问题回到创客课堂上与老师,同学们一起研究和探 讨。
三、采用项目学习的方法开展创客教育
       经过多年来的研究,笔者发现在开展创客教育可以选择跨学科 知识的项目作为切入点如:制作“可以调速的小车”,就要用到物理,数学,电子,编程等学科的知识。另外,因为对学生来说自己寻找学科之间的联系比较困难, 所以老师需要将这些关系解释清楚。项目学习方法是一种不错的选择,请看下面的例子。
       第一个例子:2011年,笔者接触到基于项目的学习(PBL)。开展项目学习,首先是选择项目主题。孩子们先各自提供项目,再经过他们的投票,筛选出“防止儿童遗留校车报警装置”为项目,第二步,项目分析,分配任务。几个小学五年级的学生运用信息技术知识搜索儿童遗留校车相关案例并通过小组讨论分析意外发生的原因,让学生寻找解决问题的方法。结果有学生在小区的自动楼梯灯中找到灵感, 他给大家提出见议:在校车内加装热释电传感器[1],检测车内是否有人。第三步,根据小组的阶段性成果,动手制作。得到学校的支持后,小组购买了一些零件,经过反复的试验和搜索资料,小组的成员终于在一个用树脂板做成的模型中安装好这套试验装置。第四步,作品展示与学习评价。对学生的学习过程评价以及作品的展示,笔者就利用东莞市每年都举办的中小学的创新比赛为平台,让学生带着自己的作品向参赛的师生展示自己的作品,向大家讲解装置创作的理念和功能,回答观众提出来的各种疑问。
       第二个例子:2012年,[5]笔者在信息技术课堂让学生以小组合作的模式办起“旅行社”,然后根据小组讨论设计一款“旅游产品”(制订旅游计划:包括出行的线路,景点的介绍,出发的日期,旅行期间的当地的天气情况,入住的酒店,乘坐的交通工具)。学生非常感兴趣,他们到旅行社找了十几张旅游指南回来做参考。学生在制作这份“旅游产品”时非常投入,自己从信息技术书本上找到查找资料的方法,自己从网站上下载酒店的信息,通过自学和请教老师和家长,学会如何用EXCEL筛选平价而且靠近景点的酒店。通过沟通和协商,小组的另一些同学在确定的出行日期和目的地后负责查找天气信息和机票及高铁票的信息。最后每个小组以“推销旅游产品” 的形式推选一名代表在班里向全班的“顾客”进行“推介”。这个活动进行过程中笔者对家长做一项问卷调查,结果有85%的家长支持这样的教学模式,学生对这种样学以致用的教学方式非常接受,觉得很有趣,很喜欢这种贴近生活的教学模式。
       接下来笔者又采用基于项目的学习方法引导学生完成了《公交车自动灭火装置》、《自动滴灌系统》、《竞速计时器》、《互动媒体游戏之——小 猫闯迷宫》的创客作品制作,取得了不错的教学效果。在此强调一下,积极参与市青少年活动中心举办的机器人比赛,创新大赛,既可以提高学生的表达能力又能够 通过平台让学生的作品得到权威、公平公证的评价。上面的案例虽然有代表性,但不够系统,在新的学年里,东莞市教育局正组织成立东莞市创客教育课程研究组, 对创客教育的课程和相关活动的组织安排作一个系统的部署。
四、创客老师的培养
       东莞青少年活动中心的高星原部长提出“创客教育要重视骨干教师的培养”。以广州已经成立的“广州教育创客空间”为例。它由市科协资助,让创客教师有一个相互交流和学习的地方,创客空间配置有3D打印机,激光切割机,以及一些开源硬件和电脑。广州政府已投入三千万资金,继续在全市开展这样的试点。让创客老师到高校里进行培训,不定期开展3D打印、开源硬件设计、机器人技术交流等活动。在开展教师进修的同时,教育部门也积极鼓励青年教师开展创客课程,把积累的经验互相交流分享。
通过借鉴这些大城市培养创客老师的经验,笔者在今年向东莞市征集发展创客教育的建议中,提出了以下促进创客教师成长的八点建议:
       1、    积极开展创客教育师资培训,从考核和评价体系上对创新型教师作出倾斜;
       2、    分片区建立教育创客空间,投入足够的资金给教育创客空间购买设备的器材。让创客教师有交流和学习的机会,有动手实践的机会;
       3、    鼓励创客老师在所在单位开展创客教育活动,让创客教育先从试点开始做起来,试点学校可以开展创客小班教学,为创客教育积累经验;
       4、    实现走出去,请进来的策略,让创客教师多到高校及企业里学习先进的前沿技术,让创客教育先从质上提升。邀请企业高工或者高校老师到学校里交流,上课,加强合作,让学生的创新想法更接近生活,更容易把自己的想法实现;
      5、    建立创客交流平台,让师生对网络创客空间共同实现资源共建,资源共享,在线交流,在线评价,为创客教育实现翻转课堂创造条件;
      6、    实现学科整合,创客教育是多学科融合,如果没有足够的时间开展,教学成果将会大打折扣,见议和其他学科进行整合,做到互补互赢;
      7、    在试点学校建立创客教室,创客教室应具备该学段开展创客课程所需的教学器材和设备。
      8、        更新评价机制,抛弃以分论英雄的观念,搭建创客教育的展示平台,放飞学生的天性——好奇心和创造力!
五、创客教育课程纲要
     开展创客教育,需要一套完整的教学课程纲要。笔者根据创 客教育教学内容的客观要求再结合多位资深的程序设计、机器人竞赛、创新大赛的辅导老师提供的建议。草拟了一份创客教育的课程纲要供大家参考(详见附录)。 本纲要结合不同学段学生的特点,设计不同阶段的学习课程,纲要内容分别有以下八大核心技能:
       1、程序设计(scratch,mbot,labview,arduino IDE、虚拟机器人软件)、
       2、电路设计(Proteus,Altium Designer)、
       3、传感器的认识(scratch测控板,arduino uno+传感器模块,nodemcu wifi模块,Pcduino等等);
       4、平面设计(coreldraw、AutoCad);
       5、3D模型设计(3D Builder、UG或Pro-E);
       6、手机应用程式开发(app inventor及其它);
       7、制造设备及工具(小型车床、激光线切割机、3D打印机、万用表、示波器)
       8、无人机技术;)
六、结语
       教育的发展要适应社会的发展,在当前社会发展形势下“大众创业,万众创新”带来的是机遇和挑战。培养有创新能力的人才,是社会发展的需要。创客教育正好弥补传统教育对于培养学生动手能力不足的缺失。
 
附录:创客教育课程纲要(草稿)

 

一、             小学阶段

年级

学期

内容

设置意义

二年级

第一学期

Scratch的基础,软件的应用及简单角色构造,模块的认识

 

学会图形化编程(软件免费)

二年级

第二学期

Scratch的基础,编写简单的小程序,小游戏

 

学会图形化编程(软件免费)

三年级

第一学期

Scratch的基础(变量,链表,学习数据结构等),编写简单的小程序,小游戏

 

利用游戏的形式激发学生学习的兴趣(软件免费)

三年级

第二学期

Scratch硬件版+测控板学习利用LED、话筒、滑动电位器、小电机编写的互动小游戏,(学习把自己的作品上传到教育网的资源网站,进行分享和评价)

 

利用互动媒体技术,让学生对传感器及常用电子元器件的物理特性有初步的了解,并会得用图形化编程方法对这些元件编程。(软件免费,硬件见议用Mbot的器材五百元左右一套)

四年级

第一学期

虚拟智能机器人的学习,运行环境的及基础知识介绍,(它的好处是学生可以在虚拟场地搭建机器人不用花钱购买材料。趣味性很高)模块的应用和测试,有独立的测试例子

引入项目学习模式,和翻转课堂模式让学生通过自主学习和小组学习运用程序设计的方法对传感器和模块驱动实现编程。(软件由广州南方测绘数码提供,免费)

四年级


第二学期

虚拟智能机器人,子程序的调用,综合程序的编写,通过竞赛,提高学生的学习兴趣。

 

进一步提高学生的编程技巧,从中渗透C语言的代码编写规律。软件由广州南方测绘数码提供,免费。每年都有省的比赛)

五年级

第一学期

Arduino IDE软件的学习,c语言的基础,coreldraw的基础学习

开始学习简单的C语言,学生有了Scratch的基础,对c语言的学习就相对容易了。coreldraw是为了学习线切割技术铺路

五年级

第二学期

Arduino IDE软件的学习,传感器物理特性的介绍,coreldraw+激光切割机的介绍

以项目为目标,让学生用激光切割技术制作小风车,然后用arduino IDE软件编写程序,驱动小风车。器材可以重用Mbot的器材。

六年级

第一学期

App Inventor手机开发程式,AutoCAD的基础学习,机械制图的知识

有了C语言的基础,学生对于手机开发程式,app Invertor就会很感兴趣,在掌握coreldraw的基础上再学习AutoCAD对学生来说也不是难事,开始学习机械制图

六年级

第二学期

App Inventor手机开发程式

3d打印软件3D Builder

3D Builder。3D Builder是一款Windows 8.1 Store应用程序(旧称“Metro 应用”),它能够帮助用户来创造他们自己独一无二的杰作。据悉,3D Builder的界面非常简单,而整个设计过程有点类似于著名游戏《孢子》,即使不懂CAD等制图软件的初学者也能轻松学会并开始创作。

二、             中学阶段

年级


学期

内容

设置意义

初一

第一学期

UG或Pro-E 模具制作软件(模具设计的知识)

在3D打印中学习如何建模是最重要的,

初一

第二学期

Proteus,虚拟电路与虚拟仪器,(电路的基本原理)

学生掌握电路设计原理,如何用虚拟软件在模拟电路的各节点的电压、电流及经过的脉冲信号

初二

第二学期

Altium Designer,学习电路图的设计,并生成印刷电路板

有了Proteus的基础,通过学习altium(protel)学生设计自己的电路模块。与auduino uno主控板连接,完成特定的功能

初三

第一学期

手机应用程式的进阶学习,

通过编写手机应用,学生可以通过学习社区,展示自己的作品,或者提供其他同学下载

三、             高中阶段

年级

学期

内容

设置意义

高一

第一学期

UG或Pro-E 高级进阶

制造复杂的模型

高一

第二学期

Altium Designer,学习电路图的设计,并生成印刷电路板

电子线路图的进阶学习

高二

第一学期

无线电原理及数据传输,Audino IDE+wifi、蓝牙、Rf、Zigbee模块

用单片机进行信号的收发及处理技术

高二

第二学期

Labview

测试测量、控制、仿真、儿童教育、快速开发、跨平台的图形化语言开发环境

高三

第一学期

无人机的原理

学习无人机技术,包括图像信号和控制信号的无线传输,在失控状态下如何控制无人机执行返航程序(GPS定位技术)等(可以与大疆公司合作)

高三

第二学期

综合实践项目(制作微型洗衣机(包括线路设计,模型的制作,程序的控制)

综合实践项目(制作无人机(设计电路,用手机控制程序,图像传输)

项目为主导,让学生以团队形式开展任务。综合技能的运用。

参考文献
 
【1】周进、刘露、黄冰凝、龚志敏.创客和创客教育(续).[R].2015.5
【2】华夏.白宫青少年科学展 奥巴马和学生操作棉花糖大炮.[N].新华网.2012-02-09
【3】王宏泽.你会是下一个“创客”吗.[N].光明日报.2013-11-13
【4】毛澄洁、项杰庭.好玩的App Inventor.[J].中国信息技术教育.2014年09期
【5】万锦棠.小学信息技术课堂翻转探究.[C].基于项目的学习理论在小学电脑制作课程中的应用研究.2015-8-1

 

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