STEAM科技创新教育背景下创客类教育装备的选择——以首都师范大学附属中学“青牛创客空间”为例

湖北省十堰市第一中学(442000)

何 乐

STEAM科技创新教育背景下创客类教育装备的选择
——以首都师范大学附属中学“青牛创客空间”为例

湖北省十堰市第一中学(442000)

何 乐

1 STEAM科技创新教育发展形势

2015年是中国的“创客”元年，特别是在2015年3月全国“两会”上“创客”第一次被写入政府工作报告后，各类创客空间如雨后春笋般涌现出来，各类创客协会、创客学会、创客联盟、创客学院纷纷成立，各类创客大赛、创客嘉年华层出不穷，各类创客研讨会、创客高峰论坛此起彼伏。新闻媒体、高等院校、政府部门和国家领导人也高度关注创客教育。2015年5月18日，由中国教育报牵头成立了“中国青少年创客教育联盟”；2015年7月24日，由清华大学等高校联合发起成立了“全国教师创客联盟”；2015年9月2日，教育部《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作指导意见(征求意见稿)》提出：“有效利用信息技术推进众创空间建设，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式。”2015年11月19日，刘延东副总理在第二次全国教育信息化工作电视会议的讲话中提出：“积极探索信息技术在创业大学、创客教育、微课堂等方面的应用，提升学生的信息素养和创新创业能力，促进学生全面发展。”

2016年3月3日，《教育部教育装备研究与发展中心2016年工作要点》中指出：“贯彻国家‘双创’要求，为创客教育、‘STEAM课程’提供教育装备支撑。”教育部制定的《教育信息化“十三五”规划》也提出：“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习、创客教育等新的教育模式中的应用。”

2 首都师范大学附属中学的特色创客教育

首都师范大学附属中学(以下简称首师大附中)的“青牛创客空间”于2016年4月1日正式投入使用，标志着创客教育真正走进课程，走入校园。“青牛创客空间”分为创想汇、智控坊、Robot广场、梦舞台、数控工坊和奔码隧道6个功能区域。创想汇是学生头脑风暴和思维碰撞的场所；智控坊为学生提供一应俱全的智能控制硬件支持；Robot广场让学生成为Robot的造物主，落实创客必须以造物为重点这个核心思想；梦舞台为学生提供自我展示的广阔空间；数控工坊是连接虚拟与现实的桥梁，让学生的创想可以成为现实；奔码隧道让学生利用计算机编程，熟悉计算机语言。在“青牛创客空间”中可以直观感受到创新教育下的教育装备有了新的扩展，各类新设备新装备已经走入校园。

3 创客教育的目的和核心内容

创客教育最重要的是发现学生的兴趣特长，为培养创新人才奠基，而不是要把学生都培养成程序员、机床操作员。反复练习或许能成就完美却无法成就创新，教师必须发自内心地去关爱学生，努力发现学生的闪光点，激发他们的学习兴趣和奋斗精神，让每个学生都带着梦想去实现自己的价值。家长也需要用前瞻性的眼光，顺应时代的发展，努力做好学生发展的引路人。创客教育的核心是创新。对于中学而言，创客教育不是某方面知识的应用，而是要实现培养学生创新能力的体系建设，让创新教育落到实处。它既是学生个性发展的内在需求，也是时代发展的大势所趋。创客教育，是培育学生提出问题、研究问题、动手实践、解决问题的综合能力的教育方式，初步融合了科学研究、技术制作、艺术创作的全过程，能够培养学生的主动探索精神、批判性思维能力、自主创新能力、合作研究能力、语言表达能力、艺术创作能力等。

创客思维系列课程从认知和实践两个部分带领学生成为真正意义上的创客，产生深入探究的热情；机器人系列课程让学生熟知当前国内外最热门的机器人研究，学习各组成部分的工作原理，并利用所学知识设计、搭建功能性机器人；3D打印系列课程，学生可以体验从设计到建模，再到物品生成的全过程，激发学生的灵感，让学生借助3D打印去实现自己的发明创造；编程系列课程使学生主动进入计算机和编程的世界，运用无生命的机器语言去实现有生命的无限创意；无人机系列课程引导学生了解无人机飞行器的发展，学习其工作原理、硬件组装、程序设计，最终让学生通过手脑并用实现自己的飞天梦。

4 硬件建设为创客教育的目的及核心内容服务

首师大附中作为百年名校，教育资源丰富，学校非常重视创新教育的硬件投入。为创客空间专门建设的一栋教学楼里各类硬件设施种类齐全，零件丰富，基本涵盖目前高中创客教育的所有教育内容。在课程设计上，由于学生兴趣爱好不同，学习能力不同，所以从结构设计、工艺加工、智能控制、人文艺术等几大方向，开设选修课程。

基础通修包含《程序设计入门》《视频编辑》《动画制作入门》《设计基础》。

兴趣选修包含《APP开发》《趣味程序设计》《Arduino开源硬件》《飞行原理》《平面设计》《怎样开波音747》《微电影》《模型制作》。

专业精修包含《数据结构》《算法设计》《天文奥赛》《机器人竞赛》等课程。

自主研修包含《3D古建筑复原》《VR课程中的3D创作》《雕刻与精密加工》《传感物联初探》等课程。

课程开设与之对应的教育装备见表1。

表1 课程对应的教育装备

基础通修解决创客所需基础技能，兴趣选修注重兴趣引导，专业精修针对各类奥赛，自主研修为青少年创新科技大赛做准备。这些课程开设和与之对应的设备选择，都是建立在师资力量和学生学习能力的基础之上，层次鲜明，目标清晰，突出学生在项目学习、体验式学习和个性化学习等创客学习的优势。为开设课程服务、为创客教育的目的服务、为核心内容服务的硬件设备，为这些成果的取得打下了坚实的基础，对于这些设备的选购具有指导和借鉴意义。

5 结合实际有针对性的购置制造类设备

创客教育的重点是“造物”，提到造物就离不开工具的选择，工欲善其事必先利其器，如何选择制造设备是目前各单位开展创客教育面临的重要问题。创客活动所需要的制造设备组合大致可分为如下几种。

5.1 入门级别简单硬件

Arduino及其传感器和乐高类组合积木。Arduino被国际上称为电子积木，它不但能够用在学习上，而且能够直接搭建机器人、寻迹小车等教具。Arduino及其传感器价格较低，而且现在可用图形化编程进行控制。结合乐高类积木组件架构模型，用编程控制Arduino硬件，逐步形成了一条创客教育的主线。不仅花费较少而且方便教学，在机房上就可以开展创客教育。这种组合具有安全性高，学生操作方便的特点，在结构件的制造方面，教师无需培训即可掌握乐高类积木的使用技巧。

此方案较适合小学和初中开展创客教育时使用。

5.2 进阶级别硬件

利用3D打印机或激光切割机等工具开展机械结构教育。目前3D打印比较热门，不少学校采购的3D打印机为FDM类型。这类打印机的优点是价格低廉，缺点有以下3点。首先是速度较慢，即便是简单几何体结构，也不能减少填充率来增加打印速度，导致顶层面无法完整打印。其次是非连续结构的复杂图形需要增加支撑，这种支撑很难去除，即便去除也会对表面产生破坏。最后还有热收缩问题造成尺寸偏差，空腔结构精度不准，翘曲问题等。鉴于这种情况，激光切割机是非常好的补充，对于规则的几何体，用薄木板或有机板激光切割后组合，可以大大提高制作效率，同时也锻炼了学生动手能力和空间想象能力。这样的设备组合可以满足创意类比赛的需求。需要注意的是，激光切割机具有一定的安全隐患，在场地选择上要用单独房间放置，专人保管，防止不熟悉操作的人员触碰而造成伤害。

此方案较为适合初中高年级及高中学校开展创客教育时使用。

5.3 高级别硬件

目前有条件的学校已经购置准工业级加工设备，比如数控车床、多轴雕刻机、五轴铣床等。这些设备可以加工金属类零件，制作高强度、高精度的配件，比如机械手臂、机器人大赛所需的机器人结构件、寻迹小车、多轴无人机等，也可以制作较复杂的浮雕类创意作品。我校也购置了桌面型铣床和车床等工具，在实际工作中发现其放置地址很重要，距离教学区太近会造成噪声污染，影响教学。这些设备对操作人员要求较高，尤其是四轴、五轴雕刻机，需要经过专业培训才能操作，学生参与动手制作需要很长学习的时间。尤为需要注意的是，这些设备具有较高的危险性，应当严格遵守操作规程避免发生危险。

此方案适合师资力量较强、基础条件较好的高中学校开展创客教育时使用。

5.4 特种级别硬件

如高压水切割、数控冲床、折板机等。这些设备的优点是加工效率高，加工能力强；缺点是使用率低，占地面积大，需要专业技术人员操作和保养，生产时危险性极高，非常容易出现安全事故。这种类型的加工最好通过以校企合作方式外包，交给专业的加工厂完成。

6 小结

本文从在STEAM科技创新教育背景下，结合学校推进创客教育过程中选购教育装备工作，通过首师大附中“青牛创客空间”的实例，分析了各种硬件装备的效能及优缺点，提供了适合各类学校的创客类教育装备选择方案。

装备与管理

2017-07-28