创客教育的教学实践研究

郝新春

摘要：随着“创客运动”的兴起，“创客教育”在中小学得到了迅速推广。创客教育集创新教育、体验教育、项目学习等思想为一体，契合了学生富有好奇心和创造力的天性。该文对创客教育产生和发展的历史背景、定义及相关理论进行了归纳。开展“创客教育”需要平台来支撑，选择什么样的创客平台更合适中小学，该文以Snap+Arduino平台为例，以开设选修课的形式进行了尝试。通过问卷调查、访谈、课例观察等方法对课程开设后的情况进行了跟踪。实验显示snap+Arduino平台在促进教与学方式转变，培养学生主动探究、个性化学习方面更有效，符合创客教育“将知识性、实践性、创造性融入教学活动中，促进教与学模式的转变”的理念。该研究为创客教育提供了良好的教学范例，为创客教育的推广提供了可借鉴的经验。

关键词：创客；创客教育；Snap；Arduino

中图分类号：G434 文献标识码：A

“创客”一词来源于英文单词“Maker”或“Hacker”，指酷爱科技、热衷实践、乐于分享，努力把各种创意转变为现实的人。什么是创客教育，目前没有统一的概念。有文献认为创客教育是创客运动与教育的融合。也有文献认为创客教育是培养学生的创新、创业所需的知识、视野、能力等方面的教育行为。笔者认为，创客教育有广义和狭义之分。广义的创客教育指以培养大众、学习者、特别是青少年学生创新精神的教育形式。狭义的创客教育指教学活动——通过设置环境、课程、活动等，将知识性、实践性、创造性融入教学活动中，促进教与学模式的转变，满足未来社会对人才的需求。

“十二五”以来国家非常重视教育信息化。通过近20年的发展，教育信息化取得了非常大的成就。比如网上远程学习、MOOC、翻转课堂、智慧校园、以电子考试取代纸质卷面考试等等，得到了广泛应用。在提高教学效率，确保师生获得高质量的教学体验方面效果明显。但信息技术的广泛应用没有从根本上改变传统的“以老师为中心，以课堂为中心、以教材为中心、以考試为中心、以知识为中心、以教为中心”的教育模式。现在是“信息时代”，信息时代对人才的要求，除了具备“知识”，还要能“做”会“创”（如图1所示）。传统的教育模式更多关注的是“学”，即知识的传递，忽略“做”和“创”的环节。为了适应迅猛发展的信息时代对人才培养的要求，需要建立“以学生为中心、以动手为中心，以创新为中心，以解决实际问题为中心、以能力为中心”的新型教育培养模式。“创客教育”以培养学生的创新精神与实践能力为重点，以培养学生自主探究学习与自我发展的主体精神为前提，符合这种培养模式的要求，更符合“数字孩子”的特质，能够赋予孩子们更多自由畅想以及实践体验的机会，带给他们更多学习的乐趣。

通过查阅大量有关创客教育理论的资料，发现创客教育背后蕴含着丰富的教学理论。如约翰·杜威（John Dewey）的“从做中学”（Learning by Doing）”理论；陶行知先生的生活教育理论（生活即教育，社会即学校，教学做合一）；让·莱夫（Jean Lave）与爱丁纳·温格（Etienne Wenger）的情境学习（Situated Learning）理论；皮亚杰（J.Piaget）的建构主义（Constructivism）学习理论以及上世纪美国兴起的合作学习（Learning Together）理论等。这些理论在创客教育中得到了充分体现，所以创客教育是未来创新教育发展的必然之路。

一、背景

（一）创客教育的平台

创客教育落实到学校层面是教学活动。教学活动的开展离不开平台，创客教育的平台非常广泛。Arduino开源软硬件、3D打印技术、智能机器人设计制作、无人机、Arduino+Scratch创意制作、绘画、木工、甚至泥瓦和布艺等都可以作为创客教育的平台。本文以Snap+Arduino平台为例，研究其在创客教育中的应用。

（二）Arduino简介

Arduino是一个基于单片机的人机互动开源产品开发平台，由于其具有高度的模块化特点，有时也叫它“电子积木”。Arduino的硬件包括基于AVR单片机的主控电路板，以及大量的各式输入/输出电子模块如开关输入模块、温度压力传感器模块、超声测距传感器模块、各类显示输出模块及电机控制模块等。由于Arduino丰富的外围模块、容易掌握的开发语言和环境、大量的库支持，使得基于Arduino的电子互动产品设计越来越多。Arduino在创客教育中扮演着非常重要的角色。

（三）多种平台，选择Snap+Arduino

Arduino编程环境有基于文本和基于图形两大类，前者包括Arduino IDE、SMeshStudio等。后者即图形化编程，主要有Ardublock、mBlock、Mixly、Scratch等。通常的创客教育平台是他们的组合，如Arduino+IDE，Ardublock+Arduino，mBlock+Arduino，Mixly+Arduino和Scratch+Arduino等。这些平台各具特色，也各有弊端。如编程功能不完善，系统扩展性不强，不便于二次开发等。

以“Snap+创客教育”作为关键词在互联网上搜索，获得的相关内容非常少。说明Snap软件在国内的应用很少，但在国外，Snap软件的应用非常普及。为此我们专门选择了Snap+Arduino创客教育平台进行研究。

（四）Snap简介

Snap原名BYOB（Build Your Own Blocks），由加州大学伯克利分校在Scratch基础上开发，于2015年推出。与Scratch一样，Snap软件采用可视化拖放式编程，可以与所有版本的Arduino控制板进行无缝交互。与目前使用的Scratch相比：（1）增加了许多新的模块，可以连接更多传感器，更容易、更方便制作复杂电子作品，满足不同学生的个体需求；（2）新增Arduino可转译项目，转出的项目为代码形式在Arduino IDE中编译加载到控制板，呈现形式更加丰富；（3）允许用户添加自己制作的“积木模块”，鼓励学生创新，使学生获得充分发展；（4）增加了“云数据”，能更好的适应未来发展需求。如图2所示为Snap软件的编程界面。

二、教学设计

（一）教学内容

为了便于学校安排课程，同时兼顾实验可信度，按一个学期（20周/学期，2个课时倜）设计了8个单元32个案例的课程。所有案例基于Snap+Arduino平台。对象为5—6年级和初中1—2年级学生，选课时给了学生充分的选择自由。每个案例从生活感受和生活事件出发（生活化、情境化），由浅入深，同时具有一定的新颖性，以激发学生的学习热情。案例配有“知识小讲堂”“生活小常识”等栏目，由“情景引入、实验器材、设计方案、电路连接、编写程序、思维拓展”环节组成，每个环节录制有微视频。完成案例不需要特殊的工具或者高级的采购途径，使用普通物料即可。

（二）教学目标

按照教育部《基础教育课程改革纲要（试行）》规定的“三维目标”要求，本研究确定教学目标如下：

1.知识与技能

学生通过老师指导，观看微视频或参考教程能模仿Snap程序，连接Arduino控制板，编写调试类似的应用程序，如画一个树、点亮LED灯、采集传感器数据等，体验把物理世界与计算机世界连接起来的过程和方法。通过“走进程序世界，用程序解决实际问题”体会“科学就在我身旁、程序改变世界”。

2.过程与方法

学生以小组为单位，通过动手、合作学习解决身边的一些实际问题。如自己制作一段音乐，把灯变成声控的，把垃圾桶变成自动的，给水龙头安装检测装置等等，培养自觉学习、实践、创新的行为。倡导通过行动和实践去发现问题和需求、并努力找到解决方案的精神。体验做一名“工程师”的快乐与成就感。

3.情感态度与价值观

学会在生活中用多种方法表达思想和情感。在与同学交流中能客观地对自己或他人的学习过程和作品进行反思和评价，从别人的优秀作品发展自己的能力。

（三）教学实施

遵循创客教育“做中学，学中做”和“以学生为中心”的教学理念，教学活动围绕学生组织和开展。每2-4位同学组成一个小组，参与并完成案例中的任务。任务完成后提交作品、进行汇报，在“做”和“动”的过程中获得知识。下面以第二单元中“小小红绿灯”一课为例，展示教学过程（适用年级：5-6，设计时长：60分钟）。

1.情景引入，建立概念

本课设计一个“交通信号灯”，在教学方法上采用以问题为导向的任务驱动法和互动教学法。老师先向同学提出问题，“没有红绿灯的十字路口会是什么样的？”，然后引导同学用Snap的绘图及动画功能描绘一个混乱的场景（如图3所示）。

通过情景引入，引导学生发现并提出要解决的问题，明确本节课的任务。

2.动手实践，发现问题

按步骤设计制作交通信号灯：（1）列出元器件清单；（2）按照教程提供的硬件连接图将Arduino控制板、红、黄、绿灯、面板板及电脑连接在一起来；（3）在Snap平台上编制控制程序，并配套动画。上述步骤除了配套的微视频，课堂上要求老师给学生一些提示，比如常用传感器的介绍，Snap软件的介绍，面包板使用注意事项等。学生在完成任务过程中遇到的各种问题，如开发板没连上、元器件连接不正确、元器件或控制板损坏、传感器不能正常工作、程序错误等等，这都需要学生逐一排查，鼓励学生自己解决，老师加以辅助。这种挫折式教育在学生教育中必不可少，耐挫性也是学生成长过程中必须具有的能力。

3.师生互动，突破难点

就教师而言，自己在学生设计活动中担任的任务是引导辅呦，角色从知识的传授者、教学的组织领导者转变成为学习过程中的咨询者、指导者和伙伴。在解决项目的过程中，老师和学生形成“学习共同体”，在平等的学习环境中相互合作，共同促进，共同提高。改变传统的“照本宣科”“老师独犬”的教学方式。

4.思维拓展，启发创新，建立兴趣

课程采用“一课一主题、一题一结果”模式。每节课结束的时候，教师对本节课进行分析总结，内容包括“寻求帮助、回顾反思、分享交流、拓展提高”。让学生在互“玩”的过程中分享彼此成果，尽情感受“学习可以更快乐”，进而激发学生的创造激情，培养学生的主动学习性。图4、图5为“小小紅绿灯”一课的效果展示。

（四）教学评价

成果评价：课程采用成果导向的评价体系，综合评判学生创作的外显成果，重在考核学生的知识迁移、运用能力以及创新、创造力。

过程评价：改变传统的单一考试评价模式，将学习过程纳入评价指标。从项目的选定到最后项目的实施与完善，学生全程参与。学生“既是运动员，又是裁判员”，在整个过程中承担了项目设计者、实施者、管理者、优化者等多重角色，并在这个过程中发展创新思维，提升动手和解决实际问题的能力。

相互评价：课程中增加“互助互学”板块，学生也参与到课程评价中，通过同伴互评的方式实现学生间的互评互学，完善学习评价机制。

三、教学成效分析

（一）调查方式

为验证实验效果，对师生及部分家长进行了调查，并对结果进行统计分析。调查采用了随堂听课、调查问卷、老师访谈等方法。

随堂听课是对教师的课堂进行观察。主要内容是Snap+Arduino平台实施情况、教学效果，教学过程中遇到的问题等。

调查问卷的对象是学生，主要内容是从学生的喜欢程度、适应情况、学习习惯等。

访谈针对实验学校老师、学校领导及部分家长，主要内容是对创课教育的理论认识、资金承受能力、难题与困惑等。

（二）结果分析

1.Snap软件是一款图形化的适合儿童编写程序设计的软件，它直观、形象，编程就像是搭积木，能做出动画、小游戏，通过与Arduino组合，可以连接各种传感器及外部装置，把物理世界与计算机世界很好地联系在一起。

试卷發出300份，收回有效问卷221份。从统计情况看，约89%的同学喜欢Snap软件，86%的同学喜欢Arduino。说明学生普遍喜欢Snap编程软件、Arduino开源硬件及创客教育这种开放的教学方法，对课程中基于Snap+Arduino平台的案例表现出了较大的学习热情（如下表所示）。

2.Snap软件功能强大但入门简单，门槛低，不需要老师掌握很多专业的程序语句和语法，教师可以将更多时间放在课堂上。Arduino是当前最流行的控制板，将Snap+Arduino作为创客教育平台引入到中小学课堂，可以让师生接触到最新的前沿知识。

3.基于Snap+Arduino平台设计的案例需要学生动手实践，满足培养学生的思维能力、实践能力要求。顺应了创新、创业时代所需，不仅能够推动学校创新教育，还将带动社会公众创新素养的提升以及社会创新、创业文化的形成。对培养学生的探索精神、探究精神、逻辑思维能力和创作力、发展学生的综合素质等具有特别重要的意义。

四、项目结果评价

1.本研究以建构主义学习理论、情境学习理论和“从做中学”理论为基础，历时一年多，前期准备了教程、微视频、配套教具等。教学目标是培养学生的动手实践和操作能力，强调“知识理解于顿悟，能力形成于过程”。在教学过程中，通过构建有效的课堂互动教学模式，重构课堂学习场景，变革了学习方式，符合“坚持以学生为中心的核心理念，鼓励学生采用自主、协作、探究的方式进行主动性学习”的新课改精神。为建立以学生为中心的新教学模式提供了实践经验，也为今后的课程改革提供了教学典范。

2.基于Snap+Arduino平台的创课教育模式秉承快乐学习、体验学习等理念，将学生的学习过程由“study”变成了“play”，提升了学生的学习主动性，激发和强化了学生的学习动机。充分发挥学生在学习过程中的主体作用，让学生在动手中思考，在思考中学习新知识，让学生把自己的想法通过动手实践呈现出来。符合“数字孩子”的特点，也符合未来教育的发展规律。

3.本研究的案例从学生的家庭生活、校园生活、社会现象等生活场景出发，注重与学生生活、社会实际和科技发展相联系，强调将知识应用于生活场景中解决现实问题。学生可以亲身体验抽象的理论如何变成触手可及的答案，让学生基于生活现实来理解知识价值。为学生提供获取知识的多种渠道以及将所学知识加以综合应用的机会，对激发学生的潜能以及促进学生的创新等方面具有重要意义。

4.“教欲行，师先行”。在本研究中，教师知识结构和角色发生转变，教师不单纯是知识的“传授者”，而是学生学习的引导者、组织者。教学过程需要教师引导学生发现问题、寻求方法解决问题，要求教师有较强的教学组织能力，对教师的教学设计与课堂调控方面都有着较高的要求。很多问题可能是老师从来没有思考过的，促使老师积极思考，挑战自我。为全面提升学校教育信息化水平，促进教师自身教学技能、信息化素养的提高起到了积极的推动作用。

五、结语

本研究实验结果表明，Snap+Arduino作为创客教育平台鼓励学生采用自主、协作、探究的方式进行主动性学习，能激发学生的学习兴趣与学习动力，提高学生动手能力，把学习的主动权交给学生，学生从知识的消费者变成知识的创造者。教师知识结构和角色发生转变，教师不再仅仅是教育者，还是受教育者，是学习共同体中的合作伙伴。

当然，作为一种新的教学模式，本研究也存在不足的地方。比如这种模式下对满足学生个性化差异做的不够，老师指导和小组合作学习有时难以照顾到全部学生。发现能力稍“弱”的学生在小组协作时领到的任务相对比较少，或者说比较简单，使得这样一些学生在学习过程中得不到应有的提高。在今后的研究和教学实践中，我们会引入分层次教学的有关研究进行探索。