基于项目的中小学创客课程开发与实施——以Arduino+3D打印创客课程为例

刘 晖

（杭州青少年活动中心，浙江 杭州 310000）

一、问题的提出

2015年，教育部《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》提出要利用信息技术大力推进STEAM教育、创客教育等新的教育模式的发展，使学生具有较强的信息意识与创新意识，培养创新型人才。创客教育是一种基于创造的学习，而创客课程作为创客教育理念实施的载体，不是一门单一的课程，是多种学科结合的课程。中小学创客教育作为新生事物，应该怎么进行课程开发和实施？当前我国中小学创客课程的开发和实施的实例有不少，但还存在不少问题。本文结合近年来创客课程开发的理论研究与实践经验，以Arduino+3D打印创客课程设计为例，对创客课程的开发进行探索。

二、中小学创客课程的现状和存在的问题

创客教育以学生实践创造为核心，以提高学生问题解决能力为目的，最终培养学生的创造力和想象能力，所有这些能力的培养和思想的实现都是以创客课程为载体。在创客教育发展的浪潮中，各级学校也积极开展各自的创客活动。以清华大学为代表的各大高校都创建了自己的创客空间，开展各种创客教学活动。

除高校外，中小学创客教育也悄然兴起，北京、上海、深圳、温州、杭州、宁波等各大城市通过举办创客大赛、创客嘉年华等活动，为青少年创客的发展提供了空间。北京景山中学、温州实验中学等中小学建立了青少年创客基地，为学生提供创客活动开展和交流的平台，为学生开展多学科综合性的创客项目提供服务[1]。

当前，国内外的创客活动都是依托创客空间来开展的，创客空间营造的是一种自由、开放、专业的研究氛围和创新场所，而非狭义上固定的传统教室实验室。目前，中小学校大多以校本创客课程在创客空间里开展创客教学活动，然而创客课程作为活动依托的灵魂和载体还存在诸多问题。

1.中小学创客课程在开发过程中存在的问题

（1）创客课程培养目标功利化

创客教育作为新生事物发展势头迅猛，一些中小学校在响应号召开展创客课程设计与实施的时候，容易出现匆忙上位、急功近利的现象。创客教育是教育思想的变革，是创造性学习理念和创新思维学习模式的发展，并非简单技术性学科的叠加，很多学校开设创客课程时片面追求技术至上，开展开源单片机、3D打印课程、机器人课程等最新的技术课程，只追求技术的新颖而缺乏科学的教育设计，使得创客教育变成学校秀场，出现了泡沫化苗头[2]。

与此同时，一部分学校并没有意识到创客教育的发展是一个长期培养能力的过程，在开设创客课程方面急功近利，将关注重点放在短期创客活动的成果上，并致力于用成果参加教育系统举办的各类创客比赛，一切目的只为了获奖。从上到下功利化的追求，结果导致创客课程的开设和实施忽视了过程的探索。

（2）创客课程教学模式不成熟，课程实施缺乏理论指导

目前，学校创客课程的实施多是由学校传统的通用技术教师和信息技术教师兼任，缺少创客课程所要求的跨学科整合能力和创新能力。由于缺少理论的指导，创客课程的实施只是套用传统的讲授式、模仿实验等单一教学模式。传统的教学模式注重知识的传授，并不利于创新能力的培养。创客课程并非仅仅为了传授技术应用能力，而是以新技术为依托，以开发新产品为目的，在开发过程中整合跨学科知识的创造性课程。创客教育融合了项目教学法、做中学等教学思想，在这些思想的指导下，以培养创新能力为目标，进行符合要求的教学模式开发，是推行课程实施的重要措施。目前，国内中小学创客教学模式的研究要么停留在理论研究层面，要么是一线教师进行简单的经验总结，缺少成熟的创客教学模式成果。

（3）创客课程教学设计跨学科耦合度不够，教学载体单一化

创客教育是一种跨越学科的教育，学生在创造作品的过程中会在设计、开发、操作层面遇到各种问题，这些问题的解决涉及到数学、物理、美术、电子、编程等各个学科的知识。创客课程设计的本质正是以问题解决的方式学习各学科所涉及到的知识，为此创客课程的内容应该是跨学科高耦合的。

当前很多中小学将已经开展的Scratch编程、智能机器人、开源软硬件、3D打印等课程作为创客课程直接使用，实施过程中只是资源项目的移植而已，并没有对课程进行真正的设计。真正的创客课程设计应该依托原创项目而将以上技术作为工具融合来激发创意，这需要构建多学科内容整合的课程体系。

（4）创客课程教学评价手段单一化

创客课程教学评价往往以学生作品的价值作为唯一评价标准，一个学校创客教育开展的结果多以在创客比赛中获得的成绩作为评判标准。真正的教学评价除了评价结果以外，更需要对创客课程的各个实施过程进行多元化的评价。评价应涵盖学生在作品开发的整个周期表现，评价指标应关注学生能力的获得和素质的养成。

2.解决思路

创客课程开发主要存在培养目标功利化、教学模式不成熟、课程实施经验化、教学设计跨学科耦合度不够、教学载体单一化以及评价手段单一等问题。本文从创客课程开发的实践角度入手，以课程项目设计、教学策略设计和评价模式设计为重点构筑课程开发流程，从课程目标、课程内容、教学策略、教学实施和教学评价五个方面构建创客课程开发模式，指导课程的开发[3]。

三、基于项目的创客教育课程开发模式

1.理论基础

创客活动强调在实践中学习，在动手创造过程中构筑知识，这一点也是建构主义学习理论的体现，也体现了创客文化奠基人西蒙·帕佩特提出的建造主义学习理论教育思想。西蒙·帕佩特认为创客教育研究的重点不是如何完善教学方法，而是如何研究创造开放自由的空间，让学习者有适合自己的机会去构筑自己的知识体系。

（1）建构主义学习理论

建构主义理论认为学习不是由教师向学生传递知识，而是学生主动建构自己的知识系统的过程；学生在学习过程中不是被动地接收知识的传授，而是主动去构建自己的知识体系。教师在教学过程中不是教学的主导者，而是引导学生在教学过程中组成学习小组，通过合作探究主动去解决实践过程中遇到的问题。建构主义理论是研究如何指导更好地开展创客教育活动课程开发和实施的理论基础。

（2）建造主义学习理论

建造主义学习理论和建构主义一样认为学习是知识体系的主动构筑过程。建造主义学习理论更强调学习者的学习是在特定的环境下，积极主动参与物品创造的过程。学习者在造物的过程中，为了将脑海里的创意在作品中具体实现，会不断地遇到问题，通过问题分析寻找解决方法，从而发展了创造性思维。建造主义学习理论强调学习过程中培养学习者的设计创新能力、动手实践能力、问题发现与解决能力，认为要达到最佳的学习效果，学习者需要通过小组合作的方式共同参与物品创造的过程[4]。

2.基于项目的创客教育课程开发模式

（1）课程目标

创客课程以项目为驱动，内容上跨学科融合，学生者学习过程中需要以产品为目标协作研发，种种特性决定了创客课程不同于传统课程的独特性。因此，创客课程的目标构建应该贯穿融合多个学科的目标体系。

为了保证学习者参与的积极性，目标的来源应该与学习者生活接轨，能够激发探究动机，根据学习者的特征和兴趣完成目标的定制。创客课程目标的构建应该保证学习者完成课程后能够通过物化作品的开发来掌握一门工具语言，同时体会产品开发的全过程[5]。

目前的中小学创客课程内容有两种形式：一种是以3D打印技术、开源单片机、程序编写等软硬件使用、开发为导向的创客学习体验；另一种是有机整合科学技术、数学、工程技术、美术和计算机等不同学科的综合性创客学习体验。

课程内容主要以解决生活中真实遇到的问题为主，而非课本中知识案例的简单模仿，创客课程的学习方式是学生在创造过程中学习。因此，将枯燥机械的传统知识内容，通过充满活力的发明创造项目来引导学习者在创造过程中自主地去吸收和构建，是创客课程内容追求的方向。创客课程内容安排可以采用生活中遇到的问题作为主题，问题的解决必须依靠综合性运用各学科的知识，一切以激发学习者学习兴趣为导向。

（3）教学策略

和高校不同，中小学校将创客课程以第二课堂和兴趣小组等附加课程的形式加以开展，其在时间上的不连续性常常影响到教学的效果。因此，在教学策略的选择上可以借鉴翻转课堂的教学理念，结合线上学习与线下学习，在获得基本的知识能力储备后，学习者进入任务实践环节，在自主探索的基础上学习知识。线上的教学策略可以是微课导学、资源呈现、在线讨论、成果分享、在线点评，线下的教学策略可以是情境导入、面授指导、合作探究、成果展示、同伴互评等[6]。

（4）教学实施

由于文化的差异，在翻译过程中，会出现词汇空缺的情况，或者一些专有名词，无法翻译。那么可以采取音译的方法。如Italy译为意大利，chocolate译为巧克力，麻将译为mahjong，功夫译为kongfu，香港译为Hongkong。这样可以保留源语的特色，也丰富了二者的语言。

创客课程教学的实施，需要打造有利于支撑创客活动开展的创客环境，组织校园创客活动，培育校园创客文化，打造创客教师队伍。在创客空间的运行中，可以整合现有的机器人教室、3D打印教室等，通过挖掘学校现有的技术和资源配置，提升创新教学和教育装备水平。创客项目在开展启动前应做好前期的论证工作，在课程实施过程中建立沟通对话机制，使参与课程实施的全体师生能够在创客课程实施过程中营造健全的创造情境，共同合作顺利完成作品的创造。

（5）课程评价

创客课程评价的目的不只是为了衡量课程开展的效果，更重要的是促进教师对教学的反思和对课程进一步提升方向的指引，因此评价的范围应该是全面化、过程化的。仅仅面对创客作品的评价一般以作品评价、小组互评、个人自评等形式进行。面对过程的评价则采取综合评价模式，比如评价主体不仅评价学生还有教师；评价范围除了作品的价值还包括参与者能力的提升、合作过程中的参与情况等。

综上所述，在创客课程的开发过程中设计者需要以生活化的课程目标为导向，在分析学习者认知需求特征的基础上开发综合课程内容。在教学设计中依托线上线下结合的教学策略实施课程，最后采用多元化、过程化的评价模式对课程进行评价。基于项目的创客教育课程开发模式从开发的角度对创客课程的开发进行了阐述。

四、Arduino+3D打印创客课程设计与实施

本文以开发制作一个能够显示当前水温的智能感温水杯项目为例，将Scratch软件作为基础编程软件，结合Arduino控制器，设计开发出一个14课时的课程，在课程中学习电路知识、3D打印技术、程序编写和开源硬件传感器元件的使用。

1.课程目标

（1）知识与技能

掌握Scratch的8个基础指令集，并能够根据主题需求进行结构化的设计；学会用123D模型设计软件制作打印模型；熟悉Arduino平台的开发和调试过程，初步掌握简单开源硬件的使用方法。

（2）过程与方法

学生通过主动学习完成智能水杯项目开发过程，在探究过程中掌握发现问题、分析问题、解决问题的方法，熟悉和掌握产品项目开发的一般流程与方法。

（3）情感、态度与价值观

培养积极的技术价值观和利用技术手动解决实际生活问题的意识，形成勇于探索、积极实践、乐于合作的学习态度与品质。

2.课程内容

为了创造能够感知水温的智能水杯，课程内容设计基于课程标准共分为四个扩展模块展开：①Scratch编程设计基础；②Arduino电子元器件基础；③3D水杯模型设计与打印；④实物模型组装与调试。

该课程的设置以解决水杯功能问题为导向，需要学习基础的电路知识、3D打印技术、程序编写和开源硬件传感器元件的使用。每个单元的主题都是经过专门的设计，前面4周的Scratch编程属于基础知识储备阶段，可以结合线上的微课资源和线下创客空间进行结合学习。课程内容设置见表1。

表1 智能感温水杯创客课程单元内容设置

3.课程教学实施设计

“智能感温水杯”创客课程在创客空间中以小组合作实验的方式展开，团队小组在掌握基础知识储备之后，按照队员的意愿负责总领不同模块的工作。由于课程开展时间上的不连续性，在整个课程开展过程中一直采取线上线下结合的教学策略。前4周的知识储备阶段除了课堂上展开教学练习之余，所有的微课资源、程序解读案例、练习题目答案都在线上提供，小组成员随时可以通过网络在论坛上发起问题的讨论，及时得到指导。

课程实施分三个阶段：探究阶段、创造阶段、分享阶段。在探究阶段，小组成员将智能水杯的功能需求与现有电子设备的基本功能建立对应联系，制定可行的设计方案；在创造阶段，小组成员根据现有资源进行感温功能模块的原型设计，根据原型模块尺寸和布局设计对应的水杯外形，最后整合成完整的作品；在分享阶段，小组成员展示自己的作品，根据制作过程中遇到的问题和困难以及已经解决问题的过程，形成报告并和教师同学们分享自己的经历。[7]

表2 智能感温水杯创客课程评价表

4.课程评价

本课程的评价包括对团队作品的评价和日常参与活动表现的评价，评价方式包括教师观察评估、自我评估和学员相互评估。对于作品评价，教师和学员之间需要判断学习者是否真正掌握了基本课程知识内容，并将知识外延运用到自己的创意中去，并对应用的成果在评价表格上进行记录。对于日常参与活动表现的评价，教师和学员需要对本组学员在项目开展的三个不同阶段的表现进行评价。评价完成后需要依据结果对教学进行反思，并为下一个项目设定新目标，具体内容见表2。

五、总结

创客教育作为一种新型教育形态，不仅能够培养学生的创新思维和问题解决能力，更是创新教育的重要组成部分。而创客课程作为实施创客教育的重要载体，也是影响创客教育可持续发展的关键因素，因此构建成熟的创客教育课程体系尤为重要。

目前，我国的中小学校创客课程还是以校本课程的开发为主，可喜的是已经有大量学者和一线实践者从事创客课程的开发，部分课程已经投入使用，初步取得成效。本文从课程目标、课程内容、教学策略、教学实施和教学评价五个维度构建创客课程开发模式，并以智能温控水杯创客课程为例，探讨了该模式在中小学创客课程开发过程中的实用性，为创客课程的发展做出了一点思考。