开展科技平面创客教育整体提高学生科学素养

陈乾杰

创客教育活动的核心包括兴趣、造物和分享，其中“造物”是创客教育活动的灵魂所在。我们发现创客教育活动之所以难以全面渗透到小学学科教学中，根本原因就在于创客教育活动在小学阶段出现“造物难”的困境，其主要体现在难以驾驭造物的工具、难以掌握造物的技能、缺乏造物的任务或机会三个方面。

广东省教育科学“十三五”规划2019年度中小学教师教育能力提升计划项目课题“小学科技创客教育对提高学生科学素养的研究”，探讨在开展科技平面创客教育中适合小学开展的科技创客教育活动，克服小学生“造物难”的问题，引导学生自主造物、善于造物、乐于创作，整体提高他们的科学素养。

一、課题研究的基本情况

（一）研究背景

1.国外的创客教育现状

西方国家实施创客教育比国内稍早，个别国家根据自己的本土特色，形成了比较固定的创客教育模式。如美国的创客教育倡导“使用真工具、真材料、解决真问题”理念，而英国的创客教育则从艺术入手，早在2013年调整的课程纲要就开始规划艺术设计的相关课程，鼓励学生参与艺术设计以及手工艺等活动，训练学生养成独立思考的能力和提高艺术设计的素养。近年来，英国正努力打破过去“只有将来打算从事理工科或是医疗产业的孩子，才学数学等STEM学科”的限制，鼓励中小学生采取更加多元与开放的学习方式。国外创客教育的开展呈现两大特点：创客教育的对象都往低年龄段发展，特别是16岁以下的少年儿童;创客教育在国外依然与传统教育博弈着，国外的创客教育推动者都希望教师能成为创客教育的推手而不是阻力。

2.国内创客教育的发展

比起国外，我国创客教育起步相对较晚。2015年9月1日，教育部办公厅印发的征求对《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）》意见的通知中，第一次提到STEM教育和创客教育的概念，“创客教育”首次得到教育部的关注。2016年7月13日，《教育部关于新形势下进一步做好普通中小学装备工作的意见》中第一次提到建设创客空间，要求在中小学普及创客教育，要求各省市教育局及相关部门再根据自身情况按需配备相应规模的创客空间。2017年1月19日，教育部印发关于《义务教育小学科学课程标准》的通知，深化落实创客教育，提到课程设计需要结合STEM和创客教育，对小学科学课程内容有跨学科的要求。

这表明，国内创客教育虽然起步较晚，但在短短几年内迅速发展。特别是2017年《义务教育小学科学课程标准》的修订，明确把创客教育融入义务教育小学科学中。国内创客教育主要的推广模式是以赛促面，学校层面则主要通过企业工程师介入解决学生技术问题。该模式的优势就是可以在短时间内让创客教育达到崭新的高度，不足之处就是局限了接受创客教育的人群，使之容易变成一种精英教育。

3.科学素养的背景

国际上普遍将科学素养（Scientific Literacy）概括为三个组成部分，即了解科学知识、了解科学的研究过程和方法、了解科学技术对社会和个人所产生的影响。我国公民科学素养的现状是总体上公民科学素养水平逐渐提高，但与发达国家相比还有较大差距;青少年与科学精神有关的调查结果不理想，学校对科学精神的培养还存在较大问题。此外，研究表明较低年龄段的群体（特指学生）更容易提高科学素养，因此2017年《义务教育小学科学课程标准》重新定义了“科学素养”的内涵，正式把培养学生科学素养作为课程设置的重要目标。因此，本课题意在通过新的教学手段及形式探索高效可行的方式，促进学生科学素养的提高。

（二）研究目标

在学科教学中渗透科技创客活动，探索适合小学阶段开展、能有效克服小学生造物难问题的科技创客教育活动策略，以及探讨其与科学课堂整合的方法;

开发推进小学阶段科技创客教育活动的校本读物，以及探讨其与第二课堂整合的方法;

探索出科技创客教育活动提高科创竞赛水平的策略，让学生树立科学方法，崇尚科学精神，并学会迁移处理实际问题的能力。

总的来说就是：在小学阶段通过教学渗透、队伍建设、资源整合、文化熏陶四个方面，深化科技创客活动的内涵，提高学生的科学素养。

二、研究成果

（一）以科技平面创客教育促进学生科学素养的提高

1.降低创客门槛的手段——科技平面创客教育

在创客教育全面铺开、如火如荼开展的时候，接触创客教育的学生人数在全校总人数中所占比例仍然有限，造成这种现象的因素包括创客教师专业受限、创客室有限、创客基础门槛过高、创客设备过于复杂等。针对此无法短时间内改变的现状，我们提出科技平面创客教育方式，即保留创客教育的核心理念“兴趣、造物、分享”，剔除技术要求过高（比如编程等）、工具繁多（比如各种开源硬件及传感器等）部分，结合学校科技教育的经验和各年级科学课程，利用简单的工具、统一的材料，解决难以驾驭造物工具的问题，通过一种切割工具——线锯，一种造物材料——瓦楞纸，一种黏合工具——热熔胶，满足造物的需求。

2.科技平面创客教育实施策略

（1）科技平面创客教育的实施阶段

我们将教育分为三个阶段，分别是手工平面创客阶段、设备平面创客阶段、创新平面创客阶段。三大阶段再细分为18个难度递进的任务目标。学生达到1～8级的任务目标，就满足日常科学课及家庭创客的造物技能，科学教师及学校科技校队的学生只要完成9～18课的学习，就能满足教具设计及科创发明的需求。在解决缺乏造物任务或机会的问题上，我们认真落实学生造物的三大平台：一是科学课堂的实践环节、活动环节及设计与制作环节;二是科技制作小组的第二课堂;三是青少年科技创新大赛。

（2）科技平面创客教育的场地器械

①场室：课室，科学实验室，创客空间，等。

②工具：切割工具，入门时使用较为安全的学生可以使用、可以切割任意图形的线锯，后期学生在教师的指导下学习激光切割机绘图;黏合工具，以热熔胶为主，方便使用，成本较低，黏合速度快，黏合稳固，能达到一定的使用需求。

③材料：以瓦楞纸和薄木板为主，这些材料方便切割，具有一定的硬度和强度，造出来的物品具有一定的使用效果。

（二）编制《科技平面创客》校本读物

激光切割机、3D打印机是创客教育活动的重要工具，大部分地区学校都配备相应设备，然而无论是教师还是学生都难以熟练使用、辅助教学。笔者认为，造成激光切割机入门困难的原因主要有两点：一是难以把握绘图的构建、相互的尺寸，要求造物者对图纸设计的尺寸严格把握;二是绘图的二维转为三维实物的难度大。因此，我们编制出《科技平面创客》校本读物，让读者迅速熟悉如何将三维实物拆分成二维平面图形。

编制的校本读物，一方面作为教师制作教具的参考书，指导教师制作教具辅助课堂，提高课堂效率，让学生更好地掌握科学知识、熟悉造物技巧;另一方面是丰富科技创客第二课堂活动，帮助学生迅速掌握平面创客技能，提高动手能力和更好地进行自由造物，进一步提升学生乃至学校发明创造解决生活问题的水平。校本读物目录如下图：

（三）制作一批科学教具，撰写《科技创客课堂实验手册》

我们知道，科学教材对于某些特定的知识点，如月相的变化、观察暗盒中的小球等，都设计了一个专门的实验教具，由于该教具针对性较强，因此实验室一般都没有配备，需要教师进行制作;部分实验教材中没有提供较好的实验设备给予学生探究，如太阳直射与斜射温度变化显示仪、传动的齿轮等，这一类实验只能通过仪器室的原有设备开展，其探究效果有限，要求教师具备自制教具完成该课程的目标。以前自制教具的途径一般采用环保的材料如纸皮、塑料瓶、木板等进行制作，其切割和组合难度较大，因此自制教具成为较为困难的事。

我们利用平面创客中设备平面创客的手段，鼓励教师利用激光切割机进行教具的设计和制作，辅助教学，提高科学课堂的趣味性、有效性。我们梳理出三至六年级科学教材中需要教师自制教具完成教学的课目，并精选教具撰写了《科技创客课堂实验手册》。

（四）探索学生科创发明的方法

我们面向全体学生开展科技平面创客活动，让学生掌握切割和黏合以及简单实物制作的技巧，从而更好地完成科学课上的设计与制作内容和课余时间的创作与制作;对科创发明兴趣浓厚的学生，教师辅导学生进一步熟悉科技创客的技术技巧，熟练掌握激光切割机和3D打印机的使用，完成青少年科技创新的实物开发和模型测试。我校的科技创新发明开发有一套较为高效的制作流程，步骤如下图所示：

当学生发现问题后，进行构思设计，这与普通的头脑风暴法几乎相同。但为了让学生的构思设计落到实处，我们鼓励学生利用平面创客的手工创客方法，利用线锯、瓦楞纸、塑料瓶、热熔胶等材料工具进行手工模型制作，并测试基本功能。手工模型设计合理就进行下一阶段的设备模型制作，手工设计模型不合理就重新构思设计。在设备模型阶段，可以利用激光切割机、3D打印机等更为精细、精确的设备制作模型进行测试，假如模型功能没问题就进行实物制作，如有问题，继续改进手工模型。在实物制作阶段，我们借助社会的力量，制作成大型的木制品、不锈钢品、高强度3D打印等实物，开展进一步的实物测试。在实物测试过程中出现问题，则通过调整设备模型进行改进。该方法适合任何发明创作的学生使用，同时克服发明创作中动手难的问题。

三、研究成效

（一）科技平面创客教育提高了学生的科学素养

经过三年的实践研究，学校学生科学素养有明显提升，主要从学生问卷、质量监测、竞赛水平、发明专利四个方面进行说明。

1.问卷分析体现

本研究长达两年时间，期间进行了两次问卷调查，调查的对象覆盖一至六年级学生，调查的形式是在计算机室做不记名问卷调查。问卷主要根据小学课程标准里阐述的关于小学生科学素养具备要素进行设计，以侧面的形式调查学生必要的科学技能知识、基本的科学方法及科学思想和利用科学知识参与社会公共事务的能力等。数据显示，学生参与科学课堂的兴趣提高了，从原来的67%“非常感兴趣”上升到92%;动手和实践能力提高了，“当你遇到一个困惑的问题时”，94%的学生在提出自己的假设和猜想后会查资料证实或动手实验等。经过多年的科技创客教育活动的渗透，学生的科学素养得到一定的提升。

2.科学学科期末质量监测成绩可喜

自2019年至2021年，期末科学学科的质量监测方式日益丰富、多样，体现出科学素养评估的学科性和时代性。不管监测评估方式如何更新，学校学生参加各学期的素养监测成绩都是可喜的，如2019年佛山市六年级科学素养监测结果位于全市前20%，2020学年第一学期顺德区科学质量抽测排名全区第5，2021学年第一学期顺德区科学质量监测学生A率达100%。

3.学生参加各级各类竞赛成绩斐然

自本研究开展以来，学生参加各级各类发明大赛、科创大赛均获优异成绩，尤其是青少年科技创新大赛。2020年，陈泽棋同学发明的“自带标识防盗沙井盖”、李慧轩同学发明的“一种便于清洁打理的家用雨棚”分别获第35届广东省青少年科技创新大赛一等奖、二等奖;2021年，梁键煜同学发明的“一種防堵塞的家用地漏”获第36届广东省青少年科技创新大赛二等奖并获第九届澳门国际发明展金奖。

4.学生发明专利受理率达100%

学生参加青少年创新大赛等发明赛事的作品，都是学生提出设计思路后利用科技平面创客手段制作出模型，再由辅导老师、家长进行测试指导和完善，形成实物后申报实用新型专利。近三年，学校学生所申报的专利共5项，均获受理，受理率达100%。

（二）科技平面创客教育促进了教师及科组的发展

研究为科组教师发展提供了锻炼的平台，促进了教师精研教材、锤炼课堂教学、提高平面创客能力等，使教师参与青年教师能力大赛、青少年创新大赛辅导员创新成果赛、“小小科学家”中小学生科学实验活动等均取得了优异成绩。同时，研究促进了学校科学科组的长足发展，学校科学科组获“第三届佛山市示范教研组”称号。

四、成果辐射

课题在研究过程中形成了一套可复制的促进学生科学素养的策略，科创教育得到市区科学技术协会的关注与肯定。本课题主持人被聘为顺德区科普讲师团成员，专门负责科技辅导老师培训，作科创方法成果推广。自2020年以来，研究团队受邀开展的讲座有“好发明就在身边”“青少年科技创新大赛TD案例分析”“如何带领学生开展科技创新发明活动”“广东省少年儿童发明奖案例分享交流”“承德小学平面创客教育介绍”等，受到同行一致好评。

实践证明，在小学阶段开展科技平面创客教育，有助于学生科学素养的提高。我们的研究，一直在路上。

【广东省教育科学规划课题“小学科技创客教育对提高学生科学素养的研究”（2019YQJK221）】