面向中小学创客教育的工程技术实验教学探讨

陈 璐,廖 峻,莫德云

(岭南师范学院 物理科学与技术学院,广东 湛江 524048)

近几年,人工智能技术在各行业被广泛应用,也给基础教育领域带来了革新. 2022年,教育部发布的《教师数字素养》从数字化意识、数字技术知识与技能、数字化应用、数字社会责任以及专业发展等5个维度对新时代的教育从业者提出了更高的要求[1]. 2023年,教育部等十八部门印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》,要求强化实验教学,探索利用人工智能、虚拟现实等技术手段改进实验教学,扩充教育教学资源[2]. 从中小学信息科技的教育内容方面分析,新课改要求信息科技教学课堂逐步引入机械、电子、通信等学科背景的基础知识,以先进加工设备、嵌入式开源硬件、高度集成传感器、兼容图形化编程软件等为技术载体,开发信息时代的手工课和劳动课内容[3-4]. 有了政策的良好导向和完备的技术支持,“众创”的理念不再是纸上谈兵,为中小学教育阶段引入技术与工程类实践课题创造了条件,使得“创客”的涵义和内容在少年儿童教育中发芽和生长.

1 STEM教育与创客教育

STEM教育可以理解为以科学、技术、工程、数学为核心的科技创新教育[5],旨在培养交叉学科、创新型、复合型人才,最早由美国学者提出并在当地的K-12教学中推行[4]. 在我国传播的十余年间,通过在中小学教学中广泛实践,STEM教育已逐渐成为基础教育领域的共识,其特点是能够培养青少年动手、创新、综合运用科学知识的能力,具有多学科融合的性质和符合学生年龄的呈现方式. STEM 教育的工程课题着重强调结合实际生活和生产开展分析、实践和技术应用,在产品研究、设计、测试中得到综合训练,而这样的课题难度大,且成本较高,设备使用也有专业门槛,在义务教育中不易推广.

“创客”最初意指将创意转变为现实的人,创客空间是指具有加工车间和工作室功能的开放性实验室[6]. 伴随着计算机性能的提升和数字化技术的发展,创客概念延伸到了教育行业,泛指为培养青少年创新创造能力需要构建融合学科教学、作品设计、创意加工、调试分析等流程的创作环境. 由此推动了创客空间建设和各种创客项目的发展.

目前,教学实践中的创客教育主要指在创客空间开展以实物创作为主的创新训练,是提升青少年工程技术综合应用能力的一种途径. 创意作品具备相当的技术挑战,可作为完整的工程启蒙教育案例,学生在创客空间里共享资源和知识,完成课程实践和创新[7]. 工程教育的开展离不开应用技术的发展和普及,包括入门简单和界面友好的软硬件,比如积木机器人、开源单片机、激光切割技术、3D打印技术等.

现阶段少儿编程的普及得益于图形化编程软件的开发和应用. 图形化编程也叫模块化编程、积木编程,其原型来自20世纪80年代麻省理工学院与乐高公司合作的项目. 所研发的积木机器人的“大脑”是将编程语言表现为图形拖块、适合少年儿童使用的编程软件,“主机”不需要连接电脑的集成电路控制模块,可搭载各类传感器当做“感官”,再将乐高式拼接积木结合电机作为其“动作系统”,从而实现系统控制和运动.

嵌入式开源硬件的开发使工程教育的对象范围扩大到小学阶段,其高度集成的单片机系统可实现常见的电路控制,并兼容图形化少儿编程软件,如此一来,只要掌握基础的逻辑知识,便能够制作电子创意产品. 在材料加工方面,之前必须经过专业训练才能操作的设备(比如钳工、车工机械等),如今在创客教育中已能被代替,先进加工技术日益成熟,更适于引入中小学工程实验教学的操作难度低、安全性能高的产品,并配套面向少儿的建模软件.

近年来,人工智能技术突飞猛进,各类国产教育软件和培训机构蓬勃发展,义务教育阶段已将编程和嵌入硬件项目加入信息技术教育和劳动教育,并在教材中有所体现. 另外,编程和嵌入硬件项目也在青少年竞赛包括“全国青少年人工智能创新挑战赛”“全国中小学信息技术创新与实践大赛”“世界机器人大会青少年机器人设计与信息素养大赛”等多项科技类赛事中有所体现. 因此,信息化数字化教学已是大势所趋,也是基础教育工作者聚焦的研究方向[8-10].

2 中小学工程技术实验教学中的问题及对策

创客教育开展的力度和成效因区域的不平衡发展存在一定差异,经过对湛江本地的中小学调研发现,欠发达地区工程技术实验的开展主要依托于第三方机构,校本课程的开发和创课教师的培养还有待加强. 调查内容如图1所示.

图1 创新创造课程调研内容

对本地2所小学的科学实验课程调研结果显示:基于传统实验的演示、探究环节较多,而实物的设计与实现、动手操作类项目较少. 学校层面组织了“校园科技节”“科技运动会”“科普进社区”等活动,但这些活动着重成果的呈现方式和互动效果,学生需要在短时间内搭建出作品用于展示,其过程基本由指导教师和家长完成,对于低年级学生这类现象更加明显. 由于人力资源和场所、环境等条件因素的限制,开发校本课程、组织课后社团仍是课程改革的难点和重点.

另一方面,相对于硬件设施,学生使用软件情况较好. 家长普遍重视孩子数字化、信息化知识的学习和人工智能素养的提升,对市面上的青少年建模和编程软件也有所耳闻,并希望学校多开设此类课程. 为解决科学课程资源不足的问题,被调研的2所小学与大学科学教育师范专业结为了帮扶对象,以实现资源共享,推进大学生实践基地和小学创新实验室建设.

根据调研结果,开展校本工程技术教育并在跨学科实验教学中有机创新和融合,对于一些不发达地区的学校存在实际困难,其具体原因表现在以下几方面:

1)资源不足. 工程技术能力培养需要结合科技发展配置场地和器材,由于设备更新迅速、价格昂贵且不耐使用,导致地区差异明显,欠发达地区学生的学习机会较少[11].

2)能力欠缺. 小学、初中学生由于年龄特点,基础知识和理解能力均有限制,无论是项目式案例还是学科融合实验,科学应用的手段尤为重要,例如计算机辅助设计、编程、电子电路等技术,少年儿童往往难以理解,需要大量练习,课堂和社团活动时间不足以完成[12].

3)学习兴趣不高. 虽然实践教学在义务教育中得到了普遍重视,但学生和家长对理论知识的学习更为侧重[13],所开设项目多为演示和验证性实验,欠缺激发青少年兴趣和自主创新精神的综合性课题.

4)实践内容单一. 尽管信息课、劳动课和第二课堂设置了锻炼动手能力的环节,例如认识使用传感器、机器人、单片机等,体现了工程技术的应用场景,但更多是将新技术机械式地拼接,因此仍需探索与学科教学的有机融合方式[14].

围绕上述问题,针对目前工程教育中的短板,以岭南师范学院科学技术教育本科教学经验为参考,拟从器材配置、课程设计、内容组织3方面切入,探索基于STEM教育理念和创客教育相结合的中小学工程技术实验教学途径.

2.1 工程实验室的器材配置

创客空间一般由1个或几个完成创意落地的实验室组成,规划时应考虑其功能分区,配备基础的计算机、投影仪、加工台等. 对于经济欠发达的地区,昂贵的硬件投入往往难以实现,因此在器材配置方面,要兼顾创新性、重复性、经济性、趣味性等需求. 比如配置开源的虚拟仿真平台(例如Scratch,3D-ONE,mBlock,Mindstorms等). 虚拟平台能够提供更多的实验场景和实验条件,且投入和维护成本低;作为创客工具,可以引导学生围绕不同难度的主题进行实验设计、创造和分析;锻炼不同于理论教学的空间思维能力、动手能力和协同解决问题的能力. 部分专门面向低龄段学生开发的虚拟软件如表1所示.

表1 中小学工程技术实验器材表

此外,还可购置必要的制作工具和装置,如小型台钻、小拉花锯、3D打印机等,这些通用设备安全性能好、操作简单,可以增加学生的参与度和兴趣. 本校科学技术教育面向中小学创客搭建的示范实验室配备的工具如图2所示,基本能满足创客所需的非标零配件制作需求,多年来无事故记录,年均使用、维护成本不超过1 000元(3D打印耗材除外),一定程度解决了学生上手难、参与度低、运维成本高的问题.

(a)台钻与拉花锯工作组

(b)泡沫切割机工作组

(c)并联式3D打印机

(d)激光切割机图2 岭南师范学院中小学创客示范实验室硬件配置

2.2 工程实验的课程设计

在教学方式上,宜结合科学情境和生活情境,采用项目式教学方法. 选取工程技术类青少年竞赛题目,例如青少年人工智能挑战赛、青少年通信科技创新大赛、机器人设计与信息素养大赛等赛事中的“单片机创意智造专项赛”“创意天梯挑战赛”“雪山运输挑战赛”“智能配送挑战赛”等项目作为实验课题. 这些项目将工程设计、3D打印、编程控制、电子技术等知识交叉融合,要求参赛选手综合运用多学科知识完成创意设计,有效地激发学生的创造潜能,提升动手能力. 此类实验课程的设计可从查阅资料并对参赛作品分析和学习入手,分单元拆解和复原,进而延伸为原创[15-17].

同时,在进行上述项目课题的实践过程中,要进行适当的拆解和简化,以适应不同基础的学生共同创作. 以2023年中国通信工业协会举办的全国青少年通信科技创新大赛——智能配送挑战赛为例,赛事要求利用数传技术完成智能配送系统的识别、分配、配送等一系列任务. 为实现这一综合目标,需要分解成通信网络、智能配送机器人、机械臂、摄像头,然后共同组合成智能配送系统. 表2为岭南师范学院附属中学初中部的创客实践安排(拆分智能配送挑战赛STEM课程任务),每周二、四下午分别开展1课时,1个学期共36课时.

表2 智能配送挑战赛STEM课程设计

需要注意的是,对于初学者较多的班级,可以增加图形化编程的课时,加强基本编程语句和控制结构的讲解;对于有编程基础的学生,可以适当减少机械臂编程的课时,加强编程实践和项目实践的内容.

拆分比赛项目,1学期搭建1个完整比赛作品,一方面增加学生对创客学习的兴趣,另一方面增强学生对工程实验的信心.

2.3 工程实验的内容组织

应用技术的支持让实验自由度增加,意味着教学素材有了多种实现的可能. 组织内容时可将传统课堂中的物理、科学、信息等学科实验做以补充,增加新兴设备的应用. 例如,采用传感系统测量未知量,或在虚拟实验平台探究模拟物体的运动规律,或结合传感模块和图形化编程软件做出简单的情景交互效果,等等. 图3为学生在兴趣课上利用无线接收模块、电机控制模块、机械传动模块仿造校内后勤中心起重机改良的轮式抓取机器人. 通过该项目的制作,学生体会了软硬件结合的工作方式,应用计算机、机械、通信等不同学科的知识,切实体会了工程实践的实施过程.

图3 轮式抓取机器人

教具设计和制作也是工程教育和实验教学有机融合的途径,经过对实验原理的充分理解,自主制作实验系统或其中部件,研究问题的基本规律和解决方法,真正达到“动手、动脑、做中学”的教育目标. 学校提供实践项目支持,包括实验设备、工具和材料,以及实验指导和技术支持. 通过设计、制作专用教具,一方面让学生在实践项目中得到指导,实现理论与实践的有机结合;另一方面亦逐步改善创客实验室的条件,形成良性循环. 图4是学生学习激光切割机和3D打印机操作过程中,自主设计制作的“操作警示牌”“3D-ONE建模教具”.

图4 学生设计的教具

综上所述,教学改进应以现有资源扩展为方向,包括扩充器材、增设项目、加深难度等横向和纵向扩展,综合提升创新乐趣和创客技能. 可扩展的内容如图5所示.

图5 中小学工程技术实验的教学扩展内容

3 中小学工程技术实验教学示例

3.1 延伸传统实验

在讨论力与加速度的关系实验中,加入使用数字化实验设备和编程软件的环节,经过简单的组合,可通过手的摆动力度直观演示“力的大小与加速度成正比”的效果(图6),增加互动的同时,激发学生对传感器应用等知识的好奇心. 如果进一步将传感模块做成小车,设计数字信号值与测量值的比例关系,可制作测量加速度的教具.

(a)施加加速度前 (b)施加加速度后图6 使用传感器演示力与加速度的关系

3.2 拓宽技术应用

选择入门快、上手容易的软硬件,在第一次实验课时进行快速制作创意作品实践,首先学习操作简单的智能化仪器,再根据工程问题的产生溯源理论基础,逆向教学避免了学生产生畏难情绪,提升学习乐趣. 图7是学生使用激光切割机制作的2个小作品,其中图7(a)为学生根据广东湛江当地非物质文化遗产——雷州石狗设计的一款二维卡通造型,并用激光切割机制作出了亚克力和木质板材2种材质的手机支架;图7(b)为激光切割机制作的拇指琴. 这些创客作品的配件只需掌握基本激光切割机操作即可在短时间内制作完成. 通过上述作品的制作,学生能够熟悉掌握仪器的使用,在后续教学中,教师再引导学生利用单片机和传感器制作能发出提示音效的手机架和具有电子调音功能的拇指琴等,以丰富整个创客单元.

(a)湛江雷州石狗手机支架

(b)DIY拇指琴图7 通过激光切割机制作的小创作

3.3 软硬结合、提升思考能力

将软件编程与硬件实物结合,设计动画与现实的情景交互内容. 如图8所示,采用界面丰富、操作便捷的图形化软件和高度集成开源硬件,可实现舵机转动与动画中手掌摆动同步的效果. 情景交互题目在进行逻辑思维训练的同时还模拟现实场景搭建,加深学生对真实工程问题的体会和思考.

图8 Arduino情景交互编程

3.4 分享科学创作

物体三维结构的认识对于中小学生较为抽象,传统课堂采用手工画图和讲解的方法通常较为枯燥,可选用市面上针对基础教育研发的建模软件引导学生创建创作主页,这些软件界面色彩丰富、简洁,其网络社区还有分享功能,有利于学生在分享中获得乐趣. 图9为3D-One共享社区上中学生绘制的建筑模型和社区中其他中小学生的优秀作品. 另外,分析和讲解自己的创客作品可作为实验项目开展,让学生在现场讲演的基础上,拍摄创作步骤微课程,以短视频形式拓宽科学普及渠道,以青少年群体喜闻乐见的方式寓教于乐,使数字技术全方位赋能教育教学.

(a)3D-One共享社区

(b)学生测绘的校园建筑图9 青少年三维建模软件和共享社区

4 结束语

中小学创客课程主要的教学目标是“造物”,“造物”过程中产生的问题构成了各类工程应用课题,要解决这些问题,科学理论的解释和现实技术的支持二者相辅相成,并激发出新的技术和新的方法. 工程类综合实践作为开发创客项目的良好素材,仍待持续讨论和改进. 目前,国内的跨学科理念和创客教育碰撞产生了多元化的火花,在教学设计和课程开发方向取得了长足进展,本文从创客空间打造、创意示例挖掘、创新资源整合角度提供了思考和建议.