混合式高职创客教育教学效果分析及启示

王小金 陈文沛 沙海银

关键词：高职院校；创客教育；混合教学

0 引言

创新是国家发展源源不断的动力，高职创客教育被赋予学生创新能力培养的使命，在数字时代，互联网是保障，数字资源是基础，数字技术、智能技术为教学深入改革提供支撑。2023年2月，世界数字大会上，教育部介绍全国中小学互联网接入率已经达到100%，我国基本建成了世界第一大教育教学资源库，充分利用数字技术，利用大数据、人工智能等技术，使得技术与教学融合更加深入。以湛江幼儿师范专科学校为例，由于学校发展的重心从旧校区到新校区，旧校区的教学环境落后、机房设备老旧，软硬件的连接上，存在编译时间过长，严重影响学生的学习积极性和教师教学进度，使教学效果大打折扣。为此，本学期教学迫切需要一种降低机房设备硬件条件、又能满足学生实训学习的在线网络平台。Wokwi仿真平台是一种免费的在线平台，提供了丰富的教学案例、虚拟仿真的电子元件、即时的虚拟实验效果，基本满足教学的需求，为教师授课演示、学生实训效果提供保证。创客教育是富有探究性的课程，基于项目式教学方法，学生动手做是非常重要的环节，这强调了实验教学的重要性。然而，相比真实实验，虚拟实验具有便利性、重复试错率等特点，在实际教学中得到广泛应用和推广。然而，真实实验和虚拟实验混合式教学效果如何？学生的学习兴趣倾向在哪个方面？这对提高学生创客教育课程学习兴趣和效果具有非常重要的作用，也是本研究的主要问题。

1 理论基础与相关研究

1.1 具身认知理论

具身认知（Embodied Cognition） 的核心要义包括：认知过程的进行方式和步驟实际上是被身体的物理属性所决定的；认知的内容是身体提供的；认知、身体、环境是一体的，认知存在于大脑，大脑存在于身体，身体存在于环境。也就是说，认知过程深深地植根于身体与它周边物理环境的交互之中[1]。具身认知理论认为具体、形象的身体经验是建构知识的途径，这和直观教学法主张运用真实事物为载体传递教学信息[2]。Black等人通过设计系列具身性活动来“做”数学，由此提出一个可用于课堂场景的具身教学框架（IEF，Instructional Embodied Framework） 。该框架指向正式教学场景，通过设计不同类型的具身作为学生的投入性活动， 以利用行动和感知来发展对概念的理解。以国家智慧职教平台为例，在线仿真课程教学为实训学习提供了丰富的实验资源。创客教育课程基于Arduino开发板进行理论和实践的讲解，引入在线仿真教学平台，提供高度仿真的电子元件、电路连接和在线编程相结合的功能，能够即时反馈实验结果，具有一定的真实性，学生体验性较强，反响较好。

1.2 虚拟仿真实验与真实实验的概念

虚拟仿真实验是一种基于虚拟现实、计算机网络、人机交互、人工智能等技术构建的开放式网络化的实践教学手段，实现教学实验中实验设备和实验项目的数字化和虚拟化[3]，为用户提供一个可实时交互的“实验现场”，使得学生能够不受时间和空间的限制，不受输入设备和实验平台的限制，利用自己的经验对所学知识进行探索、验证、强化和应用等[1]。真实实验广泛应用于物理、化学、生物、电工电子等学科领域，利用实物完成教学实验的过程，从而达到培养学生动手能力、实验设计能力、创新能力的作用。以物理类实验为例，对培养学生科学素养和提高学生科学实验能力、创新能力有着重要的作用[4-5]。

虚拟仿真实验和真实实验的混合式教学模式成为探究性实验的常用教学方法，有研究者通过实验设计的方法发现虚拟实验和真实实验混合教学能够为不同的实验形式提供优势互补，比单一的教学方法学习效果更好[6]。以物理学科为例，交互型虚拟实验能够打破时间和空间的限制，具有较强的推广性[7]，有助于提高学生的学习兴趣，增强实验参与感，提高学生学习成绩[8]。

1.3 高职创客教育课程介绍

创客教育旨在培养学生的创新思维能力，通过Arduino开发板与各类传感器如温湿度传感器、蜂鸣器、火焰传感器、显示屏、舵机、红外、测距、蓝牙通信、电机、Wi-Fi等综合应用，最后为解决一个特定领域的生活问题而生成的创意作品。研究者在探寻高职创客教育课程实施路径，如创新学习方式、创客文化建设、创客导师制、项目化创客制度等[9]，有研究者利用创客教育与高职课程深度融合，达到创新人才的培养目标[10]；或高职教改背景下，采用创客教学法，构建混合式教学模式，有效地提高学生的学业成绩[11]。

在本研究中，以湛江幼儿师范专科学校为例，创客教育以独立课程的形式存在，主要面向工科类专业，如工业机器人、应用电子技术、数字媒体技术等，要求学生有一定的编程基础如C语言、图形化编程等，在完成课程实践后，以大学生创新创业大赛为契机，结合智慧智能技术，检验教学成效。如智慧停车场、智能红绿灯、智能保险箱等作品设计的完成，作品部分截图如图1和图2。

2 研究设计

2.1 设计过程

创客教育课程的实施以实训为主，通过虚拟仿真或实物的形式，结合程序设计，生成具有一定智能的新产品的过程。本学期采用虚拟仿真实验和实物实验进行混合式教学，在1～9周以Wokwi为平台的虚拟实验，在10～16周进行真实实验，其中，真实实验以2 ～3个人进行小组学习，每个小组一个Arduino套件，里面包括Arduino开发板和各类常见的传感器；虚拟实验教学以个人学习为主，利用电脑进行线上虚拟仿真实验，使用的是wokwi.com进行Arduino开发板的虚拟仿真实验。期末考核作品设计以小组的形式，在虚拟实验和实物实验中选择其一，最后对两个班的学生进行学习兴趣和学习效果进行问卷调查，并对学生进行抽样访谈。最后，期末作品共分24组同学，其中有4组同学选择了虚拟实验+外观设计，有20组学生选择实物实验。

2.2 研究工具

1） 问卷调查法：使用《高职学生创客课程学习效果问卷》对每个班的学生进行调查。问卷设计分四个模块，模块一：期末小组作品的实现情况；模块二：学生知识与技能掌握情况；模块三：学生情感态度价值观；模块四：对课程的总体看法，包括是否喜欢该门课程、倾向哪种教学模式、上课表现等，除此之外，学生基本信息有性别和班级。

2） 访谈调研法：实验结束后，对个别学生进行抽样调研。访谈围绕“Q1：与其它实验探究课程相比，您认为我们本学期的教学有什么不同的地方？您喜欢这样的学习方式吗？”“Q2：在本学期学习过程中，您最喜欢哪个教学环节？为什么？”“Q3：对于本课程的学习当中，您遇到了什么困难？”“Q4：通过本学期的学习，您学到了什么？”“Q5：对于将虚实混合实验教学应用到创客教学中有什么建议？”通过随机抽样的方法，选择线上或线下的访谈调研方法，调查了10名学生，按照比例随机选择7名男生和3名女生，样本涵盖了优良中差不同层次的学生，层次划分由平时表现和期末作品为综合考核。

2.3 数据收集

在学期教学最后一次的课堂上，现场发放问卷71 份，回收问卷71份，有效问卷67份，有效率94.4%。从班级来说，参与工业机器人专业班级43人，数字媒体技术专业24人；女生21人，男生46人。

3 数据分析

3.1 描述性分析

从上表1可以看出，学生在知识与技能的掌握上满意最高，包括各类传感器的使用、图形化编程的思路、小组探究过程，但是在期末现场期末作品实现情况上的掌握缺乏信心，标准偏差和方差最小，表明了学生对此模块的调查上一致性较弱。在情感态度价值观上，表现较为稳定。

从上表2可以看出，学生在知识与技能的掌握上满意最高，在期末现场期末作品实现情况上的掌握缺乏信心，标准偏差和方差最小，表明了学生对此模块的调查上一致性较弱。在情感态度价值观上，表现较为稳定。

在教学评价上，有58.2%的学生认为本次教学和实践“有趣富有挑战，通过团队合作，自己动手，实现自己的创意”，有28.4%认为“很有趣，我尽力参与课堂”，有9.0%认为“有趣，但是条件有限，无法充分参与”，有4.5%认为“很无聊，我不感兴趣”。在小组合作过程中的人数分组里，79.1%的学生认为3个人一组更合理，10.4%学生认为4个人一组更合理。

结合实际课堂教学，本学期采用的是线上虚拟仿真实验和线下真实实验教学相结合，其中有62.7%学生表示很喜欢“前半学期Wokwi线上虚拟仿真实验教学，后半学期Aruino实物实验教学”，有11.9%的学生希望“ 前半学期Aruino 实物实验教学，后半学期Wokwi线上虚拟仿真实验教学”，有11.9%的学生希望“整学期都是Wokwi 线上虚拟仿真实验教学”，有13.4% 的学生希望“整学期都是Aruino 实物实验教学”。在教学内容上，有52.2%学生表示“搭建和编写二者我都喜欢”，有26.9%学生表示“更喜欢搭建，不太喜欢编程”，有14.9%学生表示“更喜欢编程，而不太喜欢搭建”，有6%的学生表示“二者我都不喜欢”。由此看出，线上与线下相混合的创客教学模式被大部分学生所接受，并且能够较好地传授教学知识，提高学生的学习兴趣，达到预期的教学效果。

3.2 独立样本t 检验

在独立样本t 检验数据分析中发现，不同性别的学生在课程教学评价、参加创客比赛和完成期末作品设计报告上具有显著的差异性，如表3和表4所示。

由表3和表4中可以看出，男女生在本次教学和实践的整体评价、参加创客比赛和完成期末作品上有显著差异，这意味着女生在参加创客、科技比赛和完成期末作品的意愿以及课程教学评价上显著高于男生的意愿，在小组合作完成期末作品设计过程中完成度更高，参加创客比赛的意愿更为强烈，为此，应积极鼓励女生组队参加创客科技比赛，发展创客学习兴趣，做出更优秀的作品，对于男生来说，以引导为主，提升他们的学习积极性。在教学和实践的整体评价上，女生能够充分体会到创客教学有趣富有挑战，能够通过团队合作实现自己的创意，且有趣性比男生更高。

3.3 访谈文本分析

在学期课程结束之后，对学生访谈调研，并对学生的回复进行了文本分析。分析结果如下：

1） Q1：与其它实验探究课程相比，您认为我们本学期的教学有什么不同的地方？您喜欢这样的学习方式吗？

10名学生均表示喜欢这种方式，原因有理论与实践相结合，增加学生动手能力，对学生的创新思维培养有正向的引导作用，除此以外，学生对教师上课的风格表示比较喜欢。

2） Q2：在本学期学习过程中，您最喜欢哪个教学环节？为什么？

8名学生表示喜欢分组动手做作品的环节，实践操作过程是理论与实践相结合的过程，对学生来说是一个考验，有助于培养学生的学习成就感；有2名学生喜欢师生互动环节，课堂气氛活跃有趣。

3） Q3：对于本课程的学习当中，您遇到了什么困难？

实操过程中硬件连接或编程问题是学习中最大的困难。如“在网页创建蓝牙模块的App开发比较难，在各组不协调地使用蓝牙干扰了连接不成功；器件的调配问题”和“一些运作结果达不到理想状态”。

4） Q4：通过本学期的学习，您学到了什么？

学会了电子器件的认识、仿真实验操作、理解能力、学习能力、小组协作能力、沟通能力等，学到了创客的基本内容。

5） Q5：对于将虚实混合实验教学应用到创客教学中有什么建议？

有6名學生认为增加实操课，指出从虚拟平台到实物操作融会贯通存在一定的困难，需加强硬件的作用和原理的讲解。在完成作品的过程中，将虚拟平台和实物操作结合起来，同时进行。有些硬件零件缺乏，影响实操进程；有1名学生提到教师要了解小组的任务分配，加强指导；有3名学生没有提出建议。

通过访谈调研文本得知，学生对本学期课程教学方式表示一致喜欢的态度，主要原因是理论与实践为主，尤其是注重实践动手操作，能够让学生直接体会到动手的乐趣。存在的问题有硬件的连接和软件的编程，两者出现的概率基本持平，这表明硬件的连接和软件的编程是较容易出现问题；在对教学的建议上，要多增加实践的机会，并且对硬件的原理和功能进行详细的说明，根据不同学生的特点分配任务，能够有序地引导学生完成实践操作。

4 结论与启示

4.1 研究结论

1） 学生对本次创客教育教学模式持有正面的学习态度

从学生对课程的总体评价中可以看出，大部分学生表现出对课程学习的喜欢，很愿意学习并且喜欢这种混合式的创客教育教学模式。超过80%的学生认为课堂很有趣，虽然课堂受限，但是会尽量参与小组学习，完成课堂学习要求和作品设计。主要原因是教学方法多样，师生互动强，理论与实践相结合的教学方式能够有效地吸引学生的注意力，提高学生学习兴趣。

2） 混合式创客教育教学模式在学生创客技能培养过程中取得较好的效果

从期末作品实现情况、创客教育知识与技能以及学生情感态度与价值观的数据分析中可以看出，调查结果处于符合和很符合之间，这意味着本次创客教育教学模式达到了预想的三维目标，且以小组合作的方式，在限定的时间内，现场完成期末作品设计，对学生动手操作能力得到一定的验证。本次创客教育采用线上虚拟仿真实验和线下实物实验相结合的方式，具体时间安排为1～9周进行线上虚拟仿真实验，10～15 周进行线下实物实验，期末作品可以选择线下实物或线上虚拟仿真，较为优秀的实物作品有智能红绿灯的设计、智慧停车场，较为优秀的虚拟仿真实验作品有智慧保险箱。

4.2 对策建议

1） 混合式教学中应以真实实验为主、在线仿真为辅

通过访谈调研中可知，学生建议应以真实实验为主、在线仿真实验为辅，注重学生动手做；应提供更多有趣的实践案例教学，提高学生的学习兴趣，制作更多有趣的作品。本次创客教育教学是教师的首次尝试，取得较好的成效，那就是对学生创新能力的培养，如有趣的案例、有梯度的难度设计、软硬件的作品设计等都是创新的热点词。

2） 根据学生特点进行任务分层设计

本课程的教学中，使用Arduino开发板和图形化编程工具共同实现各类传感器的过程，涉及线路的连接和编程设计，是教学的重点和难点，部分学生在线路连接或编程设计中存在一定的困难，对于不同专业的学生侧重点不同。例如对于工业机器人专业学生应倾向于编程设计思路的讲解，对于数字媒体专业应倾向于传感器的功能、原理和连接进行讲解，辅之以编程设计。除此以外，在同专业不同学生知识水平进行任务分层设计，以期达到最优的效果。