創(chuàng)客空間支持下的STEAM課程群建設(shè)

1、創(chuàng)客空間支持下STEAM課程群建設(shè)謝作如 劉正云【摘   要】創(chuàng)客教育的實(shí)施離不開創(chuàng)客空間，支撐創(chuàng)客空間的運(yùn)行需要STEAM課程的實(shí)施。溫州中學(xué)自2008年建立創(chuàng)客空間以來(lái)開展了各種STEAM課程，并在課程開設(shè)中實(shí)現(xiàn)課程結(jié)構(gòu)的扁平化及教學(xué)實(shí)踐的環(huán)環(huán)相扣，效果良好。本課題以此為基礎(chǔ)，旨在開發(fā)以創(chuàng)客空間為課后活動(dòng)場(chǎng)所，圍繞科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)習(xí)領(lǐng)域組織、規(guī)劃的一系列校本課程，以培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)和實(shí)踐能力及問題解決能力。【關(guān) 鍵 詞】創(chuàng)客教育；創(chuàng)客空間；STEAM課程群【作者簡(jiǎn)介】謝作如，浙江省溫州中學(xué)信息中心主任（浙江溫州 325014）；劉正云，南京師范大

2、學(xué)教育科學(xué)學(xué)院教育技術(shù)碩士研究生（江蘇南京 210024）。 隨著創(chuàng)客文化的風(fēng)起云涌，創(chuàng)客思想以其開源、共享、鼓勵(lì)創(chuàng)新等特性受到大眾認(rèn)可，創(chuàng)客教育也隨之興起。創(chuàng)客教育和STEAM教育（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)）有著天然的聯(lián)系，其基于真實(shí)世界和基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)特征，對(duì)青少年科學(xué)技術(shù)實(shí)踐能力的培養(yǎng)有著重要的作用。同時(shí)，創(chuàng)客教育關(guān)注軟硬件相結(jié)合的技術(shù)，能有效彌補(bǔ)基礎(chǔ)教育中的缺失。在國(guó)內(nèi)專家呼吁信息技術(shù)與通用技術(shù)及綜合實(shí)踐活動(dòng)、研究性學(xué)習(xí)等科目合并以提高青少年實(shí)踐能力和綜合運(yùn)用能力的同時(shí)，創(chuàng)客教育以其獨(dú)特的價(jià)值引起越來(lái)越多科技教育者的關(guān)注。創(chuàng)客教育的實(shí)施離不開創(chuàng)客空間的建設(shè)。事實(shí)上，創(chuàng)建創(chuàng)

3、客空間的過(guò)程并不復(fù)雜，但培養(yǎng)真正的創(chuàng)客很難。創(chuàng)客空間背后相應(yīng)的課程設(shè)置，將是支撐其不斷運(yùn)行并發(fā)展壯大不可或缺的因素。創(chuàng)客空間的可持續(xù)運(yùn)營(yíng)需要怎樣的創(chuàng)客課程作為支撐？由各個(gè)毫無(wú)關(guān)聯(lián)的動(dòng)手項(xiàng)目零散地拼湊抑或形成具備一定邏輯的課程體系？本文結(jié)合溫州中學(xué)STEAM選修課程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，依托創(chuàng)客空間研究STEAM課程群的體系架構(gòu)和教學(xué)實(shí)施，將創(chuàng)客活動(dòng)與學(xué)校特色課程結(jié)合起來(lái)，形成可復(fù)制的特色科目群。 一、STEAM課程群內(nèi)涵課程群是有緊密聯(lián)系的課程集合，不是其簡(jiǎn)單相加，能擺脫課程的單一性。一般而言，課程群有兩大屬性。一是課程內(nèi)容相關(guān)性。課程群的課程緊緊圍繞教學(xué)體系或培養(yǎng)目標(biāo)展開，課程間的知識(shí)、方法

4、、問題等邏輯聯(lián)系愈加外顯，有效促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的貫通及遷移應(yīng)用。二是課程內(nèi)容整合性。通過(guò)對(duì)課程群的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)來(lái)填補(bǔ)空白，刪除重復(fù)課程，實(shí)現(xiàn)整體效益的最大化。因此，課程群的內(nèi)涵可以界定如下：課程群是為完善施教對(duì)象認(rèn)知結(jié)構(gòu)，將本專業(yè)或跨專業(yè)中若干知識(shí)、方法、問題等有內(nèi)在邏輯的課程加以整合而形成的課程體系。1創(chuàng)客空間支持下的STEAM課程群是在課程群的內(nèi)涵指導(dǎo)下建設(shè)及完善的。STEAM課程強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)以及數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。STEAM課程群建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)在于各課程知識(shí)點(diǎn)的融合與分解?！叭诤稀笔怯幸庾R(shí)地減少甚至消除重復(fù)的課程內(nèi)容，“分解”則是對(duì)課程進(jìn)行再設(shè)計(jì)的過(guò)程，經(jīng)

5、過(guò)“融合”和“分解”，能凸顯核心課程內(nèi)容，有利于學(xué)生STEAM素養(yǎng)的培養(yǎng)和實(shí)踐動(dòng)手能力的提高。由于劃入課程群內(nèi)部的課程本身既相互關(guān)聯(lián)又彼此獨(dú)立，課程設(shè)計(jì)者需要對(duì)STEAM課程群的內(nèi)容非常熟悉，其對(duì)內(nèi)容進(jìn)行融合和分解操作的優(yōu)劣直接影響課程效果。在STEAM課程群中，科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)素養(yǎng)不是割裂地存在，而是有機(jī)結(jié)合的，因而跨學(xué)科學(xué)習(xí)是課程的核心內(nèi)容。但是，STEAM課程并非一定要均衡地承載科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)這五門學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容，不同的課程各有側(cè)重，不需要拘泥在STEAM的學(xué)科組合上，如Arduino創(chuàng)意機(jī)器人偏重于智能控制、互動(dòng)媒體技術(shù)則偏重于媒體交互。 二、溫州中

6、學(xué)創(chuàng)客空間建設(shè)創(chuàng)客空間是一個(gè)具有加工車間、工作室功能的開放實(shí)驗(yàn)室。溫州中學(xué)的創(chuàng)客空間建立于2008年，原是科技制作社的活動(dòng)場(chǎng)所，2013年向全校學(xué)生開放。創(chuàng)客空間器材清單如表1所示。其中，3D打印機(jī)、小型車床、焊臺(tái)等工具是其標(biāo)配。Arduino作為最著名的開源硬件，是STEAM課程群的主要實(shí)施平臺(tái)，配制的相關(guān)套件數(shù)量可供大班教學(xué)；Raspberry Pi、Banana Pi、pcDuino等多種硬件平臺(tái)，用于學(xué)生項(xiàng)目研究、實(shí)際開發(fā)創(chuàng)造或教師演示；小型激光雕刻機(jī)、3D打印機(jī)等加工工具，方便學(xué)生加工各種結(jié)構(gòu)件；各類成品、電子類書籍、設(shè)計(jì)創(chuàng)造類書籍給學(xué)生提供良好的自學(xué)支撐2。表1 創(chuàng)客空間器材清單項(xiàng)

7、目名稱數(shù)量電子Ardunio學(xué)習(xí)套件10互動(dòng)媒體技術(shù)學(xué)習(xí)套件16創(chuàng)意機(jī)器人學(xué)習(xí)套件16Scratch測(cè)控板、酷樂宅、Kinect、Makeblock、yeelight套件、樹莓派套件、pcDuino套件等若干加工小型焊臺(tái)1手持多功能電鉆1多用鋸套裝1檢測(cè)維修數(shù)字示波器1實(shí)驗(yàn)室工具套裝3防靜電工作臺(tái)，大小為（180×80×75）4展示/收納3D打印機(jī)（桌面型）2激光打印機(jī)1公用電腦2大屏幕電視機(jī)1不同規(guī)格的透明儲(chǔ)物盒30學(xué)習(xí)Arduino創(chuàng)意機(jī)器人教材及配套網(wǎng)絡(luò)課程、各種創(chuàng)客視頻若干各種創(chuàng)客書籍（含愛上制作系列、清華大學(xué)科技創(chuàng)新叢書系列）若干溫州中學(xué)創(chuàng)客空間是獨(dú)立于學(xué)生機(jī)房、

8、教室的存在，與校園圖書館相似，全天開放。創(chuàng)客空間里，創(chuàng)客指導(dǎo)師通過(guò)各種創(chuàng)客分享活動(dòng)，鼓勵(lì)不同年級(jí)、不同班級(jí)的學(xué)生觀察生活、發(fā)現(xiàn)問題,研究跨學(xué)科的綜合性項(xiàng)目，提升技術(shù)并交流創(chuàng)意。創(chuàng)客空間鼓勵(lì)學(xué)生在保證自身安全的前提下，動(dòng)手使用各種金屬、木質(zhì)、塑料甚至電子工具進(jìn)行創(chuàng)作，將想法轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)。創(chuàng)客空間亦是STEAM課程學(xué)習(xí)者練習(xí)、鞏固、拓展的活動(dòng)場(chǎng)所。學(xué)生通過(guò)選修課習(xí)得了基本工具、基礎(chǔ)知識(shí)與技能之后，可前往創(chuàng)客空間進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、作品制作、創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)等。創(chuàng)客空間提供的3D打印機(jī)、電烙鐵、基礎(chǔ)電子套件等多樣化器材與加工工具及創(chuàng)客指導(dǎo)師的深入指導(dǎo)、跨年級(jí)、跨班級(jí)同學(xué)之間的交流學(xué)習(xí)，都是學(xué)生學(xué)習(xí)STEAM課程堅(jiān)實(shí)

9、有力的保障。 三、STEAM課程群建設(shè)與實(shí)踐（一）扁平化的課程結(jié)構(gòu)創(chuàng)客空間支持下的STEAM課程群包含的各門課程在內(nèi)容上相互獨(dú)立、課程目標(biāo)各不相同，但彼此之間又是緊密銜接、互相依靠的關(guān)系。如圖1所示，各種STEAM課程組成了STEAM課程群，是一種扁平化的課程體系設(shè)計(jì)。考慮到STEAM做為校內(nèi)選修課程，很難自行建立嚴(yán)密的課程知識(shí)體系，扁平化看似簡(jiǎn)單，其實(shí)是一種睿智的選擇。各門STEAM課程的學(xué)習(xí)雖然沒有規(guī)定其前后關(guān)系，但其難度通過(guò)不同星級(jí)予以區(qū)別，其中一星最易、三星最難。在高一第一學(xué)期，基本上以開設(shè)一星難度的STEAM課程為主。圖1 創(chuàng)客空間支持下的STEAM課程群建設(shè)示意圖部分ST

10、EAM課程的簡(jiǎn)介如下。Arduino創(chuàng)意機(jī)器人課程選擇國(guó)際最著名的開源機(jī)器人平臺(tái)Arduino，遵循STEAM的教學(xué)理念，結(jié)合打孔器、3D打印機(jī)、激光切割機(jī)等工具，DIY個(gè)性化的機(jī)器人，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力、邏輯思維能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。跟我學(xué)App Inventor課程結(jié)合MIT實(shí)驗(yàn)室的App Inventor軟件展開教學(xué)。學(xué)生在運(yùn)用App Inventor平臺(tái)進(jìn)行手機(jī)應(yīng)用創(chuàng)意開發(fā)時(shí)充分利用手機(jī)上的各種傳感器對(duì)實(shí)際獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、應(yīng)用?；?dòng)媒體技術(shù)課程是一門涵蓋計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、傳感器技術(shù)和人工智能技術(shù)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的課程。通過(guò)研究互動(dòng)媒體作品中“有趣”的人機(jī)互動(dòng)技術(shù)，學(xué)生可以自己動(dòng)

11、手設(shè)計(jì)、制作互動(dòng)媒體作品，體驗(yàn)技術(shù)在生活中的應(yīng)用，提高STEAM素養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)課程關(guān)注的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。學(xué)生根據(jù)實(shí)際需求來(lái)搭建硬件、編寫程序，模擬實(shí)現(xiàn)物物相連。該課程可提高學(xué)生閱讀Arduino程序的能力，學(xué)會(huì)基本程序修改及利用物聯(lián)網(wǎng)解決實(shí)際問題。數(shù)學(xué)視界下的3D打印課程設(shè)計(jì)了“初識(shí) 3D 打印”“3D 數(shù)學(xué)博物館”“SCAD 基本操作”“SCAD 基礎(chǔ)立體模型”“SCAD 基本語(yǔ)言”“SCAD 綜合應(yīng)用”等專題，使學(xué)生了解數(shù)學(xué) 3D 建模的過(guò)程，重在培養(yǎng)學(xué)生的建模意識(shí)，提高學(xué)生的推理論證、運(yùn)算求解、數(shù)據(jù)處理、語(yǔ)言組織、語(yǔ)言表達(dá)等基本能力。從上述培養(yǎng)目標(biāo)中，可看出該STEAM課程群內(nèi)容豐富

12、，重點(diǎn)突出，能很好地培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)科知識(shí)(生物、化學(xué)、地理、物理等)理解并改造自然界的能力，正確理解、使用、管理以及評(píng)價(jià)技術(shù)的能力，發(fā)現(xiàn)以及解決真實(shí)情境下數(shù)學(xué)問題時(shí)的邏輯分析與交流能力以及對(duì)技術(shù)的工程設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程的理解能力。3（二）環(huán)環(huán)相扣的教學(xué)實(shí)踐STEAM課堂強(qiáng)調(diào)學(xué)生在“雜亂無(wú)章”的學(xué)習(xí)情境中的設(shè)計(jì)能力與問題解決，要求學(xué)生將學(xué)習(xí)到的各學(xué)科知識(shí)與過(guò)程轉(zhuǎn)變成探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面。在教學(xué)過(guò)程中，大部分STEAM課程采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)法，將課程內(nèi)容分解成具體項(xiàng)目進(jìn)行教與學(xué)，把知識(shí)講解和實(shí)際實(shí)踐有機(jī)地整合在一起，給學(xué)生充足時(shí)間在實(shí)踐中解決實(shí)際問題。例如，Arduino創(chuàng)意機(jī)器人將課程分為三個(gè)單

13、元，從LED、風(fēng)扇、小車三個(gè)方面進(jìn)行項(xiàng)目聚類（見表2）；跟我學(xué)App Inventor將課程分為入門篇、游戲篇、學(xué)習(xí)篇、實(shí)踐篇（見表3），通過(guò)由淺入深、循序漸進(jìn)的課程內(nèi)容，最終要求學(xué)生能完成一個(gè)功能相對(duì)完整的APP。表2 Arduino創(chuàng)意機(jī)器人課程安排章專題課時(shí)第一章LED專題一：點(diǎn)亮LED2專題二：按鈕控制的LED2專題三：創(chuàng)意LED2第二章 智能風(fēng)扇專題一：智能風(fēng)扇2專題二：變速風(fēng)扇2專題三：創(chuàng)意風(fēng)扇2第三章 智能小車專題一：會(huì)走路的小車2專題二：避障小車2專題三：循線小車2 表3 跟我學(xué)App Inventor課程安排學(xué)習(xí)主題課時(shí)第一單元 入門篇第1課 認(rèn)識(shí)安卓12第2課 走

14、進(jìn)安卓編程世界1第二單元 游戲篇第3課 畫筆118第4課 畫筆21第5課 剪刀石頭布11第6課 剪刀石頭布21第7課 貓捉老鼠11第8課 貓捉老鼠21第9課 打雪怪11第10課 打雪怪21第三單元 學(xué)習(xí)篇第11課 數(shù)字高手14第12課 難記單詞搖一搖1第13課 自測(cè)題11第14課 自測(cè)題21第四單元 實(shí)踐篇第15課 遙控小車14第16課 大抽獎(jiǎng)1第17-18課 云旅游2 另外，本STEAM課程群在開設(shè)中需要注意以下幾點(diǎn)。一是課程開設(shè)時(shí)間。為了確保學(xué)生的實(shí)踐時(shí)間，STEAM課程基本上采用兩節(jié)課連上的方式開展；二是學(xué)生選課規(guī)則。本STEAM課程群中的幾門課程都是作為選修課供學(xué)生自由選擇的

15、。學(xué)生每次只能選擇一門課程，且不能重復(fù)選擇；三是課程軟硬件平臺(tái)。本STEAM課程群中，基本采用開源軟硬件為課程平臺(tái)，如在硬件方面采用Arduino、樹莓派等，在編程方面采用ArduBlock、Mixly、App Inventor、Scratch、S4A和Processing等軟件，在3D建模方面則分別使用SketchUp和OpenScad等。 四、STEAM課程群實(shí)施影響（一）對(duì)學(xué)生的影響學(xué)生根據(jù)STEAM課程所學(xué)的知識(shí)、技能，消除對(duì)先進(jìn)技術(shù)的畏懼心理，掌握先進(jìn)科技理念，提高動(dòng)手能力，增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)問題、解釋問題并解決問題的信心。很多在STEAM課程學(xué)習(xí)中掌握“造物”能力的學(xué)生在課余時(shí)間常

16、停留在創(chuàng)客空間，并制作出很多出色的作品。例如，多合一遙控機(jī)器人的制作：學(xué)生將遙控器與手機(jī)合為一體，用更多的方式（如語(yǔ)音）去控制小車，根據(jù)手機(jī)發(fā)出的不同指令，小車實(shí)現(xiàn)相應(yīng)效果，制作出會(huì)跑、會(huì)發(fā)光、會(huì)唱歌、會(huì)講故事的智能小車；又如，F(xiàn)laperon遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：該平臺(tái)基于網(wǎng)絡(luò)，利用RTMP流媒體、Flash、JavaScript、PHP等技術(shù)，以MySQL為服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，通過(guò)平臺(tái)提供的API與實(shí)驗(yàn)端設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開放平臺(tái)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易用、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)共享分析，可應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、萌寵養(yǎng)殖等方面；再如，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的小雞孵化實(shí)驗(yàn)：學(xué)生以Arduino為平臺(tái)控制加熱器設(shè)計(jì)

17、出小雞孵化器，將溫度、濕度傳感器的數(shù)值上傳到Y(jié)eelink平臺(tái)，以WEB圖表的形式展示出來(lái)，供學(xué)生進(jìn)行深入研究。同時(shí)，通過(guò)電子設(shè)備的攝錄觀察到小雞破殼出蛋的全過(guò)程。學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)中將課本上的物理、生物知識(shí)靈活地運(yùn)用到具體情境中，既增添了對(duì)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，又真正地體會(huì)到了“做中學(xué)、玩中學(xué)”。這些學(xué)生由于在“造物”方面的科技特長(zhǎng)而在國(guó)內(nèi)各大高校的自主招生中脫穎而出。尤其值得高興的是，這些經(jīng)過(guò)STEAM課程學(xué)習(xí)的學(xué)生對(duì)自己的愛好有了明確的認(rèn)識(shí)，在高考選擇志愿時(shí)都有一個(gè)明確的職業(yè)規(guī)劃和為之努力的奮斗目標(biāo)。（二）社會(huì)影響溫州中學(xué)創(chuàng)客教育的實(shí)施已經(jīng)成為我國(guó)創(chuàng)客教育的一個(gè)范本，中國(guó)教育報(bào)浙江教育報(bào)等媒體都對(duì)其

18、進(jìn)行了報(bào)道。僅2014年，就有數(shù)十個(gè)來(lái)自全國(guó)各地的教育團(tuán)隊(duì)前來(lái)參觀。互動(dòng)媒體技術(shù)Arduino創(chuàng)意機(jī)器人數(shù)學(xué)視野下的3D打印等課程先后被評(píng)為浙江省精品選修課程，由7門課程入選浙江省推薦網(wǎng)絡(luò)選修課程。此外，學(xué)校還承擔(dān)了溫州市創(chuàng)客教師培訓(xùn)的任務(wù)。在建設(shè)STEAM課程群的同時(shí)，學(xué)校將相對(duì)成熟的課程傳到網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行開源共享。Arduino創(chuàng)意機(jī)器人為國(guó)內(nèi)第一個(gè)完整的開源課程，提供了所有課程資料，包括電子教材、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)PPT、微視頻等。同時(shí)，學(xué)校還建立了QQ群，以為更多的教師提供技術(shù)支持。截至2015年11月21日，Arduino創(chuàng)意機(jī)器人的共享資源自2014年6月18號(hào)開放共享以來(lái)已經(jīng)被瀏覽2210次，下載1021次，保存583次。目前，學(xué)校已經(jīng)與人民郵電出版社達(dá)成協(xié)議，Arduino創(chuàng)意機(jī)器人教材將在2016年1月出版?；趧?chuàng)客空間的STEAM課程群的建設(shè)實(shí)施，給基礎(chǔ)教育開展STEAM教育